생명 공학의 발달과정 알려주세요.

1970년대 유전공학(genetic engineering)의 발달로 인해서 생명공학 및 의학, 생물학 등의 다른 관련 분야에 대한 연구가 생명체의 유전물질(DNA)을 변화시킬 수 있는 새로운 가능성 때문에 빠르게 발전하였다. 생명공학(biotechnology)은 생물학적 시스템, 살아있는 생명체의 보다 진보된 변형을 수반하여 다양한 제품을 개발하거나 생산하는 기술이다. 오늘날 생명공학은 다양한 분야, 예를 들어 유전학, 생화학, 분자생물학 등을 다루고 있는데, 새로운 기술과 제품이 의학(신약 및 치료제 개발), 농업(유전자변형 작물의 개발, 생물학적 연료, 생물학적 처리) 또는 산업적 생명공학(화학물질, 제지, 섬유 및 식품 생산) 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다.

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역사적 배경(Historical background)

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유전학적 도구 및 세포공학(cellular engineering)과 조직공학(tissue engineering)의 발전이 생명공학 분야에 새로운 응용 가능성을 부여하는 새로운 계기를 부여한 것은 1970년대이다. 생명공학적 혁신의 한 가지 주목할만한 사례는 작물 수확량을 증가시키기 위하여 곤충 및 잡초 방제를 목표로 하는 유전자변형(genetically modified, GM) 작물의 생산이다. 이렇듯 생명공학은 작물의 유전자 조작(genetic manipulation)을 통해서 식량 생산 또는 영양 개선을 보장하는 수단을 제공하고 있다.

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특히 중요한 발견은 DNA의 생물학적 분자가 어떻게 유전의 원인이 되는지를 발견한 것이었다. 1960년대에 유전자 암호(genetic code)가 해독되었고, 그에 따라서 유전공학 기술에 의해서 한 생물체에서 다른 생물체로 유전물질을 전달하는 연구가 시작되었다. 유전공학과 생명공학의 교차점은 유전자변형 생물체(GMOs)의 생성에 있어서 주요한 인자였다.

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이러한 생명공학의 역사적 발전과 노력이 어떻게 식량의 공급 부족과 이에 따른 영양실조를 완화시키기 위해서 집중되었는지가 개괄되었으며, 보다 건강한 식품 소비와 지속 가능한 발전에 대한 현재의 추세가 심층 분석되었다. 또한, 농업 생산을 개선하기 위한 이러한 생명공학적 도구의 적용에 관한 논란에 대해서도 검토되었다.

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생명공학의 분류 및 산업적 응용(industrial applications)

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광의의 개념으로 생명공학은 살아있는 생명체에 의해서 지원되는 기술이다. 다양한 생산 활동에 생명공학이 응용되면서 과학적, 기술적, 생산적 및 사회적 차원에서 새로운 교환 영역에 중대한 영향을 미치고 있다. 따라서 최소한의 지식 임계치(minimum knowledge thresholds), 기술 및 생산 시설, 지식재산권(intellectual property rights), 하향식(downstream) 생산 활동 등에서 개발된 활동 등이 보완적 자산(complementary assets)의 통제에 영향을 미쳐서 잠재적 시장의 창출에 유리한 새로운 교환 영역을 초래하므로서 부가적인 이익의 산출을 용이하게 할 수 있다. 따라서 생명공학을 위한 구축 능력 및 기본 조직은 21세기 경제 발전의 핵심 요소로 간주된다. 이는 가치 상승, 지속가능한 사용 및 보존을 통해서 생물 다양성(biodiversity)을 경제적 및 사회적 요인으로 전환할 수 있는 기회를 제공하기 때문이다.

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생명공학의 상이한 특정 분야는 색상으로 분류할 수 있는데, 이러한 방법론은 생명공학과 연계된 모든 작업에 내재된 복잡성을 저하시킬 수 있으며, 일반 대중이 과학, 발전 및 인류의 현재와 미래의 목적을 위한 생명공학의 응용을 긍정적으로 수용하고 이해할 수 있도록 촉진하였다. 현재는 백색(산업, white/industrial), 적색(제약, red/pharmaceutical), 녹색(식량과 농업, green/food and agriculture), 청색(환경, blue/environment) 생명공학 등의 4개 분야로 집약 사용되고 있다.

