오태광의 바이오 산책 <73> 유전자가위 기술로 동식물 품종개량(Geneme Editing Technology for Improvement of Animals and Plants) > News Insight

  동식물의 품종개량은 많은 시간과 비용이 필요하여 빠르게 늘어나고 있는 지구 인구증가를 감당하지 못하고 있다. 전통적인 자연육종은 초기에는 주로 자연에서 우량품종을 선발하여 재배 또는 사양을 하여 좋은 품종을 선발하였지만, 선발하는데 많은 시간과 노력이 필요하고 때에 따라서는 좋은 품종을 얻지 못하는 경우가 많았다. 사실 이런 자연선발은 자연의 환경에 따라서 좋은 품종이 발생하는데, 주로 태양빛에 포함된 자외선이나 화학물질 등이 식물의 종자나 동물의 세포를 변이를 만들어서 발생하는데, 확률적으로 좋은 품종이 만들어질 확률이 아주 낮아서 품종개량이라는 말보다는 우수 품종선발이라는 말이 적절하였다.

인류의 아주 긴 역사 동안 자연선발에만 의존하여 식량을 확보했다면 현재 지구상에는 오늘날과 같은 약 81억 명이라는 인구는 상상할 수 없을 것이다. 인구의 확장성은 경제적 사회적 정체기인 중세에는 큰 진전이 없었지만 18세기 말 산업혁명에 의한 증기기관으로 만들어진 에너지는 식량생산이 크게 늘어났지만 토머스 맬서스(Thomas Robert Malthus)의 인구론으로 산술급수적으로 늘어나는 식량이 기하급수적으로 늘어나는 인구를 충족할 수 없다는 이론이다. 결국, 식량의 부족으로 빈곤, 기아, 전쟁 등이 발생하여 인구가 줄어들어 한계적인 인구가 지구상에 살수 있다고 생각했다. 하지만, 농업생산의 확장성은 산술급수적이라는 논리이지만 실제로 농업과 공업의 혁신적 발전은 예상하지 못했다는 비판은 있지만, 이런 충격은 획기적 농업기술의 혁신적 발전에 방아쇠 역할을 하여 오늘날 81억 명의 인구가 지구상에 살지만 여전히 기아와 영양실조가 심각한 지구문제로 대두하고 있는 것도 현실이다. 

농축산물 생산의 기술적인 문제점인 초기 우량종 선발을 자연 선발이라는 수동적인 기술의 단점인 무작위적이고 확률이 아주 낮은 기술에 의존하지 않는 인간의 지혜가 맬서스의 인구론을 극복할 수 있게 하였다. 즉, 자연 상태의 햇빛의 자외선이나 천연적인 화학물 환경을 극복하여, 사람의 손으로 화학물이나 자외선을 만들어 동식물의 종자 유전자를 돌연 변이하여 생산성이나 품질을 높이는 능동적인 탐색기술로 발전하였다. 그 후, 인간은 스스로 재조합 유전자 조작(Gene Recombinant)기술로 종자내의 유전자를 우수 유전자로 바꾸는데 성공하였다. 인간을 비롯한 다양한 동식물, 미생물 등의 수없이 많은 유전자가 확보되어 재조합 유전자 조작도 원하는 데로 마음대로 할 수 있게 되어 우수품종 개발이 아주 효율적이고 짧은 시간에 가능하였다.

하지만, 외래 유전자를 이용한 유전자조작하는 기술은 주로 박테리아의 플라스미드(Plasmid)를 사용하고 우수 유전자를 목표 유전자에 삽입한 후, 선발 시 항생제 마크를 사용하는 문제점도 있다. 또한, 외래 유전자의 이질성이 발생할 미지의 불안함 때문에 GMO(Genetically Modified Organism)로 규정하여 안정성에 문제가 있다고 생각하여 규제를 하는 국가가 많아졌지만 획기적 생산성 때문에 식량문제 해결에 큰 도움된 것도 사실이고 콩이나 옥수수와 같은 작물은 이미 전 세계적으로 퍼져 많은 인류가 이미 식용으로 사용하고 있다. 

