과학 잡지 네이처를 통하여 제 4세대 유전자 편집 가위 기술이 개발되었다는 보도가 있었다. 유전자 편집 기술은 DNA 속에 있는 유전자를 자르거나 붙여, 말 그대로 편집하여 질병에 걸리지 않고 특정한 기능을 강화시키는 역할을 할 수 있는 기술을 의미한다.
인간은 옛날부터 병에 걸리는 존재였고 지금도 아직 질병을 완전히 정복하지 못한 상태이다. 그러나 유전자가 발견됨으로써 질병의 원인이 될 수 있는 유전자 자체를 편집함으로써 미래에 있을 질병 발생을 사전에 차단하는 효과를 볼 수 있게 되었다.
지난 2018년 11월에는 충격적인 소식이 전해지기도 했는데, 중국 남판 과기대 허징쿠이 교수가 유전자 편집을 통해 HIVH 바이러스의 내성을 가지는 아이를 탄생시켰다고 발표하기도 했다.
아직 유전자 전체에 대한 정보와 유전자의 기능을 완벽하게 파악하지 못했지만 많은 발전을 이루어 가고 있다. 이번 글에서는 유전자 편집기술에 관하여 탐구해 보고자 한다.
유전자 편집 기술
유전자 편집 기술은 생명체의 DNA에 있는 특정 유전자를 추가, 제거 또는 변경할 수 있게 해주는 기술이다. 이 기술을 통해 과학자들은 유전적 질환을 치료하거나, 작물의 수확량을 늘리고, 해충 저항성을 강화하는 등 다양한 목적으로 생명체의 유전 정보를 정밀하게 조작할 수 있다.
유전자 편집기술은 크게 1 세대부터 4 세대까지로 분류할 수 있다.
1세대 : 제한 효소와 재조합 DNA 기술
1세대 유전자 편집 기술은 1970년대에 시작되었다. 이 기술은 제한 효소를 사용하여 DNA를 특정 시퀀스에서 절단하고, 다른 DNA 조각과 연결하여 재 조합하는 방법이다. 이 방법은 유전자 클로닝과 유전자 변형 생물(GMO)을 만드는 데 사용되었다. 당시에는 상대적으로 비 특이적이고, 원하는 유전자를 특정 위치에 정확하게 삽입하는 것이 어려웠다.
2세대 : ZFNs와 TALENs
2세대 유전자 편집 기술은 ZFNs(Zinc Finger Nucleases)와 TALENs(Transcription Activator-Like Effector Nucleases)와 같은 핵산 가위 기술을 포함한다. 이 기술들은 2000년대 초반에 개발되었으며, 특정 DNA 시퀀스를 타겟으로 하여 절단할 수 있도록 설계된 단백질을 사용한다.
ZFNs와 TALENs는 유전자 편집의 정확성과 유연성을 향상시켰지만, 설계와 구현이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있었다.
3세대 : CRISPR-Cas9
CRISPR-Cas9 기술은 3세대 유전자 편집 기술로, 2012년에 발견되었다. 이 기술은 박테리아의 면역 시스템에서 유래한 것으로, 가이드 RNA를 사용하여 Cas9 단백질을 특정 DNA 시퀀스로 인도하고, 해당 위치에서 DNA 이중 가닥을 절단한다. CRISPR-Cas9는 높은 정확성, 비용 효율성, 사용의 용이성으로 인해 유전자 편집 분야에 혁명을 가져왔다.
4세대 : 베이스 편집 및 프라임 편집
4세대 유전자 편집 기술에는 베이스 편집(Base Editing)과 프라임 편집(Prime Editing)이 포함된다. 베이스 편집은 특정 DNA 염기를 다른 염기로 직접적으로 변경할 수 있는 기술이며, 큰 DNA 조각의 삽입이나 삭제 없이 유전자 변형을 가능하게 한다.
프라임 편집은 더욱 정교한 유전자 편집을 가능하게 하며, DNA 염기를 추가, 삭제, 교체하는 등의 복잡한 유전자 변형을 정밀하게 수행할 수 있다. 이러한 기술은 유전자 편집의 정확성과 범위를 더욱 확장시켰다.
각 세대의 유전자 편집 기술은 생명 과학 연구와 의학, 농업, 환경 보호 등 다양한 분야에서 혁신적인 발전을 이끌어냈다. 또한, 미래에는 이러한 기술들이 더욱 발전하여 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.
