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[바이오토픽] CRISPR의 변신 - 유전자가 아니라, 염색체를 통째로 편집
생명과학 양병찬 (2019-09-03 09:43)

CRISPR의 변신 - 유전자가 아니라, 염색체를 통째로 편집
CRISPR/Cas9 gene editing can be used to eliminate entire chromosomes

문자나 단어의 변경을 허용하지만, 단락 전체를 자르거나 재배열하려고 할 때 먹통이 되는 워드프로세서를 상상해 보라. 생물학자들은 지난 수십 년 동안 그런 제한에 직면해 왔다. 그들은 세포 안에서 유전자를 추가하거나 불능화할 수 있었고, 심지어—CRISPR라는 유전체편집 기술을 이용하여—유전자의 내용을 정확히 변경할 수 있었다. 그런 능력은 재조합 DNA(recombinant DNA) 기술, 유전자변형생물(GMO), 유전자요법(gene therapy)으로 이어졌다. 그러나 생물학자들이 오랫동안 추구해 왔던 목표—「견인차 세균인 대장균(E. coli)의 커다란 염색체 덩어리 조작하기」는 사정권에서 벗어나 있었다. 이제 연구자들은 "CRISPR를 각색하고 다른 도구와 결합함으로써, 커다란 유전체 단편을 절단하고 이어붙일 수 있게 되었다"고 보고했다.

"이번 논문은 놀랄만큼 흥미롭고 거대한, 합성생물학을 위한 첫걸음이다"라고 뉴욕 로체스터 대학교의 앤 마이어(합성생물학)는 논평했다. "지난주 《Science》에 소개된 기법(참고 1)은 합성생물학자들의 거대한 도전—이를테면 'DNA에 정보를 쓴 다음 세균의 유전체에 보관하거나, 새로운 잡종세균을 만들어 신기한 생화학적 대사반응을 일으키거나 신물질을 생산하게 하기'를 가능케 할 것이다."

기존에 검증된 유전공학 도구는 기다란 DNA 신장부(stretch)를 간단히 다룰 수 없다. DNA 절단용 표준도구인 제한효소(restriction enzyme)는 유전물질의 덩어리를 자른 다음 끄트머리를 이어붙여 조그만 원형 분절(circular segment)을 형성하고, 그것이 세포 밖으로 나와 다른 세포로 들어갈 수 있다. (선형 DNA의 신장부는 오래 버티지 못하고, 엔도뉴클레아제에 의해 파괴된다.) 그러나 원형 분절은 고작해야 20만 bp의 염기를 수용할 수 있으므로, 합성생물학자들은 종종 여러 개의 유전자를 포함하는 커다란(수백만 개 이상의 염기가 될 수 있는) 염색체 분절을 이동시키고 싶어한다.  "매우 커다란 DNA 조각은 세포를 출입할 수 없다"라고 영국 케임브리지 소재 의학연구평의회(MRC) 산하 분자생물학연구소의 제이슨 친(합성생물학)은 말했다.

설상가상으로, 기존의 잘라붙이기(cut & paste) 도구는 정조준이 불가능하며, 짜깁기한 자리에 원치 않는 DNA—이를테면 유전적 흉터(genetic scar)라고 할 수 있다—를 남긴다. 그리고 DNA 변형 횟수가 늘어남에 따라 그런 오류는 축적되기 마련이다. 또 한 가지 문제점은, 전통적인 유전자편집 도구는 커다란 분절들을 충실하게 부착할 수 없다는 것이다. "이상과 같은 문제점들은, 생물학자들이 생물 유전체에 수십만 가지의 변형을 가하고 싶을 때 결정적인 방해요인으로 작용할 수 있다"라고 UC 어바인의 류 창(합성생물학)은 말했다.

이제 친을 비롯한 MRC의 동료들은, 그런 문제점들을 해결했다고 보고했다. 첫째로, 그들은 CRISPR를 각색하여 기다란 DNA 신장부를 흉터 없이 정확히 절단하도록 만들었다. 둘째로, 그들은 다른 유명한 도구인  람다레드재조합효소(lambda red recombinase)를 변형하여, 오리지널 염색체의 말단—제거된 부분 제외—을 이어붙이는 것은 물론, 제거된 부분의 말단을 융합하도록 했다. (이렇게 만들어진 두 개의 원형 DNA 가닥들은 엔도뉴클레아제로부터 보호된다.) 이 기법은 다른 세포에서 상이한 원형 염색체쌍을 창조할 수 있으므로, 연구자들은 염색체들을 마음대로 교체할 수 있고, 궁극적으로 원하는 덩어리를 오리지널 유전체에 삽입할 수 있다. "이제 우리는 첫 번째 분절에 일련의 변화들을 도입하고 두 번째 분절에 일련을 변화들을 도입한 다음, 최종적으로 둘을 결합할 수 있게 되었다. 이건 빅딜이다"라고 류는 말했다.

CRISPR의 변신
CRISPR의 변신
CRISPR의 변신

"이번에 개발된 새로운 도구는, 미생물들이 만드는 단백질의 수준을 쉽게 변화시킴으로써 바이오화학 산업을 강화하게 될 것이다"라고 류와 다른 합성생물학자들은 말했다. "또한 그들은 세균의 유전체를 통째로 다시 쓰는, 쉬운 방법을 약속한다"라고 마이어는 덧붙였다. 그들이 추진하는 프로젝트 중 하나는, (통상적인 20개의 아미노산은 기본이고) 수많은 비천연 아미노산이 유전체 전체에 코딩되도록 유전체를 변형하는 것을 목표로 하고 있다. 그렇게 되면, 비천연분자(천연생물이 생성할 수 없는 분자)들을 만드는 합성생물 형태가 등장하게 될 것이다.

※ 참고문헌
1. http://science.sciencemag.org/content/365/6456/922

※ 출처: Science
http://www.sciencemag.org/news/2019/08/forget-single-genes-crispr-now-cuts-and-splices-whole-chromosomes

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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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