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크리스퍼 CRISPR 유전자 가위

유전자 가위 : 크리스퍼
- 크리스퍼 가위 혁명 : 김명자 전환경부장관
- 크리스퍼 : 마이오스타틴, 근육 탈억제

- 후생유전학 : 메틸화
- 수평적 유전자 전달(horizontal gene transfer)
- 육종 : 전통의 GMO

 
 



생명과학  양병찬 (2018-04-30 09:19)

'CRISPR-Cas 생물학'에 기반하는 휴대용 진단기구가 개발되어, 환자의 샘플에서 병원체를 신속하고 민감하게 탐지하는 것이 가능하게 될 것으로 보인다. 이번 주 《Science》 표지에 실린 그림은, 모래 위에 그려진 지카 바이러스의 외피(capsid)로, 어떠한 오지(奧地)에서도 질병을 탐지하고 추적할 수 있을 거라는 전망을 밝게 해주고 있다.

2012년부터 분자가위로 명성을 떨치고 있는 CRISPR는 생물학계에 혁명을 일으켰다. 그 덕분에 과학자들이 간단하고 저렴하게 유전체를 절단할 수 있게 되었기 때문이다. 원하는 부분이 어디든 상관없다.

CRISPR의 진정한 힘은, DNA를 절단한 후에 뭘 하느냐에 있다.

(1) 이론적으로, 절단을 수리하는 천연 시스템이 질병을 초래하는 유전자를 못 쓰게 만들 수 있다. 이건 세포가 스스로 알아서 하는 일이다(disabling genes).

(2) 또는 절단된 DNA를 '새로운 DNA'로 바꿔치기하여 겸상적혈구빈혈증을 초래하는 변이를 교정할 수도 있는데, 이것은 과학자들이 하는 일이다(fixing mutations).

(3) 최근 여러 연구실에서 CRISPR를 진단도구로 사용하기 위해 CRISPR의 플랫폼을 조작해 왔다. 그들의 목표는 바이러스나 심지어 종양을 간단하게 탐지하는 것이다(virus and tumor detection).

CRISPR 복합체는 가이드 RNA(gRNA)를 이용하여, 유전체에서 표적 부위를 발견한다. gRNA는 'Cas 패밀리'로 알려진 연장통에서 효소를 하나 골라 챙기는데, DNA를 실제로 절단하는 것은 바로 이 효소의 몫이다.
그러나 Cas 효소에는 여러 가지 변종이 있다. 어떤 효소들은 겨냥하는 부위를 절단한 후, 먹잇감에 미친 듯이 달려들어 주변의 한 가닥짜리 핵산을 닥치는 대로 절단한다. 바이러스와 종양을 탐지하는 시스템에 사용되는 효소가 바로 이것 - Cas13, Cas12a(또는 Cpf1), Csm6이다.
지카 바이러스 감염이 의심되는 환자에게서 채취한 혈액을 상상하라. 기본적으로, 연구자들은 샘플을 준비하고, 필요한 성분들을 모두 추가한 다음, 한 가닥짜리 DNA나 RNA 조각을 심을 수 있다. 그 DNA나 RNA에는 형광을 내는 리포터 시스템(reporter system)이 들어있다. 만약 CRISPR가 지카 바이러스를 발견한다면, Cas 효소가 바이러스를 절단한 다음 리포터가 들어있는 분자를 절단하여 형광 빛을 내게 한다.
이러한 탐지 시스템의 최신버전은 셜록(SHERLOCK, 참고 5)과 디텍터(DETECTR)라는 별명을 갖고 있는데, 여러 개의 상이한 바이러스(HPV, 지카 바이러스, 뎅기 바이러스, HIV)와 '종양(폐암)과 관련된 변이'들을 동시에 발견할 수 있는 것으로 입증되었다. 또한 연구자들은 CRISPR 기반 탐지기(CRISPR based detection)를 가느다란 시험지(test strip) 위에 옮겨놓는 데 성공했다. 임신 진단 시험지처럼 말이다.
언젠가 피 한 방울만 떨어뜨리면 결과를 바로 보여주는 탐지기가 개발될지도 모른다. 그러면 의사들은 환자가 지카 바이러스나 그 사촌뻘인 뎅기 바이러스에 감염되었는지 곧바로 알 수 있을 것이다. 여러 개의 채널을 갖고 있어서, 어떤 종류의 뎅기 바이러스에 감염되었는지를 알려주는 시험지도 가능할 것이다.
맨 처음에는 유전체 편집, 이제는 바이러스 및 종양 진단지. CRISPR의 다음 목적지는 어디일까?


생명과학  양병찬 (2015-10-05 09:32)

"과학자들은 세균의 면역계를 탐사하던 중 새로운 유전자가위를 두 개 발견했다. 어쩌면 세균의 면역계에는 더 많은 유전자가위가 존재할지도 모른다."

