June 30,2016

‘크리스퍼’ 작물 유전자 편집도 가능

보리와 유채에서 성공적인 결과 얻어

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지난해 과학계 최고의 히트 상품이었던 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자 가위 기술이 발 빠르게 진화하고 있다. 21세기의 거대한 과학 혁명을 예고하고 있는 이 과학은 인체 건강 증진을 포함해 많은 분야에서 신속하게 발전하고 있다.

더구나 이 흥미로운 기술은 적용 범위를 확대해 작물 분야에서도 유용하게 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 그 동안 동물을 대상으로 한 연구에서 상당한 진척을 이룬데 이어 이제는 작물의 유전자를 편집하는데도 이용될 것으로 보인다.

최근 과학자들은 '크리스퍼' 유전자 편집 기술을 식물에 적용하는데도 성공했다. 편집된 상태는 다음 세대에도 계속 이어진다. 사진은 크리스퍼 기술을 적용한 유채(오른 쪽)와 기존의 유채. 키와 꼬투리가 다르다

최근 과학자들은 ‘크리스퍼’ 유전자 편집 기술을 식물에 적용하는데도 성공했다. 편집된 상태는 다음 세대에도 계속 이어진다. 사진은 크리스퍼 기술을 적용한 유채(오른 쪽)와 기존의 유채. 키와 꼬투리가 다르다 ⓒ 존인너스 센터

보리와 유채의 특정 유전자 편집에 성공

영국의 생명과학 연구의 산실인 존인너스 센터(JIC: John Innes Centre)와 세인스베리 연구소(Sainsbury Laboratory)의 공동 연구팀은 그 동안 동물에만 적용시켰던 크리스퍼 기술을 이용해 작물의 특정 유전자를 편집하는데 성공했다. (관련 링크: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-11/jic-jic112615.php)

연구팀은 이 기술이 적용된 보리와 유채(broccoli-like brassica)의 유전자는 수 세대 동안 이어졌다고 밝혔다. 또한 편집과정에서 이용된 이식 유전자들(trans-genes)을 분리하거나 제거하는 것도 가능하기 때문에 기존의 작물과 구별되지 않는다.

현재까지 유전자 편집된 작물들이 후대 세대들에서도 유지되는지 여부에 대해 이용 가능한 정보가 거의 없었다. 또한 표적으로 삼지 않았던 곳, 즉 표적 밖 편집(off-target edits)이 일어날 가능성에 대해 분석된 연구도 거의 없었다.

연구팀은 “이번 연구의 목적은 크리스퍼 기술이 두 가지 유형의 식물, 즉 단자엽(monocots)과 쌍자엽(dicots) 식물의 DNA 유전자 가운데 표적화 된 부분에서 변화를 일으키는지, 그리고 다음 세대들에서 그 편집된 상태는 계속 유지되는지, 또한 표적 밖 편집은 얼마나 자주 일어나는지를 조사하기 위한 것”이라고 밝혔다.

기존 작물과 구별되지 않고 여러 세대 계속 이어져

저널 ‘게놈 생물학(Genome Biology)’에 실린 논문에 따르면 보리의 경우, 편집된 유전자는 발아에 적합한 환경이 될 때까지 씨앗의 분화와 성장을 억제하는 기능인 낟알 휴면(grain dormancy)에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 농업적으로 중요한 형질이다. 한편 유채에서 편집되는 유전자는 종자 꼬투리가 쉽게 부서지는 정도에 영향을 미쳤다.

이 두 가지 경우를 볼 때 식물에서 일어나는 변화는 그 표적 유전자의 DNA 서열 가운데 정확히 1~6개 염기에 의한 것이다. 이러한 염기의 변화는 표적 유전자의 기능을 차단하기에 충분하다. 유전자 편집 과정에는 특정 유전자를 타깃으로 하는 이식 유전자들을 도입하여 타깃 유전자의 DNA 서열을 잘라내는 작업이 포함된다.

잘린 부분이 식물 스스로 수선될 때 DNA 서열에서 작은 변화들이 일어난다. 연구과정에서 과학자들은 편집은 되었지만 편집을 일어나도록 하는 이식 유전자들은 포함되지 않은 식물들을 다음 세대들로부터 확인했다.

보리와 유채에서 표적 유전자에 대한 편집은 물론 표적 밖 편집들이 매우 밀접하게 관련된 유전자들에서 종종 발견되었다. 이는 한 유전자 패밀리(gene family)에 밀접하게 관련된 유전자들이 여러 개가 존재하고 그 들 중 한 개 이상에서의 편집이 필요하다고 생각되는 작물에서 유용하게 쓰일 수가 있다.

“자연변이나 돌연변이와 다르지 않아”

이번 연구는 또한 하나의 유전자만이 반드시 편집되는 것을 보장하기 위해서 크리스퍼 시스템을 어떻게 사용할지, 그 방법에 대한 정보도 제공하고 있다. 연구를 이끈 JIC의 유전자 편집 전문가인 하우드((Wendy Harwood) 교수는 다음과 같이 말했다.

“크리스퍼의 장점은 이 기술이 특정 유전자에 작은 변화를 일으키게 할 수 있다는 점이다. 다시 말해서 특정 유전자의 작동을 충분히 멈추게 할 수 있다는 것이다. 특정 유전자의 활동을 차단할 수 있다는 것은 질병 저항성 작물을 개발할 수 있는 방법을 고안해 낼 수 있다는 의미다.

” 예를 들어 곰팡이에 대한 저항성은 있으면서도, 독소를 비롯해 원치 않는 성분이 없는 작물을 생산할 수 있다. 이러한 기술을 통해 개발된 식물에는 추가적으로 삽입되는 유전자가 없기 때문에 자연 변이와 같이 자연적으로 유전자에 변화가 일어났거나, 전통적인 돌연변이 육종법에 의해 개발된 식물과 기본적으로 동일하다”

지구 온난화, 그리고 식물에 발생하는 치명적인 질환들은 세계 여러 지역에서 식량 안전을 위협하고 있다. 가난과 흉작으로 인해 기아와 영양실조에 허덕이는 개발도상국에서는 그 위협의 정도가 더욱 크다.

JIC와 세인스베리 연구소의 이번 연구 결과는 크리스퍼 기술을 이용한 유전자 편집 방법이 기후나 질병으로 인해 비롯되는 문제들을 해결할 수 있는 또 다른 매우 유용하고 효과적 방안이 될 수 있다는 사실을 보여준다.

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