CRISPR 유전자 편집기술의 원리는 무엇인가요?
최근에 크리스퍼 유전자 편집 기술이 식품 공학 분야에서도 활발하게 활용되면서, 아미노산 함량이 높은 토마토 등을 만들 수 있고 앞으로의 의학분야에서의 전망도 좋다고 하던데, CRISPR 유전자 편집기술의 원리가 궁금합니다.
- crispr 유전자 편집기술은 각 유전자의 중간서열을 끊어내고 서열을 복사해가는 리보솜에 착안하였습니다.
중간서열을 끊어내는 작업을 하는 물질을 통해 원하는 유전자를 잘라내고 이후 결합을통해 다시 유전자를 합치는 과정입니다.
감사합니다.
안녕하세요. 김현준 과학/경제·금융전문가입니다.
모든 생명체의 구성은 DNA
인간을 포함해 거의 모든 생명체는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 가지고 있습니다. DNA로 구성된 유전자는 생명체의 유전정보를 보관하고 보존하며 RNA로 변환하는 전사과정을 거쳐 protein (단백질)로 발현되는 번역과정을 거쳐서 인체에서 눈·피부 색깔과 같은 육체적인 특징부터 특정 질환의 발병위험까지 광범위하게 작용을 하게 됩니다.
CRISPR 기술
CRISPR 기술은 특정 유전자 서열(DNA)을 가위로 잘라내듯이 잘라내고, 그 잘라낸 부위에 원하는 유전자를 삽입하는 기술을 말합니다. 당연하게도 잘라낼 수 있는 부위가 있고, 또한 붙일 수 있는 부위가 있습니다. 따라서 CRISPR 기술의 특징은 DNA 편집을 좀더 쉽고 편하게 할 수 있고, 반복과 재현이 되는지 등등이 집중 연구대상이 됩니다. 일단 잘라낸 부위에 원하는 특징을 가진 유전자 서열(DNA)를 삽입하게 되면 그 유전자가 발현하여 새로운 특징을 보여주게 됩니다.
CRISPR-Cas9 기술
2012년을 기점으로, Charpentier·Doudna 과학자들은 Cas9 단백질에 기반해 DNA 편집을 수월하게 만드는 CRISPR-Cas9 기술을 개발하고 특허를 받게 되었습니다. CRISPR-Cas9 기술이 개발되기 전의 CRISPR 유전자 편집 기술은 언급하였시피 많은 시간을 필요로 하였고, 고난도 기술이었으며, 이론과 달리 실제로 작동하지 않는 등 어려움이 많았습니다. 그러나, CRISPR-Cas9은 이전 편집 기술보다 간단하고, 빠르고, 저렴하고 정확해 과학계에서 환호를 받게 되었습니다. 현재 대부분의 유전자 편집을 시행하는 과학자들은 CRISPR-Cas9 기술을 사용합니다.
적용 분야: 농업
농업계에서는 곰팡이, 해충, 가뭄을 견디는 농작물을 만들 수 있으며 선호되는 특성을 가진 가축을 만들면서 전 세계 식량생산 기능을 바꾸고 있습니다.
적용 분야: 의학
인간 배아 유전체 편집 및 윤리적 이슈
먼저 중국에서 수행된 부분인데, 2015년 중국 준쥬황(Junjiu Huang) 연구팀이 세계 최초로 인간 배아의 유전체를 편집했다면서 결과를 의학저널 Protein&Cell에 발표하면서 논란을 일으킨 사례가 있습니다. 황 연구팀은 생존 불가능 배아(non-viable embryos) 86개를 사용했다며 치명적인 혈액질환을 일으키는 유전체 편집을 시도했지만 예상치 못한 변이들(off-target mutations)이 많이 발생했다며 성공적으로 편집된 배아는 소수였다고 밝혔습니다. 또 황에 따르면 세계 최고급 의학저널들인 Nature와 Science는 이번 논문을 윤리적인 문제로 거부했습니다.
또한 중국 루유(Lu You) 연구팀은 인간의 유전자 편집 시도를 이어갔습니다. 2016년 중국 연구팀은 세계 최초로 CRISPR-Cas9 기술을 사용해 유전편집 세포를 폐암 환자에게 투여하면서 의료계에 최초로 적용했습니다. 이어 2018년 중국 허지안쿠이(He Jiankui) 연구팀은 쌍둥이 여아들이 에이즈(AIDS)를 일으키는 HIV(인간면역결핍바이러스) 저항성이 있도록 출생 전 인간 배아의 유전자를 편집하면서 세계 최초 유전자편집 인간을 만들어 전 세계에 충격을 주게 되었습니다. 연구팀은 인간의 DNA를 수정했을 뿐만 아니라 수정된 유전자를 대대로 전할 수 있도록 '인간 생식세포계열을 편집(human germline editing)'한 것입니다. 이에 중국 법원은 2019년 허지안쿠이에 3년 징역형을 선고했습니다.
이런 윤리적 논란에도 불구하고 전 세계 과학자들은 인간 배아에 CRISPR 유전편집을 지속해서 시도했습니다. 지난 6월 Nature에 따르면 영국과 두 미국 연구팀은 독립적으로 인간 배아의 유전자를 편집한 연구결과들을 발표하면서 이를 편집하는 과정에서 원치 않은 결과가 발생할 가능성이 컸다고 밝혔습니다. 이들을 종합해 검토한 Nature는 CRISPR-Cas9 편집의 위험성이 크고 현재 정확하게 규명되지 않았다고 지적했습니다.
항암제 연구
현재는 몇몇 연구팀에서 항암제로서 가능성을 타진하기 위해 CAR-T 면역항암제 분야로 연구하고 있습니다.
이상 답변이 되었기를 바랍니다.
안녕하세요. 박종성 과학전문가입니다. 정확히는 CRISPR/Cas9 시스템이라고 합니다. 박테리아는 반복되는 특정 시퀀스를 가지고 바이러스를 제거하는데 이 특정 시퀀스를 CRISPR라고 합니다. 특정 염기서열을 잘라버리는효소가 Cas9인데..CRISPER에서 나온 genomic RNA가 바이러스의 genome을 인지하고 상보적 결합을 하고 Cas9가 gRNA에 붙어 DNA를 자르는 원리입니다