유전자재조합기술 유전자재조합 과정 및 원리와 장단점 알아보기

과학 기술의 새로운 미래를 열 수 있는 유전자 재조합 기술, 유전자 재조합의 단어적 정의는 부모로부터 물려받은 유전자상에 새로운 유전자조각(DNA 절편)이 이식되는 과정을 의미합니다. 어떤 원리와 과정 속에서 유전자를 재조합하여 이식을 할 수 있는지 알아보겠습니다.

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앞서 유전자가위가 꼭 필요한이유는?(클릭)

1. 유전자 재조합 기술이란?

유전자 재조합

앞서 말했듯이 유전자 재조합의 단어적 정의는 부모로부터 물려받은 유전자상에 새로운 유전자조각(DNA 절편)이 이식되는 과정을 의미하며, 유전자의 발현 과정에서 원래는 존재하지 않았던 이식된 유전자조각(DNA 절편)이 발현되게 됩니다. 유전공학 및 산업생물분야에서는 유전자 재조합기술을 응용하여 다양한 종류의 물질을 생산하는데, 특정 세포의 유전자를 분리하여 재조합하고, 재조합된 유전자를 숙주세포에 이식하여 형질전환시킨 후, 재조합된 유전조합하여 만든 DNA를 재조합 DNA (DNA recombinant)라 하며, 이러한 유전자 재조합 기술을 사용하여 목적하는 물질을 생산하는 기술이 산업적으로 광범위하게 적용되고 있습니다.

재조합을 위한 DNA 수송체(Vector)

특정 세포로부터 분리된 DNA 조각을 숙주세포 내로 도입시키는 과정에서 운반하는 역할을 하는 DNA를 수송체(vector)라 하며, vector로 사용하려면 몇 가지 조건이 갖추어져 있어야 합니다. Vector 자체의 복제 개시점이 있어서 자가 복제가 가능해야 하며, 숙주세포 내로 형질이 도입이 가능하도록 충분히 크기가 작아야 하고, 형질 도입된 세포를 선택하는데 인식되기 위한 유전자 표지가 있어야 합니다. 일반적으로 제한효소(restriction enzyme)를 사용하여 특정 위치를 절단하여 사용합니다. plasmid, bacteriophage, cosmid 등을 자주 DNA Vector로 사용합니다. 가장 많이 알려진 pBR322는 대표적인 plasmid로, p는 plasmid, BR은 이 vertor를 제조한 F, Boliver와 R. Rodrigueg의 약자이며, 번호 322는 연구자들에 의해 지정되며 명명되었습니다. Vector의 이름은 제조자의 이름, 연구소에서 신청하여 명명될 수 있습니다. 기능에 따라 다양한 종류의 수송체가 사용되고 있는데, 잘 알려져 있듯이 bacteriophage는 바이러스이며, cosmid는 virus와 plasmid의 혼성체(hybrid)로 제조되어 유전공학분야의 실험실에서 다양하게 사용되고 있습니다.

2. 원리 및 과정 이해

유전자 재조합 과정

분리된 유전자 조각을 공여 DNA라 하며, 절단된 말단 부위에 vector DNA와 결합됩니다. 두 개의 DNA 말단은 염기서열이 서로 상보적인 관계에서(complimentary), DNA ligase에 의해 phosphordiester bond가 형성되면서 결합됩니다. 절단된 plasmid DNA들이 서로 결합되지 않도록 phosphatase로 처리하여 공여 DNA의 5'- phosphate와 plasmid의 3'-OH사이에 연결되게 하면, 한쪽 DNA가닥에 nick이 생성되는데, 이는 DNA회복 과정에서 채워지게 됩니다.

유전자 재조합 숙주(Host cell)

재조합 유전자를 받아들이고, 발현하는 세포를 숙주세포(host cell)라 하며, 세포의 유전체와 발현 기작 등이 잘 밝혀져 있는 세포들이 자주 사용됩니다. 이러한 조건을 모두 갖춘 Escherichia coli가 숙주세포로 자주 사용되는데, 그람 음성균이므로 외박의 내독소(endotoxin), 세포질 내 높은 단백질분해효소의 활성등 재조합 유전자 산물 생산에 적용하려면 이러한 문제점들이 기술적으로 극복되어야 합니다. bacillus subtilis는 그람양성균으로, E. coli에 있는 문제점들은 없으나 제한효소의 활성이 높으므로 재조합 유전자의 안정성을 낮추어 발현율이 낮추는 경향이 있습니다. 이러한 문제점들로, 인하여, 진핵세포이며 독성이 전혀 없는 Saccharomyces cerevisiae를 유전자 재조합의 숙주세포로 사용하는 연구가 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 성공률이 높아지면서 산업적으로 많이 사용되고 있습니다.

형질 전환(Genetic Transformation)

공여 유전자의 삽입을 통해 유전자 재조합된 균주를 형질전환균주(transformant)라 하며, 실험적으로 많은 균주들 사이에서 유전자 재조합 표지를 통해 찾고 확인하는 과정을 거쳐야 합니다. 예를 들면, E. coli의 총유전체의 크기는 4,000 kb인데, 20 kb 크기의 DNA를 클로닝 한다면 최소한 900개 이상의 형질전환균주를 검색해야 원하는 균주를 얻을 수 있습니다. 재조합된 유전자가 발현되어 나타나는 표현형(phenotype)을 기본으로 형질전환 균주를 선별하고, 또한 원하는 유전자 조각에 표지유전자(reporter gene)를 부착하여 발현을 확인하기도 합니다.

