유전자 편집과 미래농업

유전자 편집과 미래농업

유전자(gene)라는 것은 동물, 식물, 곤충 등 모는 생물이 가지는 각각의 고유한 특성 예를 들어 인간의 키나 피부색이나 식물의 고유한 형태나 번식방법 등과 같은 것에 대한 정보를 담은 물질입니다.

두산백과 https://terms.naver.com/entry.naver?cid=40942&docId=1086139&categoryId=32326

유전자는 DNA(deoxy-ribonucleic acid) 불리는 화학물질로 구성됩니다.

DNA라는 것은 대부분의 생명체가 가지는 유전정보를 담고 있는 화학물질입니다. 그리고 이 유전정보라는 것은 간단하게 생명을 구서하는 설계도라고 보면 될 것 같습니다.

DNA가 특정한 순서대로 나열되어 있는 것을 우리가 유전자라고 합니다.

그렇다고 해서 DNA가 유전자만을  구성하는 것은 아닙니다.

유전자를 구성하는 것은 DNA지만 DNA는 유전자를 구성하는 것 외 다양한 곳에 있습니다.

화가가 물감으로 그림을 그리지만 물감이 꼭 화가가 그림을 그리는데만 쓰지 않고 옷을 염색하거나 벽을 칠하거나 자동차를 칠할 수도 있는 것과 같은 것이죠.

여기서 물감이 DNA라고 할 수 있습니다.

DNA가 생명체가 가지는 유전정보를 가지고 있다면, DNA의 순서대로 나열된 유전자는 생물이 가지는 특정한 형질을 결정하게 됩니다.

여기서 형질이라는 것은 식물의 경우 키가 얼마나 큰다든가. 뿌리가 얼마나 발달한다든가 하는 것과 같은 생물이 가지는 특성을 말합니다.

우리가 “아버지 유전자를 받아서 아들이 키가 크다.”라고 할 때 이것은 아버지 유전자안에 들어 있는 키를 크게 하는 형질이 아들에게 유전되었다고 말할 수 있습니다.

DNA의 순서대로 나열된 유전자는 생물이 다음 자신의 특성을 다음 세대에 전달하기 위해 꼭 필요한 물질입니다.

앞에서 말한 것과 같이 유전자는 모든 생물이 각각 고유하게 가지고 있는 설계도라고 할 수 있습니다. 

건축물이나 기계, 전자제품 등 설계도면에 따라 다양한 기능과 특성을 가진 제품이 만들어지듯이 생물도 유전자에 따라 다양한 특성을 나타 낼 수 있습니다.

DNA가 발견되고 과학이 발전하면서 인간은 생명의 설계도인 이 유전자를 조작할 수 있는 기술을 만들게 되었습니다.

식물백신에 대한 이야기를 하며 우리가 생산하기를 원하는 항체나 바이러스 단백질을 생산하기 위해 관련 유전자를 식물체에 직접 삽입을 한다든가 식물박테리아인 아그로박테리움에 삽입을 해 침윤시킨다는 이야기를 했습니다.

여기서 말하는 유전자를 삽입한다는 말이 바로 유전자 조작(genetic modification)을 의미합니다.

사람들은 이미 항체나 바이러스 유전자뿐만 아니라 필요에 따라 다양한 유전자를 다른 생명체의 유전자에 삽입하거나 제거하는 유전자 조작을 해왔습니다.

식량문제의 해결을 위한 방안으로 식물이나 동물이 가지는 우수한 특성을 하나로 모으는 유전자 조작을 해왔습니다. 그러고 유전자조작의 결과물로 만들어진 식물 또는 동물을 유전자조작 또는 유전자 변형 생물 즉 GMO(genetically modified organism)라고 부르고 있죠. 그런데 사실 이렇게 유전자가 완전히 다르게 변화하는 것은 식물이나 동물에게 드물지만 자연상태에서도 일어나는 현상입니다.