▶ 3년 전 생물정보학 전문가 대니얼 해프트가 이끄는 연구진은 미생물의 DNA 시퀀스 데이터베이스를 뒤지다 특별한 기능을 하지 않(는 것으로 보이)는 유전집단을 하나 발견하고는, 그중 하나에 Cpf1이라는 시시껄렁한 이름을 붙였다. "그때 나는 아무 생각이 없었다. 그게 진핵세포의 유전체를 마음대로 편집하는 차세대 도구가 될 줄은 꿈에도 몰랐다"라고 현재 국립 생명공학정보연구소(메릴랜드주 베데스다 소재)에 재직중인 해프트는 회고했다.
그런 Cpf1이 마침내 임자를 제대로 만난 것 같다. 그는 바로 CRISPR의 선구자 중 한 명인 분자생물학자 장 펑(브로드연구소, MIT 부설 맥거번 뇌연구소)이다. 장 펑은 《Cell》 9월 24일호에 기고한 논문에서, "해프트가 발견한 유전자(Cpf1)에 코딩된 유전자가위(DNA 절단효소)가 CRISPR를 좀 더 간단하고 효과적이고 강력하게 만들 수 있다"고 주장하며, 이를 입증하는 데이터를 제시했다.
그러나 이게 끝이 아닌 것 같다. 과학자들은 Cpf1이 발견된 것을 하나의 조짐으로 해석하고 있다. 다시 말해서, 세균계에는 아직도 밝혀지지 않은 유전체수술 분자들(genome-surgery molecules)이 우글거리며, 이제나 저제나 하며 과학자들의 손길을 애타게 기다리고 있다는 이야기다. "CRISPR에는 수백 가지의 변종이 있으며, 그것들은 각각 독특한 이점을 갖고 있어서 유전체 편집에 활용할 수 있다"라고 에모리 대학교의 데이비드 와이스 박사(미생물학)는 말했다. 실제로 장 펑이 참가했던 콜드스프링하버연구소의 컨퍼런스에서, 다른 과학자는 CRISPR의 성능을 향상시킬 수 있는 세균단백질을 또 하나 언급해 관심을 모았다.
CRISPR는 DNA를 삭제·첨가·변형하는 최신기술로, 하루가 다르게 놀라운 속도로 발전하고 있다. CRISPR는 'Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats'의 약자(略字)로, 세균이 외계의 DNA(예: 바이러스의 DNA)로부터 자신을 지키기 위해 개발한 천연 방어시스템을 이용한 것이다. CRISPR 시스템은 단백질과 RNA로 구성되어 있는데, 여기서 RNA는 DNA를 인식하는 역할을 하고, 단백질(뉴클레아제, 일명 '유전자가위'라고 부름)은 - 종종 다른 분자의 도움을 받아 - 침입자의 유전물질을 절단하는 역할을 한다.