유전자 편집 기술의 역사
유전자 편집 기술의 역사는 생명 과학의 발전과 긴밀하게 연관되어 있다. 이 기술은 생명의 근본인 DNA를 이해하고 조작하는 능력을 발전시키는 과정에서 탄생했다.
1970년대 초반, 제한 효소의 발견은 DNA 조각을 특정 시퀀스에서 정확하게 자를 수 있는 첫 번째 도구를 제공했다. 이를 통해 과학자들은 특정 DNA 조각을 분리하고 다른 DNA 분자에 삽입하는 데 성공했다. 이러한 초기 기술은 재조합 DNA 기술이라 불리며, 유전자 클로닝과 유전자 변형 생물(GMO)의 개발로 이어졌다.
1980년대와 1990년대에는 유전자 총열기술과 PCR(polymerase chain reaction) 기술의 발전으로 DNA 시퀀싱과 복제가 훨씬 쉬워졌다. 이러한 기술의 발전은 유전자 편집에 필요한 도구와 지식의 토대를 마련했다.
2000년대 들어서며, 유전자 편집 기술은 큰 전환점을 맞이했다. ZFNs(Zinc Finger Nucleases)와 TALENs(Transcription Activator-Like Effector Nucleases) 같은 유전자 편집 기술이 개발되어, 특정 DNA 시퀀스를 타겟으로 하는 능력이 크게 향상되었다. 이러한 기술들은 유전자 편집의 정확성과 유연성을 크게 개선했다.
CRISPR-Cas9 기술의 발견은 2012년, Jennifer Doudna와 Emmanuelle Charpentier가 이끄는 연구팀에 의해 이루어졌다. 이 기술은 자연계에서 발견된 박테리아의 면역 시스템을 모방한 것으로, 특정 DNA 시퀀스를 매우 정확하고 효율적으로 편집할 수 있는 능력을 제공한다.
CRISPR-Cas9 기술의 발견 이후, 유전자 편집은 더욱 빠른 속도로 발전하며 다양한 연구 분야와 응용 분야에서 활발히 사용되기 시작했다.
유전자 가위의 원리
유전자를 편집하기 위해서는 유전자 가위라는 것이 이용되는데 그것은 DNA를 자를 수 있는 기능을 가진 핵상 가수 분해 효소를 쓰임에 맞게 변형해서 표적 DNA 염기 서열을 인식하여 DNA를 자를 수 있도록 구성된 인공 효소를 뜻한다.
유전자 가위는 크리스퍼 유전자(CRISPR-Cas9) 기술을 이용한 유전자 편집 방법의 핵심 구성 요소이다. 이 원리는 매우 정밀하고 효율적으로 특정 DNA 서열을 찾아내어 잘라내고 수정할 수 있는 기술이다.
유전자 가위의 원리는 세균이 바이러스의 침입으로부터 자신을 방어하기 위해 만들어낸 면역 시스템에 있다. 박테리아가 외부에서 유래한 DNA를 제거하기 위해 사용하는 제한 효소를 변형한 것이다.
유전자 가위를 이용한 이러한 방법은 유전자의 기능을 이해하고, 유전적 질병을 치료하며, 농업에서 작물의 특성을 개선하는 등 다양한 분야에서 혁신적인 가능성을 열어주고 있다.
아래는 대표적인 유전자 가위 기술에 관하여 간략하게 설명해 놓은 것이다
ZFNs(Zinc Finger Nucleases)
ZFNs는 유전자 편집의 초기 형태 중 하나로, ‘징크 핑거’라는 DNA 결합 도메인과 ‘뉴클리아제’라는 DNA 절단 도메인으로 구성된다. 징크 핑거 도메인은 특정 DNA 시퀀스에 결합하는 능력이 있으며, 각 징크 핑거 모듈은 3~4개의 DNA 염기쌍을 인식한다.
여러 개의 징크 핑거 모듈을 결합함으로써, 연구자는 원하는 DNA 시퀀스를 특정할 수 있다. 이러한 결합 부위에 위치한 뉴클리아제 도메인이 DNA 이중 가닥을 절단한다.