특정한 자극을 강력하게 받거나 하면 스스로 몸을 보호하거나 좀 더 잘 적응하기 위해 유전자가 다르게 변화하는 경우가 아주 드물지만 있습니다.

우리는 이것을 유전자 돌연변이라고 합니다.

이런 유전자 돌연변이는 동물이나 식물의 품종개량등에 많이 사용하는데 이것을 돌연변이 육종이라고 합니다.

크게 보면 인간의 진화라는 것도 긴 시간 동안 환경에 적응하며 유전자 돌연변이를 통해 발전해 온 것이라고 볼 수 있습니다.

유전자 편집(genome editing)은 유전자를 조작한다는 의미에서는 유전자 조작과 유사하지만 앞서 언급한 식물백신과 같이 항체나 바이러스 유전자를 식물체에 삽입하는 것과 같이 원래 식물체가 가지고 있지 않은 유전자를 조작하는 것이 아니기 때문에 따로 구분을 합니다.

열매를 크게 하는 유전자, 키를 크게 하는 유전자, 키를 작게 하는 유전자 등 다양한 형질의 유전자가 식물 내에 있는데 이런 유전자를 편집한다는 의미는 이런 유전자의 기능을 발현하도록 하거나 발현하지 못하도록 하는 것을 말합니다.

여기서 발현이라는 것을 간단히 설명하면 각각의 유전자를 여러 개의 전등이라고 생각하고 이 전등의 스위치를 켜서 빛이 나도록 하는 것이라고 할 수 있습니다.

유전자 편집을 한다는 것은 이런 전등을 끄고 켜는 것이라고 할 수 있습니다.

식물에는 원래 유전자를 가지고 있지만 전등이 꺼진 것처럼 그 역할을 하지 못하는 것이 있고, 또 원래는 꺼져 있는 것이 좋은데 켜져 있어 나쁜 역할을 하는 것이 있습니다.

유전자 편집은 이런 경우 꺼져 있는 유전자를 켜고, 켜져 있는 유전자를 끄는 역할을 하는 것이라고 할 수 있습니다.

유전자 편집은 자연상태에서 돌연변이와 같이 식물체가 원래 가지고 있는 유전자를 조작한다는 의미에서 유전자 조작과는 분리해서 이야기되어야 한다고 합니다.

이렇게 자연상태의 돌연변이와 같이 외부의 유전자가 들어오지 않고 식물체 내에 있는 유전자를 필요에 따라 편집하는 것을 따로 유전자 편집이라고 부르는 것은 이 유전자편집이 결과물만 놓고 보면 우리가 지금까지 활용해 온 돌연변이 육종과 구분할 수 없고 모두 식물체 내에 있는 유전자이기 때문에 예측할 수 없는 위험성이 적다고 판단하기 때문입니다. 그래서 최근 이 유전자 편집은 농업에서 식물의 품종개량에 획기적인 역할 것이라는 큰 기대를 받고 있다.

유전자편집이 미래농업으로 연결되는 것은 앞서 이야기한 것과 같이 우수한 형질을 가지는 식물을 빠르게 개발할 수 있다는 것 때문입니다.     

오철우, 사이언스온 http://scineceon.hani.co.kr/482682

예를 들어 [그림]에서 보시는 것과 같은 방식으로 곰팡이병에 강한 사과 품종을 빠르게 개발할 수 있습니다.

원래 전통적인 육종 방법은 내가 원하는 유전형질을 가진 품종끼리 교배를 해서 새로운 품종을 만들어내는 교배 육종과 화학물질이나 방사선 자극과 같은 특정한 자극을 해서 돌연변이를 인공적으로 만들어서 새로운 품종을 만드는 돌연변이 육종, 그리고 각기 다른 품종의 식물을 접을 붙이는 방식으로 새로운 특성을 만드는 방식이 있습니다.

문제는 이런 육종방법은 시간과 노력이 많이 든다는 것입니다.

