유전자 변형 모기를 사용하여 말라리아와 뎅그열 피버의 확산을 방지

제 이름은 Anthony James입니다. 저는 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스의 미생물학 및 분자생물학부와 분자생물학 및 생화학부에서 겸임 교수로 재직하고 있습니다. 저희 실험실은 유전학이 매개체 전염성 질환의 조절에 기여하는 바가 있는지라는 간단한 질문에 대한 답을 찾기 위해 연구하고 있습니다.

본 연구의 구체적인 사례로, 저희는 모기 매개 질환인 말라리아와 뎅기열에 관심을 가지고 있습니다. 말라리아는 인명 피해 규모가 가장 큰 매개체 전파 질환으로, 연평균 약 20~30초마다 한 명의 사망자가 발생합니다. 뎅기 바이러스는 인명 피해 면에서는 말라리아만큼 심각하지는 않지만, 연간 약 50,000건에서 100,000건의 사례가 보고되며 전 세계 인구의 거의 절반에 영향을 미칠 수 있는 중대한 공중보건 문제입니다.

열대 지역에서 말라리아 및 뎅기열 바이러스와 같은 매개체 전파성 질환을 제어하기 위한 현재의 접근 방식은 살충제 사용이나 유충의 서식지 및 번식지의 감소를 통한 매개체 제어에 집중되어 있습니다. 말라리아의 경우, 치료 및 예방 약물의 사용과 더불어 모기와의 접촉을 차단하는 제어 조치가 시행됩니다. 여기에는 모기가 사람에게 접근하는 것을 방지하는 모기장 사용 및 기타 개인 보호 조치가 포함됩니다.

따라서 제가 언급했듯이, 유전학이 기여할 수 있는 부분이 있는지 질문하게 되었으며, 저희는 유전학을 고려하는 두 가지 영역을 설정했습니다. 그중 하나는 모기 개체 수를 줄이는 유전적 기술을 개발하는 것입니다. 이를 개체 수 감소라고 합니다.

두 번째 분야는 개체군 대체입니다. 여기서의 핵심 아이디어는 특정 병원체에 대한 저항성을 부여하는 유전자를 도입하여, 해당 유전자가 개체군 내에서 높은 빈도로 나타나게 하는 것입니다. 이를 개체군 대체라고 합니다.

매개체 전파 질환의 조절에 유전학이 역할을 한다고 생각하게 만든 두 가지 흥미로운 관찰 결과가 있었습니다. 첫 번째는 혈액을 섭취하는 진드기를 포함한 모든 곤충이나 절지동물을 살펴보면, 모든 흡혈 절지동물이 모든 질병을 전파하는 것은 아니라는 점을 알 수 있다는 것입니다. 이는 이러한 병원체들에 일부 숙주 제한이 있음을 시사하며, 실제로 그러한 것으로 밝혀졌습니다.

그리고 숙주 제한성에 대해 생각하다 보면 유전학적인 관점을 고려하게 됩니다. 두 번째 관찰 결과는 매우 간단한 기법을 통해 전파가 이루어지는 곤충 집단을 살펴보았을 때, 해당 곤충 집단 내에서 감수성이 매우 높은 집단과 매우 저항적인 집단을 선별할 수 있다는 것이었습니다. 이렇게 선별한 후, 간단한 유전적 교배를 통해 얼마나 많은 유전자가 관여하는지, 그리고 단순한 우성 또는 열성 관계가 존재하는지 등의 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다.

이러한 관찰을 통해, 특정 모기 종이 특정 병원체의 발달을 지원하는 데 유전적 요인이 중요하다는 매우 명확한 단서를 얻었습니다. 그리고 여기서 획득한 아이디어는, 저항성을 부여하는 이러한 유전자들을 모든 개체군에 퍼뜨릴 수 있다면 매우 훌륭하지 않을까 하는 것이었습니다. 이렇게 하면 문제가 되는 병원체만을 구체적으로 표적 삼을 수 있으며, 비표적 생물에 많은 영향을 주는 살충제 사용이나 환경에 지대한 영향을 미칠 수 있는 번식지 감소를 위한 환경 관리 등의 방법을 피할 수 있다는 장점이 있습니다.

살충제나 예방 약물을 사용하는 것과는 달리, 이러한 모기나 모기 내에서 증식하는 기생충이 이에 대해 어떠한 종류의 내성을 갖게 될 가능성은 낮을 것으로 예상합니다. 따라서 비표적 효과를 걱정할 필요 없이 완전히 질병 내성을 가진 모기를 개발하는 전략을 수립하는 것이 핵심입니다. 자연적으로 발생하는 내성을 살펴봤을 때, 매력적인 접근 방식은 이러한 천연 유전자 일부를 확보하여 개체군 내 빈도를 높임으로써 질병 내성 개체군을 형성하는 것이었습니다.

