유전자 변형 생물체(GMO)

유전자 변형 생물체를 만들기 위한 유전자 도입 방법은 크게 형질전환과 형질도입으로 나눌 수 있다. 형질전환은 숙주 생물의 세포에 외부 DNA를 직접 주입하는 방법이며, 형질도입은 바이러스나 박테리아 같은 운반체를 이용해 유전자를 전달하는 방법이다.

형질전환의 대표적인 방법으로는 전기천공법과 미세주입법이 있다. 전기천공법은 세포막에 짧은 시간 동안 고전압의 전기 펄스를 가해 일시적으로 세포막에 미세한 구멍을 만들어 플라스미드 DNA가 들어가게 한다. 미세주입법은 매우 가는 유리 바늘을 사용해 세포핵에 직접 DNA를 주입하는 방법으로, 주로 동물의 수정란에 적용된다. 식물 세포의 경우, 세포벽이 존재하기 때문에 원형질체를 만들거나 유전자총을 사용한다. 유전자총은 금이나 텅스텐 미세입자에 DNA를 코팅한 후, 고압 가스로 세포 내로 발사하는 방법이다.

형질도입 방법에서는 아그로박테리움을 이용한 방법이 식물에서 널리 사용된다. 아그로박테리움은 자연적으로 식물에 감염하여 자신의 DNA 일부를 식물 게놈에 삽입하는 능력을 가진 세균이다. 연구자들은 이 세균의 병원성 유전자를 제거하고, 원하는 유전자를 포함한 T-DNA 영역만을 식물 세포에 전달하도록 조작한다. 동물 세포에서는 레트로바이러스나 렌티바이러스 같은 바이러스 벡터가 유전자 운반체로 자주 사용된다. 이 바이러스들은 자신의 유전물질을 숙주 세포의 염색체에 통합하는 능력을 이용해, 치료용 유전자를 표적 세포에 지속적으로 발현시킬 수 있다.

유전자 편집 기술은 DNA 서열을 정밀하게 추가, 제거 또는 변경하는 기술로, 기존의 유전자 도입 방법과 구별된다. 초기 유전자 변형 생물체는 주로 외부 유전자를 삽입하는 방식이었으나, 유전자 편집은 표적이 되는 생물체의 기존 유전체 내 특정 부위를 직접 수정한다. 대표적인 기술로는 징크핑거 뉴클레아제, TALEN, 그리고 특히 크리스퍼-캐스9 시스템이 있다. 크리스퍼-캐스9은 가이드 RNA를 이용해 원하는 DNA 위치를 정확하게 찾아내고, 캐스9 효소로 해당 부위를 절단하여 유전자 기능을 조작한다[2].

이 기술들은 정밀도와 효율성에서 큰 차이를 보인다. 아래 표는 주요 유전자 편집 기술들을 비교한 것이다.

유전자 편집 기술의 적용은 크게 두 가지 방향으로 나뉜다. 하나는 유전자 녹아웃으로, 특정 유전자의 기능을 상실시켜 그 역할을 연구하거나 원하지 않는 형질을 제거하는 것이다. 다른 하나는 유전자 교정 또는 유전자 치환으로, 절단된 DNA 부위에 원하는 서열을 도입하여 새로운 형질을 부여한다. 이 기술들은 농작물의 내병성 강화, 가축의 질병 저항성 향상, 그리고 유전자 치료 등 다양한 분야에서 활용 가능성을 열었다.

농업용 GMO는 주로 작물의 생산성, 내병충해성, 내환경 스트레스성 등을 향상시키기 위해 개발되었다. 가장 대표적인 사례는 제초제 저항성과 해충 저항성을 가진 작물이다. 예를 들어, 라운드업 레디 대두나 옥수수는 특정 제초제를 뿌려도 죽지 않아 잡초 방제가 용이해진다. 또한 Bt 옥수수나 Bt 면화는 바실러스 투린기엔시스 유래의 독성 단백질을 생산해 해충을 죽이므로 농약 사용량을 줄일 수 있다.

