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[바이오토픽] 꽃가루를 CRISPR의 전달체로 이용하여 옥수수의 유전체 편집!
생명과학 양병찬 (2019-03-05 09:20)

꽃가루를 CRISPR의 전달체로 이용하여 옥수수의 유전체 편집!

유전체편집기인 CRISPR는 많은 생물학 분야들을 완전히 바꿔 놓았다. 그러나 이 도구를 이용하여 밀이나 옥수수와 같은 농작물의 특정 품종들을 개량한다는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었다. 왜냐하면, 그런 농작물들은 세포벽이 질기기 때문이다. 이제 한 중견 농업회사가 GM 식물의 꽃가루를 이용하여 CRISPR의 구성요소를 다른 식물의 세포 속에 전달함으로써, 그 문제를 창의적으로 해결했다. 이 솔루션은 품질이 우수하고 다재다능한 작물을 만드는 속도를 가속화시킬 것으로 전망된다.

그 농업회사는 초기 실험에서 옥수수 품종을 편집하여 알맹이(kernel)의 개수와 무게를 늘렸는데, 이는 옥수수의 수확량을 늘릴 수 있다. "대단하다!" 다른 유전체 편집기의 개발을 도왔으며, 그 기술을 이용하기 위해 다른 업체를 공동 창업한 미네소타 대학교의 대니얼 보이타스(식물생물학)는 말했다. "새로운 유전자편집기 전달방법을 생각해내어 유전자편집 식물의 품질을 효율적으로 향상시키는 학계와 산업계의 연구팀들이 늘어나고 있다는 것은 흥미로운 현상이다."

CRISPR는 Cas9이라는 효소가위와, 그것을 유전체 속의 정확한 장소에 배달하는 가이드 RNA(gRNA)로 구성되어 있다. 식물은 동물의 세포에 비해 엄청나게 단단한 세포벽을 갖고 있기 때문에, CRISPR의 Cas9과 gRNA가 유전체에 도달하여 편집을 수행하기가 더 어렵다. 그래서 연구자들은 CRISPR의 유전자들을 세균에 연결하여 세포벽을 파괴하게 하거나, 금(金) 입자에 얹어 유전자총(gene gun)이라고 알려진 것을 이용하여 발사해야 했다. 그러나 그런 방법들은 우아하지 않을 뿐 아니라, 많은 식물종(예: 중요한 농작물 품종)에서 작동하지 않는다는 문제점이 있었다.

꽃가루를 CRISPR의 전달체로 이용하여 옥수수의 유전체 편집!

노스캐롤라이나 더럼 소재 신젠타(Syngenta)의 식물생물학자 티모시 켈리허와 치에치우덩(阙求登)이 이끄는 연구진은 반수체유도(haploid induction)라는 특이한 현상을 이용하여 문제를 우회하는 방법을 개발했다. 반수체유도는 꽃가루로 하여금 '수컷의 유전물질'을 자손에게 영구적으로 전달하지 않으면서 식물을 수정시킬 수 있게 한다. 이번에 새로 창조된 식물들은 암컷의 염색체만 갖고 있으므로, 전통적인 이배체(diploid) 대신 반수체가 되었다. 반수체유도 자체는 식물의 육종 능률을 향상시키고 수확량을 증대시킬 수 있다(참고 1).

신젠타의 연구팀은 한 옥수수 품종(세균이나 유전자총 기술을 이용하여 CRISPR를 비교적 쉽게 전달할 수 있는 품종)을 이용하여 연구를 시작했다. 그 옥수수는 MATRILINEAL이라는 유전자의 불능화 버전을 갖고 있는데, 이 유전자는 꽃가루로 하여금 반수체유도를 촉발하게 할 수 있다. 연구진은 gRNA/Cas9 복합체를 이용하여, 이 옥수수의 다른 '바람직한 형질'과 관련된 유전자를 겨냥했다. 이렇게 편집된 옥수수의 꽃가루는 gRNA/Cas9 편집기구를 (CRISPR에게 저항하는) 다른 옥수수 품종에게 전달할 수 있게 되었다.

"핵심적인 혁신은, 반수체유도자(haploid inducer)인 꽃가루를 일종의 트로이 목마로 이용한 것이다"라고 켈리허는 말했다. 그가 이끄는 신젠타의 연구팀은 3월 4일자 《Nature Biotechnology》에 실린 논문에서 이 시스템을 상세히 기술했다(참고 2). 그들에 따르면, CRISPR를 운반하는 옥수수 꽃가루는 밀(wheat)의 DNA를 편집할 수 있다고 한다. 연구팀은 나아가 아라비돕시스(Arabidopsis)를 위한 제2의 CRISPR 시스템을 고안해 냈는데, 아라비돕시스는 양배추, 브로콜리, 케일, 콜리플라워와 관련된 식물 속(屬)이다.

"이것은 기발한 연구다"라고 UC 데이비스의 루카 코마이(식물생물학)는 말했다. "두 가지 기술(반수체유도, 유전체편집)을 결합하다니, 상상력이 풍부하다." (코마이는 자신의 연구실이 신젠타에서 약간의 연구비를 지원받았다고 밝혔다.)

신젠타가 HI-edit(haploid induction-edit)라고 부르는 '꽃가루를 이용한 CRISPR 방법'은, 지금까지는 연구실에서만 사용되었다. 그러나 과학자들에 따르면, 들판에서 사용될 경우 이 변화는 확산되지 않을 거라고 한다. 왜냐하면 꽃가루 속에 들어있는 수컷의 유전체(CRISPR 기구를 운반함)는 수정 직후 사라지기 때문이다. "CRISPR 기구가 상실되므로, 그것은 일시적인 전달이다"라고 치에는 말했다. 그리고 이 방법은 CRISPR 유전자를 결과적으로 탄생한 작물에 전달하지 않으므로, 미국의 현행 규제체제 하에서 GMO로 분류되지 않아 판매승인을 받기가 쉬울 것으로 보인다.

"HI-edit은 엘리트(elites)로 알려진 고수확 상업적 옥수수 품종에 특히 유용할 것으로 보인다"라고 베이징 중국과학원(中国科学院)의 가오카이시아(高彩夏)는 말했다. "옥수수는 매우 중요하다. 모든 회사들이 여기에 매달리고 있으며, 매년 수많은 품종이 새로 태어난다. 그리고 CRISPR를 새로운 품종에 전달하는 것은 그리 쉬운 일이 아니다."

가오에 따르면, '저항이 강한 식물'에서 CRISPR의 성공률을 향상시키는 방법이 한 가지 더 있다고 한다. 그것은 2년 전 듀퐁 파이오니어(Dupont Pioneer)의 연구팀이 기술한 것으로, 초기 배아발생에 영향을 미치는 두 개의 유전자를 과잉발현시키는 것이다. "그러므로 HI-edit가 유일한 솔루션은 아니다. 그러나 그것은 '똑똑한 솔루션'이다."라고 그는 말했다.

※ 참고문헌
1. http://www.syngenta-us.com/thrive/images/pdf/double-haploid-induction-infographic.pdf
2. https://www.nature.com/articles/s41587-019-0038-x

※ 출처: Science https://www.sciencemag.org/news/2019/03/corn-and-other-important-crops-can-now-be-gene-edited-pollen-carrying-crispr

 

오늘도 우리 몸은 싸우고 있다

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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