2022년 12월의 과학기술인상 서울대 의과대학 배상수 교수

 

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 서울대학교 의과대학 배상수 교수를 선정했다고 밝혔다.

 

 □ 인적사항
  o 성명 : 배상수
  o 생년 : 1980년
  o 소속 : 서울대학교 의과대학(생화학교실)

 

사진제공 과학기술정보통신부

 □ 주요 학력
  o 2008.03. ~ 2012.08.  서울대학교  물리천문학부 박사
  o 2006.03. ~ 2008.02.  서울대학교  물리천문학부 석사
  o 1998.03. ~ 2005.08.  서울대학교  물리학과 학사

 □ 주요 경력
  o 2022.03. ~현재      서울대학교 의과대학 생화학교실 부교수
  o 2021.09. ~2022.02.   한양대학교 자연과학대학 화학과 부교수
  o 2015.03. ~2021.08.   한양대학교 자연과학대학 화학과 조교수
  o 2012.09. ~2015.02.   서울대학교 자연과학대학 화학부 연수연구원

 □ 전문 분야 
  o 혁신적 유전자 교정 도구 개발
  o 크리스퍼, 염기교정, 프라임교정 유전자가위 활용
  o 유전자가위 디자인 및 분석 프로그램 개발
  o 선천성 희귀질환 유전자 치료
  o 식물 유전자 교정을 통한 품종 개량

 

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.

 

과기정통부와 연구재단은 배상수 교수가 기존 유전자가위의 한계를 극복하고, 특정 DNA 염기＊ 하나만 교정할 수 있는 초정밀 염기교정 유전자가위 기술을 개발한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.

＊DNA 염기 : DNA는 총 4개의 염기가 선형을 이루는 구조로, 4개의 염기는 각각 아데닌, 구아닌, 시토신, 타이민이다.

 

유전자가위는 DNA 내 특정 유전자를 정확하게 자르거나 편집하는 도구로 1990년대 1세대 징크핑거가 개발된 후 2세대 탈렌, 3세대 크리스퍼로 발전했으며, 지금도 보다 안전하고 정밀한 유전자가위를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

 

염기교정 유전자가위는 표적 DNA의 염기를 다른 염기로 치환할 수 있는 기술로, 사용이 간편하고 작동효율이 높아서 유전질환 치료나 질병모델 개발에 유용하게 쓰이고 있다.

 

배상수 교수 연구팀은 염기교정 유전자가위가 특정 DNA에서 표적인 아데닌 염기뿐만 아니라 주변의 시토신 염기도 같이 바꾸는 부작용을 2019년 발견하고, 부작용을 최소화할 수 있는 초정밀 염기교정 유전자가위를 개발하였다.

 

연구팀은 염기교정 유전자가위의 오작동을 일으키는 원인인 아데노신 탈아미노화 효소들의 서열 및 구조를 분석하고, 표적 DNA 염기들과 결합할 수 있는 주요 아미노산들을 찾아냈으며, 이를 기반으로 30종이 넘는 변형 염기교정 유전자가위를 제작했다.

 

연구팀은 30종의 유전자가위를 분석한 결과 교정 효율은 증가하고, 부작용은 현저히 줄어든 최적화된 초정밀 아데닌 염기교정 유전자가위 ‘ABE8eWQ’ 개발에 성공했다. 연구성과는 2021년 11월 국제학술지 네이처 바이오테크놀러지(Nature Biotechnology)에 게재됐다.

 

배상수 교수는 “이번 연구는 표적 염기를 기존보다 최대 50배 정교하게 고칠 수 있는 기술을 개발한데 의의가 있다”라며 “유전자 교정을 통한 혁신적 유전자 치료법이 개발되어 국민의 삶과 미래 성장 동력인 바이오 산업에 크게 기여할 수 있기를 기대한다.”라고 밝혔다.

