경상대학교 김재연 교수팀, 차세대 작물 유전자교정 핵심기술 개발
• DNA를 인쇄기로 찍어내듯 유전자를 편집하는 작물 정밀육종기술
• 사용된 유전자가위가 스스로 사라지게 만드는 기술
• 유전자교정 효율을 획기적으로 올리는 ‘다중레플리콘’ 기술
• ≪플랜트 바이오테크놀러지 저널≫ 4월 온라인판에 게재

국립 경상대학교(GNUㆍ총장 이상경) 대학원 응용생명과학부(BK21+) 김재연 교수-부반티엔 박사(제1저자) 연구팀이 지금 사용되는 유전자가위 기술보다 한층 진화한 차세대 유전자가위 기술에 사용될 핵심기술을 개발했다. 이 기술은 작물의 유전체 디엔에이(DNA)를 인쇄기로 찍어내듯 자유롭게 편집ㆍ교정하는 기술이다.

이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 기초연구실지원사업(BRL)과 농촌진흥청이 추진하는 차세대바이오그린21사업(시스템합성농생명공학사업단) 등의 지원으로 수행했다. 연구 결과는 ≪플랜트 바이오테크놀러지 저널(Plant Biotechnology Journal)≫ 4월 온라인판에 게재됐다. 김재연 교수는 이와 관련하여 대한민국 특허 2건을 등록했고 특허협력조약(PCT) 특허 2건을 출원했다고 밝혔다.

유전자가위를 이용한 작물 정밀육종기술은 신육종기술로 불리는 신기술 군 중에서도 가장 첨단의 기술로 알려졌다. 신육종기술은 유전자재조합 등 현대 생명공학기술을 사용하여 신속, 정밀하고 경제적이면서도 최종 산물에 어떤 외부 유전자도 남지 않아 전통육종 산물과 구분할 수 없는 산물을 만들어내어 기존 유전자변형작물(GMO)과 확연히 구별되는 혁신기술이다. 유전자가위 기반의 정밀육종, 신육종기술은 제2의 녹색혁명을 불러올 수 있는 파급력 있는 기술로 기대되고 있으나 다양한 작물에서 상용화를 위해서는 여러 난제를 극복해야 한다.

한 예로, 현재 사용되고 있는 대다수 유전자가위 전달은 유전자가위를 만들어내는 외부 DNA를 세포에 넣어 만든다. 대상 작물의 유전체에 삽입된 유전자가위는 유전자 교정ㆍ편집이 끝난 후 일반적으로 세대 진전을 통해 제거될 수 있다.

즉 다음 세대로 넘어갈 때 유전자교정은 일어났으나 사용된 유전자가위 도구는 제거된 개체를 선별하는 것이 가능한 것이다. 한 부모 밑에서 태어난 자식들의 유전자가 다른 것처럼 다음세대에서 유전자가위를 갖는 개체와 이를 잃어버린 개체로 나누어지는 것이다. 하지만 종자번식이 아닌 영양번식, 예를 들면 조직배양/재분화를 통해 번식하는 작물들(감자ㆍ고구마ㆍ딸기ㆍ바나나ㆍ사탕수수 등)은 지속적으로 외부 유전자가위를 갖고 있게 되어 이 기술의 사용이 제약된다.

이번 연구성과의 하나는 사용된 유전자가위가 스스로 사라지게 만드는 기술을 개발한 것이다. 즉 유전자교정 작업을 한 후 유전자가위 DNA가 스스로 사라지게 함으로써 진정한 신육종기술을 완성한 것이다.

두 번째 문제점은, 연구팀이 개발하는 상동성 기반 유전자체교정 기술은 기존 무작위 돌연변이 기술에 비해 복사후붙이기(copy & paste) 기술로 자유로운 유전자교정이 가능한 차세대 작물 정밀육종기술이나 효율이 너무 낮다는 것이다.

연구팀은 이를 극복하기 위한 대안으로 다중레플리콘(multi-replicon)기술을 개발하였다, 다중레플리콘은 유전자가위 도구가 도입되면 크기가 커져 레플리콘 효율이 저하되는 문제를 해결하면서도 유전자가위 및 유전자교정에 필요한 인자들의 수를 늘려 유전자교정 효율을 획기적으로 올리는 역할을 하였다.

연구진은 위 두 핵심기술과 다양한 융복합 접근을 사용하여 기존 효율 대비 300% 증진된 기술을 개발하였다. 이 연구 결과는 기존 영양번식 작물, 세대가 긴 과수류ㆍ수목은 물론이고 일반 종자작물에 차세대 정밀육종 기술의 상용화를 앞당기는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

현재 신육종혁신기술연구회 초대회장인 김재연 교수는 “우리의 식량안보 개선과 종자산업의 차세대 성장산업화를 위해서는 이러한 신기술의 빠른 채택만이 대안이다.”라고 강조한다. 김재연 교수는 “이런 농생명 미래기술의 상용화를 위해서는 활발한 연구개발은 물론이고 우리 사회가 유전자가위 기반 정밀육종기술 등 신기술에 대해 적극적인 정책 지원, 제도적인 뒷받침, 사회적인 포용이 필요하다.”라고 주문했다.

특허등록 및 PCT 출원 ①
<식물체에서 상동재조합 기반의 유전자 편집 효율을 증가시키는 방법>(2019.07: 대한민국 10-2002443, 2019.01: PCT/KR2019/000501
주요내용: Multi-replicon을 사용한 상동재조합 기반의 유전자교정 기술

특허등록 및 PCT 출원 ②
<식물체의 게놈에 레플리콘의 삽입 없이 유전체를 교정하기 위한 바이러스 기반의 레플리콘 및 이의 용도>(2019.10: PCT/KR2019/011677; 대한민국 10-2074744)
주요내용: 재분화 제1세대에서 외부유전자-free 유전자교정 기술

[사진설명]
<1>
상단: 유전체 교정에 사용된 다중레플리콘 구조
좌측: 조직배양 중인 토마토. 유전체 교정이 일어난 토마토는 안토시안닌이 축적되어 보라색으로 변함
우측: 유전체 교정 토마토(좌)와 일반 토마토(우)

<2>
경상대학교 김재연 교수(오른쪽)와 부반티엔 선임연구원

[자료문의] 경상대학교 응용생명과학부 김재연 교수(055-772-1361)