니코바르비둘기 DNA와 AI가 찾은 2,300개 표적, 도도 복원 프로젝트 새 시험 단계 돌입

멸종 조류 복원 구상의 중심에는 살아 있는 비둘기가 있다

콜로설 바이오사이언스는 새 인공지능 플랫폼이 도도의 독특한 부리와 얼굴 구조를 설명하는 데 도움이 될 수 있는 DNA 표적 약 2,300개를 찾아냈다고 밝혔다. 댈러스에 본사를 둔 이 생명공학 기업이 살아 있는 새를 만드는 구상에서 주목한 종은 안다만·니코바르 제도와 동남아시아 여러 지역에 서식하는 니코바르비둘기다.

회사는 현재 텍사스에서 니코바르비둘기 36마리를 번식용으로 기르고 있다. 고대 DNA, 유전공학, 대리 닭을 이용한 생식 기술을 결합해 이들의 세포를 출발점으로 삼고, 도도의 일부 특성을 지닌 새를 만들 계획이다.

콜로설의 제노모프 발표에 따르면 이 도구는 메추라기, 오리, 닭, 비둘기의 발달 데이터를 학습했다. 방대한 유전적 차이 목록을 과학자들이 실험실에서 시험할 후보로 좁히는 것이 목적이다.

이 프로젝트에는 서로 연결된 세 가지 과제가 있다. 원하는 특징을 만들어내는 DNA 변화를 찾고, 그 변화를 자손에게 전달할 수 있는 세포에 적용하며, 도도가 유일하게 살았던 고향 모리셔스에 적합한 서식지를 마련하는 일이다. 유전자 편집 새가 현지 번식 집단의 일부가 되려면 각 분야에서 진전이 필요하다.

회사는 멸종종의 주요 특징을 지닌 동물을 ‘기능적 도도’로 만들겠다는 구상을 설명한다. 자연사박물관은 그 결과물을 ‘도도와 비슷한 비둘기’라고 표현한다. 이처럼 용어가 다른 것은 외모와 행동에 대한 이해가 아직 불완전한 동물과 유전자 편집 새가 얼마나 가까워질 수 있는지를 둘러싼 핵심 과학적 논쟁을 반영한다.

남아 있는 유전체 하나가 까다로운 수수께끼인 이유

콜로설은 고품질 도도 유전체 하나를 확보했다. 제노모프 발표에서 언급한 털매머드 유전체 104개와 비교되는 수치다. 유전체는 생물의 유전 정보 전체다. 표본이 많으면 연구자들은 종 안에서 흔히 나타나는 차이와 특정 형질에 연관된 차이를 구분하기 쉽다.

모리셔스의 환경은 유전 정보를 보존하기에 까다롭다. 열과 습기는 DNA를 조각내지만, 매머드 유해가 발견되는 추운 환경에서는 훨씬 많은 유전 물질이 보존됐다. 고품질 도도 유전체가 하나뿐이어서 특정 유전적 특징이 도도에 일반적이었는지 확인할 기회도 적다.

콜로설의 최고과학책임자 베스 샤피로는 코펜하겐대학교의 톰 길버트, 존 피엘드소와 함께 염기서열 분석 및 조립팀을 이끌었다. 회사의 도도 프로젝트 계획에 따르면 이들은 덴마크 자연사박물관이 소장한 두개골에서 추출한 DNA를 사용했다.

콜로설은 유전체를 약 50배 깊이로 분석했다고 밝혔다. 이는 DNA 염기 위치를 평균 약 50회 읽어 연구자들이 염기서열을 확인할 수 있도록 했다는 뜻이다. 회사는 유전체의 약 95%를 채웠으며 분석도 완료 단계에 가깝다고 설명했다. 분석 깊이는 반복해 읽은 횟수를 뜻하고, 완성도는 염기서열 중 얼마나 복원했는지를 가리킨다.

제노모프가 도도의 부리를 찾는 방법

제노모프는 현생 조류에 관한 정보와 고대 도도 염기서열을 결합한다. 콜로설에 따르면 학습 자료에는 배아 발달 6단계와 얼굴 발달에 관여하는 3개 부위에서 채취한 조절 DNA, 그리고 70종이 넘는 조류의 유전 정보와 두개골 측정치가 포함됐다.

조절 DNA는 스위치와 조광기처럼 작용한다. 유전자가 언제 활성화되고 어디에서 작동하며 얼마나 강하게 작용하는지 조절한다. 이러한 조절 기능이 달라지면 발달 중인 부리나 두개골의 형태가 바뀔 수 있다.

회사가 공개한 세부 내역에는 부리 크기와 연관된 조절 요소 후보 653개, 두께와 폭에 연관된 후보 1,698개가 담겼다. 두 범주를 합하면 2,351개로, 표제에 제시된 약 2,300개 표적과 대체로 일치한다.