 

'22년 12월 수상자 배상수 교수 인터뷰

 

유전체의 특정 DNA를 정확히 찾아 잘라낼 수 있는 유전자가위가 1990년대 처음 등장한 이래 세계 각국의 연구자들이 암을 비롯한 유전질환의 혁신적 치료를 위해 첨단 유전자가위 개발에 뛰어들었습니다. 하지만 아직까지 안전성 문제 등 해결해야 할 과제가 많습니다. 최근 배상수 교수는 기존 유전자가위의 한계를 극복한 초정밀 아데닌 염기 유전자가위를 선보이며 혁신적 유전자 치료법 개발에 청신호를 켰습니다. 배 교수는 대학과 대학원에서 물리학을 전공한 뒤 생명공학으로 전향한 특별한 이력을 갖고 있는데요. 유전자가위라는 새로운 도구의 등장 소식에 청년 물리학도는 과학자로서의 호기심과 인류의 미래에 대한 기여를 꿈꾸며 낯선 세계에 용감하게 뛰어들었습니다. 미래에 대한 낙관, 그리고 과학자로서 겸손함을 마음 속 나침반 삼아 쉼 없이 전진해온 배상수 교수의 연구이야기를 소개합니다.

 

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상소감과 함께 교수님의 근황도 소개해주세요.

 

- 학생 때부터 ‘이달의 과학기술인상’을 알고 있었는데, 제가 수상자가 되리라고는 생각하지 못했습니다. 아직은 연구적으로 부족한 부분들이 있고, 가야할 길이 많은데, ‘초정밀 아데닌 염기교정 유전자가위 개발’로 상을 받게 되어 매우 기쁘고 영광스럽습니다. 현재는 염기교정 기술을 넘어서는 보다 혁신적인 유전자가위 기술 개발을 진행하고 있는데요. 유전자교정 도구 개발의 성과가 실험실 수준에 머무르지 않고, 유전질환으로 고통 받는 환자들에게 실제 적용하여 근본적인 치료를 하는 것을 목표로 연구하고 있습니다.

 

o 교수님의 주요 연구주제는 무엇인가요?

 

- 의과대학의 연구분야는 크게 임상과 기초로 구분되는데, 저는 기초의학분야의 생화학교실에 소속되어 있습니다. 현재, 유전자 교정 도구들의 문제점들을 보완하는 연구와 함께, 앞으로 꼭 필요한 새로운 유전자 교정 도구를 개발에 관심이 많습니다. 더불어 개발한 유전자 교정 도구를 임상의사분들과 함께 유전자 교정 치료에 적용하여 아직까지 치료제가 없는 난치성 유전질환을 극복하고 싶습니다.

 

o 학부와 대학원에서 물리학을 전공하고, 유전자가위 연구에 천착해오셨습니다. 계기가 있으셨나요?

 

- 어렸을 때부터 막연하게 과학자, 연구자가 되는 것이 꿈이었습니다. 고등학교 때는 물리에 흥미를 느껴 물리학과에 진학했습니다. 대학교 시절, DNA 이중나선 구조를 처음으로 밝힌 사람 중 한 명인 프랜시스 크릭이 이론 물리학자였다는 사실을 접하면서, 물리학 전공자로서 생명공학, 의생명과학 등의 분야에 기여하면 좋겠다는 생각을 했습니다. 대학원 시절에는 ‘생물물리’분야에서 홍성철 교수님 지도 하에 석·박사 학위를 취득했습니다. 당시, 형광현미경을 이용해서 단백질과 DNA 등을 단일분자 수준에서 관측하여 작동원리를 밝히는 연구를 수행했습니다. 이후 DNA 염기서열을 자유자재로 바꿀 수 있는 유전자가위 기술을 논문과 신문 등에서 접하면서 그 분야로 뛰어들고 싶은 마음이 커졌습니다. 국내에서 독보적인 연구를 해오신 서울대 화학부 김진수 교수님 연구실 박사후연구원에 지원하여, 본격적으로 유전자 교정 연구를 시작했습니다.

 

o 전공과는 다른 분야에 도전하여 선도적인 연구를 수행하시기까지의 여정이 녹록치 않았을 것 같습니다. 그간의 과정과 노력도 궁금합니다.

