배경

크리스퍼 유전자 가위 등장 이래 작물 유전체 교정은 품종 육종의 핵심 동력으로 자리 잡았다. DNA 이중가닥 절단 없이 표적 서열을 치환·삽입하는 프라임 편집(Prime Editing, PE)은 결실 위험을 줄일 정밀 도구로 주목받는 분위기. 벼와 옥수수 같은 단떡잎 곡물에서는 20%를 웃도는 교정 효율이 보고되며 실용화로 빠르게 나아갔다.

반면 콩, 토마토, 유채를 비롯한 쌍떡잎작물 연구는 장벽에 부딪혔다. 단떡잎식물 대비 표적 부위별 편차가 극심한 데다 평균 교정 효율이 1% 안팎에 머물렀기 때문. 식물 세포 안에서 프라임 편집 가이드 RNA(pegRNA)가 쉽게 분해되는 취약점이 지속해서 지적됐다. 쌍떡잎식물 세포 환경에서 역전사효소(Reverse Transcriptase, RT) 활성이 급격히 떨어지는 현상 역시 걸림돌. 세포 내 DNA 수선 기전이 플랩 서열 도입을 차단하면서 밭작물 개량에 PE를 적용하기 어려웠던 현실이다.

핵심 발견

중국과학원 가오차이샤(Caixia Gao) 연구팀은 복합 엔지니어링을 접목한 '스마트PE(SmartPE)' 시스템으로 난제를 정면 돌파했다. 이번 성과는 국제 학술지 '네이처 식물(Nature Plants)' 최신호에 실렸다. 연구팀은 역전사 템플릿(Reverse-Transcription Template, RTT) 내부에 의도적인 염기 불일치(mismatch)를 정교하게 설계해 숙주 세포 수선 시스템의 방해를 무력화하는 해법. 절단 효율을 배가하는 듀얼 pegRNA 체계를 병용하고 식물 맞춤형 시스 조절 인자(cis-regulatory elements)와 활성을 높인 개량 RT를 단일 플랫폼으로 통합했다.

스마트PE는 쌍떡잎작물 원형질체(protoplast) 실험에서 표준 PE 대비 압도적인 수치 개선을 입증했다. 모델 식물 애기장대(Arabidopsis thaliana) Col-0 실험에서는 기존 대비 6.3배에서 23.0배까지 교정 효율이 수직 상승한 기록. 토마토(Solanum lycopersicum) 원형질체에서는 기존 시스템 대비 8.2배에서 최대 38.2배에 이르는 효율 상승이 나타났다. 대두(Glycine max)와 유채(Brassica napus)에서도 대다수 표적 부위에서 10배를 웃도는 개선 효과를 확인한 상태.

조직 수준 실증에서도 성과가 확인됐다. 토마토 모상근(hairy root) 시스템에서 SlOR2 유전자를 교정한 결과, 표준 PE는 1.0% 이형접합(heterozygous) 변이체 형성에 그쳤다. 반면 스마트PE는 7.3% 동형접합(homozygous) 변이 라인과 12.5% 이형접합 라인을 유도해낸 결실. 복잡한 세대 진전 없이도 원하는 순계 변이체를 직접 획득할 가능성을 입증한 셈이다.

안정적 형질전환(stable transformation) 단계에서도 실용성이 검증됐다. 연구팀은 애기장대 유전체에 FLAG 태그 서열을 결함 없이 삽입하는 데 성공한 모습. 토마토 식물체에서는 인핸서(enhancer) 서열과 재조합 표지 부위를 최대 32.3% 효율로 삽입했다. 외래 유전자(transgene)를 끼워 넣지 않고도 고유 유전자 발현 강도를 정교하게 조율하는 발판을 마련했다.

의미와 전망

단떡잎 곡물에 치우쳤던 정밀 교정 기술을 채소와 두류, 유지작물로 확장했다는 점에서 이번 발견은 남다른 가치를 지닌다. 단순한 단일 염기 치환을 넘어 조절 인자나 기능성 태그 서열을 원하는 위치에 정확히 삽입할 수 있음을 규명한 대목. 이에 따라 병원균 저항성 인자 도입, 가뭄 내성 형질 구축 등 복합 형질 개량 연구가 한층 탄력을 받을 전망이다.

농가 보급 품종 육성으로 이어지기까지 해결할 과제 역시 남아 있다. 원형질체와 모상근에서 검증된 교정 능력이 온전한 식물체 재분화(regeneration) 과정에서도 동일하게 유지되는지 다양한 품종에서 추가 확인을 거쳐야 할 대목. 세대 진전에 따른 교정 형질의 안정적 유전 여부와 잠재적 비표적(off-target) 변이에 관한 전장 유전체 분석도 지속해서 병행될 필요가 있다.