이 절단으로 인해 DNA의 자연 복구 과정이 활성화되며, 이 과정에서 유전자의 추가, 삭제, 변형이 일어날 수 있다.
TALENs(Transcription Activator-Like Effector Nucleases)
TALENs는 ZFNs와 유사한 메커니즘을 가지고 있지만, DNA 결합 부위로 ‘트랜스크립션 액티베이터-라이크 이펙터'(TALE) 도메인을 사용한다.
TALE 도메인은 자연에서 식물 세포를 감염시키는 박테리아에서 발견되었다. 각 TALE 단위는 하나의 DNA 염기를 특정하며, 이를 통해 연구자는 원하는 DNA 시퀀스를 매우 정밀하게 인식할 수 있는 TALENs를 설계할 수 있다.
TALENs의 뉴클리아제 도메인 역시 DNA를 절단하며, 절단 후의 DNA 복구 과정을 통해 유전자를 수정할 수 있다.
CRISPR-Cas9
CRISPR-Cas9은 현재 가장 널리 사용되는 유전자 가위 기술로, 박테리아의 면역 시스템에서 유래했다. CRISPR은 “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”의 약자이며, Cas9은 이 시스템에서 DNA를 절단하는 단백질이다.
CRISPR-Cas9 시스템은 가이드 RNA(gRNA)를 사용하여 Cas9 단백질을 원하는 DNA 시퀀스로 인도한다. gRNA는 타겟 DNA 시퀀스와 상보적인 RNA 시퀀스로 구성되며, 이를 통해 Cas9 단백질이 정확한 위치에서 DNA를 절단할 수 있도록 한다.
절단 이후, DNA의 자가 복구 메커니즘을 이용하여 유전자를 추가, 삭제 또는 변형할 수 있다.
CRISPR-Cas9
CRISPR-Cas9 시스템은 박테리아의 면역 시스템에서 유래한, 유전자를 정밀하게 편집할 수 있는 혁신적인 도구이다. 이 시스템은 주로 두 가지 구성 요소, 즉 Cas9 단백질과 가이드 RNA(gRNA)로 이루어져 있다.
여기서 CRISPR은 “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”의 약자로, DNA의 특정 시퀀스를 타겟팅하는 RNA 분자와 결합하여 Cas9 단백질을 인도하는 역할을 한다. 이 과정을 통해, 특정 DNA 시퀀스를 매우 정밀하게 절단하고 수정할 수 있다.
CRISPR-Cas9 작동 원리
가이드 RNA (gRNA) 설계 : 연구자들은 먼저 편집하고자 하는 유전자의 DNA 시퀀스를 파악한 후, 이 시퀀스와 상보적인 RNA 시퀀스인 가이드 RNA(gRNA)를 설계하고 합성한다. gRNA는 특정 DNA 시퀀스를 인식하고 Cas9 단백질을 그 위치로 인도하는 역할을 한다.
Cas9 단백질의 결합 : gRNA가 합성되면, 이를 Cas9 단백질과 함께 세포 내로 도입한다. Cas9 단백질은 DNA를 잘라낼 수 있는 분자 가위 역할을 한다.
DNA 서열 인식 : gRNA가 결합한 Cas9 단백질 복합체는 세포 내에서 이중 나선 DNA를 따라 움직이면서, 자신의 시퀀스와 상보적인 특정 DNA 서열을 찾아낸다. 가이드 RNA는 그 서열과 완벽하게 일치하는 부위에 결합한다.
DNA 절단 : gRNA가 특정 DNA 시퀀스와 결합하면, Cas9 단백질이 활성화되어 DNA 이중 나선을 특정 지점에서 정확하게 절단한다. 이 절단은 DNA의 수리 메커니즘을 자극하여 유전자의 기능을 변경하거나 끄는 데 사용될 수 있다.
DNA 복구 및 편집 : DNA가 절단되면, 세포는 자연적인 DNA 수리 메커니즘을 통해 절단 부위를 복구하려고 시도한다. 이 과정에서 연구자들은 DNA의 복구 과정을 이용하여 원하는 유전자 변형을 삽입하거나, 기존 유전자를 제거 또는 교체할 수 있다.