샤피로는 컴퓨터 예측을 실험으로 옮기는 과정을 다음과 같이 설명했다.

대신 제노모프는 70종이 넘는 현생 조류의 두개골과 부리가 어떻게 발달하는지 연구하고, 형태를 조절하는 유전적 스위치를 학습합니다. 부리의 크기와 형태에 연관된 후보 약 2,300개를 추렸고, 현재 이 표적들을 실험실에서 검증하고 있습니다.

실험실 검증은 후보 DNA 부위를 바꾸거나 시험한 뒤 어떤 일이 일어나는지 관찰하는 과정이다. 연구자들은 니코바르비둘기 세포에 적용할 변화를 고르기 전에 어떤 후보가 발달에 영향을 미치는지, 그 영향이 어느 정도인지, 후보들이 서로 어떻게 작용하는지 밝혀야 한다.

니코바르비둘기가 유용한 이유

니코바르비둘기는 도도와 가장 가까운 현생 친척이다. 초록빛과 구릿빛으로 반짝이는 깃털을 지녔고 날 수도 있어 멸종한 도도와 겉모습은 크게 다르지만, 유전적으로 가까운 관계라는 점에서 콜로설의 유전자 편집 계획의 토대가 된다.

멸종한 로드리게스솔리테어도 중요한 비교 대상이다. 콜로설은 이 종을 도도와 유전적으로 가장 가까운 친척으로 꼽으며, 두 멸종 조류가 어떤 특징을 공유했는지 파악하는 데 유전체를 활용하고 있다. 차이는 분명하다. 솔리테어는 고대 유전 정보를 제공하고, 현생 니코바르비둘기는 실험과 번식에 쓸 세포를 제공할 수 있다.

콜로설은 번식에 성공해 텍사스 사육 집단이 36마리로 늘었다고 밝혔다. 이 집단은 연구자들이 발달, 생식, 유전학을 연구할 수 있게 하고, 제안된 생식 방식에 필요한 특수 세포도 제공한다.

이 세포는 원시생식세포(PGC)라고 불린다. 나중에 난자나 정자가 되는 초기 단계의 세포다. 이 세포를 편집하면 새 한 마리의 몸에만 변화를 주는 대신 유전적 변화를 자손에게 전달할 수 있다.

생식세포 배양이 먼저 이룬 전환점

콜로설은 앞서 도시에서 흔히 볼 수 있는 집비둘기의 원시생식세포를 60일 동안 배양했다고 발표했다. 연구진은 세포가 계속 증식하는 조건을 찾기 전까지 영양소와 성장인자 등 300가지가 넘는 조합을 시험했다.

콜로설의 조류종 담당 이사 애나 키트는 닭 생식세포에 쓰던 기존 배양법이 메추라기를 비롯해 시험한 다른 조류에서는 효과가 없었다고 말했다. 종마다 서로 다른 조건이 필요할 수 있어, 집비둘기 연구 결과는 니코바르비둘기 세포를 다루는 실질적 진전이 될 수 있다.

집비둘기 연구 결과가 발표됐을 당시에는 동료 심사를 거치지 않았다. 동료 심사는 과학 학술지에 논문이 게재되기 전 다른 연구자들이 연구를 평가하는 절차다. 콜로설은 이후 니코바르비둘기 연구에서 난자와 정자로 발달하는 핵심 세포를 만들어냈다고 밝혔다.

집비둘기 발표 뒤 제시된 다음 생식 실험은 배양한 비둘기 세포와 대리 닭을 이용해 살아 있는 비둘기를 만드는 것이었다. 콜로설의 계획에는 니코바르비둘기 원시생식세포의 증식을 개선할 조건을 시험한 뒤, 이 세포에 선별한 도도 특성을 도입하는 과정도 포함돼 있다.

계획에 닭이 포함된 이유

조류의 생식에는 포유류에서 쓰는 복제 방식과 다른 접근법이 필요하다. 콜로설의 전략은 유전공학으로 닭의 생식세포를 제거한 뒤, 비둘기에서 유래한 생식세포를 닭이 품게 하는 방식에 의존한다.

연구자들은 편집한 비둘기 원시생식세포를 발달 중인 닭 배아에 옮길 예정이다. 최종적으로는 성체 대리 닭이 이식된 세포에서 유래한 난자나 정자를 만들도록 하는 것이 목표다. 이후 이 체계를 통해 번식시키면 선별한 유전자 변화를 지닌 자손을 얻을 수 있다.

닭은 유전학과 생식에 관한 연구 경험이 이미 풍부해 유용하다. 콜로설은 또 닭은 비둘기보다 비행 능력이 제한적이어서 관리하기 쉽다고 밝혔다.