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농업 분야의 생명공학적 발전(Biotechnological development of agriculture)

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1875~1885년에 걸친 산업혁명(Industrial Revolution)은 국가 성장에 전략적인 가속화된 경제 발전을 가능하게 하였으며, 그에 따라서 농촌 지역에서 산업화된 도시로 사람들의 이주를 촉발시켰다. 농업 생산을 증가시키고, 소비자 및 생산자의 요구를 충족시키기 위해서 농장에서 기계의 사용은 필수적이었는데, 이는 현저한 개선을 통해서 진행되었다. 동일한 시기에 화학비료가 도입되면서 질병에 대한 작물 보호와 보다 높은 수확량 달성이 가능하게 되었다.

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한 세대에서 다른 세대로 어떻게 다른 형질이 전달되는가에 관한 멘델(Mendel)의 가정 및 1866년에 출간된 식물 잡종교배에 관한 그의 실험 논문은 식물 품종을 개선하기 위해서 고안된 새로운 기술의 시작을 의미한다. 1970년에서야 식물유전학(plants genetics)을 통해서 생산성이 보다 높고 일부 해충에 대한 저항성을 나타낼 수 있는 식물 품종을 얻게 되었다.

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1960년에는 녹색혁명(Green Revolution)이라는 새로운 운동으로 농업이 변화하게 되는데, 이는 저개발국 및 개발도상국에 고수율 작물 품종의 도입과 현대적인 농업 기술의 응용을 통해서 식량 생산을 급속하게 증가시키는 전략이다. 이러한 녹색혁명은 제 2차 세계대전 이후에 위협적인 세계 식량 부족에 대한 기술적 대응으로 발생하였다. 이 시기에 개발된 기술은 통상적으로 화학비료 및 대규모 관개(irrigation)와 결합하여 작용하는 생체공학 처리된 종자를 포함하고 있는데, 옥수수, 밀 및 쌀 등의 3가지 곡류에 커다란 영향을 미쳤다.

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최초의 농업연구센터 중의 하나는 1960년대 멕시코에 설립된 국제 옥수수 및 밀 개량센터(International Maize and Wheat Improvement Center, CIMMYT)인데, 작물의 유전적 개량을 연구하여 탁월한 결과를 창출해냈다. 불과 20년 만에 밀 생산량이 1950년의 750 kg/ha에서 1970년에는 3,200 kg/ha로 증가하였으며, 현재 CIMMYT의 연구 결과로 생산된 밀과 옥수수는 전세계적으로 광범위한 지역에서 경작되고 있다.

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Bt 옥수수는 세균성 Bt 독소(Bt toxin)를 발현하는 유전자변형 옥수수의 변종으로서 유럽 옥수수 천공충(corn borer)에 독성을 나타낸다. 그 외에도 대두, 카놀라, 옥수수 및 사탕무우와 같은 작물을 포함하여 제초제(herbicides) 글리포세이트(glyphosate) 및 또는 곤충에 내성이 있는 유전자변형 작물을 사용하는 여러 식품이 존재하고 있다.

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세계 최초의 유전자변형(genetically engineered) 작물 중의 하나는 MON85701이라는 대두(soybean) 제품으로서, 이 제품은 Bacillus thuringiensis에서 유래된 결정형 살충제 단백질(crystal insecticide protein) CytAc1을 발현하여 일부 곤충으로 인한 급이 손상(feeding damage)을 억제하였다. 또한 몬산토(Monsanto) 회사는 토양세균인 Agrobacterium tumefaciens의 cp4-epsps 유전자를 발현하는 작물인 유전자변형 대두 MON89788을 도입하였는데, 이는 EPSPS 효소를 암호화하여 글리포세이트(glyphosate) 제초제(herbicide)에 대한 내성(resistance)을 제공하였다. 그 후 몬산토 회사는 MON89788xMON87701을 사용하여 누적된 특성(stacked trait)의 대두를 유전자변형 시켜서 살충성(insecticidal) Bt 독소(Bt toxin)인 Cry1Ac의 발현과 글리포세이트 내성을 하나의 유전자변형 작물로 함께 결합시켰다. 현재, 특정 해충에 독성을 나타내는 단백질을 코딩하는(encode) 외인성 유전자, 즉 도입 유전자(transgene)를 삽입함으로써 옥수수, 토마토, 쌀 및 면화 경작에서 유전자 수식이 성공적으로 이루어지고 있다.