교배육종은 원하는 유전형질을 가지고 있는 품종을 찾아내는 것에도 시간이 걸리고 이것을 다시 교배해서 원하는 유전형질이 복합적으로 나타나는 것은 확률적인 우연의 산물이기 때문에 계속 반복해서 원하는 우수한 유전형질의 품종이 나타날 때까지 반복적으로 교배를 해야 합니다. 

그래서 시간과 노력이 많이 듭니다.

돌연변이 육종도 마찬가지입니다.

화학물질이나 방사선조사와 같은 외부자극을 통해 돌연변이를 일으키는 것은 가능하지만 그 돌연변이가 내가 원하는 형태의 우수한 유전형질을 갖추는 것은 결국 확률적인 우연의 산물입니다. 결국 돌연변이 육종도 내가 원하는 수준의 우수한 유전형질을 갖춘 품종이 나타날 때까지 반복해서 작업을 해야 하고 그 때문에 시간과 노력이 정말 많이 듭니다.

그에 비해 유전자를 직접적으로 조작하는 방법은 기술적인 난이도는 있지만 필요한 유전형질이 나타나도록 직접적으로 유전자를 삽입하거나 편집을 하기 때문에 단기간 내에 확정적으로 원하는 형태의 우수한 유전형질을 갖춘 품종을 개발할 수 있습니다. 다만 원하는 유전형질을 갖춘 외래 유전자를 삽입하는 유전자변형 작물은 자연계에서는 일어날 수 없는 일이기 때문에 예측할 수 없는 위험성을 안고 있습니다.

정확히는 위험성이라기보다는 알 수 없기 때문에 공포를 가지는 것이라고 할 수 있습니다.

그에 비해 내가 원하는 유전형질이 나타나도록 유전자를 절단하거나 이어 붙이며 유전자의 발현을 조절하는 유전자 편집은 앞서 언급한 돌연변이 육종과 결과적으로 구분할 수 없기 때문에 별도로 언급하고 있는 것입니다.     

[그림]에서 전통적인 육종과 유전자 변형육종의 사례로 벼와 사과를 확인할 수 있습니다.

대표적인 전통육종 방법인 교배육종의 경우는 병에 약하나 맛이 좋은 벼 품종과 병에 강하나 맛이 없는 품종 2 품종을 교배해서 수많은 잡종 집단을 만들어 냅니다. 그리고 이 잡종집단 중에서 병에 강하고 맛이 좋은 개체를 선발하고 이것을 품종으로 고정하는 방식이 교배육종 방식입니다.

이야기는 단순합니다만 병해 강하고, 맛이 좋은 양쪽 품종의 좋은 특성을 그대로 가진 개체는 잡종 중에 나타날 수도 있고 나타나지 않을 수도 있습니다.

확률이야 있겠지만 언제 그런 개체가 나타날지 알 수 없습니다.

운이 좋으면 일찍 나타나 빠르게 병에 강하고 맛이 좋은 품종을 개발할 수 도 있지만 운이 나쁘면 아무리 해도 안 나타날 수도 있는 것이죠.

그에 비해 유전자 변형에 의한 육종은 병에 약하나 맛있는 품종에 외부 유전자인 병에 강한 브라시카의 유전자를 삽입하는 것으로 거의 확정적으로 병에 강하고 맛있는 품종을 만들 수 있습니다.

물론 앞서 언급한 것과 같이 자연계에서는 일어날 수 없는 외부 유전자의 삽입이라는 것 때문에 우리가 예측하기 힘든 일이 일어날 수 있다는 불안이 있고 이것 때문에 많은 분들이 GMO의 위험성을 강조하고 있습니다. 그래서 내부 유전자를 편집해서 기능을 조절함으로써 원하는 우수한 유전형질을 가지는 품종을 개발하는 유전자 편집이 나온 것입니다. 

[그림]에는 나오지 않습니다만 만약 유전자 편집을 통해 병에 강하고 맛있는 품종을 개발한다면 병에 약하나 맛이 좋은 품종에 병에 잘 걸리는 유전자를 찾아 그것을 잘라낸다든가 아니면 병에 강하지만 맛없는 품종에서 맛을 좋게 하는 유전자를 발현시키는 방식으로 우수한 품종을 개발할 수 있습니다.

이것은 사과도 마찬가지입니다.

사과의 품종을 개발하는 것은 벼의 품종을 개발하는 것보다 많은 시간과 노력이 필요합니다.

과실나무는 성장하고 수확을 얻을 때까지 시간이 많이 걸리기 때문에 교배를 하든 돌연변이를 하든 그 결과를 얻기까지 벼보다 더 많은 시간과 노력이 필요합니다.

이런 시간을 단축하고 확정적인 결과를 얻을 수 있는 것이 유전자 조작입니다. 그리고 외래 유전자를 삽입하는 유전자변형보다는 내부의 특정 유전자 집단을 절단하고 붙이는 과정에서 원하는 유전형질을 만드는 유전자 편집이 가장 좋은 선택이 될 수 있습니다.

[그림]에서 사과의 유전자 편집을 통한 육종을 확인하실 수 있습니다.

보시는 것과 같이 사과 원형질체 세포에 유전자 가위를 넣어 곰팡이 균의 침입통로 구실을 하는 유전자의 기능을 없애서 곰팡이병에 강한 신품종 사과를 만듭니다.

물론 이렇게 유전자 편집을 한 사과세포 중에는 곰팡이에 아주 강한 품종도 있고 적당히 강한 품종도 있기 때문에 편집한 사과세포의 결과를 보고 가장 우수한 것을 선발해서 품종으로 고정을 하면 되는 것입니다.     

한국바이오안전성센터 홈페이지

‘유전자 가위’ 사과 만드는 방법의 [그림]에서 유전자 편집 도구로서 유전자 가위라는 단어가 나옵니다.

뉴스에서 CRISPR/CAS9이라는 단어를 보신 분이 있을 겁니다.

유전자 가위는 가위라는 단어에서 직관적으로 생각하시는 그대로 유전자를 구성하고 있는 DNA를 자르는 도구라고 생각하시면 됩니다.

DNA를 자르는 것은 물리적인 형태의 가위로는 불가능한 일인 것은 누구나 아실 겁니다. 

유전자 가위는 일종의 효소나 단백질이라고 생각하시면 될 것 같습니다.

유전자편집에 중요하게 활용되는 유전자 가위는 상당한 시간 동안 계속 발전되어 왔지만 CRISPR/CAS9이 나오기 전까지는 매우 제한적으로 사용되어 왔습니다.

여기서 세대별 유전자 가위를 설명드릴 수 없지만 CRISPR/CAS9이 나오며 유전자 편집이 현실에서 상용화되기 시작했다고 보시면 될 것 같습니다.

이 CRISPR/CAS9은 박테리아(bacteria : 세균)에서 발견되었습니다.

이것은 박테리오파지(bacteriophage)라고 불리는 바이러스의 공격에서 살아남은 박테리아에서 발견할 수 있습니다.

박테리오파지는 박테리아를 숙주세포로 하는 바이러스인데, 박테리오파지에 감염되고 살아남은 박테리아는 자신의 몸에 침입했던 박테리오파지 바이러스의 DNA 일부를 잘라 자신의 유전체에 차곡차곡 삽입합니다.

이것이 바로 CRISPR입니다.

CRISPR는 Clusters of Regularly Inter-Spaced Palindromic Repeats의 약자입니다.

박테리아가 박테리오파지의 DNA의 일부를 잘라 쌓아 놓은 규칙적이고 반복적인 염기서열을 말합니다.

CRISPR의 역할은 범죄자의 사진과 특징을 기록해 공개한 지명수배 전단지와 같습니다.

이 CRISPR는 박테리아 세포 내 Cas9 단백질과 결합해 RNA-단백질 복합체를 형성하는데 여기서 Cas9은 가위나 칼과 같은 역할을 합니다.

만약 박테리오파지에 감염되었던 박테리아에 같은 바이러스가 박테리아 세포로 침입하면 앞서 만든 지명수배 전단지인 CRISPR로 바이러스의 염기서열을 인식하고 같은 염기서열을 가지고 있는 박테리오파지에 결합을 합니다. 그리고 칼이나 가위의 역할을 하는 Cas9 단백질이 그 바이러스의 단백질을 절단해 바이러스의 활동을 무력화하는 것이죠. 이렇게 함으로써 박테리아는 박테리오파지로부터 박테리아는 자신의 세포를 보호하는 것입니다.

동물이 바이러스에 감염되면 항체를 만드는 것과 비슷한 역할을 합니다.

정리해 보면 규칙적이고 반복적인 염기서열이라는 범죄자 정보를 가지고 있는 CRISPR가 침입한 바이러스를 정확히 찾고 체포를 하면 CAS9이라는 칼 또는 가위가 CRISPR가 특정한 DNA를 절단해 바이러스를 무력화시키는 것입니다.

이것을 유전자 편집에 활용하는 방법은 간단합니다.

박테리아가 만든 것과 같이 인공적으로 규칙적이고 반복적인 염기서열 CRISPR를 우리가 만드는 것입니다.

이렇게 CRISPR의 규칙적이고 반복적인 염기서열을 우리가 편집하기를 윈 하는 위치의 유전자와 동일한 형태로 만들고 여기에 Cas9 단백질을 붙여서 RNA-단백질 복합체를 만들면 우리 가 목표로 하는 DNA를 정확히 특정하고 필요한 유전자를 편집할 수 있습니다. 다시 말해보면 우리가 목표로 하는  DNA와 같은 염기서열을 가지도록 인공적으로 만든 CRISPR가 DNA를 특정하면 CAS9이 절단하기 때문에 CRISPR/CAS9이 유전자가위로서 역할을 할 수 있는 것입니다.

여기서 CAS9의 CAS는 Crispr Associated Protein의 약자로 CRISPR와 연관된 단백질들이라는 의미 합니다.

CAS 즉 CRISPR와 연관된 단백질은 수십 가지 이상이고 그것을 연구하는 과정에서 CAS1, CAS2, CAS3... CAS9.. CAS11과 같이 이름을 붙였는데 이중에 9번째 단백질인 CAS9이 유전자 가위로서 핵심적인 역할을 하기 때문에 CRISPR/CAS9이 된 것이라고 생각하시면 될 것 같습니다.

사실 이 CRISPR/CAS9과 같은 유전자가위는 식물 외에도 다양하게 사용이 가능합니다만 여기서는 미래농업에 대한 이야기기 때문에 식물로만 한정해서 이야기합니다.     

[그림]에서 보시는 것은 일본에서 개발된 유전자편집토마토입니다.

https://geneticliteracyproject.org

기존 토마토 품종에 비해 GABA 함량이 풍부해 고혈압 예방 효과가 있다고 합니다.

GABA는 Gamma-AminoButyric Acid의 약자로 우리의 뇌에 작용하는 신경전달 물질로 포유류 동물의 중추신경 흥분성을 조절하며 뇌의 정상적인 활동을 도와주는 역할을 합니다. 그래서 기억력과 학습능력을 향상한다고 합니다.

 치매예방과 두뇌향상, 우울증 치료에 효과가 있기 때문에 건강식품뿐만 아니라 의약품으로 사용되고 있는 물질입니다.

이 유전자 편집 토마토의 개발방식을 보면 토마토에  GABA를 생산할 있는 유전자도 있고, 이 GABA의 생산을 억제할 수 있는 유전자도 있는데 이중에 GABA의 생산을 억제하는 유전자를 유전자 편집을 통해 스위치를 꺼버린 것입니다. 결국 토마토가 다른 대사과정에 대사물질을 균형적으로 생산하기 위해 만들어진 GABA 억제 유전자를 제한함으로써 GABA가 함량이 다른 토마토에 비해 높아지게 되는 것입니다.

