1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명

최근에는 식물을 이용한 재생 에네지 생산에 대한 연구가 가장 주목 받는 연구 분야 중에 하나입니다. 에너지 생산 효율이 가장 높은 식물로 스위치글래스 (switchgrass) 같은 작물이 개발되었습니다. 과거 애기장대가 식물의 모델로서 여러 가지 발달과정이나 생리적인 특성을 이해하는데 많은 기여를 하였습니다. 하지만 당초 기대와는 달리 쌍자엽 식물인 관계로 단자엽인 작물로의 응용에 많은 제약이 있습니다. 그래서 벼는 다른 작물이 가지고 있지 않는 많은 장점이 있어서 벼가 모델 작물로 선정이 되었습니다. 예로 벼 genome의 크기가 단자엽 작물 중에서는 가장 작고 애기장대 (120Mb)의 3배 (380Mb~430Mb) 정도입니다. 그래서 벼는 식물에서 유전체 수준에서 염기서열을 규명하는 과제가 애기장대 다음으로 완료가 되었습니다. 이와 함께 벼게놈의 절반 이상에 대한 돌연변이 유전자들의 색인이 있는 벼(Rice gene indexed mutants)가 이미 개발이 되었고 그 중의 70-80%에 대한 돌연변이들을 포항공대 안진흥 교수님 연구팀에서 보유하고 있습니다. 더불어 벼의 게놈 수준에서 전사체 발현을 연구할 수 있는 whole genome oligo array 기술 네개 그룹 (Affymetrix, Agilent, BGI/Yale/Greengene biotech, NSF) 에 의해서 개발이 되었고 그 중에 하나인 NSF45K oligo array를 제가 있는 UC Davis의 Pamela Ronald교수님 연구실에서 만들어서 널리 보급을 하고 있습니다. microarray 기술은 한번의 실험으로 수만 개 유전자들의 발현을 알 수 있기 때문에 목적하는 중요 형질에 대한 정보를 유전체 수준에서 분리해 낼 수가 있습니다. 위에서 언급한 gene indexed mutants가 단자엽의 모델인 벼에서 비교적 단기간에 유용 유전자의 기능을 탐구할 수 있는 수단이지만 문제는 목적하는 유용형질에 관련된 기능 연구를 하기 위해서는 목적형질과 직접적으로 연관된 정보가 필요하게 됩니다. 만약 그렇지 않고 게놈 염기서열 분석이후에 예상 기능이 할당된 유전자에 대한 정보를 그대로 활용을 할 경우에는 그러한 정보 자체가 대부분은 일반적이거나 광범위하기 때문에 실제 활용에 그리 효과적이지 않습니다. 위에서 언급한 돌연변이 식물체에서 목적하는 표현형을 확인한 경우에도 실제로 표현형이 색인이 된 유전자의 결함에 의해서 생기는 경우는 1%-10%정도로 매우 효율이 낮습니다.

이렇게 효율이 낮은 이유는 게놈 내에 유사한 유전자가 있을 경우에 생기는 functional redundancy가 원인일 수도 있고 위에서 언급된 색인이 있는 돌연변이를 만드는 과정이 길고 그 기간 중에 생기는 다른 돌연변이들 (somaclonal variations) 이 문제가 됩니다. 이번 논문은 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로 원하는 형질에 대한 정보를 whole genome microarray실험을 통해서 확보하고 이를 색인이 있는 돌연변이에 효율적으로 활용하는 방법들을 제시 하고 있습니다. 그리고 microarray 실험은 한 순간에 일어난 유전자 발현의 차이를 보여주는 것이기 때문에 실험이 진행된 특정 조건에서 생길 수 있는 변화가 같이 포함이 되어 있습니다. 이러한 차이는 다른 연구자에 의해 비슷한 실험이 진행된 경우에도 같은 발현 양상이 보이는 결과만을 이용함으로써 어느 정도 극복이 가능합니다. 지금까지는 300개정도 microarray 자료가 공개적으로 활용이 가능하고 공개 되지 않은 자료를 합하면 그 숫자가 700-1000정도이고 앞으로 그 숫자는 급속히 증가될 예정입니다. 이러한 자료가 많을수록 만들어진 data의 정확성 및 효율성을 높일 수가 있습니다. 좀더 자세한 방법론에 대한 내용은 최근에 투고 예정인 두 편의 논문에 소개되어 있습니다.

[Switchgrass]

- 연구과정에서 생긴 에피소드

실제로 처음에는 논문의 초록에 "벼가 세계에서 가장 중요한 작물이다"라고 기술을 하였는데 reviewer중의 한 분이 아마 미국인이라 생각이 되는데 이 부분을 "벼가 세계에서 가장 중요한 작물중의 하나다" 라고 수정하도록 요구했습니다. 벼는 한국을 포함해서 아시아에서는 가장 중요한 작물로서 우량 품종 육성과 미래에 활용가치를 높이기 위해 국가적으로 많은 지원을 해 주고 있습니다. 반면에 미국에서는 이미 옥수수로 연구의 무게 중심이 넘어 갔습니다. 이곳에서 가장 중요한 작물이다는 것이 주요한 이유가 될 수 있지만 한편으로는 벼에 바탕을 둔 작물 유전자 연구에서 미국이 경쟁력이 없다는 것을 인정을 한 셈입니다. 실제 미국내에서도 애써 벼의 장점을 부각시키지 않으려고 합니다. 아이러니 하지만 벼의 장점들이 부각 될수록 옥수수에 대한 연구의 당위성이 약화되기 때문에 이러한 분위기가 이곳에서는 유지되는 것 같습니다. 이 논문으로 인해서 벼 연구에 대한 관심을 높이고 중요 유전자들의 발굴을 가속화 하는데 기여하였으면 합니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

제가 연구를 진행한 연구실은 작물에서 세계 최초로 병저항성에 관여 원인 유전자 (Xa21)을 발굴하였고 그 후 10년 이상 벼에서 병 저항성 관련 신호전달 과정 연구를 하고 있습니다. 최근에 이 유전자는 유전자 재조합 기술을 이용해서 병에 민감한 다른 벼 품종에 도입이 되어서 그 실용성 여부를 필리핀에 있는 국제미작연구소 (IRRI)가 분석 중에 있습니다. 주요한 연구 기술로는 대량의 단백질간의 상호 작용관계를 yeast two hybrid system을 이용해서 분석할 수 있고 지금까지 300-400개에 해당되는 단백질에 대해서 상호작용 대상 단백질들을 분리 해냈습니다. 그 외에도 벼의 잎에서 원형질체를 분리해서 세포단위에서 실험을 수행할 수 있는 체계를 만들어 가고 있습니다. 몇가지 문제점이 해결되어야 하지만 장점은 짧은 시간안에 많은 유전자들의 기능을 검사할 수 있습니다. 그 외에도 벼에 존재하는 전체 kinase에 대한 계통도 분석을 통해서 기능을 할당하고 여기에 지금까지 게놈 염기서열분석을 통해서 확인된 유전자에 대한 여러가지 정보, 활용가능한 여러가지 형태의 유전자 발현 정보 (microarray data, MPSS, SAGE, digital northern based on ESTs) 와 돌연변이에 대한 정보를 한곳에 모아서 실험실에서 제작한 website (RKD, http://rkd.ucdavis.edu/KinaseTrees/Trees.aspx)를 통해서 제공하고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

우리나라는 벼 유용 유전자 발굴 분야에서 상당한 경쟁력이 있습니다. 제가 학위과정을 마친 포항공대 안진흥 교수님 연구실은 벼 전체 게놈의 40%이상에 해당되는 돌연변이 유전자 색인이 있는 벼를 보유하고 있으며, 이는 세계에서 가장 큰 규모를 자랑하고 있습니다. 이러한 유전자원을 효과적으로 활용해서 인류의 건강과 식량 문제해결을 위해 노력하는 것이 이 분야 연구자들이 해야 할 일이라고 생각합니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

저의 경험을 말씀 드리면 국내에서 박사학위를 마치고 박사 후 연수 과정을 해외에서 하는 것도 좋은 방법이라 생각이 됩니다. 최근에는 국내에서도 연구 여건이 많이 좋아졌고 훌륭한 성과들이 많이 발표되고 있습니다. 그래서 연구 성과가 좋을수록 좋은 조건에서 더 나은 선진 기술을 습득할 수 있는 기회가 점점 많아질 것이라 생각됩니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

제가 있는 실험실에서 microarray 과제를 수행하면서 벼에서 진행이 된 엄청난 양의 전사체 정보 (700-1000개)를 확보 했습니다. 이를 바탕으로 가장 가치가 있는 형질들 (stess 저항성, 수량 증가, 바이오매스 증가 등)과 관련 있는 유전자들을 선발하고 위에서 언급한 유전자 색인이 있는 돌연변이 벼를 활용해서 유용 유전자의 기능을 탐구할 예정입니다. 그 중에서 가장 관심을 가지고 있는 것은 식물의 섬유질을 이용해서 biofuel (bio-ethanol) 을 만드는 일입니다.

미국에서는 현재 식물의 cellulose를 주 재료로 해서 ethanol을 만드는 연구가 한창 진행이 되고 있습니다. 향후 10억 달러 이상이 연구자금이 식물의 섬유질에 있는 cellulose에서 단당류를 분리해서 biofuel로 활용이 되는 ethanol을 만드는 기작 연구 및 산업화를 위해서 소요될 예정입니다. 제가 소속한 연구 group이 올 한 해에 100억 원 이상의 연구비를 지원 받아서 관련 연구를 진행 중에 있습니다. 이 분야의 경제적 효과는 가히 엄청나다고 볼 수 있습니다. 제가 놀란 것은 미국이 이러한 연구를 정부차원에서 굉장히 치밀하게 계획을 만들어서 관련 연구가 광범위하게 진행되고 있습니다.

예를 들면 15개 대상 식물이 이러한 연구를 위해서 분석이 되고 있고 그 중에서 포플러, 벼, 옥수수, 스위치글래스 위주로 과제들이 진행되고 있습니다. 특히 스위치글래스 (switchgrass)는 가장 효과적인 에너지 작물로 선정이 되었습니다. 하지만 산업화를 위해서는 에너지 생산효율을 더욱 높여야 하기에 이를 위한 기작연구가 절실히 요구되고 있습니다. 그러나 문제는 genome 염기서열 분석 작업도 시작이 안 되었기 때문에 연구를 위한 기반 여건을 갖추는 데에만 최소한 3-5년, 길게는 10년 이상이 걸릴 수도 있습니다. 이러한 이유로 모델작물인 벼에서 기작연구를 하고 여기서 나온 지식을 스위치글래스로 옮기는 형태로 일이 진행되고 있습니다. 우리나라의 경우도 벼를 바탕으로 관련연구가 하루빨리 진행될 필요가 있습니다. 저는 microarray 기술을 이용해서 벼에서 세포벽 형성에 관여하는 유전자에 대한 정보를 수집 중에 있고 이러한 데이터를 바탕으로 벼에서 에너지 (ethanol) 생산 효율을 높이기 위한 방법을 찾기 위해 노력할 예정입니다.

[Overview of JBEI structure and research pipeline]