해양바이오연구센터 이정현 책임연구원  

  해양은 생명체 탄생과 진화의 장소이자 ‘생물다양성의 보고’로 많이 언급된다.. 실제 해양생물은 육상생물에 비해 10억년 이상의 진화 역사를 가지고 있으며, 지구상 동물 종의 분류 단위인 문(phylum) 수준에서 총 33개의 문 중 32개가 해양생태계에 서식하나 육상생태계에는 15개의 문만이 존재하는 것으로 알려졌다. 해양생물의 높은 종다양성은 누구나 인정한다. 그러나 ‘지구상 생물 종과 해양생물 종이 과연 몇 종인가?‘에 대한 답은 여전히 불확실하며 아직도 논쟁거리이다. 더군다나, 생물체 서식처 기준으로 해양생태계가 용적 기준으로 90% 이상을 차지하나 그 중 대부분이 탐사되지 않고 여전히 미지의 영역으로 남아 있다. 해양생물 종 다양성에 대한 조그만 해답을 얻고자 하는 거대한 다국적 프로젝트가 시작되었다. 이것이 바로 '해양생물센서스(Census of Marine Life)' 프로젝트이다.   

이 프로젝트는 2000년에 시작 된 해양생물다양성 연구 프로그램이었다. 유엔의 후원으로 80 여개국에서 2,700 여명의 과학자가 참여하였고 538회의 탐사와 6억 5천만불이 투입된 글로벌 네트워크 사업으로 2010년에 완료되었다. 경제적 목적이 거의 없는 이러한 순수한 과학적 프로젝트는 미국의 슬로언재단(Alfred P. Sloan Foundation)이 많은 연구자금을 지원하였다. 확보된 해양생물 시료에서 새로운 종을 확인하는 작업이 지금도 진행되고 있다. 이 프로젝트의 목표는 과거와 현재의 해양생물의 다양성, 분포 그리고 각 종이 얼마만큼 풍부한지를 조사하고 생물종에 대한 데이터베이스를 지속적으로 수집하고 모델링을 통해 미래 해양생물 종의 예측까지도 포함한다. 조사 대상인 생물은 현미경으로만 보이는 미생물로부터 거대한 고래까지 포함하고, 연안역, 극지 및 심해까지 전 지구적 해양생태계까지 대상 조사영역이었다. 심지어 위성까지 이용하여 상어, 오징어 등을 포함하여 몇몇 종은 추적하는 조사까지 감행하였다. 중간 결과로 해양생물종에 대한 분석을 보면, 약 230,000 종을 기술하였고 아직도 알려지지 않은 종의 수가 70-80% 수준임을 감안하면 해양에 140만종의 생물이 서식한다고 추정할 뿐이다. 여전히 ‘얼마나 많은 해양생물 종이 존재하는가?’에 대한 답은 추측 수준이다. 이 프로젝트를 지원한 슬로언 재단은 거대한 국제적 연구협력 프레임워크를 만들어낸 것은 대단한 역사적 일이라 평하였지만 아쉽게도 과연 원하는 수준의 결과를 냈는가 하는 질문과 연구비의 후속적 지원에 대해서는 다소 의문을 표했다.   

한편, 지난 2000년 초 인간유전체(게놈) 해독으로 세상이 떠들썩하였다. 1990년부터 27억불(약 3조원)의 자금과 미국, 일본, 영국 등의 16개 연구소가 참여한 ‘인간유전체해독(Human Genome Project)’ 프로젝트는 2003년 초안이 발표되었다. 생명설계도라 불리는 인간유전체 해독은 수만개의 유전자를 하나씩 표시하고 밝혀서 이들 각각의 기능을 알아내는 것이 최종 목표이다. 이후, 유전체해독기술의 놀라운 발전으로 말미암아, 인간유전체 해독 비용이 약 4000억원(2007년), 약 15억원(2008년)으로 줄어들더니, 2012년 현재는 약 2천만원 정도면 가능하고, 향후 1-2년 지나면 백만원의 비용으로도 각자의 유전자 정보를 얻을 수 있을 것으로 예측된다. 이런 결과로 적어도 유전자에 기인한 질병은 예측을 통해 미리 알아내는 것이 어느정도 가능해졌고, 각 인종간의 형질의 차이 뿐 아니라 지난 역사 동안 각 인종의 이동 경로까지 추정하기까지 가능해졌다. 이러한 기술의 발전과 비용 감소는 다름 아닌 나노, 광학, 정보, 소재기술 등이 융합하여 차세대 시컨싱기술(NGS; Next Generation Sequencing) 도입으로 가능해졌고 지금도 이 기술은 놀라운 속도로 발전하고 있다. 이 기술에 힘입어 생물학 연구 자체의 패러다임이 변할 정도이다. 바이러스, 미생물, 동식물 등의 연구에서 유전체 해독을 통한 생명체 기능연구가 기본적인 방법론으로 인식되면서, 전 세계의 생물 유전체 해독 프로젝트가 일만오천건을 넘어서고, 이로부터 쏟아지는 정보량은 기존의 정보기술로도 처리 못할 지경이다.  