▶ 한때 과학자들은 'CRISPR가 너무 복잡하여, 유전체편집에 이용할 수 없다'고 생각했지만, 마침내 Cas9라는 간단한 유전자가위가 발견되면서 사정이 달라졌다. Cas9는 약간의 RNA 외에 별다른 도구를 필요로 하지 않아, 유전체편집에 안성맞춤인 것으로 밝혀졌기 때문이다(Science, 23 August 2013, p. 833). 그리하여 양자(兩者)를 결합한 CRISPR/Cas9는 순식간에 농작물과 동물의 DNA를 변형하는 빠르고 쉬운 방법으로 자리매김했으며, 생물학 및 의학 연구는 물론 - 논란이 있지만 - 인간배아의 유전체를 조작하는 방법으로까지 사용될 수도 있다.
그러나 이스라엘 바이츠만연구소의 로템 소렉 박사(미생물학)에 의하면, CRISPR/Cas9는 완벽하지 않다고 한다. 여러 가지 문제점이 있지만, 그중에서 가장 중요한 것은 '유전자자위(Cas9)가 실수로 표적을 빗나가 엉뚱한 유전자를 건드릴 수 있다'는 것이다. 게다가 CRISPR에 사용되는 표준 Cas9는 비교적 덩치가 커서, 세포 안으로 집어넣기가 만만치 않다는 것도 문제다(http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=258033). 이에 코펜하겐 대학교의 쉬라즈 샤 박사(생물정보학)는 Cas9의 대안이 필요하다고 지적한다.
장 펑이 이끄는 연구진의 생각도 소렉이나 샤와 마찬가지였다. 그들은 미 국립 생명공학정보센터 유진 쿠닌 박사(생물정보학)의 도움을 받아 젠뱅크(GenBank: 유명한 DNA 데이터베이스)를 샅샅이 뒤진 끝에, '세균은 적어도 다섯 가지 형태의 CRISPR를 보유하고 있으며, 이들은 각각 독특한 유전자가위를 사용한다'는 결론을 내렸다. 장 펑과 쿠닌은 그중에서도 특히 Cpf1 패밀리에 주목했다. 왜냐하면 그것은 Cas9 패밀리보다 더 작은 RNA를 이용하여 유전자를 편집할 수 있기 때문이다.
당초 두 사람이 젠뱅크에서 찾아낸 Cpf1 유전자의 수는 16개였는데, 장펑은 후속연구를 통해 그중에서 두 개가 인간에게도 사용될 수 있다는 결론을 얻었다. 그것들은 인간의 모든 유전자를 겨냥하여 절단할 수 있는 것으로 밝혀졌다. "Cpf1은 또 하나의 혁신적인 유전자가위다"라고 네덜란드 바헤닝언 대학교에서 CRISPR를 연구하는 스탄 브라운스 박사는 말했다.
장 펑에 의하면, Cpf1과 Cas9의 결정적 차이점은 다음과 같다고 한다. 첫째, 모든 유전자가위가 DNA 절단을 시작하려면, 소위 'PAM(protospacer adjacent motif) 시퀀스'를 이용하여 표적 DNA의 한쪽 말단에 접근해야 한다. 그런데 Cas9는 구아닌(guanine)과 시토신(cytosine)이 포함된 PAM을 필요로 하는 반면, Cpf1은 두 개의 티민(thymine)이 붙어 있는 PAM을 선호한다. "원하는 부분을 마음대로 절단하려면, 다양한 유전자가위를 구비해둘 필요가 있다"라고 하버드 대학교의 조지 처치 박사(유전학)는 말했다. Cpf1은 특히 인간이나 말라리아병원충(Plasmodium falciparum)의 유전체를 조작하는 데 유리할 것으로 기대되는데, 그 이유는 이들 유전체에는 티민이 풍부하기 때문이다.
둘째, Cpf1이 필요로 하는 RNA의 길이는 Cas9의 절반밖에 안 되는데, 노스캐롤라이나 주립대학교의 로돌프 버랑구 박사(분자생물학)에 의하면 이것은 Cpf1의 확실한 장점이라고 한다. 왜냐하면 유전자편집 복합체(gene-editing complex)의 합성작업을 용이하게 해 주기 때문이다.
셋째, Cas9는 DNA 이중사슬을 단칼에 잘라 밋밋한 단면(blunt end)을 남기는 반면, Cpf1은 계단식으로 절단하므로 들쭉날쭉한 말단(jagged end)을 남긴다. 구체적으로 말하면, 한 가닥이 다른 가닥보다 약간(5 염기) 길다. '들쭉날쭉한 말단'이 유전자편집에 어떤 영향을 미치는지는 아직 분명하지 않다. 버랑구 박사에 의하면, 인체나 뇌에 흔히 존재하는 비분열세포(nondividing cell)의 유전체는 정확히 편집할 수 있겠지만, 두 가지 DNA 복구 메커니즘(homologous recombination, nonhomologous end-joining)의 비율을 변화시켜 부정확한 편집을 초래할 수도 있다고 한다.

【참고2】 Cpf1의 특징

① 단일 RNA에 의해 구동되는 유전자가위로, tracrRNA가 필요없고 덩치가 작다.
② 티민(thymine)이 풍부한 PAM(protospacer-adjacent motif)을 이용한다.
③ DNA 이중사슬을 들쭉날쭉하게 절단한다.
④ 16개의 Cpf1 패밀리 단백질 중에서, Acidominococcus와 Lachnospiraceae가 사용하는 두 가지 단백질이 인간세포의 유전체를 효과적으로 편집하는 것으로 밝혀졌다. Cpf1의 작용 메커니즘을 분석하면, CRISPR/Cas 시스템에 대한 이해를 넓히고, 유전체편집 기술의 발전에 기여할 것으로 보인다.

▶ 그러나 Cas9를 카운트아웃 시키기는 아직 일러 보인다. “Ca9에는 여러 가지 버전이 있으며, 그중 적어 도 하나(수막염을 일으키는 세균에게서 유래하는 Cas9)는 길다란 가이드 RNA(guide RNA) 없이도 작동할 수 있다"라고 매사추세츠 의과대학의 에릭 존트하이머 박사(분자생물학)는 말했다. 이번에 콜드스프링하버연구소에서 열린 컨퍼런스에서, 존트하이머 박사는 문제의 Cas9가 RNA에 달라붙은 DNA를 절단할 수 있다고 보고했는데, 이것은 일부 유전체를 편집하는 데 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보인다(이 연구결과는 이번 달 《Molecular Cell》에 실릴 예정이다).
"장 펑이 새로 발견한 두 개의 유전자가위가 얼마나 유용한지는 시간이 말해 줄 것이다. 예컨대 Cpf1의 표적특이성(target specificity)은 아직 불투명하다"라고 CRISPR의 개척자인 UC 버클리의 제니퍼 다우드나 박사(생화학)는 말했다. 버랑구 박사는 Cpf1이 궁극적으로 유전체편집의 틈새시장을 공략할 것으로 내다보고 있다. "세균의 면역계가 사용하는 무기를 좀 더 들여다보면, 새로운 유전자가위가 발견될 것이 틀림없다. 새로 발견되는 세균의 방어전략은 지금껏 아무도 상상하지 못했던 분자도구를 제공할 것이다"라고 존트하이머 박사는 말했다.

【참고3】 세균에게 배워라

장펑이 이끄는 연구진은 끈끈한 말단(sticky end)을 이용하여 DNA 대체의 효율을 높이는 방안을 연구하고 있다. Cas9에 의해 절단된 부분은 두 개의 말단이 다시 붙으면서 복구되는 경향이 있는데, 이 복구과정은 비교적 엉성하여 오류가 많은 편이다. 물론 세포는 다른 복구방법을 이용하여 지정된 시퀀스를 해당 부위에 삽입할 수 있지만, 그 빈도가 매우 낮다. 장펑은 Cpf1의 톡특한 절단성질을 이용할 경우, 정확한 삽입의 빈도가 늘어날 것으로 기대하고 있다.
아이오와 주립대학교의 양 빙 박사(식물학)는 Cpf1의 등장을 크게 반기고 있다. "현재 유전자편집의 가장 큰 과제는 효율이다. 유전자편집의 효율이 높아진다면 식물학은 크게 진보할 것"이라고 그는 말했다.
이번 연구는 `세균이 진화시킨 유전체편집 시스템을 좀 더 많이 배워야 한다`는 점을 깨닫게 한 것으로 생각된다. "CRISPR 시스템의 진화적 다양성은 너무 풍부해서, 현행 유전체편집 기법의 문제점을 해결하는 데 많은 해법을 제공할 수 있다. 우리는 아직 세균에게서 배울 것이 많다"고 하버드 대학교의 데이비드 류 박사(화학생물학)는 말했다. [장과 류는 모두 에디타스메디슨(CRISPR 기반 치료법을 개발하는 바이오벤처)에 과학자문을 제공하고 있다.
이번 논문의 공저자인 네덜란드 바헤닝언 대학교의 존 판데르오스트 박사(미생물학)는 새로운 유전체편집 방법을 계속 찾아낼 계획이다. "어느 유전체편집 방법이 가장 적합한지는 아직 알 수 없다. 어쩌면 더 놀랄 만한 방법이 우리를 기다리고 있을지 모른다"고 그는 말했다.


※ 원문정보: Zetsche, B. et al., "Cpf1 Is a Single RNA-Guided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System", Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.038 (2015).


유전자가위로 탄생한 ‘뿔 없는 소’

유전자가위 기술을 적용해 미국에서 뿔 없는 젖소가 탄생했다. 11일 ‘사이언스’ 지에 따르면 일단의 과학자들이 뿔 없는 젖소를 생산하기 위해 유전자를 변형시키는데 성공했으며 지난 주 5마리의 뿔 없는 젖소를 생산했다고 밝혔다.
연구진은 미네소타 주 세인트폴 시에 소재한 동물 전문 바이오업체 ‘리콤비네틱스(Recombinetics)’에서 일하고 있는 과학자들이다. 그동안 유전공학 기술을 활용, 가축 등을 대상으로 생의학 연구를 진행해왔다.
연구책임자는 ‘리콤비네틱스’의 CEO인 스콧 파렌크루그(Scott Fahrenkrug)다. 그는 그의 동료들과 함께 작성한 연구보고서에서 2세대 유전자가위 기술인 TALEN(transcription activator-like effector nucleases)을 적용했다고 밝혔다.

리콤비네틱스, TALEN 기술로 5마리 송아지 생산

TALEN이란 3세대 유전자가위 기술인 ‘크리스퍼(CRISPR/cas9)’가 처음 시도된 2013년 이전까지 널리 사용된 기술이다. DNA상의 특정 염기서열을 인식할 수 있도록 설계할 수 있는 ‘DNA-binding domain’, DNA를 자를 수 있는 ‘nuclease domain’으로 구성돼 있다.


유전자기술로 뿔 없는 젖소가 탄생했다. 그동안 축산인들은 뿔로 인한 사고를 막기위해 뿔 없는 소 출현을 고대해왔는데 벤처회사인 ‘리콤비네틱스’에서 5마리의 송아지를 생산한 것으로 알려졌다.
사진은 가장 널리 보급되고 있는 홀스타인 종 젖소. ⓒ Wikipedia

1세대 기술인 ‘징크 핑거 뉴클레이즈’(ZFNsㆍZinc Finger Nucleases)‘의 단점을 보완했다는 평을 받았지만 제작이 어려워 일부 연구진들은 또 다른 유전자가위 기술을 모색해왔고, 3세대 기술인 ’크리스퍼(CRISPR- Cas9)‘ 출현에 촉매제가 됐다.
그러나 이번 연구를 통해 뿔 없는 젖소 유전자를 완성하는데 성공적으로 적용되면서 또 다시 큰 주목을 받게 됐다. 스콧 파렌크루그에 따르면 연구진은 자연적으로 발생한 뿔 없는 소의 대립유전자를 정상적인 젖소 배아에 이식하는 방식을 사용했다.
이 과정에서 성공적으로 뿔 없는 소의 유전자를 편집하는데 성공했으며, 얼마 후 ‘Spotigy’와 ‘Buri’란 이름의 송아지를 생산했다. 이어 지난 주에는 3마리의 뿔 없는 송아지를 생산해 새로 탄생한 뿔 없는 송아지가 5마리로 늘어났다.
이렇게 탄생한 소들은 향후 증식 과정을 통해 뿔 없는 소의 대를 잇게 된다. 11일 ‘테크 인사이더’ 지에 따르면 이번 연구 결과는 향후 유정공학 기술 전반에 큰 영향을 미칠 것으로 예상했다. 또한 농업 등 산업 전반에 큰 변화가 예고되고 있다.
그동안 목장주들은 젖소 뿔을 제거하기 위해 많은 노력을 기울여왔다. 소끼리 서로 상처를 입히거나 때때로 인간에게 위협적이기 때문이다. 때문에 많은 비용을 들여 젖소 뿔을 잘랐는데 이렇게 뿔을 제거한 젖소의 수가 1000만 마리가 넘는 것으로 추산되고 있다.
미국에서 사육되고 있는 젖소의 80%에 달하는 것이다. 일부 목장에서는 육우의 뿔도 자르고 있다. 최근 추산에 따르면 목장에서 273만여 마리의 육우 뿔을 제거했는데 전체 육우의 25%에 해당하는 것이다.

“강한 근육을 가진 개, 미니 돼지 출현도 가능해”

그러나 목장주들의 이런 안전을 위한 이런 조치가 동물보호 단체들로부터 큰 반발을 불러일으키고 있다. 보호단체에서는 자연 그대로 살기를 원하는 ‘동물의 권리(animal rights)’를 목장주들이 크게 침해하고 있다고 주장하고 있다. 이에 따라 단체들은 미 전역에 있는 목장을 대상으로 뿔이 제거된 젖소 및 육우 현황을 파악하며 축산인 들과 큰 소송을 진행하고 있는 중이다. 이런 분위기 속에서 많은 축산인 들은 과학자들의 도움을 절실히 원하고 있다. 과학자들과 협력해 뿔 없는 젖소를 사육하겠다는 의도다. 그리고 과학자들이 5마리의 뿔 없는 젖소를 탄생시킴으로써 그동안의 고민을 일부 덜게 됐다. ‘사이언스’ 지는 축산인들이 그동안 뿔 없는 소를 만들기 위해 많은 비용과 노력을 기울여왔다고 전했다. 이 과정에서 동물보호단체들로부터 강력한 지탄을 받아온 많은 축산인들이 이번 연구 결과에 크게 고마워하고 있는 분위기라고 전했다. 농업 등 산업 전반에 미치는 영향력도 매우 클 것으로 예상되고 있다. 아이오와 주립대의 유전공학자 맥스 로스차일드(Max Rothschild) 교수는 ‘테크 인사이더’ 지와의 인터뷰를 통해 “뿔 없는 소를 성공적으로 탄생시켰다는 것은 향후 축산업은 물론 다른 분야에서도 유사한 종을 탄생시킬 수 있다는 점을 예시하고 있다”고 말했다.
그는 “강한 근육을 가진 개, 미니 돼지와 같은 새로운 종을 대량 생산할 수 있는 길이 열리고 있다”며 향후 축산업은 물론 농업, 수산업, 산림업 등 광범위한 산업 분야에 큰 변화가 있을 수 있다고 말했다. 이번 연구를 주도한 ‘리콤비네틱스’의 스콧 파렌크루그 CEO는 지난 2014년 “축산업자들이 뿔 없는 소의 형질을 제거하기 위해 오랫 동안 기다려왔으며, 기존 육종법을 이용하면 너무 오랜 시간이 걸린다”고 말했다. 기존 육종법 대신 유전자가위 기술을 적용해 뿔 없는 송아지를 불과 2년 만에 탄생시켰다. 그는 지금 자라고 있는 송아지들이 뿔이 없는 형질을 후손들에게 계속 전달할 수 있을지 연구를 지속하고 있다고 밝혔다.

이강봉 객원기자다른 기사 보기aacc409@naver.com




美에선 유전자 가위 특허권 분쟁 치열…UC버클리, MIT-하버드대 특허권 소송 중
카푸치노 양, 삼겹살 2배 돼지…유전자 가위가 만든 신(新) 동물열전

동아사이언스 | 입력 2016년 06월 16일 17:02

 
중국 연구진은 유전자가위로 양의 털 색깔 유전자를 편집해 얼룩무늬 양 4마리와 카푸치노 커피색 양 1마리를 만들었다. - 신화통신 제공

젖소나 바둑이처럼 얼룩무늬를 지닌 양이 탄생했다. 카푸치노 커피를 휘저은 것처럼 커피색과 흰색이 섞인 양도 나왔다. 지난해 노벨상 후보로 거론된 유전자 가위로 만든 동물들이다. 유전자 가위는 원하는 유전자(DNA) 부위를 자를 수 있는 단백질 효소를 뜻한다.
류밍준 중국 신장축목과학원 교수팀은 ‘크리스퍼 유전자 가위’를 이용해 털 색깔이 새로운 양 5마리를 지난주 외신에 공개했다. 연구진은 양의 털 색깔에 영향을 주는 유전자 ‘ASIP’를 유전자 가위로 편집한 결과라고 소개했다. 연구진은 지난해 근육이나 양모가 빠르게 자라는 양 38마리를 얻는 데도 성공했다.
류 연구원은 “염색하지 않고도 다양한 양모를 얻을 수 있게 될 것으로 전망된다”라며 “가을쯤 이 양들이 성공적으로 번식하는지 여부를 살피면 유전적 안정성을 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

●고기량 2배 ‘슈퍼근육 돼지’도 등장

한국 과학자 주도로 근육량이 월등히 높은 돼지도 선보였다. 김진수 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단장이 이끄는 연구진은 윤희준 중국 옌볜대 교수팀과 공동으로 일반 돼지보다 근육량이 많은 ‘슈퍼근육 돼지’를 만들어 지난해 공개했다. 유전자 가위를 이용해 근육 성장을 억제하는 유전자 ‘마이오스타틴’을 작동하지 못하게 한 것이다. 이 돼지는 근육량이 많을 뿐 아니라 단백질 함량이 높고 지방은 적다.
유전체교정연구단은 최성화 서울대 교수팀과 공동으로 유전자 가위로 병충해에 강한 상추를 개발해 지난해 ‘네이처 바이오테크놀로지’에 발표하기도 했다. 영국은 바이러스성 질환에 강한 돼지를 만들었고, 호주에선 닭의 유전자를 수정해 알레르기 없는 달걀 개발에도 나섰다.
하지만 이들 생물이 상용화되려면 유전자변형작물(GMO) 규제를 극복해야 한다. 김 단장은 “미국에선 유전자 가위로 만든 생물이 GMO가 아니라는 유권 해석을 내놓기도 했다”며 “유전자 가위 기술은 유전자변형(GM)과 달리 외부 유전자를 도입하지 않기 때문에 방사선 육종 기술과 다를 바 없다”고 설명했다.

●美에선 유전자 가위 특허권 분쟁 치열

유전자 가위 기술은 동식물을 넘어 질병 치료에도 활용할 수 있다. 미국 기업인 샌가모 바이오사이언스는 유전자 가위로 에이즈(AIDS·후천성면역결핍증)나 혈우병 환자의 유전자를 교정하는 임상시험을 진행하고 있다. 이처럼 유전자 가위의 응용 가능성이 증명되면서 이 기술을 둘러싼 특허권 분쟁이 미국에서 치열하게 진행되고 있다.
미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리)는 지난해 4월 미국 특허청에 매사추세츠공대(MIT)와 하버드대가 공동 운영하는 브로드연구소가 등록한 크리스퍼 유전자 가위 특허권이 무효라며 중재를 신청했다.
UC버클리 연구팀은 2012년 5월 25일 ‘크리스퍼 Cas9’이라는 유전자 가위에 대한 특허를 처음 출원했다. 브로드연구소는 같은 해 12월 12일 특허를 출원했다. 출원이 늦었던 브로드연구소는 ‘신속 심사’ 프로그램을 통해 2014년 4월 특허권 등록에는 먼저 성공했다.
여기에 김 단장이 공동 창업한 툴젠도 뛰어들었다. 툴젠은 2012년 10월 23일 특허를 출원했다. 지난해 4월부터는 미국, 유럽, 한국 등 10개국에서 신속 심사를 진행하고 있다.
김 단장은 “크리스퍼 유전자 가위 기술이 질병 치료뿐 아니라 동식물, 바이오에너지 등 다양한 분야에서 엄청난 경제적 가치를 낼 수 있다는 점에서 특허권 분쟁이 어떻게 마무리되느냐에 학계와 산업계의 관심이 집중되고 있다”고 말했다.

