[보고서] ‘3세대 유전자 가위’ 논문·특허기술 전쟁 5…토론

생명과학자들은 최근 3세대 유전자 가위(크리스퍼/카스, CRISPR/Cas9)를 개발했다. 인간세포와 동식물세포의 유전자를 마음대로 교정 또는 편집하는데(Editing) 사용한다. 표적 DNA를 자른 후 세포 내 복구 시스템에 의해 다시 연결되는 과정에서 유전자 교정과 원하는 변이가 일어난다. 이 방식을 활용해 암과 AIDS 등뿐만 아니라 더 나아가 희귀난치병 치료나 작물•가축개량•미래식량(Clean meat) 분야에서 유전자 가위 혁명이 빠르게 확산되고 있다.

특정 유전자 부위를 정확하게 잘라 내 그 기능을 알아내는 데에도 사용되고, 쥐를 대상으로 특정 유전자를 제거/억제하거나(Knock-out) 특정 유전자를 삽입하여(Knock-in) 희귀 병을 가진 쥐를 만들기도 하는데, 종전에는 수개월~수년이 걸렸지만 유전자 가위를 이용하면 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문이다. 이렇듯 인류는 세포 안에 있는 특정 유전자나 염기를 골라서 제거하거나 정상으로 바꿀 수 있는 유전자 가위 기술을 보유했다. 

본 보고서에서는 3세대 유전자 가위에 대한 논문 공개 순으로 제니퍼 다우드나 교수 팀 – 펭 장 교수 팀 – 김진수 교수 팀의 논문의 내용을 살펴보고, 지금 벌어지고 있는 특허전쟁에 대해서는 특허 출원일 순으로 소개하되, 특허등록 여부를 같이 분석해 인사이트를 제공하고자 한다. 다만, 논문 공개시기보다 대부분 특허 출원일이 앞서 있고, 또한 특허출원서의 내용과 논문 내용이 다룰 수도 있지만, 특허기술들이 논문 연구과정에서 발견한 기술들이라는 점에서 논문을 먼저 살펴보고 특허를 나중에 살펴보기로 한다. 아울러 논문과 특허분석이기 때문에 오류가 있을 수도 있다는 점을 알려드리는 바이다. 차후 유료 보고서로 디자인 출간하여 판매할 예정이다.

글 싣는 순서 

I부 – ‘3세대 유전자 가위(CRISPR/Cas9)’ 논문/특허기술 전쟁
1장. 크리스퍼/카스(CRISPR/Cas)란 
2장. 논문 분석

2-1. UCB(버클리대), 제니퍼 다우드나 교수 팀의 논문 분석(2012)
2-2. MIT, 펭 장 교수 팀의 논문 분석(2013)
2-3. 서울대, 김진수 교수 팀의 논문 분석(2013)
3장. 특허분석/특허전쟁
3-1. 다우드나 교수, 원핵생물 대상, 최초 특허출원(2012)과 출원서 공개(2014)
3-2. 김진수 교수(툴젠), 인간세포 대상, 최초 특허출원(2012)과 출원서 공개(2014)
3-3. 장 교수, 인간세포 대상, 초고속 심사 신청, 2014년 4월에 특허를 획득
3-4. 미국 특허심판원 다우드나+장 교수의 양쪽 기술을 모두 인정(2017.02)
3-5. 다우드나 교수의 그간의 노력
3-6. 유럽특허청(EPO), 최초 연구자 다우드나 교수의 특허를 승인(2017.05)
3-7. 중국 국가지식산권국(SIPO), 다우드나 교수의 특허를 승인(2017.06)
3-8. 크리스퍼 논문/특허 분쟁 관련 주요 내용

4장. Discussion

[참고] Genome editing: 유전체 교정인가 편집인가?(23 Jul 2015)

CRISPR Cas9
▲ 출처: Pixabay

4장. Discussion

1세대-2세대-3.5세대를 제외한 ‘3세대유전자가위(CRISPR/Cas9)’에 한정해 다음을 생각해보고 토론해 보자. 