이 외에도 바이러스 저항성을 가진 파파야나 감자, 가뭄이나 염분에 강한 내건성 옥수수, 고올레산 대두와 같이 영양 성분이 개선된 작물도 개발되었다. 최근에는 유전자 가위 기술을 활용해 버섯의 갈변을 억제하거나 감자의 아크릴아마이드 생성량을 줄이는 등 보다 정밀한 형질 개선 사례도 등장하고 있다.

농업용 GMO의 보급 현황은 지역과 작물에 따라 크게 다르다. 2020년대 기준, 전 세계적으로 재배 면적이 가장 큰 GMO 작물은 대두, 옥수수, 면화, 카놀라 순이다. 주요 재배국은 미국, 브라질, 아르헨티나, 캐나다, 인도 등이며, 이들 국가에서 상업적 재배가 활발히 이루어지고 있다.

의약용 유전자 변형 생물체는 질병 치료, 예방, 진단을 목적으로 개발된다. 인간에게 투여되는 재조합 단백질 생산, 유전자 치료, 백신 개발, 그리고 질병 모델 동물 생성 등에 광범위하게 활용된다. 이는 기존 의약품 생산 방식을 혁신하고, 난치성 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시한다.

초기 대표적 사례는 인슐린이다. 과거에는 소나 돼지의 췌장에서 추출했지만, 1982년 대장균을 이용한 재조합 인간 인슐린이 상용화되면서 안정적 공급과 순도 문제를 해결했다. 이와 유사하게 성장 호르몬, 혈우병 치료제, 항암제 등 다양한 단백질 의약품이 효모나 동물 세포와 같은 GMO를 통해 생산된다. 최근에는 항체 의약품과 바이오시밀러 생산에도 핵심 기술로 자리 잡았다.

유전자 치료는 결함 유전자를 정상 유전자로 대체하거나 기능을 조절하여 질병을 근본적으로 치료하려는 접근법이다. 아데노 관련 바이러스나 렌티바이러스 같은 변형 바이러스를 벡터로 사용하여 치료 유전자를 환자 세포에 전달한다. 유전성 망막 질환, 혈액암, 척수성 근위축증 등에 대한 치료제가 승인받았다. 또한 CAR-T 세포 치료는 환자의 면역세포를 유전자 변형하여 암세포를 공격하도록 설계한다.

백신 분야에서는 기존 약독화 또는 불활성화 백신과 다른 새로운 플랫폼으로 주목받는다. GMO 기술을 이용해 병원체의 특정 항원 단백질만을 생산하는 아단위 백신, 또는 무해한 바이러스 운반체에 항원 유전자를 삽입하는 바이러스 벡터 백신이 개발된다. 이러한 접근법은 생산이 빠르고 안전성 프로필이 우수하다는 장점이 있다. 또한, 진단용 단백질이나 질병 연구를 위한 유전자 변형 동물 모델도 의약용 GMO의 중요한 범주에 속한다.

산업용 유전자 변형 생물체는 식품이나 사료로 직접 사용되기보다는, 효소, 바이오 연료, 생분해성 플라스틱, 특수 화학물질 등의 산업적 원료를 생산하는 데 활용된다. 이들은 주로 미생물(박테리아, 효모 등)이나 조류를 변형시켜 대량 배양하는 방식으로 제조되며, 전통적인 화학 공정보다 효율적이고 친환경적인 생산 방식을 가능하게 한다.

대표적인 사례로는 유전자 변형 대장균이나 효모를 이용한 효소 생산이 있다. 예를 들어, 세제에 들어가는 리파아제나 프로테아아제, 제지 공정에서 목재 펄프를 표백하는 데 쓰이는 셀룰라아제, 옥수수 전분을 당화시켜 고과당 옥수수 시럽을 만드는 데 필수적인 글루코아밀라아제 등이 GMO 미생물을 통해 대량 생산된다[4]. 또한, 바이오에탄올이나 바이오디젤과 같은 바이오 연료의 생산 효율을 높이기 위해, 셀룰로오스 분해 능력이 향상된 효모나 지질 생산량이 증가한 조류가 개발되기도 했다.

최근에는 석유 기반 플라스틱을 대체할 생분해성 플라스틱의 생산에도 GMO 기술이 적용된다. 대장균의 대사 경로를 변형시켜 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)나 폴리락트산(PLA) 전구체를 생산하게 하는 연구가 활발하다. 이처럼 산업용 GMO는 자원 순환과 탄소 중립을 위한 바이오 리파이너리 개념의 핵심 기술로 주목받으며, 화학 산업의 지속 가능한 전환을 이끌 것으로 기대된다.