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3. 장단점 및 이슈

장점

1. 유용한 특성 전달 : 유전자 재조합은 원하는 특성을 다른 종 또는 유전자 소스로부터 전달할 수 있습니다. 이를 통해 더 좋은 품질이나 생산성을 갖는 식물, 동물, 미생물을 개발할 수 있습니다. 예를 들어, 고영양성 농작물, 해중 저항성 식물 등을 만들 수 있습니다.
2. 유전 질환 치료 : 유전자 재조합 기술은 유전질환 치료에 사용될 수 있으며, 특히 유전자 치료에 활용됩니다. 이를 통해 유전적 질병을 예방하거나 치료할 수 있는 가능성이 열립니다.
3. 산업 및 생산 향상 : 생물학적 재조작은 생산 및 산업 프로세스의 향상에 도움이 됩니다. 생산, 환경 정화, 바이오플라스틱 생산과 같은 분야에서 장점을 제공합니다.

단점

1. 윤리적 문제 : 유전자 재조합은 윤리적 문제를 제기합니다. 인간 유전자 조작은 윤리적 논란을 일으키며, 무분별한 유전자 조작이 환경이나 인간 건강에 어떤 영향을 미칠지에 대한 우려도 있습니다.
2. 생태학적 위협 : 유전자 조작된 생물체를 환경에 소개할 때, 그 생물체가 지역 생태계에 어떻게 영향을 미칠지 예측하기 어려울 수 있습니다. 생태학적 균형을 교란시키거나 야생 생물에 영향을 미칠 우려가 있습니다.
3. 유전 다양성 감소 : 유전자 재조합은 특정 특성을 강화하는 데 집중되기 쉬우며, 이로 인해 유전자 다양성 감소와 유전자 풀의 축소가 발생할 수 있습니다. 이는 향후 유전 다양성을 위협할 수 있습니다.
4. 건강 리스크 : 일부 사람들은 유전자 재조합 농작물 또는 식품을 섭취하는 것이 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다고 우려합니다. 하지만 현재까지 수많은 연구에서 유전자 재조합 식품의 안전성이 입증되었습니다.

※요약

유전자 재조합은 다양한 분야에서 혁신적인 가능성을 제공하지만, 동시에 윤리, 환경, 건강 등 다양한 관련 문제와 우려 사항을 동반합니다. 따라서 유전자 재조합 기술의 사용은 신중한 검토와 규제가 향후 기술 발전을 위해 더욱 세심하게 필요할 것 같습니다.

GMO란?

GMO는 유전자변형식품(유전자 재조합식품)을 뜻하는 말로, Genetically Modified Organism(GMO)의 약칭입니다. 어떤 생물체가 포함하고 있는 유전자 중에 우월한 것만을 추출하여 다른 생물에게 삽입하고 유용한 쪽으로 변형시키는 방법을 얘기합니다. 즉, 유전공학기술을 사용하여 병충해에 강하거나 속도가 빨라 수확량을 증가시키는 등의 목적을 갖도록 유전자를 재조합시킨 농산물을 뜻합니다. 생명공학 분야에서는 유전자 이식 생물(Transgenic Organism)이라고도 칭합니다.

세계는 '규제 완화' 추세

미국 : 2019년 고올레인산 콩을 사용화하며 감자를 굽고 튀길 때 발생하는 발암물질 아크릴아 마이트를 중인 감자를 개발하는 등 바이오기업과의 제휴를 통해 유전자 교정작물 개발에 주력하고 있음.

중국 : '유전자교정 작물시험 규칙'을 발표하고 환경이나 식품 안전성에 문제가 없다고 판단될 시 규제를 완화하고 있음

영국 : 유전자 기술법(Genetic Technology Act)이 통과되며 전통·자연적 육종 과정과 유사한 기술에 대해 유전자 변형생물체(GMO) , 규제에서 면제하고 있다.

일본 : 실제 섭취 가능한 최초의 유전자 교정작물 상용화로 글로벌 종자시장에서 큰 주목을 받고 있습니다. 2020년 혈압 상승을 억제하는 신경전달물질 가바(GABA)가 강화된 유전자 교정 토마토를 개발해 2021년 세계 최초로 시장에 선보였다.

# 기술보다 산물 안정성에 초점 맞춰야

결국 세부 사항은 다르지만 많은 국가들이 유전자 교정작물의 산물이 전통 육종이나 자연 상태 돌연변이 수준을 벗어나지 않는 선에서 규제를 대폭 완화하고 있습니다. 기술 자체의 문제를 따지기보다 산물의 안전성을 중요하게 판단한 결과이기도 합니다.

유전자 재조합은 생물학과 유전학의 분야에서 중요한 역할을 하는 기술 중 하나입니다. 이 기술은 DNA의 구조와 기능을 이해하고, 유전자를 수정하거나 재배치하는 것을 가능하게 합니다. 물론, 유전자 재조합 기술은 윤리적 및 안전 문제를 동반하며 신중한 사용이 필요하겠지만 미래에는 이러한 도전과 관련된 논란과 규제가 계속 발전할 것으로 저는 예상합니다.