최근, 유전자 조작기술의 단점을 극복한 기술이 유전자 가위기술인데 CRISPR라는 RNA 가이드(Guide)가 목표로 하는 DNA에 붙여서 유전자를 끊어주는 위치를 표지하고 Cas9이라는 유전자 가위로 아주 정확하게 잘라서 제거, 수정, 치환을 하는 획기적인 제3세대 유전자가위 기술인 CRISPR-Cas9기술이 노벨상을 받고 이 기술을 이용한 동식물이 등장하고 있다. 특히, 제3세대 유전자 가위기술은 아주 정확하고 저렴하고 전문가가 아니라도 누구나 할 수 있어서 빠른 속도로 전파되고 있고 제3세대 유전자 가위기술을 근간으로 하는 제4세대 프라임 에디팅(Prime Editing)기술은 인체의 유전자 유래질병을 치료할 수 있을 정도로 안전하고 정확하고, 필요에 따라서 가위인 Cas9도 Cas10, Cas11, Cas12와 같은 다양한 가위가 개발되고 있어서 더 좋은 품종개량을 기대할 수 있고 이미, GMO와 엄격하게 구분된 유전자편집 작물(GEC, Geneme Editing Crop)이 만들어 지고 있다. 

  <유전자가위 기술 이용 농업용 동식물 품종개량>

 유전자가위 기술은 결과가 정확할 뿐만 아니라 성공률이 높은 장점이외에 사용방법이 간단하여 전문가가 아니라도 쉽게 사용할 수 있는 확장성이 있다. 이런 이유로 3세대 유전자가위 기술인 GRISPR Cas9는 실제 사용 시 제조 기간 및 비용이 현실적으로 부담이 없어서 소규모 기업이나 연구소에서 쉽게 이용할 수 있어서 농업 관련 동식물 분야에는 엄청난 속도로 사용 건수가 증가하고 있다. 1세대 및 2세대 유전자가위 기술인 징거 핑거(Zinc finger)와 탈렌(Talen)기술이 수개월의 제작 기간과 사용 시 비용이 각각 약 5,000 EUR(약 730만 원) 및 약 1,000 EUR(약 140만 원)인데 비해, 3세대 GRISPR Cas9은 불과 수일 내에 10 EUR(약 1만 4,000 원)이면 가능(OECD(2018) Global developments of genome editing in agriculture)하다. 

작물 분야는 해충과 질병에 대한 저항성을 가지는 종자 개발이 주를 이루고, 기후변화에 대처하기 위해서 온도, 가뭄 등 변해가는 생육환경에 적응이 가능한 품종개발, 영양이나 기호 성 등 사용 목적에 맞는 품질개량에 유전자가위를 사용하여 이미 많은 성공된 결과를 도출하고 있다. 유전자 가위 기술을 허용하는 국가와 비 허용국가 간의 유전자편집 작물을 GMO 포함 여부에 많은 이견이 있어서 지금까지 규정되고 있는 GMO에 대한 정의가 구체적이고 정확하게 새로 규정될 필요가 있다. OECD가 발표한 유전자가위 기술로 품질을 개량하여 상용화한 현황과 작물개량 연구 동향은 표 1.과 같고, 작목별 연구 비중(2014-2017)은 쌀(20%)로 가장 많고 옥수수(3%), 토마토(3%), 감자(2%), 보리(2%), 밀(1%)을 차지하고 특이하게 담배(6%), 아마(1%), 양귀비(1%)를 차지한다. 이외 양 구슬냉이(3%), 오이(1%), 오렌지(1%), 자몽(1%)을 차지하고, 발표되는 연구논문은 중국(42%)이 제일 많이 발표하고 미국(19%), EU(17%), 일본(8%), 이스라엘(4%)이고, 우리나라를 비롯한 사우디아라비아, 튀르기예(Turkiye), 필리핀, 인도가 각각 2%의 논문을 발표하고 있다.