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식물의 성장을 촉진시키는 세균, 진균류 및 시아노박테리아(cyanobacteria)를 포함한 일부 미생물은 농업 분야에서 생물학적 비료(biofertilizers)와 유사한 활성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이처럼 미생물을 생물학적 비료로 이용하는 것은 현재 농작물 생산을 향상시키기 위한 화학비료의 대안으로 고려되고 있다.

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한편, 나노기술(nanotechnology)의 사용은 농업 생산을 향상시킬 수 있으며 현대 농업에서 가장 중요한 도구 중의 하나가 되고 있다. 나노기술은 작물 생산성을 향상시키기 위한 새로운 농약 및 새로운 전달 기작을 제공하며, 농약의 나노제형화(nanoformulations)를 통해서 살충제 사용을 감소시킬 것으로 기대되고 있다. 이러한 나노기술은 또한 작물 보호에 있어서 나노센서/나노바이오센서(nanosensors/nanobiosensors)의 적용을 가능하게 한다.

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이렇듯 경제적인 부문에서 유럽의 유전자변형 생물체의 사용은 농업생명공학을 장려하여 보다 생산적인 농업을 도출하였으며, 그에 따라서 살충제 치료를 줄임으로써 환경에 미미한 영향을 미치는 동시에 농민의 수입을 증가시켰다.

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식품 분야의 생명공학적 발전(Biotechnological development of food)

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수년 동안 생명공학은 첨가물 및 원료 소재의 생산뿐만 아니라 식품 생산을 위한 보다 효율적이고 저렴한 공정의 개발을 위해서 식품 분야에서 널리 사용되고 있다. 생명공학 기술은 세계적인 식량 공급 문제를 해결하는 데 도움이 되는 도구가 될 것으로 생각되고 있다. 또한 생명공학적 조정은 발효, 효소 기술(enzyme technology), 나노기술 및 분자생물학 등을 사용하여 식품의 풍미, 향미, 유통기한, 조직감 및 영양가를 수정하거나 강화하는 데 중점을 두고 있다.

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1857년과 1860년에 파스퇴르(Pasteur)는 유산 발효(lactic fermentation)의 미생물학 및 알코올 발효(alcoholic fermentation)에서 효모(yeast)의 기능성을 발견하였다. 이러한 유형의 발효는 현재까지도 식품을 얻기 위한 가장 보편적인 공정으로 지속되고 있다. 현재까지도 발효는 여전히 식품가공을 위한 매우 유용한 기술이다. 우유, 곡류, 과일, 채소 및 고기와 같은 다양한 근원의 발효식품은 농촌 및 도시 사람들의 생계에 크게 기여하였으며, 발효와 관련된 미생물은 계속 연구 대상이 되고 있다.

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현재 다양한 효소가 식품산업에서 사용되고 있다. 이러한 효소 기술은 생물학적 공정(bioprocesses)을 최적화하고 가속시키는데 도움을 주기 때문에 식품생명공학에 효율적인 도구로 사용되고 있다. 제빵, 주스 가공, 전분, 유제품 및 기타 관련 산업과 같은 다양한 식품가공 분야에서 효소는 생체변환(biotransformations) 과정의 생체 촉매(biocatalysts)로서 중요한 역할을 한다.

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20세기 중반에, 유전공학을 촉발시킨 과학적 발견때문에 생명공학의 발전이 가속화되었다. 유전자변형 식품은 유전자변형 생물체로부터 생산되는데, 일반적으로 유전자변형 식품은 유전자변형(transgenic) 식물 제품을 말한다. 예를 들어, 물러지지 않고 완숙되도록 수정된 토마토는 최초의 상업적인 유전자변형 식품으로 개발되었으며, 재래식 품종보다 3배나 많은 리코펜 항산화 물질(lycopene, an antioxidant)을 함유하는 항암(cancer-fighting) 토마토도 개발되었다. 이러한 리코펜은 인체 조직을 손상시키는 해로운 분자를 포획하여 유방암(breast cancers)과 전립선암(prostate cancers)의 발생 위험을 저감시키는 것으로 알려져 있다.

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유전공학은 유전자 삽입(gene insertion)을 통해서 단백질, 비타민 A와 E뿐만 아니라 철분과 아연 성분 등을 증강시키는데 중요한 역할을 한다. 1992년에 골든 라이스(Golden Rice) 계획이 시작되었는데, 골든 라이스는 쌀의 식용 부분인 배젖(endosperm)에서 비타민 A의 전구체(precursor)인 베타-카로틴(beta-carotene)을 생산하도록 설계된 Oryza sativa의 변종으로 개발되었다. 골든 라이스는 식이성 비타민 A가 부족한 지역에서 사용하기 위해서 강화식품(fortified food)으로 개발되었다. 골든 라이스 2라는 새로운 품종이 2005년에 발표되었는데, 이러한 골든 라이스 2는 원래의 품종보다 23배나 더 많은 베타-카로틴을 생산한다. 기존의 식품가공 기술은 잘 발달되었지만, 이러한 가공 공정은 종종 영양가를 저하시키게 된다. 따라서, 생물학적 강화(biofortification)는 외부의 보충제를 강화하는 생명공학의 응용 분야이다.

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건강 분야의 생명공학적 발전(Biotechnological development of health)

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생명공학은 인류에 커다란 이익을 가져다 주는 보건 분야의 발전에 중요한 역할을 담당해 왔다. 생명공학의 건강 분야에의 응용은 분자생물학 또는 세포 조작(cell manipulation)을 위한 살아있는 생물체의 화학적 특성을 이용하여 전통적인 제품을 생산하는 보다 효과적인 방법을 찾는 새로운 방법이나 대안을 개발하고 있다.

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질병의 치료 및 예방에 사용되고 있는 유전공학 기술 중의 하나는 DNA의 재조합(recombination of DNA, rDNA)이다. 이 기술은 서로 다른 생물체의 DNA 단편을 인위적으로 결합시키는데, 실례로 인체 인슐린 유전자(human insulin gene)를 대장균(Escherichia coli)에 형질전환(transformed) 및 발현시킨(expressed) DNA 플라스미드(plasmid)에 클로닝(cloning)하여 생산되는 재조합 인슐린(recombinant insulin)을 들 수 있다. 이러한 기술을 사용하므로서 인슐린을 산업적 규모로 생산할 수 있게 되었으며, 현재 인슐린은 매우 경쟁력이 있는 가격으로 상업화되고 있으며, 당뇨병(diabetic) 환자용 인체 호르몬과 유사한 특성을 가지고 있다.

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섭생의 현재 추세(Present trends in feeding)

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역사적으로 인간의 삶에 있어서 섭생(feeding)의 역할은 지속적으로 변화해 왔다. 오늘날에는 다양한 식품을 시도하고자 하는 필요성이 확실히 존재하고 있다. 섭생 습관의 변화는 사회적 변환으로도 표현되는데, 현재의 삶의 속도는 보다 단순한 식품을 요구하고 있다. 따라서 패스트푸드 등이 증가하는 추세에 있는데, 여기서 식품 기술이 쉽고 빠르게 조리할 수 있는 섭생 제품의 개발에 매우 ​​중요한 역할을 하게 된다. 실제로 기술의 진보로 인해서 다양한 종류의 섭생 제품이 생산되고 있는 것은 기지의 사실이다.

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그러나 사회는 점점 더 무해한 식품과 고품질의 식품을 요구하고 있다. 소비자는 부가적인 사회적 가치 때문에 유기 복합물을 사용하려는 경향이 있다. 따라서 높은 함량의 농약으로 제조된 식품과 유전자변형 식품의 사용을 배제하면서 실질적인 사회적 문제에 대응해 왔다.

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생명공학의 생태학적 관리는 농작, 농업, 식품산업, 축산업, 임업, 어업 및 양식업 등에 초점을 맞춘 다양한 기술의 응용을 위해서 생명공학을 활용하려고 시도하고 있다. 한편, 환경을 고려할 필요가 없이도 섭생과 농업을 위한 유전자원의 특성화와 보존, 식물과 동물의 질병 진단, 백신 개발 및 발효식품 생산 등의 다른 목적도 여기에 포함된다. 따라서, 환경 영향을 저감시키는 데 유용한 제품과 기술을 설계하는 것이 필요하다. 식품의 확실성 및 지속 가능한(sustainable) 농업의 실행을 용이하게 하는 기술을 사용하기 때문에, 생명공학은 풍부한 천연 자원을 활용할 수 있을 뿐만 아니라 개선 및 강화의 근간이 될 것으로 기대된다. 실제로, 생명공학 기술은 화학적 살충제 및 제초제에 대한 의존도를 줄임으로써 환경을 보호하고 보존하는 데 커다란 도움이 되고 있다.

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역사적으로 생명공학은 농업과 섭생산업(feeding industry)의 발전에 커다란 공헌을 해 왔다. 미생물, 효소 및 화학물질의 사용은 식량 자원의 혁신에 실행되었으며 일반적으로 대중에게 식품의 보다 큰 다양성을 제공하였다. 생명공학 덕분에 인구 증가 문제를 해결하기 위한 농업 생산과 식품 공급을 증가시키는 방법에 괄목할만한 성과를 나타냈다. 생명공학 기술은 유전자 수식(genetic modification)과 같은 기술을 창조해냈다. 이러한 기술은 식품의 미량영양소 밀도를 증가시킬 수 있으며, 이는 개발도상국의 농촌과 도시 지역의 빈곤 인구의 영양 상태와 건강을 개선시키는데 유망하다.

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유전자변형 식품(Transgenic food)의 안전성 및 법적 규제

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유전자변형 식품(transgenic foods)은 유전공학 방법을 사용하여 DNA에 도입된 변화가 있는 생물체로부터 생산 및 또는 가공된 식품으로 정의된다. 이러한 유전자변형 식품에는 • 식품으로 직접 사용될 수 있고 유전자 조작된 작물, 예를 들어 해충 저항성을 가지고 있는 옥수수 작물 • 유전자변형 생물체로부터 유래된 첨가물 또는 원료 소재를 함유하고 있는 식품 • 유전자변형 생물체 유래의 보조제품을 사용하는 식품 등이 포함될 수 있다.

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현재까지도 유전자변형 식품의 생산과 소비를 둘러싼 불신이 존재하는 이유는 유전자변형 식품의 개발에 사용된 방법에 대한 불확실성 때문일 수 있다. 실제로, 유전자변형 식품은 바람직하지 못한 특성을 가질 수 있는데, 유전자변형 종자 및 식물은 토양의 미생물균총을 변화시킬 수 있으며, 주변 작물을 오염시킬 수 있으며, 이는 자연의 균형에 영향을 미치게 된다. 한편, 전사된 유전자(transferred genes)는 바람직하지 못하게 다른 생물체를 오염시킬 수 있으며, 식물, 동물, 세균, 심지어 바이러스와 같이 진화적으로 멀리 떨어져 있는 생물체 사이에서 혼합된 유전자를 가진 생물체가 발생할 수도 있다.