샤피로는 모계와 부계 계통을 확립해야 해 시간이 더 걸린다고 설명했다. 연구자들은 필요한 생식세포를 만드는 새를 확보하고, 자손이 양쪽 부모에게서 원하는 변화를 물려받도록 번식시켜야 한다. 회사의 프로젝트 계획은 한 번에 많은 유전자 편집을 하는 효율이 제한적이라는 점도 기술적 제약으로 꼽는다.

알 속에서 유전적 변화를 더 빠르게 시험하는 방법

콜로설은 발달 중인 조류 배아에 유전자 도구를 직접 전달하는 지질 나노입자를 개발했다고 밝혔다. 지방 성분으로 만든 이 작은 입자는 DNA, RNA 또는 CRISPR 구성 요소를 세포 안으로 운반한다. CRISPR는 DNA를 표적에 맞춰 바꾸는 데 쓰이는 도구다.

이 방식의 장점은 속도다. 과학자들은 새가 성체가 되고 번식 주기를 마칠 때까지 기다리지 않고, 유전자 편집이 배아 발달에 미치는 영향을 관찰할 수 있다. 이를 통해 시간이 오래 걸리는 생식 절차에 착수하기 전에 제노모프가 찾은 후보를 선별할 수 있다.

초기 실험에서는 집비둘기와 오리 배아를 포함한 여러 조류에서 뼈 발달에 관여하는 유전자 Runx2를 표적으로 삼았다. 콜로설은 편집 뒤 두개골과 얼굴 특징에서 눈에 띄는 변화를 관찰했다고 보고했다.

회사는 두개안면 발달과 분자생물학 관련 학회에서 예비 연구 결과를 발표했으며, 논문을 바이오아카이브 프리프린트 서버에 공개할 계획이라고 밝혔다. 프리프린트는 학술지 동료 심사 전에 연구 결과를 공개하는 방식이다. 다음 실험 과제는 후보 조절 요소를 시험하고 니코바르비둘기 생식세포에 적용할 유망한 변화를 선별하는 일이다.

유전자 편집 새는 도도와 얼마나 닮을 수 있을까?

자연사박물관의 도도 안내 자료는 기본적인 어려움을 설명한다. 연구자들은 도도의 외모와 행동을 보여주는 증거가 제한적이다. 박제 표본은 온전하게 남아 있지 않고, 거의 완전한 두 개의 골격만 단일 개체의 뼈로 확인됐다. 두 골격은 모두 모리셔스에 소장돼 있다.

박물관은 도도가 키 약 70센티미터, 몸무게 약 12킬로그램이었을 것으로 추정한다. 콜로설의 프로젝트 페이지는 키 81~97센티미터, 몸무게 13~23킬로그램이라는 더 큰 범위를 제시한다. 박물관은 몸무게가 계절에 따라 달라졌을 가능성이 크며, 연구 결과를 보면 도도는 흔히 알려진 삽화 속 모습보다 더 날렵하고 민첩한 새였다고 설명한다.

웨스턴대학교 조류연구 첨단시설의 공동 설립자 겸 책임자인 스콧 맥두걸-섀클턴은 발달 과정에서 유전자와 부모의 생물학적 특성, 호르몬, 환경이 상호작용한다고 말한다. 그는 회사가 목표를 표현하는 방식에 이의를 제기하는 이유를 다음과 같이 설명했다.

발달 과정에서 우리의 유전체는 부모의 유전체, 호르몬, 환경과 상호작용하며 유전자가 복잡한 방식으로 켜지거나 꺼집니다. 멸종종에 대해서는 그 과정을 알 수도, 재현할 수도 없습니다.

코넬 조류학연구소의 진화생물학자 레오나르도 캄파냐도 과학자들이 도도의 유전적 구조와 환경과의 상호작용을 얼마나 복원할 수 있을지 의문을 제기했다. 콜로설은 완전히 동일한 유전적 복제본을 만드는 것이 아니라 주요 형질과 생태적 기능을 재현하는 것이 목표라고 설명한다.

모리셔스에는 부화할 새 이상의 준비가 필요하다

모리셔스에서는 사냥과 서식지 변화, 외래 동물의 유입으로 섬의 환경이 바뀌면서 도도가 사라졌다. 쥐와 돼지 등 외래 동물이 조류와 둥지를 위협했다. 새를 방사하려면 이러한 압박 요인을 해결하는 동시에 개체군이 증가하기에 충분한 서식지를 마련해야 한다.

역사적 기록은 마지막 목격 시점과 추정 멸종 시점이 서로 다른 이유도 보여준다.

