새로운 CRISPR 도구, 유전자 편집 다년생 작물의 재생 속도를 높이다

식물의 DNA를 편집하는 일 자체는 어려운 부분이 아닙니다. 소수의 세포 내에서 유전자가 변경되고 나면, 과학자들은 여전히 그 세포들을 완전하고 기능하는 하나의 식물로 자라도록 유도해야 하는데, 이 과정을 재생(regeneration)이라고 부릅니다. 감귤류, 딸기, 포플러, 감자 같은 다년생 작물을 포함한 많은 종에서 이 단계는 느리거나 신뢰할 수 없거나, 아예 실패하기도 합니다.

텍사스 A&M 애그릴라이프 리서치(Texas A&M AgriLife Research), 메릴랜드 대학교(University of Maryland), 미국 농무부(USDA) 연구진이 이끄는 팀이 이 단계를 빠르게 만들기 위한 시스템을 발표했습니다. 이 연구 결과는 Nature Communications에 발표되었습니다. CRISPR-Combo라 불리는 이 시스템은 과학자들이 의도한 유전자 편집을 수행하는 동시에 식물 자체의 재생 기제를 켤 수 있게 해줍니다.

텍사스 A&M 애그릴라이프 리서치 앤드 익스텐션 센터 웨슬라코(Weslaco)의 소장이자 텍사스 A&M 식물병리학·미생물학과 교수인 Kranthi Mandadi는 "재생은 실험실에서의 유망한 유전자 편집과 재배자들에게 실제로 유용한 작물 품종 사이를 가로막는 가장 큰 장애물 중 하나입니다"라고 말했습니다. 그는 이 접근법이 식물 자체의 유전자를 유도해 더 빠르고 안정적으로 재생시킬 수 있음을 보여주며, 이는 그동안 실험실에서 다루기 어려웠던 감귤류 같은 다년생 작물에 도움이 될 수 있다고 말했습니다.

식물 유전체 안에는 세포가 분열하여 뿌리, 줄기, 그리고 궁극적으로 완전히 새로운 식물로 발달하는 방식을 조절하는 "형태형성(morphogenic)" 유전자가 존재합니다. 편집된 세포로부터 식물을 키우는 표준 실험실 기법은 흔히 외부 식물 호르몬을 첨가하거나 성장을 촉진하는 유전자의 추가 사본을 유전체에 삽입하는 방식에 의존합니다. CRISPR-Combo는 그 대신 의도한 유전자 변경을 만드는 것과 동일한 CRISPR 편집 도구를 이용해, 새로운 유전 물질을 추가하지 않고도 식물이 이미 유전체 내에 지니고 있는 형태형성 유전자를 그 자리에서 바로 켭니다.

이 성장 유전자들 중 어떤 것을 활성화할 가치가 있는지 알아내기 위해, 연구팀은 먼저 애그릴라이프 리서치가 개발한 "헤어리 루트(hairy root)" 시스템이라는 빠른 스크리닝 방법을 사용했습니다. 이 시스템은 식물 삽수(꺾꽂이용 가지)에서 직접 뿌리 성장을 유도함으로써, 연구자들이 처음부터 완전한 식물을 키우는 느린 과정을 거치지 않고도 많은 후보 유전자를 시험할 수 있게 해줍니다. 웨슬라코 센터의 애그릴라이프 리서치 부연구과학자인 Manikandan Ramasamy가 이 연구의 주저자입니다.

감자에서 연구팀은 후보 유전자 17개를 스크리닝하여 헤어리 루트 생성을 촉진하는 유전자 4개를 찾아냈고, 그중 3개는 줄기 재생, 즉 삽수에서 새로운 줄기와 잎이 돋아나는 과정도 개선했습니다. Ramasamy에 따르면 이는 재생 효율을 처리하지 않은 대조군의 약 30%~35%와 비교해 45%~70%까지 끌어올렸습니다.

감귤류는 오랫동안 표준 실험실 형질전환 및 재생 방법에 저항해 왔습니다. 감귤류에서 스크리닝한 후보 유전자 10개 중 5개가 헤어리 루트 형성을 의미 있게 촉진했으며, 이 5개 모두 줄기 재생 효율을 대조군의 60% 미만에 비해 80% 이상으로 끌어올렸습니다.

야생 딸기와 포플러에서는 연구진이 하나가 아니라 두 개의 형태형성 유전자를 동시에 활성화했습니다. 이 조합은 완전히 재생된 유전자 편집 딸기 식물을 만드는 데 필요한 시간을 표준 방법에 비해 한 달 이상 단축시켰습니다. 포플러에서는 그 효과가 더욱 컸는데, 줄기가 한 달도 채 되지 않아 재생되었고, 조직 배양에서 보통 필요로 하는 외부 식물 호르몬을 전혀 첨가하지 않고도 그렇게 되었습니다. 두 유전자를 모두 활성화한 포플러 계통은 편집된 세포의 비율도 가장 높았고, 온실에서 더 키가 크고 바이오매스가 많은 식물로 자랐으며, 눈에 띄는 이상은 없었습니다.

다년생 및 재생이 까다로운(recalcitrant) 작물의 재생 문제는 식물 생명공학 전반에서 널리 인정받는 문제입니다. 감귤류, 커피, 사탕수수의 유전자 편집을 다룬 한 리뷰 논문은 CRISPR 전달과 재생의 성공이 작물의 유전형과 특정 표적 유전자에 크게 좌우되며, 전달 방법의 선택이 편집 비율에 직접 영향을 미친다고 지적합니다. 식물에서의 CRISPR/Cas9을 다룬 또 다른 리뷰 논문은 기존 전달 방법이 전체 식물을 형질전환하는 데 있어 일관성이 없고 비효율적이라고 설명하며, 이는 추가 연구가 필요한 공백이라고 지적합니다. 미성숙한 줄기 절편을 이용하는 조직 배양 기법인 마디 배양(nodal culture)에 관한 별도의 연구도, 망고, 망고스틴, 커피 같은 재생이 까다로운 원예 작물의 재생 실패 문제를 다루기 위해 특별히 개발되었습니다.

애그릴라이프 주도 연구팀은 외부 유전자를 추가하는 대신 식물 자체의 형태형성 유전자를 스크리닝하고 활성화하는 CRISPR-Combo의 접근법이, 일반적인 재생 방법에 잘 반응하지 않는 다른 상업적으로 중요한 작물에도 적용될 수 있다고 보고 있습니다. 이 연구는 주로 식품농업연구재단(Foundation for Food and Agriculture Research)의 유전형에 독립적인 가임 식물 재생 프로그램(Genotype-Independent Regeneration of Fertile Plants program)의 지원을 받았으며, 국립과학재단(National Science Foundation), 미국 농무부 국립식품농업연구소(USDA National Institute of Food and Agriculture), 에너지부(Department of Energy), 텍사스 A&M 애그릴라이프 프로그램의 추가 지원도 받았습니다.