이재웅 기자 ilju2@donga.com 


CRISPR의 변신: 극미량의 바이러스를 탐지하는 셜록(SHERLOCK)
생명과학  양병찬 (2017-04-14 09:29)
셜록은 유명한 유전체편집기 CRISPR를 각색한 진단도구로, 다른 진단도구들이 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있을 것으로 보인다.


까마득한 소수점 아래를 나타내는 접두어 중에서, 밀리, 마이크로, 나노, 피코, 펨토, 다음에 있는 아토(atto)는 10의 -18승이다. 아토가 몰농도 등의 단위 앞에 나타나면, ppq(part per quadrillion)보다도 작은 극미량이 존재한다는 것을 뜻한다.
새로 개발된 셜록(SHERLOCK)이라는 진단시스템은 아토의 영역에서 논다. 셜록은 샘플 속에 들어있는 아토몰 수준의 바이러스를 탐지하며, 지카바이러스를 가까운 친척인 뎅기바이러스와 구별할 수도 있다. 이처럼 어마어마하게 민감하고 특이적인 도구는 다른 진단도구들이 놓칠 수 있는 질병을 탐지할 수 있으며, 간단하고 저렴하게 이용할 수 있는 매력 덩어리다. 그렇데 셜록의 가장 큰 매력포인트는 다른 데 있으니, 놀랍게도 CRISPR의 변형을 이용한다는 것이다. 오늘날 생물학계에서 맹위를 떨치고 있는 유전체편집방법 말이다.

"참으로 멋지고 훌륭한 연구다"라고 매사추세츠 의대의 에릭 손테이머 박사는 말했다. 손테이머 박사는 RNA 전문가로서 일찍이 CRISPR를 연구한 경력이 있다. 한편 하버드 대학교의 조지 처치 박사는 한 마디로 "와우!"라고 했다. 처치는 셜록의 발명자 중 한 명과 CRISPR 치료업체를 공동으로 설립했지만, 이번 연구에는 관여하지 않았다.

과학자들은 일찌감치 2010년부터 'CRISPR를 바이러스 탐지도구(참고 1)로 변형할 수 있다'는 사실을 간파했다. 그러나 CRISPR가 유전체편집기술로 대박을 치자, 바이러스를 탐지하려던 초기노력들은 그늘에 가려 맥을 못 추게 되었다. CRISPR를 개발한 과학자들은 가이드 RNA(gRNA)라는 짧은 RNA 가닥을 이용하여 Cas9라는 DNA 절단효소(일명 유전자가위)를 안내함으로써, 유전체 중의 어떤 위치라도 정확히 찾아가게 만들었다. CRISPR-Cas9은 유전자를 못쓰게 만들거나 절단된 부분에 새로운 DNA를 삽입할 수 있게 함으로써, 의학과 농업 분야에서 십억 달러짜리 산업(참고 2)을 일궈냈다. 그러나 다른 한편으로는 인간의 능력을 향상시키는 잠재력 때문에 심각한 윤리논쟁(참고 3)을 초래했다.

셜록은 두 가지 면에서 CRISPR-Cas9과 근본적으로 다르다. 즉, 셜록은 DNA가 아니라 RNA를 찾아내는 gRNA를 이용하며, Cas9 대신 Cas13a(종전 명칭: C2c2)라는 유전자가위를 사용한다. 일단 Cas13a가 표적을 절단하고 나면, 셜록은 만나는 RNA들을 닥치는 대로 절단하는데, 이를 부차적 효과(collateral effect) 또는 2차절단(collateral cuts)이라고 한다. 이번 연구를 지휘한 사람은 브로드연구소의 생명공학자 제임스 콜린스와 장펑(CRISPR를 이용한 유전체편집의 개척자)인데, 그들은 이번 연구에서 2차절단이 셜록을 이용한 진단의 근저를 이룬다는 것을 증명했다. "자연은 놀라운 도구를 많이 갖고 있다"고 장펑은 말했다.

