세계 최초 식물 소기관 DNA 조작해 우량 농산물 생산 성공

IBS, 시토신 염기교정효소 이용 엽록체·미토콘드리아 DNA 특정 염기 교정 성공

DdCBE를 이용한 엽록체 DNA 교정 식물 제작. 그림 제공=기초과학연구원(IBS)

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 세계 최초로 식물 소기관의 DNA를 맞춤 교정해 우량 고급 농작물 육종에 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 유전체 교정 연구단이 시토신 염기교정효소(DdCBE)를 이용해 식물의 엽록체 DNA와 미토콘드리아 DNA의 특정 염기를 바꾸는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 식물 소기관의 DNA를 맞춤 교정한 세계 최초의 사례로서, 농작물 육종에 크게 기여할 것으로 기대된다.

엽록체와 미토콘드리아는 각각 광합성과 에너지 생성을 담당하는 식물 세포 내 소기관이다. 이들의 DNA를 교정하면 광합성 효율, 항생제 저항성 등을 조절해 농업적·유전적 가치가 높은 식물을 개발할 수 있다. 가령 미토콘드리아 DNA를 교정해 웅성불임(Male sterility)을 유도하면 수량성(단위면적 당 수확량)과 내병성을 향상시킬 수 있다.

그러나 현재 유전체 교정 기술로 널리 활용되는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)로는 식물 소기관의 DNA 교정이 불가했다. 지난해 Ddda 탈아미노 효소를 이용한 새로운 염기교정효소 DdCBE가 개발되어 미토콘드리아 DNA 교정이 가능해졌다. 유전체 교정 연구단은 이전 연구에서 DdCBE를 최초로 동물에 적용해 미토콘드리아 DNA 교정에 성공했었다. 이번 연구에서는 DdCBE를 변형해 식물 엽록체 DNA와 미토콘드리아 DNA를 최대 99% 효율로 교정해냈다.

연구진은 우선 다양한 조합의 DdCBE를 상추와 유채(rapeseed) 세포에 주입해 가장 효율이 높은 DdCBE를 선정했다. 이를 식물 원형질체에 도입, 엽록체 DNA의 시토신(Cytosine) 염기를 티민(Thymine)으로 치환함으로써 항생제 저항성을 가진 식물 개체를 제작해냈다. DdCBE를 이용해 세계 최초로 식물 세포 소기관의 DNA를 교정한 것이다.

연구팀은 또 DdCBE DNA를 사용하지 않고 DdCBE mRNA를 세포에 직접 도입해 염기 교정의 정확성을 높였다. mRNA는 세포 내에서 수일 내 분해되기 때문에 DdCBE mRNA를 사용하면 표적 외 염기의 불필요한 변이 발생(표적이탈)을 억제할 수 있다. 오작동을 최소화한 식물 소기관 DNA 염기 정밀교정법을 마련한 것이다.

강범창 선임연구원은 “식물의 엽록체 및 미토콘드리아 DNA를 정밀하게 교정할 수 있게 돼 작물 육종 연구 및 형질 개선에 기여해 식량 문제 해결의 새 길을 열 것으로 기대한다”면서 “엽록체 유전자에 변이를 일으켜 광합성 효율을 높일 수 있고, 농업 생산성 증대는 물론이고 이산화탄소 저감을 통해 기후위기를 해소하는 데에도 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 플랜츠(Nature Plants, IF 13.256)' 2일에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr