경상국립대학교 응용생명과학부 김재연 교수(㈜눌라바이오 대표) 공동연구팀이 개발한 이 기술이 인류 식단에 영양 가치를 더하는 쌍떡잎식물의 육종에 새로운 장을 열 것으로 기대를 모으고 있다.

2020년 노벨화학상을 받은 유전자가위 기술은 유전병을 치료하는 것뿐만 아니라 작물 육종의 신기술로 사용된다.

초기 유전자가위 기술로부터 진화된 다양한 유전자가위 기술 중 프라임 에디팅(Prime Editing, PE) 기술은 정밀성과 다양한 변이 형성 측면에서 가장 앞선 첨단 4세대 기술로 평가되고 있으나 유용 과채류의 대다수를 차지하는 쌍떡잎식물에서 적용이 어려웠다.

연구팀은 다양한 유전자가위 합성생물학 재설계를 통해 프라임 에디팅 효율을 극대화하여 토마토 및 애기장대에서 다음 세대로 유전되는 유전자교정라인을 높은 효율(최대 형질전환 3개체당 1개체의 성공 효율)로 확보했다.

또한, 가까운 2개의 표적 가이드 RNA 사용은 다양한 부위에서 일관된 PE 효율을 보장하는 데 도움이 됐으며, 다중 프라임 에디팅을 사용하여 토마토의 여러 부위에서 동시에 유전자교정이 가능함을 보였다.

연구팀은 이 기술을 사용하여 카로티노이드가 증진된 토마토와 제초제 저항성을 갖는 토마토를 실험적으로 개발했다.

그 외에 염색체를 절반으로 줄인 후 다시 이배체를 만들어 일시에 순계라인을 만드는 토마토 라인과 고염저항성 및 지속광 스트레스 저항성을 높이는 유전자교정 토마토 라인을 확보하여 후속 연구를 진행하고 있다.

프라임 에디팅과 관련하여 2개의 국내 특허를 출원했고 PCT 및 국제특허를 통해 지적재산권을 확보할 예정이다.

연구를 주도한 부 반 티엔(Vu Van Tien) 연구교수는 “이번 연구에서 쌍떡잎식물에서 프라임 에디팅 효율을 높이기 위해 다면적으로 접근한 것이 유효했다.

이제 DNA의 50여 개 염기 범위는 자유롭게 치환 및 교정하는 것이 가능해져서 기초과학에 활용은 물론이고 작물육종까지 할 수 있는 일이 많아졌다.

이제는 좀 더 긴 DNA를 자유롭게 교정할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.”라고 연구의 의의와 앞으로의 포부를 밝혔다.

책임 교신저자인 김재연 교수는 “그간 혁신적인 프라임 에디팅 유전자가위 기술을 쌍떡잎작물 육종에 활용할 수 없어 안타까웠는데 이제 더 다양한 작물에서 더 많은 표적 유전자를 대상으로 육종연구개발을 수행할 수 있게 됐다.”라고 연구의 임팩트를 강조했다.

이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 원천기술개발사업(바이오의료기술개발사업)의 지원으로 수행했다.

논문은 국제학술지 《네이처 플랜트(Nature Plants)》9월 6일 자에 게재됐다.