유전자 변형 생물체는 농업 분야에서 생산성을 획기적으로 높이는 데 기여해왔다. 주요 목표는 작물의 수확량을 증가시키고, 재배 과정에서의 손실을 줄이며, 가혹한 환경 조건에서도 재배 가능성을 확대하는 것이다. 이를 통해 식량 안보를 강화하고 농업의 지속 가능성을 높이는 효과가 기대된다.

농업 생산성 향상은 크게 두 가지 방식으로 이루어진다. 첫째는 해충과 잡초로 인한 손실을 줄이는 것이다. 예를 들어, Bt 옥수수나 Bt 면화는 Bacillus thuringiensis라는 세균에서 유래한 독성 단백질을 생산하는 유전자를 도입받았다. 이 단백질은 특정 해충의 장관에서만 활성화되어 해충을 사멸시키지만, 인간이나 다른 동물에게는 무해하다[5]. 또한 제초제 저항성을 가진 대두나 카놀라는 특정 제초제를 뿌려도 죽지 않고 잡초만을 효과적으로 제거할 수 있어 작물 관리가 용이해진다.

둘째는 생물적 스트레스뿐만 아니라 비생물적 스트레스에 대한 내성을 부여하는 것이다. 가뭄, 염분, 고온 또는 저온과 같은 환경 스트레스는 작물 생장과 수확량에 큰 영향을 미친다. 가뭄 내성 옥수수는 물이 부족한 조건에서도 비교적 안정적인 수확을 가능하게 하며, 염분 내성 작물은 염분이 높은 토양에서도 재배될 수 있다. 이는 기후 변화로 인한 재배 환경 악화에 대응하는 중요한 전략이 된다.

이러한 형질 개선은 궁극적으로 단위 면적당 더 많은 식량을 생산하거나, 동일한 수확량을 더 적은 투입재(물, 농약, 노동력)로 얻는 것을 목표로 한다. 이는 세계적으로 증가하는 인구에 필요한 식량을 공급하고, 농업의 환경적 발자국을 줄이는 데 기여할 수 있다.

유전자 변형 생물체는 영양 결핍 문제 해결과 질병 치료를 위한 새로운 의약품 개발에 활용된다. 농작물의 경우, 주요 식량에 부족한 필수 영양소를 생산하도록 유전자를 도입하여 영양 강화를 이루는 것이 대표적이다. 예를 들어, 비타민 A 결핍을 해결하기 위해 개발된 골든 라이스는 쌀에 베타카로틴 생산 능력을 부여했다[7]. 이 외에도 철분과 아연 함량을 높인 GMO 옥수수, 고 올레산 대두 등이 개발되어 영양 공급원으로서의 가능성을 보여주었다.

의학 분야에서는 GMO 박테리아나 GMO 효모 등을 이용해 인간 호르몬이나 백신 성분을 생산하는 것이 일반적이다. 초기에는 인슐린과 인간 성장 호르몬의 대량 생산이 대표적 사례였으며, 최근에는 항체 치료제나 헤파린과 같은 혈액 응고 방지제, 그리고 대상포진 및 B형 간염 백신 등 다양한 생물의약품의 제조 공정에 핵심적으로 활용된다. 이들은 전통적인 방법보다 안전하고 경제적인 대량 생산을 가능하게 한다.

향후 전망으로는 식용 백신의 개발이 주목받는다. 이는 GMO 감자나 GMO 바나나와 같은 식물에 병원체 항원을 발현시켜, 식사를 통해 면역력을 얻을 수 있도록 하는 기술이다. 또한, 유전자 치료에 사용될 바이러스 벡터의 생산이나, 장기 이식을 위한 제노트랜스플랜테이션을 위한 유전자 변형 돼지 개발 등 치료 의학의 영역으로도 그 활용이 확대되고 있다.

