5. part 2 유전생태학: 적응과 자연선택

유전공학으로 인간은 종의 DNA를 조작할 수 있다가 지난 천 년 동안, 인간은 동, 식물종의 특성을 변경하기 위한 선택 번식 과정을 이용해 왔다. 원하는 특성을 보이는 개체들을 선택하고, 이들을 같은 특성을 보이는 개체들과 교배시킴으로써 육종가들은 특정 신체적, 행동적 특성을 갖는 개체군을 생산한다. 이러한 선택번식 과정은 자연선택 어떤 유전성이 있는 특성의 차이에서 기인하는 개체군 내 개체들의 차별적 적응도인 자연선택과 유사하다. 그러나 자연선택과는 달리 인간은 환경 대신 선택의 대리인으로서 작용한다. 다윈은 선택 번식을 '인위선택'으로 표현하였고, 이런 과정에 대한 그의 이해는 자연선택 이론의 발전에 토대가 되었다. 선택번식 과정이 우리가 식량으로 의존하는 재배식물과 가축의 다양성을 제공해 왔지만, 그 과정에는 한 가지 중요한 한계가 있다. 선택될 수 있는 일련의 특징들은 개체군 내에 존재하는 유전적 변이로 제한된다. 예를 들어, 빨간 꽃 색의 선택은 빨간 색소의 생산을 암호화하는 대립유전자가 식물 개체군 내에 존재하는 경우에만 가능하다. 그러나 현대의 유전 기술은 이러한 근본적인 제약을 제거하였다. 현재는 한 종에서 다른 종으로 DNA의 이동이 가능하다. 한 생물체의 게놈을 직접적으로 변경하는 과정이 유전공학이다. 유전공학에서 사용되는 주요 기술은 유전자 재조합이다; 한 생물의 유전물질을 다른 생물의 425 지논에 결합함으로써 재조합 DNA, 즉 rDNA를 개발한다. 결과적으로 변형된 유전자는 '도입유전자'로, 재조합 DNA의 수용체는 '형질전환 생물'로 불린다. rDNA를 이용한 유전공학 과정은 일련의 단계들이 성공적으로 완수되어야 한다. 첫 번째 과정은 DNA 추출이다. DNA로 작업하기 위해 과학자들은 공여 생물에서 DNA를 추출해야 한다. DNA 추출 과정 동안, 공여 생물 DNA의 온전한 염기서열이 한 번에 추출된다. 다음 단계로, 더 큰 가닥에서 원하는 DNA 조각을 잘라내는 특정 효소를 사용하여 DNA의 나머지 부분으로부터의 관심 대상인 한 유전자를 분리해 낸다. 이어 클로닝 기법을 이용하여 유전자의 복사본을 만들 수 있다. 일단 유전자가 복제되면, 유전자가 수용 생물 내 들어가서 작동하도록 유전 공학자들은 유전자를 설계하는 세 번째 단계를 시작한다. 이 과정은 '프로모터'와 '터미네이터'로 불리는 새로운 부분을 더할 수 있는 다른 효소들을 사용하여 이루어진다. 프로모터는 특정 유전자의 전사를 시작하는 DNA의 부분이다. 터미네이터는 유전자의 끝부분을 나타내는 유전자 서열의 일부분이다. 다음 단계는 새로운 유전자를 수용 생물의 세포에 주입하는 과정이다. 새로운 DNA의 도입을 통해 조직 또는 생물에서 변화가 발생하는 과정을 '형질전환'이라 한다. 형질전환은 다양한 기술로 이루어지지만, 식물종에는 '유전자 총 방법'과 '아그로박테리움 방법'의 두 가지 주요 접근방법이 사용된다. 유전자 총 방법은 외부 DNA를 묻힌 금 알갱이를 식물세포 내로 발사한다. 이들 입자 중 일부는 식물 세포벽을 지나 세포핵으로 들어가고 여기서 전달 유전자가 식물 염색체로 통합된다. 