1) 3세대 유전자 가위(CRISPR/Cas9)는 추정 절단 위치를 정확히 자르고 있는가? Cas9 단백질은 PAM 시퀀스로부터 3번째와 5번째 염기 쌍 사이를 추정 절단하게 된다. 그런데 제니퍼 다우드나 교수 팀의 논문은 잘랐는데 어디를 잘랐는지 검증을 못했고, 펭 장 교수 팀의 논문을 보면 6번째 염기쌍을 잘랐으며, 김진수 교수 팀의 논문은 정확이 4번째 염기를 잘랐다. 

문제는 자른 후의 다음 과정이다. Cas9이 정확히 추정 위치를 잘랐다 해도, 이렇게 잘린 DSB가 NHEJ로 복구되는 과정에서 무작위적으로 너무 많은 인델(indel)이 일어난다는 것이다. 자르고 복구되고 또 자르고 또 복구되는 과정에서 말이다. 그 결과 너무 다양한 패턴의 인델이 일어나지 않는가? 그 것도 일정한 패턴이 아니라 연구 실험마다 삽입(+)은 +1 ~ +2까지, 삭제(결실, -)는 -1 ~ -6 ~ -15 ~ -30 ~ -180까지 다 다르지 않는가? 자르는 기술도 중요하지만, 먼저 자연적인 복구시스템의 기전을 알아내야 하는 것이 아닌가? 정확히 원하는 변이를 만들기 위해서는 donor DNA 혹은 Gene를 함께 도입하여 HDR pathway를 활용하거나 염기교정(Base editing)을 하는 방법을 찾아야 하는 것은 아닌가? 실제 이러한 무작위 돌연변이를 가진 쥐를 생성했다고 가정한다면, 그 목적이 망가진 유전자 기능을 연구하는 것이 아니라면, 그 돌연변이가 정상인지 비정상인지? 알아내는 방법을 찾아야 하는 것이 아닌가? 이에 대한 생명윤리는?

2) 나중에 유전자 가위 응용 및 활용에서 자세히 다루겠지만, 최초로 유전자 가위를 활용해 임상시험이 허용된 것은 HIV 감염환자 대상 T cell에서 HIV 수용체인 CCR5 유전자를 망가트리는 ZFN이었다. 

위에서 살펴본 대로 김진수 교수 팀도 인간면역결핍바이러스(HIV)의 필수 수용체를 엔코딩한 인간 CCR5 유전자를 대상으로 표적 절단하여 원하는 돌연변이를 일으켜 궁극적으로는 에이즈(AIDS)를 치료할 수 있는 잠재 표적이 될 수 있는가를 테스트했다. 이러한 방법은 대부분의 약제가 특정 단백질의 기능을 저해하는 기전으로 작용한다는 데에서 비롯된 것으로, 그 특정 단백질을 지정하는 유전자를 망가트리는 방식의 유전자 가위 치료가 더 보편적 치료 방식이 될 수도 있다. 

하지만 일반인들이 생각하기론, 유전자 가위가 임의의 유전자 서열을 잘라 유전자를 망가트리는 녹아웃(Knock-out)의 돌연변이를 유도하는 것도 좋지만, 병을 일으키는 잘못된 유전자, 즉 돌연변이 유전자를 잘라 교정해야 하는 것으로 알고 있는데, 앞으론 이 방향으로 연구가 진행되어야 하는 것이 아닌가? 수 많은 질병 치료에 목적을 두어야 하는 것이 아닌가? 더 나아가 병을 치료하는 것뿐만 아니라 감정을 교정한다던지 개성을 교정한다던지 보다 전향적인 강화된(enhancement) 고도화 연구를 해야 하는 것이 아닌가? 이를 위해 정부가 규제를 확 풀어야 우리 나라가 선도할 수 있는 것이 아닌가?

3) 비-표적(Off-target) 혹은 표적이탈에 대한 절단과 비-표적 사이트의 돌연변이의 검출방법으로 미스매치 방법과 비표적 위치를 유전체에서 찾는 방법이 사용되고 있는데, 그 이후 방법론이 업그레이드 되었겠지만, 좀 더 비-표적 효과를 검증할 수 있는 획기적인 방법을 연구해야 하는 것이 아닌가? 아울러 CRISPR/Cas9보다 특이적이고 정확한 유전자 가위를 발견해야 하는 것이 아닌가? 원리와 메커니즘뿐만 아니라 이러한 검증방법론을 연구하는 분들도 노벨상 후보에 올려야 하지 않는가? 일본과 같이 국가가 장기적인 목적으로 지원해야 하지 않는가? 