유전자 변형 생물체가 환경에 미치는 영향은 가장 오래되고 지속적인 논란의 중심에 있다. 주요 우려는 GMO 작물이 야생 생태계로 유전자를 전파하거나, 비표적 생물에 해를 끼치며 생물 다양성을 감소시킬 수 있다는 점이다. 예를 들어, 해충 저항성 형질을 가진 옥수수나 면화의 꽃가루가 유익한 곤충인 나비류의 유충에게 독성을 나타낼 수 있다는 연구 결과가 제시되었다[10]. 또한, 제초제 저항성 형질이 주변 잡초나 근연 야생종으로 유전자 이동될 경우, 통제하기 어려운 '슈퍼 잡초'가 출현할 수 있다.

생태계에 대한 또 다른 영향은 작물 재배 방식의 변화에서 비롯된다. 제초제 저항성 GMO 작물의 보급은 특정 제초제의 광범위한 사용을 유도하며, 이는 토양 미생물 군집의 변화를 초래하고 궁극적으로 토양 건강을 악화시킬 수 있다. 또한, 단일 형질의 작물이 대량 재배되면 경작지의 유전적 다양성이 낮아져 병해충의 대규모 발생에 더 취약해질 위험이 있다. 일부 연구는 GMO 작물 재배지에서 곤충 군집의 구성이 변화하고, 토양 동물의 풍부도가 감소할 수 있음을 지적한다.

이러한 잠재적 위험을 평가하고 관리하기 위해 환경위해성평가가 필수적으로 수행된다. 평가는 표적/비표적 생물에 대한 영향, 유전자 이동 가능성, 생태계 내에서의 생존 능력과 경쟁력 등을 종합적으로 검토한다. 그러나 생태계 영향은 장기적이고 복합적이기 때문에 단기 실험으로 모든 결과를 예측하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 많은 국가에서는 GMO 작물 재배 후 지속적인 사후 환경 모니터링을 법적으로 요구하고 있다.

건강 위험 논란은 유전자 변형 생물체의 섭취가 인간 건강에 미칠 수 있는 잠재적 영향에 대한 우려와 과학적 논쟁을 포괄한다. 주요 논점은 알레르기 유발 가능성, 항생제 내성 유전자 전달, 그리고 장기적인 섭취의 영향에 대한 불확실성이다. 비판자들은 GMO 작물에 도입된 새로운 단백질이 일부 소비자에게 알레르기 반응을 일으킬 수 있다고 지적한다. 또한, 초기 GMO 개발 과정에서 표지자로 사용되던 항생제 내성 유전자가 인간의 장내 세균으로 전달되어 의학적 치료에 문제를 일으킬 가능성도 제기되었다.

이러한 우려에 대해, 세계보건기구와 유엔 식량 농업 기구를 포함한 많은 국제 기구 및 규제 기관은 시장에 출시된 GMO 식품이 기존 식품과 동등하게 안전하다는 입장을 유지한다. 그 근거는 엄격한 사전 안전성 평가 절차다. 평가는 독성, 알레르기 유발성, 영양 구성 변화 등을 포괄하며, 실질적 동등성 원칙에 따라 기존 안전한 식품과 비교 검증을 수행한다. 현재까지 소비 가능한 GMO 식품이 인간 건강에 직접적인 위해를 입혔다는 과학적으로 확립된 증거는 부재하다.

논란의 핵심은 장기적 영향에 대한 데이터의 한계와 평가 방법론 자체에 대한 의문이다. 일부 연구자들은 90일 동물 실험과 같은 기존 안전성 평가 모델이 평생 섭취에 따른 만성적 영향이나 대사 질환과의 연관성을 포착하기에 부족할 수 있다고 비판한다. 또한, GMO 작물에 함께 사용되는 제초제의 잔류물 증가가 간접적으로 건강에 미치는 영향에 대한 우려도 제기된다. 따라서 건강 위험 논란은 단순한 과학적 사실 확인을 넘어, 위험 관리 정책과 예방 원칙의 적용 범위에 대한 사회적 합의 과정의 성격도 띤다.