일본은 이 토마토를 GMO작물이 아닌 것으로 해서 재배와 판매를 승인한다고 합니다.

우리나라도 유전자편집을 통해 장표에서 보시는 것과 같이 키는 작지만 토마토가 많이 달린 꽃다발형 토마토를 개발했습니다.

https://n.news.naver.com/mnews/article/421/0004390025

[그림]에 나와 있는 토마토는 원광대학교 박순주 교수팀에서 유전자가위를 이용해 토마토 줄기 마디 길이를 조절하는 유전자를 편집해 키를 줄이고 에너지 대사를 높여 열매가 많이 열리도록 했다고 합니다.

우리가 밀폐형 스마트팜에서 식물을 재배할 때 이런 토마토라면 다단으로 재배도 가능하고 에너지 효율이 높아 LED 인공광원으로도 재배가 가능할 것으로 보입니다.

물론 우리나라는 아직 GMO에 대한 조심성이 높아 유전자 편집을 통해 개발된 품종임에도 불구하고 품종등록이나 생산과 판매는 이루어지고 있지는 않습니다.

앞서 꽃다발형 토마토가 품종등록이나 생산과 판매가 이루어지지 않는 것처럼 유전자 조작이든 유전자 편집이든 아직 국내에서 유전자 변형을 통해 만들어진 품종이 등록되고 생산과 판매가 이루어진 것은 없는 것으로 알고 있습니다.

GMO에 대한 부정적인 인식이 워낙 깊기 때문입니다. 그러나 해외에서는 이미 유전자 편집 품종을 유전자변형 즉 GMO와 구분해서 빠르게 인정을 하고 있는 분위기입니다.

2016년에는 미국농무부가 유전자 편집 농작물에 대한 규제를 하지 않겠다는 입장을 밝혔습니다.

2018년 유럽연합은 유전자편집 농산물을 GMO와 똑같이 규제한다고 했지만 2022년 EU를 탈퇴한 영국은 유전자편집 농산물을 허용하는 방향으로 입장을 정리했습니다.

중국은 2019년 옥수수, 콩과 같은 GMO작물을 승인한 후 유전자 편집 작물은 규제하지 않는 쪽으로 지침을 정리했다고 합니다.

일본은 앞에서 이야기한 유전자편집토마토에서 보듯이 허용하는 것으로 방향을 잡고 있습니다.

앞에서 언급한 것과 같이 유전자 가위기술을 활용한 유전자 편집 품종은 전통육종의 하나인 돌연변이 육종과 결과적으로 구분하기 어렵고 차이가 나지 않습니다.

저는 유전자편집을 통한 육종은 다른 생물체의 유전자를 삽입해서 새로운 종을 창조하는 유전자변형 즉 GMO와는 분명히 차별화되어야 한다고 생각합니다.

유전자 편집작물은 원래 자연계에서는 존재할 수 없는 경우이기 때문에 예측할 수 없는 위험부담을 가진 유전자 조작 작물 즉 GMO에 비해 자연계에 돌연변이로 존재하고 예측할 수 있는 안전성을 갖추고 있습니다.

스마트팜은 앞서 소개한 일본의 GABA함량이 높은 토마토나 실내에서 재배가능하도록 개발된 꽃송이 토마토 품종이 가지는 유전형질을 가장 확실하게 표현될 수 있도록 최적의 재배조건에서 재배할 수 있습니다.

미래농업에서 빠르게 변화하는 기후변화에 적응하기 위해 스마트팜의 중요성이 더욱 강조될 것입니다.

이런 스마트팜의 발전을 위해서는 장기적으로 스마트팜의 환경조건에 맞는 새로운 품종이 필요합니다.

스마트팜에 필요한 차별화된 품종의 빠른 개발을 위해 유전자편집 품종개발이 아주 중요한 역할을 할 것이라고 생각합니다.