주로 두 가지 유형의 복구 경로가 있는데, 비균질성 엔드 결합(NHEJ)과 균질성 지향적 수리(HDR)이다. NHEJ은 DNA의 끝을 다시 연결하는 과정이며, 때로는 무작위적인 삽입 또는 결실을 초래할 수 있다. 반면, HDR은 도너 DNA 템플릿을 사용하여 특정 유전자 시퀀스를 정밀하게 삽입하거나 교체할 수 있게 한다.
CRISPR-Cas9의 응용
CRISPR-Cas9 시스템은 그 유연성과 정밀성으로 인해 다양한 과학적, 의학적 응용에 활용되고 있다. 유전병의 원인이 되는 돌연변이를 수정하거나, 고도로 맞춤화된 치료법을 개발하는 것에서 부터, 농업에서는 병에 강한 작물 품종을 개발하는 데까지 널리 사용된다. 또한, 기초 생물학 연구에서 유전자의 기능을 연구하는 데 있어서도 중요한 도구로 자리 잡았다.
CRISPR-Cas9 기술은 유전자 편집 분야에 혁명을 일으킨 기술로, 생명 과학 연구의 미래를 크게 변화시키고 있다. 그러나 이 기술의 사용은 윤리적, 법적 고려 사항을 수반하며, 이에 대한 지속적인 논의가 필요하다.
유전자 편집 기술의 미래 전망
유전자 편집 기술의 미래 전망은 매우 밝으며, 이 기술이 가져올 혁신은 과학, 의학, 농업, 환경 보호 등 여러 분야에 걸쳐 있다. 특히 CRISPR-Cas9과 같은 최신 유전자 편집 도구의 발전으로, 유전자 편집은 점점 더 정확하고 접근하기 쉬운 기술이 되고 있다.
유전자 편집 기술은 유전 병 치료 맞춤형 의학 농업 혁신 환경 보호와 생물 다양성 등과 같은 다양한 분야에서 많은 발전을 이룰 것으로 확신하며 중요한 역할을 할 것으로 예상된다
그러나 유전자 편집 기술의 미래 전망이 밝음에도 불구하고, 윤리적, 사회적, 법적 문제에 대한 지속적인 논의가 필요하다. 유전 정보의 프라이버시 보호, 유전자 편집된 개체의 환경 및 생태계에 대한 영향, 유전자 편집 기술의 접근성 및 분배의 공정성 등이 중요한 이슈로 남아 있다.
결론적으로, 유전자 편집 기술은 인류에게 큰 혜택을 가져다줄 잠재력을 가지고 있으나, 그 혜택을 실현하기 위해서는 과학적 진보뿐만 아니라 윤리적, 사회적 고려가 함께 이루어져야 한다.
마무리
유전자 편집 기술은 현대 과학에서 가장 흥미로운 발전 중 하나다. 이 기술은 유전 병 치료에서 농업 혁신, 환경 보호에 이르기까지 인류가 직면한 다양한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
특히 CRISPR-Cas9과 같은 혁신적인 도구의 등장은 유전자 편집의 정확성과 효율성을 크게 향상시켜, 과학자들이 이전에는 상상할 수 없었던 방식으로 생명의 코드를 다룰 수 있게 했다.
하지만 이러한 기술적 진보와 더불어, 유전자 편집 기술의 발전은 윤리적, 사회적, 법적 고려 사항을 수반한다. 유전 정보의 프라이버시, 유전자 편집된 생명체의 환경적 영향, 그리고 기술 접근성의 공정성 문제 등은 사회적 합의를 통해 해결해야 할 중요한 과제들이다.
무엇보다 중요한 것은 유전자 편집 기술의 발전과 응용이 인간과 자연에 대한 깊은 존중과 이해를 바탕으로 이루어져야 한다는 것이다. 기술의 발전이 인류에게 혜택을 가져다주려면, 과학적 질문 뿐만 아니라 윤리적, 사회적 질문에 대해서도 신중하게 고민하고 대응해야 한다.
유전자 편집 기술의 미래는 밝지만, 그 길을 어떻게 걸어갈지 결정하는 것은 우리 모두의 책임이다. 과학적 발견과 기술적 혁신이 인류와 지구에 긍정적인 영향을 미치도록 하는 것이야말로 우리 시대의 가장 중요한 과제 중 하나다.
유전자 편집 기술의 발전이 이러한 방향으로 진행될 수 있도록, 과학자, 정책 입안자, 그리고 일반 대중이 함께 노력해야 할 것이다.