Experiment: Model organism(모델 생물)

Model organism은 생물학 연구에 사용되는 사람이 아닌 생물들을 말한다. 특정 종에서 연구된 정보들을 이용해 다른 종에 대한 연구의 실마리를 얻기도 한다. 특히 사람에게 행해지는 연구는 불가능하거나 비윤리적인 경우가 많기 때문에 다른 종을 이용한 여러 연구를 통해 사람의 여러 질병을 연구하기도 한다. 진화학적으로 공통 후손(Common descent)인 생물종들은 보존된 유전적인 특성이나 발달 과정을 공유하기 때문에 model organism으로 사용될 수 있다.

 

Model organism에는 동물 모델들이 다수 포함된다. 동물을 이용한 연구는 현대 제약 연구에서 성취를 이루게 해 주었다. 동물들을 이용한 연구는 사람의 생리학, 생화학, 신경과학, 감염성 질병 등 다양한 연구 분야에서 사람의 몸을 이해하는 데에 도움을 주었다. Thomas Hunt Morgan이란 학자는 Drosophila melanogaster란 학명을 가진 초파리의 연구를 통해 생명체의 정보를 후대에 전달하는 물질인 염색체(Chromosome)의 존재를 규명하였다. Eric Kandel은 이런 Morgan의 발견을 두고 "생물학을 실험적인 학문의 영역에 들여놓았다"라고 말하기도 했다.

 

Model organism을 이용한 의학적인 발전에도 여러 가지 기여를 하였다. 예를 들면 과거에 감염되면 거의 사망이 확실시되었던 디프테리아 독소를 억제하는 디프테리아 혈청의 개발이나, 당뇨의 치료에 혁신적인 기여를 한 인슐린의 발견은 다 Model organism 연구에 의한 생명체의 기능 이해를 통해 이루어졌다. 그 밖에도 20세기의 장기 이식, 인공 심폐 장치, 항생제, 각종 질병 백신 등 각종 의학적인 발전은 대부분 model organism을 이용한 연구를 통해 이루어졌다.

 

Model organism을 이용한 사람 질병의 연구는 사람을 해하지 않으면서 질병에 대해 이해할 수 있다는 데에 의의가 있다. 사람의 질병 연구 시 그 model organism이 질병을 일으킬 수 있고 사람과 유사한 생리학적 기전으로 치료될 수 있는지에 따라 연구에 사용할 종을 선택한다. 그러나 model organism에서 일어난 생물학적 기전이 사람에게서도 반드시 일어날 것이란 보장은 없다. 즉, 특정 model organism에서 질병을 치료한 물질이 사람의 질병에도 반드시 효과를 보일 것이란 보장이 없다는 말이다. 그러므로 서로 다른 종 간에 연구를 적용할 시에는 신중한 고려가 필요하다. 그러나 시중의 많은 치료제들은 동물 모델을 이용해 만들어진 것이 사실이다. 현재도 많은 동물 실험들이 의학적 발전을 위해 진행되고 있다. 과거에 비해 의학이 비약적으로 발전했다고 여겨진 현재에도 알츠하이머병이나 에이즈, 각종 두통 등의 각종 질병은 마땅한 in vitro 실험 방법이 없기 때문에 동물 모델을 이용한 실험이 진행되고 있다. 

 

