우주공간 유전자가위 실험으로 돌연변이 생성

NASA, 유전자가위 실험 통해 유전자 치료 모색

NASA의 크리스티나 코흐(Christina Koch) 우주비행사는 국제우주정거장(ISS)에서 중요한 실험을 진행하고 있었다.

‘Genes In Space-6’이란 제목의 실험인데 유전자 가위 기술을 활용해 지구에서 가져온 일반효모(general yeasts) DNA를 손상한 효모들 스스로 그 손상부위를 어떻게 복구하는지 관찰하는 실험이었다.

연구진은 원래 계획대로 유전자가위 기술을 통해 우주정거장 내에서 DNA 양쪽 가닥을 상당 수준 절단할 수 있었다. 또한, 절단된 DNA 가닥들이 어떤 방식으로 원래 상태를 회복하는지 관찰할 수 있는지 그 방법을 찾아낼 수 있었다.

국제우주정거장에서 유전자연구가 성공적으로 이루어지고 있다. 여성 우주비행사가 소량의 액체 배양액을 페트리 접시에 여러 번 옮긴 후 연구 중인 효모 DNA가 어떤 변화를 일으키는지 관찰하고 있다. ⓒNASA

ISS에서 유전자실험 할 수 있는 키트 개발

우주비행사가 지구 자기권의 보호 경계를 넘어 우주를 여행할 경우 전리 방사선(ionized radiation)으로 인해 DNA가 손상될 위험성이 증가한다.

DNA 이중 가닥이 파손되는 이러한 손상은 암 등의 난치병을 유발하고 더 나아가 우주비행사 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 특히 우주정거장 등에서 장기적으로 우주상에 머물 때 안전을 해칠 가능성이 있어 우주여행사 들을 긴장케 하고 있었다.

이런 분위기 속에서 NASA 연구진은 우주정거장 안에서 유전자가위(CRISPR) 기술을 적용하는 모험적인 실험을 수행하고 있었다. 우주정거장 안에서 유전자조작이 가능한지, 더 나아가 우주여행 중에 손상된 DNA가 어떻게 복구되고 있는지 관찰하는 실험이다. 문제는 우주에서 유전자편집 등의 실험이 가능한지, 더 나아가 우주 실험실을 운영할 수 있는지 그 여부였다.

연구에 참여한 존슨 스페이스 센터(JSC)의 미생물학자 사라 롬멜(Sarah Rommel) 박사는 ‘space.com’과의 인터뷰를 통해 “지구에 있는 것을 있는 그대로 우주에 가져다 놓을 수 없었다.”고 말했다.

더구나 우주에서 CRISPR와 같은 극도의 미세한 실험을 수행하려면 다른 실험과 비교해 매우 섬세한 준비가 필요했다. 다양한 중력 상태에서 우주의 조건에 맞춰 실험을 진행할 수 있도록 재료뿐만 아니라 실험 환경을 조성해야 했다.

연구진은 이를 위해 ‘(지구에서 가져온) 가장 안전한’ 재료를 ‘가장 적게’ 사용하면서 가장 안정적으로 연구를 진행할 수 있는 ‘맞춤형 키트’를 만들었다.

다음에 일반효모(general yeasts)를 대상으로 DNA를 손상했다. 이들 DNA는 양쪽 가닥에서 절단돼 상당한 수준의 손상을 입은 상태였다. 연구진은 이들 효모를 실험 키트 안에 투입한 후 ‘스스로 자신을 어떻게 복구하는지’ 그 과정을 관찰했다.

그리고 그 과정을 최근 국제학술지 ‘플로스 원(PLOS ONE)’지에 게재된 논문을 통해 상세히 설명하고 있다. 논문 제목은 ‘A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station’이다.

우주 실험실에서 DNA 염기서열 분석 중

지구에서 DNA가 손상됐을 때 염기를 다시 결합해 파손된 부분을 복구할 수 있다. 그러나 NASA에서 ‘Genes In Space-6’ 실험을 하기 전까지 우주에서 DNA 손상에 관해서는 연구되지 않고 있었다.

논문 작성에 공동참여한 NASA 존슨우주센터(JSC)의 미생물학자 사라 월러스(Sarah Wallace) 박사는 “지구에서와 달리 우주상에서 어떤 상황이 전개되는지 그 과정을 이해하는 것은 우주과학에서 매우 중요한 의미를 담고 있다.”고 말했다.

연구진이 의도한 것은 우주정거장 내에서 지구에서처럼 유전자가위로 효모 DNA를 조작할 수 있는지, 더 나아가 손상된 DNA들이 우주정거장 내에서 어떻게 손상된 부위를 수선하는지 그 과정을 관찰하는데 초점을 맞추었다.

먼저 실시한 CRISPR 돌연변이 유발 실험에서 DNA 양쪽 가닥이 유전자가위에 의해 절단된 효모 유전자가 지구에서처럼 돌연변이화하는 것을 식별할 수 있었다. 롬멜 박사는 “우주에서 돌연변이를 생성하는 것이 그렇게 복잡하지 않다는 것을 확인했다.”며 “처음에 의도한 대로 작동했고, 예상된 결과가 나왔다.”고 말했다.

지구 생명체들은 파손된 DNA 가닥들을 복구하기 위해 두 가지 메커니즘을 적용한다.

하나는 유전적 교환을 통해 원상태를 복구하는 상동 재조합(HR)이고, 다른 하나는 무작위적으로 뉴클레오티드를 삽입해 파손된 가닥들을 수선하는 비상동 말단 결합(NHEJ)이다. 현재 연구진은 우주정거장에서 손상된 DNA가 지구에서와 유사한 방식을 사용하는지 비교하기 위해 유전자서열을 분석하는 중이다.

연구진은 “DNA 염기서열을 분석하는 과정에서 지구에서 성장한 정상적인 DNA군은 88~100%의 시퀀싱 범위를 가졌던 반면 우주여행 중에 성장한 DNA군은 시퀀싱 범위가 59~75%에 머물렀다.”고 말했다.

그러나 연구진은 “각기 판독 수는 달랐지만, 최종 분석을 위해 충분한 양을 산출하고 있다.”며, 이번 실험이 순조롭게 이루어지고 있음을 시사하고 있다.

난제도 있다. 유전자가위에 의해 생성된 DNA 손상은 우주의 고전리 방사선(LET) 입자에 의해 생성되는 손상보다 훨씬 간단한 모양을 취하고 있다. 그래서 지구 자기권 내부에서 생성된 손상을 통해 자기권 외부에서 발견되는 조건을 완전히 요약하지 못할 수 있다.

월러스 박사는 “우주에서 DNA의 복구 과정을 완전히 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만 ‘Genes In Space-6’ 실험이 성공적으로 수행되고 있다.”고 강조하면서, “우주상의 유전자 실험실을 통해 앞으로 폭발적인 연구 성과가 산출될 수 있을 것”이라고 예상했다.

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