하지만 적어도 초기에는 이러한 유전자들을 실제로 확보하는 것이 매우 어렵다는 사실이 밝혀졌습니다. 그래서 저희 연구팀과 여러 다른 팀들은 기본적으로 내성을 부여할 수 있는 유전자를 구축하는 완전 합성 접근법을 채택했습니다. 이러한 상황에서 저희는 유전자를 두 가지 단순한 구성 요소로 나누었는데, 하나는 특정 물질을 언제, 어디서, 얼마나 생성할지를 결정하는 조절 부위였습니다.

그리고 내성을 부여할 수 있는 해당 유전자에 의해 실제로 생성된 산물인 감염 이펙터 부분이 있습니다. 따라서 이러한 유전자들을 어떻게 구축할지에 대한 분석 과정에서, 제어 부분이 이펙터 분자를 기생충이 실제로 존재하는 모기의 해당 부위에 배치하는 것이 중요하고 현명한 선택이라고 판단했습니다. 그리하여 우리는 적절한 위치에 물질을 배치할 수 있게 해주는 발달 조절 유전자를 탐색했습니다.

그리고 그 요소는 다시 한번 이펙터 분자(effector molecule)이며, 이는 유전자에 의해 생성되어 말라리아 기생충이나 바이러스에 직접적으로 작용하는 분자의 실제 부분입니다. 말라리아 연구의 경우, 기생충의 결합을 방해하고 모기 조직으로 침투하는 능력을 저해하는 이른바 단쇄 항체(single chain antibodies)를 개발했습니다. 뎅기 바이러스의 경우에는 RNAi 전략이라는 것을 개발했는데, 이는 모기의 세포 특성을 이용하여 바이러스가 모기 내에서 복제를 시도할 때 이를 분해하는 방식입니다.

따라서 우리가 이러한 합성 유전자 제작을 처음 고려했을 때, 우리는 문제를 구성 요소별로 나누어 분석했습니다. 첫 번째 구성 요소는 병원체를 전파하는 일반적인 모기를 전파 능력이 없는 모기로 실제로 만들 수 있음을 실험실에서 입증하는 것이었습니다. 그리고 앞서 언급했듯이, 이를 위해서는 이펙터 분자를 발현시킬 제어 서열이 필요했고, 이펙터 분자를 생성할 수 있어야 했으며, 최종적으로는 이 인공 유전자를 모기에 삽입할 수 있게 해주는 형질전환 기술이 필요했습니다.

따라서 지난 10여 년 동안 저희는 이 연구에 매진해 왔으며, 저를 비롯한 동료들 또한 매우 큰 관심을 가지고 이 분야에서 상당한 진전을 이루어 냈습니다. 하지만 실험실에서 이러한 모기들을 개발한 후, 해당 유전자를 실험실 밖의 야외 현장으로 옮길 수 있는 메커니즘이 필요했습니다. 또한, 자연 선택으로 관찰되는 증가 수준을 넘어 집단 내에서 이 유전자의 빈도가 증가할 수 있도록 하는 프로세스가 필요했습니다.

따라서 이러한 종류의 메커니즘을 유전자 드라이브 시스템이라고 하며, 이는 연구 대상 유전자를 보유한 곤충을 선택적으로 증식시키는 역할을 합니다. 여러 가지 특성이 있지만, 가장 주요한 두 가지 특성은 교배 결과로 발생하며, 특정 유전자가 선택적 이점으로 인해 자연 선택을 통해 기대할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 속도로 유전자 빈도를 증가시킨다는 점입니다. 이러한 유전자 드라이브 시스템의 개발을 고려했을 때, 우리는 이것이 유전자 변형 생물체를 개방된 자연 환경에 도입하는 일이라는 점을 즉시 인식했습니다. 그리 놀랍지 않게도, 유전 공학적으로 설계된 물질을 야생에 방출하는 것과 관련하여 상당한 우려와 불안이 제기되었습니다.

저희는 유전자 변형 생물체 사용과 관련된 중대한 우려 사항이 무엇인지 파악하고, 이를 우리가 보유한 과학적 지식과 결합하여 사용 관련 문제점들을 줄이기 위해 노력하는 것이 중요하다고 판단했습니다. 이에 따라 저희는 실험실에서 개발 중인 생물체의 생물학적 특성뿐만 아니라, 사람들이 가질 수 있는 사회적, 문화적 및 기타 우려 사항과 관련된 기준을 모두 고려한 소위 '설계 기준'을 수립하였습니다. 이것이 곧 설계 기준이 됩니다.

여기서 짧게 언급할 세 가지 요소가 이 영역들에서 서로 중복됩니다. 첫 번째는 우리가 개발하는 유전자 드라이브 시스템이 진화적 시간 scale이 아닌, 소위 인간의 시간 scale 내에서 작동해야 한다는 점입니다. 즉, 시스템이 유전자를 충분히 빠르게 퍼뜨려 그 결과로 나타나는 변화를 실제로 관찰할 수 있어야 합니다.

우리는 약 5년에서 10년 정도의 기간을 생각하고 있습니다. 이는 Nora pki가 처음 고안한 아이디어였는데, 그녀는 10,000년이라는 시간이 주어진다면 무언가를 해낼 수 있겠지만, 우리가 논의하고 있는 유전자 드라이브 시스템은 훨씬 더 짧은 인간의 시간 범위 내에서 작동해야 한다는 점을 인식했습니다. 두 번째이자 아마도 가장 큰 우려 사항이자 기준은, 우리가 개발하는 것이 오직 표적 생물체에서만 작동해야 한다는 것입니다. 즉, 표적 곤충 외부로 유출될 경우 작동 능력이 없거나 비활성화되어야 합니다.

이는 매우 중요한데, 대부분의 사람들이 실험실에서 무엇인가를 만드는 것까지는 괜찮다고 생각하지만, 그것이 자연으로 유출되어 어떻게든 비표적 종으로 퍼질 것을 우려하기 때문입니다. 따라서 우리의 주요 설계 고려 사항 중 하나는 표적 종에서만 기능하고, 만약 표적 종 외부로 유출된다면 어떻게든 비활성화되도록 만드는 것입니다. 그리고 물론 상당히 중요한 세 번째 사항은, 그것이 실제로 작동해야 한다는 점입니다.

실행 가능하다는 것은 단순히 과학적 타당성이나 특정 종으로의 제한 이상의 의미를 갖습니다. 예를 들어, 이는 비용 효율적이어야 합니다. 또한 합리적인 체계 내에서 실제로 작동해야 하며, 감당 가능한 수준의 비용으로 수행할 수 있어야 합니다.

지금까지 저희가 검토한 몇 가지 설계 기준들입니다. 이것이 전부는 아닙니다. 경험이 쌓이면서 일부 기준은 변경될 수도 있겠지만, 앞서 말씀드린 세 가지 기준은 그대로 유지될 것으로 생각합니다.

따라서 이러한 구상과 실제 적용이 구현되기 전에는 몇 가지 단계가 선행되어야 합니다. 우선, 이 방법이 실제로 효과가 있어야 한다는 점으로 돌아가 보겠습니다. 우리가 개발한 곤충이 목표로 하는 병원체에 대해 진정으로 내성을 가지고 있음을 실험실에서 입증할 수 있어야 합니다.

그리고 유전자 드라이브 메커니즘이 우리가 기대하는 방식대로 작동한다는 것을 보여줄 수 있어야 합니다. 이를 위해 우리는 케이지 실험, 즉 격리된 케이지 실험을 계획하고 있으며, 이를 통해 타겟 지역의 내생 모기에게 유전자가 전달되거나 내생 모기로부터 유래된 유전자가 야외로 방출되는 일이 없도록 하여, 유전자가 이동할 수 있는 능력이 있는지 확인하고자 합니다. 이는 우리가 수행해야 할 중요한 작업이 될 것입니다.

하지만 저와 같은 과학자가 현장 시험의 시행을 권고하는 것이 아니라는 점을 깨닫는 것이 매우 중요하다고 생각합니다. 이는 실제로 수학적 모델링 전문가들이 본인들이 개발한 파라미터와 저희가 제공한 파라미터를 사용하여, 공공 보건 기관에 우리가 개발한 것이 실제로 비용 효율적인 방식으로 작동할지 여부에 대한 강력한 근거를 제시한 결과가 될 것입니다. 따라서 권고 사항은 모델링 전문성을 갖춘 공공 보건 전문가들에 의해 나오게 되며, 바로 이들이 진행 여부나 중단 여부를 결정할 수 있는 사람들입니다.

저와 같은 실험실 연구진이 모델링 전문가들에게 기초 데이터를 제공하는 것 외에 많은 기여를 할 것으로는 예상하지 않습니다. 이 연구를 처음 시작했을 때, 저와 동료들은 팀으로서 함께 협력하며 유전자 변형 생물체 사용에 따른 윤리적 상황을 해결하기 위해 무엇을 해야 할지 평가할 수 있는 기존의 체계가 있는지 살펴보았습니다. 농업적 용도나 식물 사용 등에 대해서는 상당히 많은 데이터가 제공되고 있었으나, 유전자 변형 곤충의 사용에 관해 출판된 문헌은 매우 적었습니다.