4) 우리 자연의 세포는 세포막을 중심으로 필요한 물질을 안으로 밖으로 자연스럽게 이동시킨다. 3세대 유전자 가위를 보면, 플라스미드나 바이러스를 벡터(vector, 운반체 혹은 매개자)로 이용해 세포에 형질 주입하고, 효율을 높이기 위해 표준열충격프로토콜(a standard heat shock protocol)이나 전기충격 혹은 전기천공(electroporation) 방법을 이용하는데, 2004~2005년에 유행했던 미세 바늘(젓가락)을 이용하던지 전기충격을 주는 체세포 복제와 무엇이 다른가? 같은 방법이지 않는가? 세포막의 자연적인 역할은 외부 물질이 저절로 세포 내로 들어 가는 것을 막는 것이다. 이러한 관점에서 미세주입(microinjection)이나 전기충격, 벡터 사용은 당연히 필요하다. 하지만 근육세포, 신경세포 등에 유전자 가위를 전달하기 위해서는 기존 방법보다 더 효율적인 전달 방법이 필요한 것은 아닌가? 자연적인 세포들은 어떠한 신호(Cell signaling) 메커니즘에 의해서 출입하는지 새로운 커뮤니케이션 방법을 찾아야 하는 것은 아닌가? 

5) 특허를 출원하고 등록했다 해서 끝나는 것이 아니라 청구항이 중요하다. 처음엔 희망사항으로 100개 이상의 청구항에서 내로우다운되어 10개로 줄어든다. 그 이후 특허 무효소송으로 특허가 무효화 될 수도 있지만, 현재까지 결과적으로 볼 때 유럽과 중국에서 다우드나 교수 팀이 기초 원리로 특허를 독점했다고 볼 수도 있다. 노벨상을 보더라도 원리와 기전을 찾아낸 과학자들이 수상한다. 그러나 응용과 활용은 쉽지 않다. 이런 관점에서 울 나라는 인적자원-재정 면에서 열세를 면치 못하고 있다. 국가가 나서서 지원해야 하는 것이 아닌가? 유전자 가위 기술개발에도 적극 지원해야 할뿐만 아니라 글로벌 특허획득에도 적극 지원해야 하는 것이 아닌가? 그럼에도 불구하고 유전자 가위를 연구하는 과학자들이 10명이 안 되는 우리 나라 환경에서 홀로 지금까지, 다우드나 교수 팀의 논문을 인간 세포에 적용하는 새로운 방법으로 검증하시고 대표적인 성과를 내신 서울대 화학부의 김진수 교수 팀에게 찬사와 존경을 표하는 바이다. 아울러 온 국민이 다 같이 노벨상을 수상하기를 바라는 바이다^

6) 생각해보니 유전자 가위는 이제 시작이다. 유전체학(Genomics), 전사체학(Transcriptomics), 단백질체학(Proteomics), 대사체학(Proteomics), 신경체학(Nuromics), 시냅스체학(Synapsomics), 생리체학(Physiomics), 후성게놈학(Epigenomics), 미생물학(Microbiomics), 스마트 데이터, 인공지능, 3D 프린팅 등등 이 전체를 연결하고(Connectomics) 융합할 수 있는 콘트롤타워가 있어야 하는 것은 아닌가? 이제 시작이므로 앞으로 15년간 로드맵을 만들고 우리가 잘 할 수 있는 분야를 선택하고 집중 투자한다면 바이오 분야에서 우리 나라가 우뚝 서지 않겠는가? 10만 아니 100만 아니 1000만 우리 나라 사람들의 게놈 데이터베이스를 구축해야 하는 것은 아닌가? 

7) 왜 세계는 유전자 가위 전쟁을 하고 있는가? 그렇다면 미래에는 무슨 혜택이 있길래 이처럼 전쟁에 뛰어드는가? 기술적-사회문화적-경제적(특히 식량해결)-교육적-정치적-기타적인 면에서 토론을 해보자. 특히 2050년이면 세계인구가 100억을 돌파한다. 먹고 먹여야 하지 않는가?

* 이러한 관점에서 다음 보고서는 보다 정확한 표적 특이적인 3.5세대 유전자 가위인 CRISPR/Cpf1에 대해 소개하고자 한다.

 

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아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, (전)국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장