수의과대학 수의학과 현상환 교수

 본 지면을 빌어, 동물의 생식세포(Germ cells)를 이용한 연구 분야를 소개하고자 하며, 기술하는 내용은 충북대학교 출판사에서 출간된 “미리 가보는 수의학교실(2011)“의 원문에서 인용되었음을 밝힌다. 1997년, 복제양 돌리의 탄생을 시작으로 소, 쥐, 돼지, 개, 최근에는 낙타까지 복제에 성공하였다는 소식을 접한 바 있다. 또한, 줄기세포 분야는 전 세계적으로 집중 연구개발 되고 있는 최신의 연구분야이다. 이 분야는 발생학(Embryology, Development)의 전통적 자연과학 기초학문에서 출발하여 유전자 재조합 기술(recombinant DNA technology) 등의 분자생물학적 기법이 접목되어 응용성이 결합된 유전공학(Genetic Engineering), 발생공학 (Developmental Biotechnology), 수의생물공학(Veterinary Biotechnology) 및 임상학문인 수의산과학(Veterinary Obstetrics) 등의 학문으로 발전되어져 왔다. 특히, 학문적-산업적 가치를 고려하면, 위 연구분야 중 형질전환 동물 생산 연구분야는 전세계적으로 우수한 연구집단이 경쟁적으로 연구하고 있는 분야에 해당한다.

형질전환동물 (Transgenic Animals)
형질전환동물이란, 인위적 조작에 의한 외부의 유전자를 도입하여 새로운 유전형질을 갖게된 동물을 말한다. 1982년, 최초로 사람의 성장 호르몬 유전자가 도입된 생쥐의 수정란을 대리모에 이식한 Super Mouse 생산이 보고된 바 있다. 외부 유전자를 도입하는 기술로는 미세주입기법(Microinjection), 바이러스 및 정자를 운반체로 이용한 다양한 벡터의 도입, 배아줄기세포를 이용한 Chimera 동물 생산 및 형질전환 세포주를 이용한 체세포핵이식 (Somatic Cell Nuclear Transfer, SCNT) 등이 있다. 최신의 생명공학 기법을 이용한 형질전환동물 연구개발 및 응용 분야는 ① 효율적 산업동물의 개량 및 생산효율의 증대, ② 유용생리활성물질의 생산을 위한 Bioreactor 개발, ③ 질환모델 개발을 통한 발병기전 연구 및 신약개발 분야로의 적용, ④ 질병저항성모델 개발을 통한 새로운 진단기법, 백신 및 항바이러스제제 개발분야로의 적용, ⑤ 바이오장기 개발 등 현재 IT 중심의 산업체계에서 BT 중심 산업체계로의 새로운 패러다임을 이끄는 잠재적 고부가가치 수익 창출 분야로 인식되고 있다.

① 효율적 산업동물의 개량
○ 인류는 농경문화가 시작된 1만년전보다 약 150배 이상 증가된 68억 인구와 과학기술발달로 야생동물의 가축화 및 산업동물의 인위적 육종을 거쳐 필요한 형질만을 선별하여 현대의 산업동물로 발전시켜 왔음
○ 산업화를 통한 인구증가와 식량난에 허덕이게 되면서 전세계적으로 식량안보가 중요해졌고, 기초적 생명공학기법을 이용하여 개량되어 온 생산성 높은 우수형질의 산업동물을 이용하여 안정적 1차 산업체계를 도모하게 되었으며, 인류의 식량난을 해결하게 되었음
○ 1980년, 성장호르몬 유전자 형질전환 생쥐가 보고 되고, 성장속도가 일반생쥐보다 두 배가 빠르고 몸집이 두 배가 큰 “슈퍼 생쥐” 생산을 통하여 형질전환 동물의 잠재적 가치가 예견된 바 있음
○ 미국 농무성, 성장호르몬 유전자를 돼지에 도입함으로써 성장속도가 빠르며, 사료 효율이 훨씬 좋고, 등지방 두께가 반으로 줄어든 형질전환 돼지 생산
○ 현재 산유능력, 산육능력, 산란능력 및 번식능력이 증진된 가축을 생산하여 새로운 품종으로 상품화하려는 연구에 여러 나라가 치열한 경쟁을 벌이고 있으며, 소의 경우 10-30% 우유 생산, 5-15% 증체량 및 3-16% 사료 효율이 증가되며, 돼지는 20% 내외의 성장률과 사료효율이 높아지고 등 지방 두께가 50-70%정도가 감소하여 생산원가 절감과 품질향상 면에서 그 산업적 응용성이 매우 크다고 보고하고 있음