 

- 학부부터 박사까지 물리 분야에서 10년 넘게 공부하고, 전공을 바꾸는 것이 쉽지 만은 않았습니다. 돌아보면 노력과 운이 함께 했던 것 같습니다. 박사후연구원 때 유전자 교정 분야로 전공을 바꾸며, 석사생과 똑같이 새롭게 공부하고 세포실험 같은 것들도 처음 배웠습니다. 당시 김진수 교수님 연구실에서 크리스퍼 유전자가위를 이용한 인간 유전자 교정이 독자적인 기술로 세계에서 동시에 처음으로 성공하였습니다. 정말 운이 좋게도, 그 연구현장에 함께 있었고, 이후 한양대학교 화학과 조교수로 임용됐습니다. 물리학을 전공하고 화학과 교수가 되리라고는 한 번도 생각해 본 적이 없었기에 놀랍고 감사한 일이었습니다. 또 한양대에서 7년의 조교수, 부교수 과정을 거쳐 올해 3월에 서울대학교 의과대학으로 이직했습니다. 이 역시 놀랍고 감사한 일입니다.

 

o 기존 염기교정 유전자가위 기술의 오작동 연구를 시작하게 된 배경이 궁금합니다.

 

- 2012년 제3세대 유전자가위 크리스퍼가 개발됐습니다. 1,2세대 유전자가위에 비해 타겟 DNA를 정교하게 교정할 수 있는 혁신적인 도구로, 생명공학, 생화학, 의생명과학 등에 폭넓게 활용됐습니다. 그 공로로 2020년 이례적으로 빠르게 이 기술에 노벨화학상이 수여됐습니다. 하지만, 크리스퍼는 타겟 DNA의 이중나선을 절단한다는 점에서 안전성의 우려가 있으며, 특정 염기서열을 다른 서열로 치환하기에는 효율이 매우 떨어집니다. 그 대안으로, 하버드대학의 데이비드 리우 교수 연구진은 2016년과 2017년, 단일염기 수준에서 타겟 염기를 정교하게 교정하는 염기교정 유전자가위를 개발했습니다. 하지만, 이 또한 완전무결하지는 않았습니다. 저희 연구팀은 2019년 아데닌 염기교정 유전자가위가 특정 조건에서 시토신(C) 염기도 함께 치환한다는 문제점을 처음으로 발견하고, 이를 생명공학 분야 상위 1% 저널인 네이처 바이오테크놀러지(Nature Biotechnology) 저널에 게재했습니다.

 

o 염기교정 유전자가위 기술의 오작동을 규명하고, 나아가 문제 해결 방법까지 찾으셨습니다. 연구의 주요 내용과 성과를 소개해주세요.

 

- 앞서 설명한 문제점을 발견하고 후속 연구로 이를 극복할 수 있는 초정밀 고성능의 염기교정 유전자가위 기술을 개발하고자 했습니다. 그 결과 합리적 설계(rational design) 방식으로 단백질을 변형시켜, 타겟 주변 시토신 염기를 거의 치환하지 않으면서 정교하게 아데닌 염기만을 고칠 수 있는 ‘고성능 초정밀 염기교정 유전자가위’를 개발했습니다. 이는 기존 기술 대비 최대 50배 가까이 정확도가 향상된 것으로, 안전성이 크게 높아졌습니다. 이 연구결과를 2021년에 네이처 바이오테크놀러지(Nature Biotechnology) 저널에 게재하였고, ‘이달의 과학기술인’에 선정되는 영광도 얻었습니다.

 

o 염기교정 유전자가위 개발 과정에서 가장 큰 어려움은 무엇이었나요?

 

- 지난 2019년 처음으로 아데닌 염기교정 유전자가위가 타겟하는 아데닌 뿐 아니라, 시토신 염기도 치환시킨다는 단점을 발견했는데요. 아데닌 염기 치환 기능은 그대로 유지한 채로, 시토신 염기 치환 기능을 없애는 것이 상당히 어려웠습니다. 단백질 구조 전문가인 고려대학교 생명과학과 우재성 교수님의 도움을 크게 받아 연구를 수행하였습니다. 우재성 교수팀에서 DNA에 작용하는 아미노산들의 후보들을 약 20여개로 간추려 주었습니다. 본 연구팀에서 다양한 조합들에 대해 스크리닝 실험을 진행하여, 기존보다 정확도가 최대 50배 향상된 성능을 가진 초정밀 아데닌 염기교정 유전자가위를 개발할 수 있었습니다.