 가축의 질병 예방, 사육환경 적응성, 번식향상, 성장 촉진 및 실험용 동물을 개발하기 위해서 유전자가위 기술을 활용하는데, 기존 동물 육종기술과 비해, 개발기간 및 사용비용을 획기적으로 단축/절감할 수 있어서 효율적 대체가 가능하다. 유전자가위 기술로 동물품질개량을 성공하여 완전히 상용화 단계에 예는 없지만, 돼지수정란 교정, 면역결핍 해결, 근육 량 증가, 불포화지방산 함량증가, 지방감소, 질병 저항, 환경적응에 관한 연구가 많이 발표되고 있다. 특히, 돼지의 간, 심장, 각막 등과 같은 이종 장기(돼지 장기)로 인간에게 직접 이식할 때, 발생하는 면역거부 반응을 없애는 연구가 많은 보고되고 있다. 가축 전염질병은 가축 생산성에 영향력이 커기  때문에 질병에 걸리지 않는 돼지의 개발은 매우 중요하다. 제3세대 CRISPR-Cas9기술로는 돼지 생식기호흡증후군(Porcine Reproduction and Respiratory Syndrome, PRRS)을 예방하는 돼지를 만드는 데 성공하였고, 제2세대 징거 핑거 기술로 아프리카돼지열병(African Swine Fever,ASF)에 저항성이 가진 야생 멧돼지(Warthog) 유전자를 사육하는 돼지에 주입하여 질병을 방제하는데 성공하였다. 돼지 이외에 소를 대상으로 한 연구에서 수정란 유전자교정, 결핵 감수성 저하, 우유 성분 고품질화, 근육증가, 젖소에 불필요한 뿔 제거 등을 하는데 성공한 소를 만들 수 있었다. 이외에 산양과 양을 대상으로 일부 연구가 진행되고 있다. 

<농업에서 유전자가위 기술의 성공사례> 

세계 최초로 2016년 4월에 미국 농무부(USDA)는 펜실베이니아 주립대학에서 개발한 ”유전자가위 기술로 버섯내의 변색효소 유전자를 제거한 변색 방지 버섯“(그림 3)은 외래 유전자로 유전자 조작을 하지 않아서 GMO 안정성 규제대상이 아니라는 결론을 미국 농무성이 내렸고, 비슷하게 일본도 가세하여 안정한 기술로 인정하여 자국 내에서는 시판하고 있다. 버섯에 사용한 유전자가위 기술은 외래 유전자를 도입하지 않고 양송이버섯 자체가 가지고 있는 갈변하게 하는 “Peroxidase”란 효소 유전자를 유전자가위로 정확하게 제거한 양송이버섯으로 가공 중 칼로 잘라도 변색하지 않아서 제품의 품질을 높일 수 있었다. 우리나라도 비슷하게 곰팡이에 강한 포도와 사과, 근육 량을 늘인 돼지(그림 1), 상추와 벼의 품종개발이 성공하였지만, 국내에서는 미국이나 일본과 달리 단 1건도  시판되지 않고 있는 실정이다. 유전자 가위 전문과학자들은 우리나라가 가까운 일본에 비해서는 유전자 가위기술 분야는 대등하거나 일부 앞서나가고 있지만, 규제 때문에 앞으로 엄청난 속도로 커지고 있는 유전자 가위제품 세계시장에 명함조차 낼 수 없는 실정이라고 한다. 신중하게 규제를 만드는 것도 중요하지만, 규제문제를 해결할 수 있는 합리적 방안에 대한 더 많은 연구와 조사가 필요하다고 생각한다.  

또한, 미국 콜드 스프링 하버 연구소(Cold Spring Harbor Laboratory)는 2019년에 유전자가위로 열매가 포도송이(그림 1)처럼 열리는 방울토마토 개발 성공하여 최근 유행하는 도시농업(Urban agriculture tomato)에 적합한 품종으로 평가받고 있다. 일본 쓰쿠바 대학에서 창업한 바이오기업 사나텍(Sanatech Seed)사 에서는 2021년 9월 기능성 방울토마토로 GABA라는 신경전달 물질을 5배나 많이 생산할 수 있게 유전자가위 기술로 성공하여 판매하고 있다. 이 경우 사용한 방법은 토마토에 생산된 가바(GABA)라는 신경전달 물질을 분해하는 효소 유전자를 유전자가위로 잘라내어 가바 함량을 5배나 높일 수 있었다. 뇌 신경전달이 과도하게 작동하여 스트레스가 생기는 것을 가바가 과도한 신경전달 작동을 막아 수면을 유도하고 스트레스와 불안감을 줄인다. 또한 일본에서는 유전자가위로 참돔과 도미와 같은 어류의 근육 량을 50% 증가시키는 데 성공하여서 생산성을 높여서 현재 판매허가 심사를 받고 있다. 근육 량을 획기적으로 늘인 돼지는 우리나라 ㈜툴젠(김진수 박사)이 돼지의 근육 량을 조절하는 마이오스타틴(Myostatin)을 유전자가위로 제거하여 일반 돼지보다 골격 근육 량을 20%까지 높인 돼지(그림 1)를 개발하여 영국 왕립 화학회(Royal Society of Chemistry) 학술지에 발표(2017.2)하였다.