② 유용생리활성물질 생산을 위한 Bioreactor 개발
○ 최근 생명공학 기술 발달로 미생물, 동물세포 및 동물을 이용한 유용생리활성물질을 대량생산하는 것이 가능하게 되었음
○ 미생물을 이용한 유용생리활성물질 생산은 미생물의 단백질 발현 및 합성기작이 포유동물과 달라 인간에 필요한 유용생리활성물질과 동일하지 않음
○ 동물세포의 Bioreactor 개발은 미생물의 단점을 보완할 수 있지만, 배지비용 및 관리비용이 고가로서 투자대비 생산성을 고려하였을때, 대규모 생산규모 및 기업화가 어려움
○ 동물을 이용한 Bioreactor 생산 시스템은 미생물 및 동물세포를 이용하는 것보다 시설투자 및 시설유지비용을 최소화하여 1/1,000 정도로 비용을 절감할 수 있으며, 대장균에서 생산하는 단백질과 달리 인체에 보다 적합한 동일 구조 단백질을 생산하기에 안전성 확보에 유리함
○ 이에, 형질전환 동물 생산기법을 이용한 Bioreactor 개발이 가장 유력한 산업화 도구로 인식되어, 미국, 영국 및 네덜란드의 세계적 기업연구소에서 상당한 수준까지 연구가 진행되고 있으며 산업화를 위한 단계로 발전되고 있는 실정임
○ 생의약제로서 유용한 생리활성물질의 각 제품별 시장성을 보면, 2004년 기준, mAbs 치료제는 15조원, EPO는 9조6천억원 이상의 시장성을 가지고 있으며, HIV 환자에게 필요한 Lactroferrin은 6조원, 혈전용해제 AT-III은 3조6천억원, 혈전증 치료제 tPA는 2조4천억원 등 전세계 생의약제 시장은 60조원 이상을 상회하고 있음

③ 질환모델 개발
○ 인간에서 발생하는 수많은 질환에 관한 발병기전, 진단 및 치료연구는 주로 시험관내에서 배양된 세포수준에서 시도되고 있으나, 생물체의 조직 및 장기의 유기적 복잡한 과정으로 인하여 세포수준에서의 연구 결과는 신뢰도에 한계가 있음
○ 인간을 대상을 직접 질환 연구를 함에 있어, 연구대상 부족, 장기간의 연구기간 소요 및 윤리적 문제로 인한 제한으로, 동물을 이용한 질환모델 개발 연구의 필요성이 제기되어 주로 마우스와 랫 등의 설치류를 이용한 질환모델이 제작되고 있음
○ 또한, 신약개발 연구에 있어, 전통적인 방법으로는 전임상시험 단계를 거쳐 임상시험단계인 인간을 대상으로 질병에 대한 직접적인 치료효과를 입증하였으나, 개체별 변수의 다양성으로 인해 신뢰성이 부족한 측면이 있으며, 질병치료에 이용될 수 있는 타겟단백질 및 단백질에 작용하는 화합물 개발 등의 새로운 방법으로 변화를 모색하는 등 질환모델의 필요성이 대두되게 되었음
○ 현재 전 세계적으로 1년에 약 1,000 여 종류의 질환모델 동물이 형질전환 기법을 통하여 만들어지고 있으며, 현재 주로 사용되고 있는 실험동물 마우스의 경우, 일반마우스의 단가는 1,000원 정도이며 형질전환 마우스의 경우 단가는 500,000원~1,500,000원 정도로 일반마우스의 수 백배 이상의 상업적 가치를 가지고 있음

④ 질병저항성모델 개발
○ 질병에 대한 저항성이 강화된 동물생산을 위하여 항병성 유전자, 항체 유전자 및 바이러스 유전자 등을 도입시킨 형질전환 동물 생산 연구가 전 세계적으로 활발함
○ 닭 백혈병 바이러스 저항성 형질전환 병아리 생산이 보고된 바 있으며, 최근 광우병 및 구제역 등 악성 질병이 창궐하면서 산업동물의 식량으로서의 이용 감소 및 사회적 불안감이 증폭되어, 이러한 악성질병에 저항성을 갖춘 형질전환 모델 개발이 시급한 상황임
○ 이러한 질병저항성모델 개발은 생산능력 등 산업체계의 안정성 확보 뿐 만 아니라, 향후 발생 가능한 변종 바이러스에 대한 신규 항바이러스제제 발굴, 백신개발 및 진단키드 개발 연구에 유용한 기반기술임
○ 또한, 동물-사람간 전파될 수 있는 인수공통전염병인 경우, 단순한 동물 대상의 질병치료-예방 차원이 아닌 국가의 경제-사회적 안정 유지와 위기 극복에 대비한 필수 연구개발분야로 부각되고 있음

⑤ 바이오장기 개발
○ 전 세계적으로 핵가족화 및 저출산 고령화에 따른 난치성 질환에 대한 범정부차원의 관리가 시급하며, 난치성 질환 치료를 위한 신약 및 바이오장기의 수요가 급증하고 있음
○ 차세대 난치병의 근원적 극복을 위한 국가 성장동력으로서 바이오장기 및 생물공학 연구분야에서도 재생의학 및 장기이식용 복제동물의 연구와 생산 등과 관련된 기술의 국제 경쟁력이 절실한 시점임
○ 향후 10년 뒤 동물장기의 대체이식분야 시장 규모는 약 50억 달러로 기대되고 있으며, 선진국에서는 앞 다투어 기술과 특허를 선점하기 위한 경쟁이 치열함 
  - 이러한 형질전환 동물 대상 중 돼지는 해부학적 생리학적으로 사람과 가장 유사한 동물로 주된 대상동물로 주목을 받고 있으며, 이를 위한 형질전환돼지의 생산에 관한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있음