유전자 변형 생물체의 보급은 농업 구조와 시장 지배력에 변화를 가져오며, 이는 농민의 자율성과 생계에 영향을 미치는 사회경제적 문제를 야기한다. 가장 큰 논점은 종자 시장의 독점 구조 강화이다. 주요 GMO 종자는 소수의 다국적 기업에 의해 개발되고 특허가 보호되며, 농민은 매년 종자를 구입해야 한다. 이는 전통적으로 수확한 종자를 다음 해에 다시 심는 농민의 관행을 저해하고, 생산 비용을 증가시킨다. 또한, GMO 작물과 비GMO 작물의 혼입 문제는 경제적 손실 분쟁을 빚는다. 인근에서 재배되는 유기농 작물에 GMO가 불의로 혼입될 경우, 그 작물의 가치가 하락하여 농민 간, 또는 농민과 종자 회사 간 법적 분쟁이 발생한다.

이러한 경제적 압력은 특히 개발도상국의 소농에게 더 크게 작용한다. 고가의 GMO 종자와 필수적으로 동반되는 특정 농약 구입 비용은 농가 부채를 증가시키는 원인이 된다. 수확량 증가가 예상만큼 이루어지지 않거나 시장 가격이 변동할 경우, 경제적 위험에 노출된다. 결과적으로 GMO 기술은 농업 생산성을 높일 수 있는 잠재력을 지녔지만, 그 이익이 공정하게 분배되지 않고 기술과 자본을 보유한 기업에 집중될 위험이 있다. 이는 농업 부문의 불평등을 심화시키고 전통적 지식과 생물 다양성 기반 농업을 위협할 수 있다는 비판으로 이어진다.

생물다양성협약의 부속 의정서인 카르타헤나 의정서는 GMO의 국제적 이동에 관한 핵심 규제 틀을 제공한다. 이 의정서는 2003년 발효되어 GMO의 국경간 이동, 취급, 이용에 관한 사전통보승인제도(AIA)를 확립했다. 특히 다른 국가로 수출되는 GMO가 수입국의 생물다양성 보전과 지속가능한 이용에 부정적 영향을 미칠 수 있는 경우, 사전에 과학적 위험 평가를 거치고 사전 동의를 얻도록 규정한다[12]. 또한 GMO의 식별, 문서화, 정보 공유를 위한 바이오안전성 정보 교환소(BCH)의 운영을 의무화한다.

식품 안전 분야에서는 국제식품규격위원회(Codex)가 GMO 식품의 안전성 평가 지침을 마련한다. Codex의 '현대생명공학기술 식품의 안전성 평가 지침'은 위해성 평가의 원칙과 방법을 제시하여, 회원국들이 자국의 GMO 안전 관리 체계를 수립할 때 국제적으로 조화된 과학적 기준을 참조할 수 있도록 한다. 이 지침은 실질적 동등성 개념을 바탕으로 한 비교 접근법을 채택하고 있다.

세계무역기구(WTO)의 규범은 간접적으로 GMO 규제에 영향을 미친다. WTO의 SPS 협정은 식품 안전 및 동식물 검역 조치가 충분한 과학적 증거에 기반해야 하며, 국제 기준이 존재할 때는 이를 준용할 것을 촉구한다. 또한 TBT 협정은 기술 규정과 표준이 불필요한 국제 무역 장벽이 되어서는 안 된다는 원칙을 정한다. 따라서 개별 국가의 GMO 규제가 무역 분쟁으로 이어질 경우, 이러한 WTO 협정 하에서 그 정당성과 비례성이 검토받게 된다.

각국은 유전자 변형 생물체의 연구, 개발, 상업화, 수입, 표시 등에 대해 서로 다른 규제 체계를 구축하여 운영한다. 규제 철학은 크게 '과정 기반 규제'와 '제품 기반 규제'로 나뉘며, 이에 따라 허가 절차와 요구 사항이 크게 달라진다.

대부분의 국가는 생물다양성협약의 카르타헤나 의정서를 비준하고, 이를 국내법에 반영하여 GMO의 국가간 이동을 관리한다. 그러나 표시 제도는 국가마다 현저한 차이를 보인다. 예를 들어, EU는 0.9% 이상 GMO가 함유된 모든 식품에 대한 표시를 의무화하는 반면, 미국은 의무적 표시 대신 자발적 표시를 원칙으로 한다[13]. 이러한 규제 차이는 국제 무역 분쟁의 원인이 되기도 한다.