• 1598년: 네덜란드 선원들이 모리셔스에 도착했다. 당시 도도는 인간 정착 뒤 유입된 포식자가 없는 환경에서 진화해 왔다.
• 1662년: 가장 신뢰할 만한 목격 기록이 남았다. 자연사박물관은 1680년까지 목격됐을 가능성도 언급한다.
• 1690년경: 연구자 데이비드 로버츠와 앤드루 솔로는 콜로설이 인용한 2003년 분석에서 멸종 시점을 추정했다.
• 1865년: 마레 오 송주 습지 퇴적층이 발견됐다. 이곳에서 나온 방대한 유해는 과학자들이 도도의 환경을 재구성하는 데 도움을 줬다.

콜로설은 모리셔스 과학자와 환경보전 단체, 정부와 협력하고 있으며, 모리셔스 야생동물재단과도 협력 관계를 맺었다고 밝혔다. 쥐가 없는 지역도 찾고 있다. 최고경영자 겸 공동 설립자 벤 램은 생태 조사와 지역사회 협의를 거쳐 방사 장소를 정할 것이라고 말했다.

램은 유전적 다양성을 편집으로 갖춘 새 수천 마리를 만드는 구상을 밝혀 왔다. 샤피로는 도입이 이뤄진다면 점진적으로 진행할 것이라고 말했다. 최신 AI 발표에는 부화 시점이 제시되지 않았다. 램이 앞서 밝힌 최소 5~7년이라는 예상은 생식세포 발표 때 제시한 전망이지, 새롭게 확정된 일정은 아니다.

보전 효과와 우선순위를 둘러싼 논쟁

이 기술은 현재 살아 있는 조류에도 활용할 수 있다. 생식세포를 배양하고 보존하며 유용한 유전 변이를 옮기면 유전적 다양성이 낮거나 심각한 질병 위협에 처한 개체군에 도움이 될 수 있다.

콜로설은 모리셔스분홍비둘기를 사례로 든다. 회사 프로젝트 페이지는 이 종의 개체 수를 375~490마리로 추정한다. 1994년 야생 개체 수는 77마리였다. 이 수치는 개체군이 회복했음을 보여주지만 근친교배와 질병 문제는 여전히 이어지고 있으며, 여기에는 기생충 트리코모나스 갈리나에 감염도 포함된다.

이스트앵글리아대학교 진화유전학 교수 코크 판 오스터하우트는 역사적 표본이나 근연종에서 질병 저항성을 찾아 취약한 개체군에 도입하는 기술에 잠재력이 있다고 본다. 그는 모리셔스분홍비둘기 연구를 위해 콜로설의 기부를 받았다. 그의 견해는 이런 기술이 개체군 회복에 도움을 줄 수 있지만, 서식지 손실 등 생물다양성 위기의 원인에는 직접 대응해야 한다는 것이다.

옥스퍼드대학교 생물학자 리치 그리니어는 멸종종을 되살릴 수 있다는 약속이 멸종 방지의 시급성을 약화할 수 있다고 경고했다. 그는 멸종종을 나중에 대체할 수 있다고 믿으면 사람들이 환경 훼손을 더 쉽게 받아들일 수 있다는 도덕적 해이를 우려한다.

콜로설의 자금 조달 규모는 이러한 논쟁에 현실적인 무게를 더한다. 앞선 세포 연구 발표와 함께 회사는 추가 투자금 1억2,000만 달러를 공개했다. 누적 투자금은 5억5,500만 달러, 기업가치는 102억 달러가 됐다. 투자자이자 엑스프라이즈 설립자인 피터 디아만디스는 콜로설의 프로그래머블 생물학 플랫폼을 보건, 농업, 환경보전에 활용하는 기업을 지원하기 위해 네오제네시스 캐피털도 출범한다고 발표했다.

도도 프로젝트는 이제 상당한 민간 투자와 구체적인 실험실 시험, 보전 계획을 연결하고 있다. 다음 단계는 분명하다. DNA 후보를 검증하고, 유용한 유전자 편집을 지닌 건강한 자손을 얻으며, 모리셔스에서 개체군이 살아남을 수 있는 여건을 마련해야 한다.

핵심 내용

• 콜로설은 제노모프가 도도의 부리와 얼굴 구조에 연관된 DNA 표적 후보 약 2,300개를 찾아냈다고 밝혔다.
• 회사는 고품질 도도 유전체 하나와 텍사스의 니코바르비둘기 36마리를 보유하고 있다.
• 제안된 생식 방식은 유전자 편집한 비둘기 생식세포와 대리 닭을 이용한다.
• 배아 실험과 실험실 검증으로 유용한 형질을 만들어내는 유전적 변화를 가려낼 계획이다.
• 목표는 선별한 도도 특성을 지닌 새를 만드는 것이며, 멸종종을 얼마나 가깝게 재현할 수 있을지는 과학자들 사이에 논쟁이 있다.
• AI 발표에는 부화 시점이 포함되지 않았으며, 새를 방사하려면 모리셔스에서 서식지 조사와 지역사회 협의가 필요하다.