Model organism의 예

• Escherichia coli(E.coli, 대장균): 원핵생물 중 가장 널리 사용되는 model organism으로 60년이 넘는 기간 동안 연구에 사용되었다. 연구실에서 쉽게 배양할 수 있는 다루기 용이한 균이란 장점이 있다. 분자 생물학 연구에 주로 사용되며, 미생물학 및 유전자를 이용하는 생물 공학 등에 유용하게 사용된다.
• Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe(Yeast, 효모): 가장 단순한 형태의 진핵생물 중 하나로 세포의 특성들을 연구하는 데에 사용하는 model organism이다. 이스트를 이용한 연구를 통해 암이 생기는 데 기여하는 세포 분열 유전자를 발견할 수 있었다.
• Drosophila melanogaster(초파리):유전학 연구에서 널리 사용되는 동물 모델이다. 한 세대의 수명이 짧고, 자손 수가 많으며, 염색체의 수가 적고 돌연변이 유도가 용이한 것 등 유전학 연구에 용이하게 사용할 수 있는 특성들을 가지고 있다. 
• Caenorhabditis elegans(C. elegans, 예쁜 꼬마선충): 생명체의 발달 및 생리학에서 유전자가 미치는 영향을 이해하기 위해 주로 사용되는 동물 모델이다. 이 동물은 1963년 Sydney Brenner에 의해 신경 발달 연구를 위한 동물 모델로 제시되고, 이후 각종 연구에 활발하게 활용됐다. 꼬마선충은 세포 수와 해부학적 구조가 개체와 관계없이 항상 동일하다는 장점이 있다. 발생 중 1090개의 세포가 만들어지고 유전적인 프로그래밍이 된 대로 세포 자살을 통해 정해진 수와 구조의 세포들만을 남긴다. 이 동물은 최초로 모든 유전체 정보가 밝혀진 다세포 생물이다. 놀랍게도 이 작은 생물은 인간의 유전자와 유사한 부분을 많이 공유한다. 인간과 공유하는 유사한 유전자를 가지고 있기 때문에 우주로도 보내져 우주 환경이 인간의 몸에 미치는 영향에 대해 연구하는 데에 사용되기도 한다. 
• Arabidopsis thaliana(애기장대): 식물 연구에 가장 대중적으로 사용되는 모델 생물이다. 크기가 크지 않아서 한정된 공간에서 많은 개체 수를 기를 수 있고, 짧은 세대 수명 덕분에 유전학 연구에 유용하게 사용할 수 있다. 전체 염기 서열이 완전히 규명된 생물 중 하나다. 전 세계적으로 연구자 네트워크가 형성되어 연구에 대한 정보를 공유하기가 용이하다. 
• Mus musculus(생쥐): 척추동물 중 가장 대중적으로 이용되는 동물 모델이다. 사람과 유전적으로 유사성이 크고 번식이 용이하며 다루기 쉽다는 장점 때문에 연구에 폭넓게 이용된다. 실험실에서 사용하는 쥐들은 근친 교배를 통해 유전적으로 안정적으로 만든 쥐들을 사용한다. 또한 유전적인 돌연변이를 만들어 유전자들의 기능을 연구하는 데에도 이용하기 쉽다. 특정 유전자의 발현을 제한하거나 과하게 발현하게 함으로써 그 유전자가 생체 내에서 가지는 기능을 알아낼 수 있다. 

 

동물 연구 윤리

 

동물을 이용해 연구하고 싶더라도 함부로 진행할 수 없다. 모든 살아있는 동물을 이용한 연구를 진행하는 연구실은 Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC)라는 위원회의 승인을 받아야 한다. 이 위원회는 동물 실험이 사람의 건강 증진을 하면서도 동물의 스트레스와 고통을 최소한으로 줄이고 인도주의적인 동물의 안락사를 진행할 것을 요구한다. 흔히 3R(Replacement, Reduction, Refinement)라 불리는 3원칙 하에 승인이 이뤄진다.

 

1. Replacement: 동물 실험을 대체할 수 있는 방법이 있는지, 만약 있다면 동물 실험을 대체할 수 있는 방법을 사용할 것을 요구하는 항목이다. 컴퓨터를 이용한 모델이나 살아 있는 동물이 아닌 조직 또는 세포를 이용한 실험을 이용할 것을 권고한다. 포유류나 영장류 같은 고등 동물을 무척추동물 등의 동물 모델로 대체하는 것을 포함한다. 
2. Reduction: 사용하는 동물의 수를 최소한으로 줄일 것을 요구하는 항목이다. 쓸데없는 반복 실험으로 실험에 이용되는 동물의 개체 수를 줄이는 것을 포함한다. 이 항목을 충족하기 위해선 실험 결과에서 통계적 유의성을 나타낼 수 있는 최소의 동물 수량을 설정해야 한다.
3. Refinement: 동물의 고통을 최소화하고 이를 위해 효율적으로 실험을 진행하는가를 점검하는 항목이다. 진통제 및 마취제의 사용은 실험 과정에서 동물의 고통과 불필요한 스트레스를 경감시킬 수 있다. 적절한 종료 시점에 인도주의적인 방법으로 동물을 안락사시키는 과정을 포함한다.