두 사람이 이끄는 연구진이 밝힌 바에 따르면, "셜록은 바이러스 및 세균 감염, 저빈도로 나타나는 암의 변이, 다른 질병과 관련된 미세한 DNA 시퀀스 변이(즉, SNP)를 탐지할 수 있다"고 한다. (참고로, 셜록이라는 이름은 연구진이 지어낸 것으로, specific high sensitivity enzymatic reporter unlocking의 이니셜이다. 다소 껄끄럽긴 하지만, 만드느라고 고생한 흔적이 역력하다.)

연구진이 셜록을 만든 과정 및 작동원리는 다음과 같다. 셜록을 이용하여 소량의 바이러스를 탐지하기 위해, 연구진은 먼저 지카나 뎅기 바이러스가 포함된 샘플에 소위 형광리포터 RNA(fluorescent reporter RNA)를 박아놓았다. 바이러스의 RNA가 절단되면, 형광조명탄을 쏘아올리도록 말이다. 다음으로, 연구진은 (지카나 뎅기의 유전자 시퀀스를 겨냥하는) RNA 조각과 연결된 Cas13a를 풀어놓았다. 결과는 놀라웠다. Cas13a는 겨우 몇 가닥의 바이러스 시퀀스를 발견하여 절단했을 뿐인데, 뒤이어 형광리포터까지 절단하여 탐지가능한 신호를 만들어내는 게 아닌가! 이 신호는 바로 바이러스가 존재한다는 것을 의미한다. 연구진은 이상의 결과를 정리하여, 4월 13일자 《Science》에 기고했다(참고 4).

연구진은 셜록을 조작하여 DNA 표적(인간의 유전체에 들어있는 암 관련 변이 포함)도 찾아내게 만들었는데, 그 비결은 DNA를 RNA로 전환하는 효소였다. "셜록은 두 가지 유형의 핵산에 모두 잘 작용한다"라고 브로드 연구소의 생명공학자로서 이번 논문의 제1저자인 조너선 구텐버그는 말했다. "Cas13a의 진정한 이점은 '부차적 효과가 있다'는 점과 '형광리포터의 방아쇠를 당긴다'는 점이다"라고 그는 강조했다.

"CRISPR가 장래에 진단도구로 사용될 거라고 생각하니 흥분된다"라고 UC 버클리의 제니퍼 다우드나 박사(구조생물학)는 말했다. 그녀는 2012년 CRISPR-Cas9가 DNA를 편집하는 메커니즘을 최초로 밝혔으며(참고 5), UC는 최초의 발견을 둘러싸고 브로드 연구소와 피튀기는 특허전쟁(참고 6)을 치른 바 있다. 다우드나는 2011년 'CRISPR를 이용한 진단'에 집중하는 업체를 공동으로 설립했는데, 그 회사는 이와 관련된 특허권(참고 7)을 인정받았지만, 현재는 주로 유전체 조작을 다루고 있다. 다우드나는 작년에 《Nature》에 기고한 논문에서(참고 8) "Cas13과 형광리포터 RNA를 이용하여 민감한 탐지시스템을 구성할 수 있다"고 기술한 바 있지만, 이번 연구처럼 디테일한 내용을 다루지는 않았다. "이번 논문은 'Cas13을 이용하여 전사체(transcript)를 탐지한다'는 나의 핵심 아이디어에 기초를 두고 있다. 내 연구결과가 그들의 노력에 보탬이 된 것을 기쁘게 생각한다"라고 그녀는 말했다.

셜록은 특이한 유전물질을 탐지하는 CRISPR-Cas13a 시스템으로, 현재 가장 흔히 사용되는 진단기법(단백질을 탐지하는 ELISA)보다 100만 배나 민감하다. 또한 콜린스가 작년에 발표한 'CRISPR에 기반한 지카바이러스 진단법'보다도 1,000배나 민감하다(참고 9). "셜록은 (기존의 진단기법이 놓치기 쉬운) 감염이나 암 변이를 쉽게 찾아낼 뿐 아니라, 극미량의 표적을 매우 빠르게 탐지한다"라고 콜린스는 말했다.

"셜록은 필요한 화합물들을 광섬유종이(glass fiber paper) 위에 집약시키며, 대부분의 RNA 및 DNA 표적을 위해 신속히 설계될 수 있다. 게다가 재질이 튼튼하여 현장에서 충분히 사용할 수 있으며, 건당 비용이 61센트에 불과하다"라고 연구진은 말했다. 따라서 셜록은 개발도상국에서 종종 일어나는 (정확히 진단하기 어려운) 신종 감염병 사태에 대응하는 데 크게 도움이 될 것으로 보인다.

브로드 연구소는 셜록의 상업화를 적극적으로 추진하고 있으며, 아마도 이와 관련된 신생 바이오업체를 출범시킬 것으로 보인다. 그러나 진단도구가 출시되려면, 미  FDA와 같은 규제기관의 승인과정을 통과해야 한다.