- 1[관점] 가뭄과 세계 정세 불안이 세계 식량 안보를 위협하는 시기에 유전자 편집은 해충, 병원균 및 기상 악화를 방지하는 솔루션을 제공합니다.
- 2건강, 노동력, 지속가능성에 대한 GM 작물의 개방적 효과
- 3[시각] 유기농 식품 산업은 1800억 달러의 마케팅 사기입니다.
- 4농업의 근간, '종자산업' 경쟁력 키운다
- 5노벨상 수상자 37명과 연구진 1500여 명, EU에 유전자 편집 규제 완화 촉구
- 6[테크노 사이언스의 별들] ‘굶주림 없는 세상’ 꿈꾼 현대 농업의 어머니
- 7"소비자 48.5% 생명공학작물 구매 의향…맛있고 싸다면" - 한국소비자연맹, 농업기술 발전 인식 설문조사
- 8[관점] '활동가들은 지칠 줄 모릅니다' — 30년간 전 세계 유전자변형 농작물은 안전하고 지속 가능한 것으로 입증되었지만, 유전자변형 농작물은 여전히 공격을 받고 있습니다.
- 9[시론] 유전자교정작물 무엇이 같고, 무엇이 다를까?
- 10‘2023 국제식물생명공학총회(IAPB)’ 성료, 전세계 1,000여명 과학자 및 전문 연구원 참가
“차세대 유전자 편집 기술 : 2차 녹색 혁명의 길인가?”
Nina V. Fedoroff, Emeritus Evan Pugh Professor
1세대 rDNA 기반 GM 방법의 주요 한계점 중 하나는 식물의 유전자에 무작위적인 DNA 삽입이 일어나는 것인데, 이는 이전의 변이 유발 방법 중 무작위적인 변이 도입이 일어나는 것과 같은 맥락입니다. 반면 새로운 GM 방법들은 유전적 다양성을 추가함에 있어서 특이성과 정밀성이 향상된다는 점이 있습니다. "서열 특이적 뉴클레아제(SSN) 기술' 또는 유전자/유전자-편집의 일반적인 규범에서 알려진 이 방법은 특정 DNA 서열에 결합하여 절단 기능을 가진 단백질 혹는 단백질-핵산 복합체를 이용합니다. SSN 기술에는 TAL인자핵산분해효소(TALEN), 징크핑거핵산분해효소(ZFN) 및 메가뉴클레아제 방법 등이 포함되어 있습니다. SSN에 의해 이루어진 DNA의 절단은 세포 과정에 의해 교정되며, 이 세포 과정은 종종 하나의 기본 쌍을 여러 개의 쌍으로 변형하거나 표적 부위의 삭제 혹은 삽입(인델)을 유도합니다. 최근에 추가된 유전자 배열 편집 기술은 위치 유도 돌연변이법(ODM)으로 짧은 핵산 서열을 이용하여 선택된 부위를 대상으로 한 변이를 유도합니다.
가장 인기있고 명쾌한 방법
SSN 기술 중 가장 강력한 것으로 급부상하고 있는 방법은 정보가 없는 약자로 이뤄진 CRISPR/ Cas(일정한 간격으로 분포하는 짧은 DNA 염기 반복 서열-크리스퍼 연관 단백질 9)로 알려져 있습니다. 이것은 생물 내부로 침입하는 바이러스에 대한 세균의 방어 기작을 기반으로 하며, 유전적 변이에 다양하고 놀라운 적용성을 보입니다. CRISPR/Cas 편집 “분자 기계”는 RNA 분자(가이드RNA 또는 gRNA라고도 함)에 결합하는 효소 (Cas9 및 기타 등)로 구성되어 있으며, 그 배열과 일치하는 해당 유전자 염기서열로 Cas9을 유도하여 Cas9 효소와 일치하는 DNA 가닥을 절단시킵니다. CRISPR/Cas 시스템은 유전자 서열의 편집, 유전체의 특정 부위에 하나 이상의 유전자 도입, 혹은 여러 유전자의 동시 편집에 이용될 수 있지만 이 중 어느 것도 rDNA 방법으로 할 수 있는 것은 없었습니다. SSN이나 ODM을 이용하여 생성된 유전적 변이의 대부분은 분자 수준에서 보았을 때 자연계에서 발생하는 변이와 돌연변이 육종에 의해 발생하는 변이와 서로 거의 구별이 되지 않습니다. 자연발생 돌연변이와 화학 및 방사선에 의해 유발된 돌연변이 모두 별다른 규제 없이 농작물의 개량에 사용되었기 때문에 새로운 기술을 이용하여 생산한 돌연변이 품종의 규제를 가능하게 하는 과학적인 근거는 없습니다. 유전자 변형 작물이 규제 대상에서 제외될 수 있도록 이러한 새로운 기술들은 점점 더 “새로운 작물 육종기술(NPBTs 혹은 NBTs)”로 언급되고 있습니다.
새로운 육종 기술의 빠른 성공?
유전자 편집의 주요 대상은 병원체의 생성에 관여하는 세포 단백질입니다. 바이러스가 증식하기 위해서는 복제, 전사, 번역을 위한 세포 단백질의 성분이 필요합니다. 필요로 하는 단백질의 기반에는 충분한 반복성이 있고, 작물의 생산성을 손상시키지 않으면서도 바이러스의 복제에 필요한 단백질을 내포하는 유전자를 파괴하여, 부분 혹은 전체 바이러스에 대한 내성의 부여를 가능하게 합니다. 예를 들어, 모델 식물의 한 종류인 애기장대를 이용한 연구에서는 포티바이러스(potyvirus)의 번역에 필요한 번역 개시 인자가 eIF4E 유전자라는 사실이 밝혀진 바 있습니다. 최근의 연구에 의하면 CRISPR/Cas에 의한 점 돌연변이 및 삭제는 애기장대 뿐 만 아니라 오이와 카사바 작물에서도 바이러스에 대한 저항성이 강화되었다는 결과가 보고 되었습니다. 식물과 세균성 혹은 곰팡이성 병원균이 상호 작용하는 많은 방법들은 유전자 편집 기술을 이용하여 식물의 내병성을 높여 화학적 방제제에 대한 농업의 의존도를 낮춰줄 수 있습니다. 두 가지 주요 전략으로는 기주 식물에 병원체가 침입하였을 때 감수성으로 반응하는 유전자를 불활성화 하는 방법과 기존에는 기주 식물이 가지고 있지 않았던 저항성 기능 인자를 부여하여 병원체에 대한 저항력을 높이는 방법이 있습니다. 전자의 방법은 6배체 밀의 흰곰팡이 저항성 유전자좌(MLO)의 3개의 상동대립유전자를 모두 불활성화 시킨 후 흰곰팡이에 대한 저항성을 보인 연구 결과를 예로 들 수 있습니다. 세포의 효소로 처리할 수 있는 여러 gRNA 서열을 포함하는 벡터를 이용한 “다중화된” 유전자 편집 기술의 발달로, 여러 상동염색체 및 여러 유전자좌를 표적으로 하는 효율성은 더욱 향상되었습니다. 이는 gRNA가 여러 유전자를 동시에 편집할 수 있도록 해줍니다. 후자의 접근 방법은 식물체의 유전자에 이미 내포되어 있는 저항성을 가진 유전자를 이용하는 것입니다. 곰팡이 저항성 유전자는 오래전부터 육종가들의 주요 연구 대상이었지만 병원균의 빠른 진화로 인해 좌절할 정도로 효과가 짧다는 사실이 드러났습니다. 가까운 야생종에는 존재하지만 재래종에는 없는 유용한 저항성 유전자는 전통 육종 방법으로 얻어내기에는 시간적 소모가 크거나 불가능합니다. 유럽 학계 연구진은 야생 감자 품종으로부터 저항성 유전자를 복제하여 상업용 감자 품종의 유전자에 도입하였고, 이를 통해 아일랜드 감자 기근을 일으킨 엽고병(Phytophthora infestans)에 내성을 지니는 유전자 변형 감자 품종을 만들었습니다. InnateTM 2세대 감자는 병충해 내성을 가지는 감자 품종으로 미국과 캐나다의 J.R. Simplot사에서 상용화되어 있으며, 이미 미국에서는 화이트 러셋 아이다호 감자로 시판되고 있습니다. 다른 작물에서도 병저항성 형질을 가진 유전자 변형 작물이 도입되었지만 아직 상업화되지는 않았습니다. 식물의 유전체에는 수백에서 수천개에 이르는 잠재적인 저항성(R) 유전자가 내포되어 있지만, 특정 병원균에 대해 내성을 부여할 수 있는지에 대한 여부를 판단하는 것은 아직 불가능합니다. 현재는 활성 가능한 부분의 식별과 복제를 가속화시킬 수 있는 방법이 개발되고 있습니다. 일단 확인이 되면 CRISPR/Cas를 이용하여 복수의 저항성(R) 유전자를 탑재한 카세트를 도입한 품종을 만들 수 있는데, 이는 기존의 육종에서 쓰이던 단일 저항성(R) 유전자를 도입하여 만든 품종보다 내성이 훨씬 뛰어납니다. 결론적으로 현재 상용화까지는 무리가 있을 것으로 보이지만, 내재된 비활성 유전자를 리보핵산 단백질(RNP)을 이용하여 유전적 부위를 직접 편집하는 방법은 형질전환체의 생산을 지양한다는 측면에서 유용할 수 있습니다. 다중유전자의 편집은 4배체 종에서의 유전자 편집에 있어서 특히 유용한 것으로 입증 되었습니다. 예를 들어 Cas9/sgRNA를 이용하여 이질6배체 양구슬냉이(Camelina sativa)의 6개의 지방산 불포화효소 2(FAD2) 유전자를 제거한 결과, 이는 양구슬냉이의 지방산 성분을 현저하게 향상시킨다는 결과가 보고되었습니다. Yield 10 Biosciences사에서는 또 다른 접근 방식인 아세틸-CoA-카복실화효소의 음성 조절 유전자 편집을 이용하여 만들어진 고품질의 카멜리나 오일의 상용화를 위해 노력하고 있습니다. 이 글을 작성하고 있는 시점에서 유전자 편집 기술을 통해 만들어진 제품 중 유일하게 상용화 되어 있는 제품은 Calyxt사에서 개발한 대두유로 상표명은 CalynoTM으로 시판되고 있습니다. 유전자 편집 기술로 만들어진 작물 중 승인은 되었지만, 아직 상용화되지 않았거나 혹은 규제 단계에 있는 작물로서는 미니어쳐 토마토, 고섬유 밀, 고수확 토마토, 품질이 향상된 알팔파, 갈변하지 않는 감자와 버섯 뿐 만 아니라 고함량의 녹말과 가뭄에 강한 옥수수 등이 있으며, 이러한 것들은 대부분 소규모의 생명공학 기업에서 개발되고 있습니다.
달성하기 쉬운 목표를 넘어서
전통적인 육종 방법을 통해 작물의 수확량을 증대시키고 있지만 그에 대한 수요를 따라가지 못하고 있다는 사실이 점점 밝혀지고 있습니다. 또한 농작물이 기후 온난화로 인한 기후의 변화에 적응하는 속도에 비해 지구의 온도가 더 올라가게 되기 때문에 이 격차는 더욱 벌어지게 될 것입니다. 스트레스와 관련한 전사 인자의 과발현은 수분 부족 스트레스의 조건에서 수확량을 증가시키는 것으로 보고된 바 있습니다. 하지만 이는 최적의 조건에서 유지되는 것은 아닙니다. 구몬산토(현 바이엘)사의 가뭄 저항성 옥수수 품종인 Genuity DroughtGardTM은 세균의 샤페론 유전자를 도입하여 만들어졌습니다. 운이 좋게도 가뭄 저항성을 보유한 밀과 기타 곡류 품종에 대한 연구가 순조롭게 진행되고 있기는 하지만, 아직 농가에는 가뭄 저항성 품종의 작물들이 보급되지는 못했습니다. 작물의 수확량에 대한 성과의 진전 속도는 사실 더딘 편입니다. 진전에 방해가 되는 요인은 식물이 분자 수준에서 어떤 식으로 작용하는지에 대한 연구의 이해에 한계가 있다는 점입니다. 모든 측면에서 분석해 보았을 때, 생물체는 내부의 신호와 외부의 자극에 반응하여 체내의 여러 가지 물리적 및 효소적인 상호 작용을 조절하고, 그 다음에 정보 저장 시설(DNA)에 신호를 보내 자체적인 생산과 파괴 속도를 조절하는 서로 연결된 단백질의 복합 네트워크입니다. 또한 수백 수천 종에 이르는 유사한 종들 안에서도 비슷한 유전자들이 다량 존재하기 때문에 건조저항성 혹은 수확량과 같은 복합적인 형질에 기여하는 기능에 대해서 정확하게 연구하기는 쉽지 않습니다. 그렇지만 유전자계의 범주에서 유전자의 기능을 식별할 수 있으며, 전사 인자 유전자와 같은 일부 유전자의 경우 다른 유전자에 영향을 미칠 수 있는 단백질을 암호화하고 있기 때문에 가장 가능성이 높은 유전자를 이용하여 조작할 수 있습니다. 실제로 순화 유전학에 관한 연구에서는 종종 전사 인자 유전자의 변화를 종종 지적합니다. 그러나 밀과 옥수수에서 단일 전사 인자 유전자의 과발현으로 인해 작물의 수확량이 증가한 결과가 보고된 바 있지만 아직 그 어떤 것도 상용화 된 것은 없습니다. 코르티바의 최근 연구 중 단순하게 전사 인자 유전자를 과발현시켜 작물의 수확량이 증대된 품종을 개발하려는 시도가 보고된 바 있습니다. 이는 수확량 증가에 재현성을 보이는 단일 전사 유전자인 ZMM28을 식별하기 위해 4년 간 58개 지역에서 48개의 각기 다른 계통의 무수한 형질전환 식물체에 실험을 진행한 역작이라고 볼 수 있습니다.
목적을 달성 할 수 있는 또 다른 방법
유전자 편집 기술이 수율을 향상시키도록 유전적 변동을 만들어내고 식별할 수 있는 작업을 용이하게 하는 것이 가능할까요? CRISPR/Cas라는 도구는 매우 빠르게 성장하고 있지만 다수의 대립 유전자를 내포하고 있을 지라도 작물의 개선에 있어 그에 대한 효용성은 단일 형질이 개별 유전자에 의해 제어된다는 점에 한계가 있습니다. 작물의 토착화 및 육종은 유전적 다양성을 크게 좁혔는데, 이는 형질이 강화된 품종을 선택하는 과정에서 병목 현상을 유발하기 때문이며, 또한 선대 품종에서 나타나는 유전적 다양성의 극히 일부만이 새롭게 선정된 종에서 발현된다는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 결국 기존에 선정된 종에 변이를 일으키는 것이 불가능해지며, 또한 해로운 변이를 여교배를 통해 제거해야 하는 필요성이 있다는 점도 부담이 됩니다. 그러나 유전적인 기반을 넓히고 양적 형질에 기여하는 유전자를 조작하기 위해서는 농업적으로 중요한 형질에 기여하는 유전자를 식별하는 것이 최우선 과제입니다. 하지만 이러한 유전자를 식별하는 과정은 현재로서는 분자 지도 작성과 다른 기존의 방법들과 같이 느리고 지루합니다. 최근의 연구 결과에서는 표적 CRISPR/Cas 매개 유전자 제거 기술과 계통 분석 방법을 결합하여 양적형질유전자좌(QTLs)와 연관된 개별 유전체의 식별을 현저하게 가속화하는 방법을 설명하고 있습니다. 양적형질유전자좌(QTL)에 대한 정보가 지금보다 더 많이 알려진다 하더라도 gRNA의 다중화는 작물에서의 복합적인 형질을 이해하고 조작할 수 있는 SNNs의 힘을 확장시켜줍니다. 예를 들면 다중화된 gRNA를 이용하여 Cas 핵산분해효소는 벼의 중량을 감소시키는 것으로 알려져 있는 세 개의 유전자를 동시에 표적으로 하였습니다. 이 세 가지 유전자의 변이를 통해 세 가지의 곡물의 특성(길이, 폭, 중량)에서 각각 25%의 증가율을 보인 것으로 보고되었습니다. 또 다른 연구에서는 단일 다중화 gRNA로 벼의 농업 형질에 영향을 미치는 8개의 서로다른 유전자를 표적으로 하였는데, 모두 1세대에서 높은 효율의 변이를 나타내었습니다. 이와 반대로 동일한 양적형질유전자좌(QTL)를 변이시키면 서로 다른 엘리트 품종이 만들어졌는데, 이는 일부에서는 작물의 수확량이 향상되었으나 그 외의 나머지에서는 아닌것으로 보고되었습니다. 전사 인자 유전자와 같은 조절 유전자의 발현에 영향을 미치는 변이는 작물의 토착화가 진행되는 동안 조직 유전적 변이의 상당한 부분을 차지합니다. 다중화된 gRNA 구조는 cis-조절유전자(CREs)를 표적으로 하는데, 이는 토마토의 과실 크기에 영향을 미치는 수많은 종류의 대립유전자 변인을 만들어내기 위해 사용되어 왔으며, 현대의 토마토 품종의 육종과 토착화 과정에서 축적되어져 온 변이의 일부를 모방하고 있습니다. 순화 연관 유전자에 대한 지식은 토마토에서 보고된 바 있는 염분 내성과 같은 가치가 있는 특성의 유지가 가능한 야생 식물의 토착화를 가속화하는데 사용될 수 있습니다. 이는 미래의 혹독한 기후 조건에 보다 더 잘 적응하게 하여 야생종이 더 빠르게 토착화 될 수 있는 가능성을 열어줍니다. 앞서 언급했던 진보 기술은 CRISPR/Cas 매개의 유전자 삭제에 근거한 것이나, 보다 정밀한 유전 정보의 편집에 대한 접근 기술도 발전하고 있습니다. Cas를 이용하여 DNA를 절단하는 것은 일반적으로 비상동성 말단결합(NHEJ)에 의해 수정되지만, 보다 드물게 상동 직접 수선(HDR) 기작으로 Cas-gRNA 리보핵산단백질 복합체를 사용하여 종종 유전체 서열이 편집되는 것으로 나타났습니다. 뿐만 아니라 핵산분해효소의 활성이 결여된 Cas9 변이 단백질을 사이티딘 및 아데노신 탈아미노효소와 같은 염기 교정 효소와 융합하여 DNA 절단 없이 직접 유전자를 조작할 수 있게 합니다. 이러한 접근 방식은 코딩 및 비코딩 영역 모두에서 단일 염기 쌍을 정밀하게 조작할 수 있으며, mRNA 전구체 작용 영역의 변이도 가능하게 합니다. 마지막으로 염기서열 표적의 특성을 띄는 CRISPR-Cas 시스템은 DNA의 메틸화와 조절 유전자 발현에 영향을 미치는 서열 표적의 다른 유형의 혼합 단백질을 전달하는데에도 이용할 수 있습니다. 요컨대 현재 발전하고 있는 유전자 편집에 관한 많은 변이들은 작물의 육종에 있어 혁명을 일으킬 것이라는 전망이 있으며, 몇몇 연구자들은 최근의 CRISPR-Cas를 기반으로 하는 최근의 연구 보고서에 “빛의 속도의 식물 육종”이라는 기발한 제목을 붙여줬습니다. 그리고 실제로 이러한 새로운 방법들은 화학물질을 대체하는 생물학적 기작으로 해충과 질병으로부터 식물을 보호하는 것은 물론이고 스트레스에 대한 회복력을 증가시키는 것을 가능하게 합니다. 그렇지만 전통 육종 방식과 비료의 사용량을 증가시켜 이미 작물의 수확량 증가는 달성되었습니다. 계속해서 추가적인 발전이 이뤄지고 있지만 옥수수와 밀, 쌀의 수확량 증가와 같은 지난 세기의 녹색 혁명에 비하면 보다 더 어려울 것으로 여겨집니다. 이는 새로운 유전자 편집 기술을 이용하여 식물 육종을 가속화시킬 수 있는 방법이 있지만, 이러한 방법으로 개발된 품종을 농가에 전달하기 위해 공공 및 민간 기관에서 실제로 행해지는 것 사이에는 지속적인 단절이 있기 때문입니다.
역자주: 펜실베니아 대학교 명예교수인 Nina V. Fedoroff 의 과학 에세이 “The GM crop forecast is cloudy – with a chance of clearing” 4부 게재물 중 3부로 에세이 저자로부터 번역활용을 허가 받아 게재함을 알려드립니다.