 

o 다양한 염기교정 유전자가위들을 인간세포에 적용할 수 있도록 타겟 디자인을 도와주는 웹 프로그램을 자체적으로 개발하고, 전 세계 연구자들에게 무료로 공개하셨습니다.

 

- 염기교정 기술 개발 이전부터, 크리스퍼 유전자가위를 다양한 종에 적용할 수 있도록 타겟 디자인을 도와주는 프로그램과 유전자 교정 효율을 얻기 위해 DNA 시퀀싱 한 결과를 분석해주는 프로그램, 유전자가위의 오작동으로 인해 원치 않는 타겟을 예측해주는 프로그램 등 다양한 웹 프로그램을 자체 개발하여 전 세계 연구자들에게 무료로 공개하고 있습니다. 저희 역시, 미국과 유럽 등에서 구축된 유전체 데이터베이스를 무료로 이용하기 때문에, 우리가 개발한 기술도 전 세계 연구자들이 무료로 이용할 수 있게 하는 것은 당연한 일이라 생각합니다. 그리고 컴퓨터 알고리즘에 전혀 지식이 없는 연구자들도 쉽게 접근해서 사용할 수 있게 웹 기반으로 만드는 것이 중요합니다. 현재 10개가 넘는 웹 프로그램을 제공하고 있으며, 하루 평균 약 300명의 세계 각국 연구자들이 사용하고 있습니다. 현재까지 300만회 이상 사용되었는데, 이는 세계 TOP 3 수준입니다. 연구자로서 관련 분야 발전에 기여할 수 있음에 자부심을 느낍니다.

 

o 염기교정 기술을 활용한 인간 희귀 유전질환 치료법 개발에도 많은 관심을 기울이셨습니다.

 

- 사실 ‘구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배’라는 속담이 있듯이, 아무리 좋은 기술도 실험실에서만 사용되고 실제 환자에게 적용되지 않는 다면, 그 가치는 반감됩니다. 따라서, 저희 연구팀이 개발하고 있는 유전자 교정 기술들이 실제 유전질환 치료에 쓰이기를 간곡히 바랍니다. 이미 국내 서울의대, 연세의대, 한양의대 연구진들과 함께, 눈, 피부, 간, 뇌 등에 적용하여 각각 레버선천성 흑암시(LCA), 이영양형 수포성 표피박리증 질환(RDEB), 티로신혈증(HT1), 크라베(Krabbe) 질환 등의 선천성 유전질환에 대한 근본적인 치료법 개발 연구를 수행하고 있습니다. 앞으로 10년 이내에 실제 치료제가 나오기를 희망합니다.

 

o 유전자가위를 이용한 다양한 연구성과들이 의학바이오의 발전에, 나아가 인류의 삶에 기여하려면 앞으로 어떤 노력들이 더 필요할까요?

 

- 유전자 교정 도구는 기초연구와 유전자 치료 같은 응용 연구에 모두 획기적인 영향을 주고 있습니다. 기초연구의 경우, 우리가 DNA 유전체 서열을 모두 읽을 수는 있게 됐지만, 2만개 유전자의 기능을 모두 알고 있는 것은 아닙니다. 유전자 하나하나 혹은 여러 유전자들의 네트워크를 조절할 수 있어야만 비로소 각각의 기능을 이해하게 될 것입니다. 이 과정에서 유전자 교정 도구는 필수적이며, 이미 이를 이용한 혁신적인 연구들이 수행되고 있습니다. 한편, 응용 분야에서도 새로운 유전자 치료법 개발 뿐 아니라, 식물의 품종 개량 등에 폭넓게 사용되고 있습니다. 의학바이오에 있어서도, 인간에 적용할 정도로 성능이 좋고, 안전하다고 믿을 수 있는 기술들을 개발하여 실제 치료제를 만드는 것이 필요하다고 생각합니다.

 

o 과학자로서 연구에 임하는 태도 내지 자세에 대해서도 들려주세요.