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Bt 독소(Bt toxin)는 면역원성(immunogenic properties)을 가지고 있는 것으로 알려져 있는데, 이러한 효과는 쥐 및 돼지에서 확인되었다. 유전자변형 생물체 식이를 투여한 돼지는 비유전자변형 생물체(non-GMO) 식이를 투여한 돼지와 비교했을 때, 자궁이 더 크고 심각한 위의 염증을 나타냈다. 또한 다른 연구에서 Cyt1Ac 단백질을 생성하는 Bt 가지(Bt aubergine)를 급여한 쥐는 대조군에 비해서 유의적으로 증가된 혈구 수(blood cell count)를 나타냈다. 또한 빌리루빈(bilirubin)과 아세틸콜린에스테라제(acetylcholinesterase) 수준이 상승되는 간독성 효과(hepatotoxic effects)도 발견되었다. 1999년에는 유전자변형 감자를 섭취한 쥐가 위장관(gastrointestinal tract, GIT)과 면역계에 이상 증상을 일으킨다는 것이 밝혀졌다. 그러나 이러한 문제는 유전자변형 단백질(transgenic protein)로 인한 결과가 아니라, 오히려 단백질이 위치한 유전적 상황(genetic context)에서 비롯된 것이라고 추정되고 있다.

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그러나 유전자변형 작물은 이러한 유형의 식품 섭취가 인체 건강에 미칠 수 있는 영향에 대한 의견의 불일치로 인해서 논쟁의 중심이 되고 있다. 세계 인구의 일부는 아직도 유전적 조작(genetic manipulation) 작물을 수용할 준비가 되어 있지 않다. 사람들은 여전히 ​​이러한 종류의 식품 섭취가 초래할 수 있는 건강 위험에 대해서 많은 의구심을 가지고 있다.

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이렇듯 다른 생명공학적 성과에도 불구하고 유전자변형 식품의 섭취는 여전히 환경과 인체 건강에 미치는 영향에 관한 지식이 부족한 것과 연관되어 있다. 따라서 상업화 이전에 소비자에게 이러한 제품의 연구 결과 및 규제를 알릴 필요가 있으며, 또한 식량 자원에 대한 유전자 조작으로 얻을 수 있는 경제적 및 사회적 혜택을 입증할 필요가 있다.

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미국 식품의약청(Food and Drug Administration, FDA)의 주요 업무는 미국 소비자의 안전과 특히 모든 동식물의 유전자변형 생물체를 포함하여 시판 의약품의 효율성을 보호하는 것이다. 한편, 유럽 ​​식품안전청(European Food Safety Authority, EFSA)은 유전자변형 생물체를 포함하여 유럽에서 소비되는 식품의 안전성을 보증하는 기관이다. 유럽 ​​식품안전청의 역할 중의 하나는 유전자변형 생물체를 평가하고 인체용 식품으로서의 생존 가능성을 보장하는 것이다. 유전자변형 식품의 수용 또는 비승인은 연구를 기반으로 하기 때문에, 따라서 과학위원회는 유럽연합에서 제품을 상품화하려는 모든 제조사를 위해서 위해성 분석(hazard analysis)을 수행하여야 한다. 모든 유전자변형 제품은 유럽 의회(European Council, EC)의 결정에 앞서서 유럽 ​​식품안전청으로부터 사전 심사를 받아야 하는데, 경우에 따라서 유럽 ​​식품안전청은 조건을 충족하는 업무 내용을 설명하는 정보를 출판하기도 한다. 이러한 문서는 심사 과정을 투명하고 공정하게 만들며, 이후에도 기업, 대학 및 다양한 협회로부터의 의견 및 제안을 제출할 수 있는 기간이 열려 있다.

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현황 및 향후 전망(Current situation and future perspectives)

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현재까지 생명공학(biotechnology)의 진보는 식량 생산을 증가시키는 도구로 사용되어 왔다. 특히, 유전공학의 발전으로 인해서 수확량을 증가시키기 위한 농작물의 유전자 조작이 가능하게 되면서 급증하는 세계 인구를 위한 식량 공급을 보장할 수 있게 되었다. 그러나 아직도 유전자변형 작물은 모든 사회 구성원들에게 잘 받아 들여지지 않고 있으며, 사회적 이익과 인체 건강에 미칠 수 있는 영향에 대해서는 여전히 불확실성이 남아 있는 실정이다. 따라서 생명공학의 발전이 끊임없이 증가하는 식량 수요를 충족시킬 수 있는 보다 나은 농업 관행으로 전환되도록 하는 정책을 수립할 필요가 있다.