아그로박테리움 방법은 많은 식물종에서 근두암종병을 유발하는 아그로박테리움 투에 파시 엔 그라는 토양 박테리아를 이용한다. 이 박테리아에는 종양유발 유전자가 숙주 게놈으로 통합되는 것을 돕는 추가적 유전자와 함께, 'T-DNA를 포함하는 플라스미드인 비염색체 성 DNA 고리가 있다. 박테리아가 식물을 감염시키면, 플라스미드는 식물 염색체로 통합되어 식물 게놈의 일부분을 이룬다. 유전공학 목적으로 플라스미드의 종양유발 부분을 제거하여 해당 식물에 해가 되지 않도록 한다. 공여생물에서 원하는 유전자를 이어 박테리아의 플라스미드로 주입한다. 박테리아는 이제 식물로 전달 유전자를 옮기는 운반 시스템으로써 사용될 수 있다. 유전공학 기술을 이용한 유전물질 변형 생물을 일반적으로 '유전자변형생물'이라 한다. 다양한 GMO를 생산하기 위해 유전공학이 사용됐다. 유전적으로 변형된 생물은 박테리아, 효모 같은 미생물과 곤충, 식물, 어류, 포유류를 포함한다. GMO는 생물학과 의학 연구, 의약품 생산, 실험의학 분야에서 사용되지만 가장 광범위한 응용은 농업에서 이루어졌다. 농업 분야에서, 해충 또는 제초제에 대한 저항성, 영양 가치의 향상 또는 약품 생산과 같은 이로운 특성을 갖는 유전공학 작물들이 만들어졌다. 유전적으로 변형된 작물 종들이 일으킨 윤리적, 보건적 우려와 더불어, 유전공학의 실행과 형질전환 종의 생산은 생태학자들 사이에서 상당한 우려를 자아냈다. 옥수수, 콩, 쌀과 같은 주요 농작물 종과 자생 식물 개체군 간의 유전자 전달, 타가수분이 가능한 근연종들이 없기 때문에 이에 대한 염려는 거의 없다. 그러나 유채 속의 종들처럼 다른 작물 종들은 타가수분이 가능한 다양한 재배종, 야생종, 아종으로 구성된다. 예를 들어, 유채유 생산에 사용되는 유채는 제초제를 견디도록 유전적으로 변형되었고, 제초제 내성 특성이 꽃가루에 의해 잡초성 근연종으로 전달되었음이 보고되었다. 순무, 양배추, 브로콜리와 같은 많은 주요 작물 종이 유채류에 포함된다. 농업에서 중요한 유전공학 적용은 충해, 내성 작물 품종의 개발이다. 아마도 가장 널리 재배되는 유전자 변형 작물을 Bt 옥수수이다. 간균 튜링 겐 시어서, 즉 Bt는 흔한 토양 박테리아이며 Bt의 게놈은 해충에 유독한 몇 단백질을 만드는 유전자들이 있다. Bt는 수십 년 동안 유기농약으로 밭에 뿌려졌다. 1990년대 중반부터 시작되어 옥수수의 몇 변종은 Bt 유전자들의 암호화 단백질 다양한 해충에 유독한 부분을 통합하여 유전적으로 변형되었다. Bt의 몇 계통은 옥수숫대에 구멍을 뚫는 포 충 나방처럼 애벌레에 선택적으로 유독한 단백질을 생산하지만, 다른 계통들은 모기, 뿌리에서 사는 벌레, 딱정벌레를 표적으로 작용한다. 해충 종이 섭취했을 때 치명적인 살충제 단백질은 식물조직 내부에 함유되어 있다. 비표적 곤충 종 또는 이들 곤충을 먹는 포식자들에 대한 Bt 옥수수의 잠재적인 영향과 기타 곤충 내성 유전자 변형 작물 종들에 대한 우려가 존재한다. 작물에 대한 병 저항성을 부여하는 도입유전자의 이용은 또 다른 잠재적·생태적 위험이 있다. 만약 바이러스에 대한 저항을 위해 복제한 유전자가 야생식물에 이전된다면, 이는 위험성이 더 높은 새로운 식물 바이러스의 자연 발생 우려를 낳는다.