 

- 연구자로써 필요한 마음은 ‘미래에 대한 낙관’과 ‘겸손함’이라고 생각합니다. 사실, 연구는 계획대로 되는 경우는 거의 없으며, 열에 아홉은 실패하는 일이 많습니다. 그렇기 때문에 미래에 대한 낙관을 가지고, 자신감을 잃지 않는 것이 중요합니다. 또한, 현대의 연구는 그 복잡성과 경쟁으로 인해, 혼자 진행하기 어렵습니다. 전공이 전혀 다른 연구자들의 협업이 점점 중요해지는 만큼 다른 사람들의 이야기를 귀담아 듣고 깊이 사고하는‘겸손한 마음’이 필요합니다. 사실, 두 마음이 다소 상충하는 측면도 있습니다. 미래에 대한 자신감이 넘치다보면 겸손함을 잃기도 하고, 겸손함을 강조하다 보면, 미래에 대한 낙관을 잃어버리는 것 같습니다. 그래서 둘 간의 조화 즉, ‘중용’이 필요하지 않나 생각됩니다.

 

o 연구를 수행해오며 가장 즐거웠던 순간, 보람된 기억은 무엇인가요?

 

- 뻔한 얘기이지만, 연구를 한다는 것은 아무도 가보지 않은 길을 가는 것이기에, 연구를 성공적으로 수행하여 원하는 결과를 얻게 되면 그 기쁨이 제일 큽니다. 그리고, 학교에서 교수직을 수행한다는 것은 제자를 양성하는 것이기 때문에, 학부생, 대학원생, 연구원 등의 제자들이 성장하여 각자 자리를 잡아가는 모습을 보면 보람이 큽니다.

 

o 평소 연구실을 학생들과 연구원들에게 강조하는 내용이 있다면 무엇인가요?

 

- 연구는 ‘장기전’이기 때문에, 지치지 않고 스스로‘동기부여’하며 꾸준하게 수행하는 것이 중요합니다. 저희 연구실은 박사후연구원, 대학원생, 인턴, 행정원 포함 약 13명이 있는데요. 저는 세세하게 하나하나 지도하기보다 학생/연구원들이 자율성을 가지고 각자 스스로의 연구를 주도해 나가기를 바랍니다. 서로 팀을 꾸려 연구하기도 하지만, 기본적으로 각자의 연구주제를 본인 주도로 연구하는 것을 장려합니다. 근무시간도 탄력적으로 운영하고요. 학생들끼리 1달에 1번 ‘문화의 날’을 정해서 반나절 영화나 연극을 보거나 소풍을 갑니다.

 

o 교수님이 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표는 무엇인가요? 또는 이것만은 꼭 완성하고 싶다고 생각하시는 연구가 있다면 소개해주세요.

 

- 현재 염기교정 유전자가위를 통해 단일염기를 치환하는 것은 가능하지만, 수 kb의 긴 유전자를 동시에 교정하는 것은 매우 어렵습니다. 이렇게 긴 유전자를 교정할 수 있는 새로운 도구를 만드는 것이 목표입니다. 또한 앞서 서술한 바와 같이, 실제 10년 안에 환자에 적용할 수 있는 치료제를 상용화시키는 것이 목표입니다.

 

o 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

 

- 바야흐로 ‘바이오 르네상스 시대’입니다. 생명과학, 생명공학, 의생명과학 등을 아우르는 바이오 BT 분야는 하루가 멀다하고 새로운 기술들이 나오고, 새로운 발견이 이루어지고 있습니다. 이제는 인간의 복잡한 DNA를 전부 읽을 수 있을 뿐 아니라, 필요한 경우 교정하는 것도 가능한 시대가 되었습니다. 이 분야에 적극적으로 도전하여, 보다 혁신적인 연구의 주역이 되면 좋겠습니다.

 

"본 저작물은 과학기술정보통신부에서 '2022년' 작성하여 공공누리 제1유형으로 개방한 보도자료를 이용하였으며, 해당 저작물은 정책브리핑 사이트  www.korea.kr 에서 무료로 다운받으실 수 있습니다."