또한, 미국기업 리컴비네틱스은 2016년 젖소의 피부에 뿔을 만드는 유전자를 뿔이 자라지 않는 유전자로 제2세대 유전자가위 기술인 탈렌으로 대체하여 젖소에 뿔이 없는 젖소(그림 1)를 만들었다. 하지만, 새 유전자 주입은 박테리아의 플라스미드(Plasmid)에 유전자를 끼워서 전달하는 유전자 조작기술을 사용했기 때문에 GMO 안정성 규제에서 벗어날 수가 없는 단점이 있다. 현재 개발회사가 GMO문제를 해결하기 위해서 박테리아 플라스미드 없이 뿔 없는 젖소를 순수한 유전자가위 기술로 성공했다고 밝히고 있어서 결과를 주목하고 있다. 최근, 유전자가위로 가축의 털을 덜 자라게 하면 체온을 낮게 유지하여서 기후변화로 기온이 올라가는 장소에서도 축산을 할 수 있는 방법도 연구하고 있다. ㈜툴젠과 충남대의 공동 연구로 개의 고 관절이 이상을 유전자가위로 교정하는데, 성공하여 복제를 하였다, 전체 연구 과정은 생후 18개월의 선천성 대퇴골이 골반에서 빠지는 고관절 이형 증의 래브라도 종 개를 최근, 제4세대 유전자가위 기술인 프라임 에디팅(Prime editing)으로 유전자교정을 하였다. 고관절 이형 증 래브라도의 세포를 교정하고 유전자를 뽑아서 DNA를 제거한 난자에 융합시켜 복제 수정란을 만들었다, 수정란을 대리모 자궁에 착상하여 나중에 태어난 새끼 “진과 제니”(그림 2 a)는 x-ray로 돌연변이 유전자가 교정된 것을 판정(그림 2 b)하였다.

<맺는말> 

  불과 10 유로(EUR)라는 저렴한 비용으로 전문가가 아니더라도 유전자 가위기술을 사용할 수 있어서 미생물은 물론 동식물의 품종개량에도 아주 쉽게 사용할 수 있는 시대가 되었다. 제3세대 유전자 가위기술로 2020년 노벨 화학상을 2명의 여성과학자 제니퍼 다우드나가와 에마뉘엘 샤르팡티에가 받았다. 노벨상을 받기 9년 전인 세균면역 학자와 RNA연구자가 미생물학술대회에서 만남으로 연구가 시작되었고 불과 9년만이란 아주 짧은 시간에 이들이 정립한 CRISPR-Cas9으로 노벨상을 받은 아주 놀라운 일이다. 유전자 가위로 농수산 산업분야의 연구/개발은 주로 필요 없는 유전자를 유전자가위로 제거하여 생육에 전혀 지장이 없고 사람이 사용하는데 없어지면 좋은 형질을 제거하는 방법을 사용하였다.

이런 이유로 유전자가위로 만들어진 유전자편집 작물(GEC, Gene Editing Corps)은 외부 유전자를 도입했다는 GMO 정의와는 완연히 다르기 때문에 미국, 일본 등 국가에서는 GMO로 규정되지 않아서 시장진입에 장애가 없다. 하지만, 대부분의 EU국가는 GMO로 인정하여 규제를 하고 있고, 우리나라도 판매제품으로 허용하지 않고 있다. 유전자편집 작물의 현재 세계시장은 약 80조원(2022)이고 앞으로도 지속적으로 급증할 것으로 예상한다. 하지만, 좀 더 과학적 연구로 합리적인 규제로 지구인의 공공허용이 필요하고, 이를 통한 적절한 규제 재확립은 미래의 먹거리를 경합하는 국제시장을 선점하는데 매우 중요하다. 하지만, 안전을 위한 철저한 검증도 역시 중요하여 규제와 기술/시장선점을 위한 탈규제 문제를 확립하는 사회적인 제도와 방안을 확립하기 위한 방법론적 진화를 위해서는 많은 연구와 노력이  필요하다고 생각한다. 

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