바로 이러한 해양생물다양성과 유전체가 만나는 연구 영역이 ‘해양극한생물분자유전체연구단(약칭, 해양유전체연구단)이다. 국토해양부(구, 해양수산부)에서 지원하는 이 사업은 2004년 ‘마린바이오21사업(현재 사업명, 해양생명공학기술개발사업)’이라는 사업명으로 10년간 약 2000억원 규모를 투입 계획으로 시작하였다. 2004년 당시, 해양유전체연구단 과제는 외부 2개 연구단 과제와 합쳐 총 예산이 30억원 수준으로 각 연구단마다 10억원이 투입되었다. 2012년 기준으로 국토해양부의 ‘해양생명공학기술개발사업’의 예산이 총 259억원 규모로 성장했으니, 이 분야에 대한 연구비 증가 속도는 주위 관계자의 지대한 관심을 보여준다. 해양유전체연구단의 주된 연구 내용은 첫째, 유전체 해독 대상이 되는 해양·극한생물자원을 확보, 관리하고 둘째, 확보된 생물 중에서 학문적 혹은 유용성을 지닌 생물종을 선별하여 유전체를 해독하여 해양에 특이한 생명현상을 규명하고 셋째, 생물과 유전체 정보로부터 유용한 해양바이오소재를 개발하는 것이다. 2011년, 기준으로 해양유전체연구단에는 국내 대학, 공립연구소 등 총 20여 개 협동과제 팀이 참여하고 있다.

지난 8년간 연구단 과제를 통해 지금까지 확보된 해양·극한생물자원은 미생물은 약 1,060 종, 5,695주 수준이고 확보된 자원은 온라인상으로 분양까지 가능하다. 그리고 유전체 해독이 완료된 미생물 수는 초고온성 고세균류가 14종, 박테리오플랑크톤이 10종으로 여기에는 해양의 일차 생산자인 광합성세균, 적조생물 분해세균, 원유성분 분해세균 그리고 해수의 난배양성 우점종까지 포함하고 있다. 또한 윤충류, 무척추해양동물, 와편모조류 등 진핵생물류의 발현 유전체 분석을 진행하고 있다. 2011년에는 NGS기술을 이용하여 해양포유류인 고래와 녹조식물인 우뭇가사리 유전체 해독을 시작하였다. 특히, 온누리호를 이용하여 직접 분리, 배양된 초고온성 고세균, 써모코커스 온누리누스( Thermococcus onnurineus ) NA1은 우리나라에서 2002년에 분리된 최초의 극한 환경 미생물로 2006년에 NA1의 유전체 해독이 처음으로 완료되었다. 이때 소요된 해독 비용이 2억원(현재 기술로는 약 천만원 수준이면 가능)이 소요되었다. NA1 유전체 해독을 통해 열수구 미생물이 가장 간단한 유기산인 개미산으로부터 바이오수소를 부산물로 만들면서 미생물의 성장이 가능함을 발혀냈으며 이 결과는 새로운 생체 에너지대사와 바이오수소 생산가능을 보여준 것으로 2010년 네이처지에 발표되었다. 

※ NA1 고세균은 인간 유전체의 약 1000분의 1 크기이며, 바이오수소를 만드는 수소화효소 유전자가 8종으로 미생물내 가장 많이 존재한다.

해양유전체연구단 과제는 2013년에 종료될 예정으로 해양과학에서 해양생명공학 분야를 만드는데 큰 역할을 담당하였을 뿐만 아니라 국가적 해양바이오연구의 기반 조성과 발전에 기여한 바가 매우 크다. 그리고 지난 2011년 국가과학기술위원회가 제안한 ‘차세대 유전체 활용 기획 연구’를 통해 다부처가 참여하는 차세대 유전체연구가 힘을 받고 있다. 이제는 해양생명공학기술이 또 다른 10년을 준비해야하는 시점으로 다음 10년은 해양생명공학기술이 본격적으로 성장하고 희망을 주는 성과물이 나타나는 시기이어야 한다. 해양생명공학기술의 핵심 원료는 해양생물다양성이 보유하고 있는 유전적 다양성이며, 유전적 다양성을 체계적으로 분석, 해석, 관리, 활용되는 것이 관건이다.

2012-03-05