따라서 저희의 주요 프로젝트의 일환으로, 유전자 변형 모기 사용에 따른 윤리적, 사회적 및 법적 측면을 다루는 구성 요소를 포함해야 했습니다. 그 결과, 이 일을 실제로 실현하기 위해 필요한 사항들에 대해 그룹의 모든 구성원이 충분히 이해하도록 만드는 과정에서 놀라운 학습 곡선을 경험할 수 있었습니다. 몇 가지 예를 들어 설명하겠습니다.

이러한 주요 질병이 발생하는 세계 대부분의 국가에는 유전자 변형 생물체 사용에 대해 결정적인 판단을 내릴 수 있는 규제 체계가 마련되어 있지 않습니다. 따라서 적절한 규제 기반 시설을 갖추어 우리가 협의하고 상호작용할 수 있는 국가를 식별하는 것이 매우 중요해졌습니다. 이러한 상황의 이력들을 보면, 국가들이 유전자 변형 생물체의 도입, 주로 유전자 변형 옥수수나 파파야 또는 쌀과 같은 농업 유래 제품의 도입이라는 문제에 직면하는 경우가 많았습니다.

그리고 이를 처리할 규제 체계가 부족한 국가는 유전자 변형 생물체의 도입을 전면적으로 금지하는 법안을 빠르게 통과시킬 것입니다. 정치적인 관점에서 생각해보면, 이는 현명한 조치입니다. 즉, 이를 처리할 준비가 되어 있지 않다면 일단 차단하고, 상황을 분석하여 문제가 있는지 여부를 결정하는 데 필요한 체계를 구축할 시간을 갖는 것입니다.

그리고 일단 이런 일이 발생하면, 국가들은 적절한 규제 구조를 마련하고 법률을 개정하여 유전자 변형 생물체가 무엇이든 일단 검토를 받게 하고, 궁극적으로는 사용될 수 있도록 허용하기 시작합니다. 따라서 우리의 연구를 생각했을 때, 해당 국가가 규제 인프라를 구축하게 만드는 촉발제 역할을 하게 될 그런 나라를 선택할 수는 없었습니다. 우리는 이미 이러한 과정을 거쳤으며 견고한 규제 시스템을 이미 갖추고 있는 국가들을 찾아야 했습니다.

그렇게 하고자 했던 이유는 실제로 다시 한번 촉발 사건이 될 수 있을 만큼의 충분한 시간이 없었기 때문입니다. 더불어, 저희는 공공 보건 시스템의 수직적 통합이 매우 잘 이루어진 국가에서 연구를 진행하기를 원했습니다. 즉, 지역 수준의 우려 사항부터 시작하여 더 큰 규모의 시, 군, 주, 또는 규제 구조상의 연방 정부 상당 기관에 이르기까지 모든 단계의 문제를 다루고자 했습니다. 또한, 예를 들어 진행 결정을 내렸을 때, 그러한 결정이 모든 수준에서 검증되었음을 확실히 하고 싶었습니다.

중앙 정부나 연방 정부가 지방 정부에 강요할 수 있는 성질의 것이 아니었습니다. 우리는 모든 이가 동의하는 방식으로 진행되기를 원했습니다. 그래서 실제로 매우 잘 통합된 수직적 공공 보건 체계가 갖춰진 환경이 필요했습니다.

그런 다음, 예를 들어 지역사회의 동의를 얻는다는 것이 무엇을 의미하는지와 같은 문제들을 다루고 있습니다. 지역사회를 어떻게 정의할까요? 저희는 현재 시점에서 지역사회를 우리가 수행하는 연구에 의해 직접적으로 영향을 받거나 받을 가능성이 있는 모든 사람들로 정의합니다.

하지만 그러한 전환은 결코 간단하지 않으며, 커뮤니티의 동의를 구해야 하는 상황에서 커뮤니티의 동의를 얻는다는 것이 실제로 무엇을 의미하는지 정의해야 합니다. 단 한 표의 반대만으로도 이를 중단시키기에 충분한 것일까요? 아시다시피, 이러한 점들이 해결되어야 할 과제들입니다.

따라서 이것들이 우리가 직면하고 있는 몇 가지 윤리적 문제들입니다. 하지만 이 작업에서 우리의 주요 노력 중 하나는, 초기 단계부터 현장 조사 지역 사람들의 전폭적인 참여를 우리의 심의와 노력에 반영하는 것입니다. 이를 실현하기 위해, 예를 들어 우리는 모든 사람이 쉽게 접근할 수 있는 웹사이트를 운영하고 있으며, 협력 연구소들과 현장 조사 지역 사람들이 계획 및 실행 과정에 함께 참여할 수 있도록 전폭적인 협업 체계를 구축하고 있습니다.