시험&논문용 <우주 유전자 실험실> 유전자 가위 개요, CRISPR, 우주 유전자 가위 실험

우주 유전자 실험실을 이해하기 위해 유전자 가위의 개요를 살펴보고 3세대 유전자 가위인 크리스토퍼 캐스나인(CRISPR)의 내용과  이를 이용한 우주에서의 유전자 실험의 과정과 결과를 알아본다.

 

우주 유전자 실험실에서 유전자 가위 개요

유전자 가위는 생명체가 가지고 있는 DNA 절단 기능을 가진 도구를 표현하는 용어입니다. DNA의 특정 부위를 인식해 이중 가닥으로 만든 DNA를 잘라내는 분자생물학적 도구를 말합니다. 핵산 분해 효소도 DNA 절단 기능이 있지만 유전자 가위는 특정 부위를 인식할 수 있다는 점에서 차별화됩니다. 특정 DNA 부위를 정확하게 인식할 수 있는 유전자 교정 도구에는 3가지 가 있습니다. 1세대는 징크핑거 뉴클레이즈이고 2세대는 탈렌 그리고 3세대는 크리스토퍼 캐스나인입니다.  유전공학의 서막을 열었던  제한효소의 작용도 유전자 가위 기술의 일종입니다. 그러나 4~8개의 염기서열을 인식하는 이 기술은 각 게놈을 너무 많이 인식하고 잘라내기 때문에 정밀한 게놈 수정 도구로는 부족합니다. 유전자 가위의 기본 작동 원리는 특정 표적 위치에서 DNA를 정밀하게 절단하는 것에서 시작됩니다. 이 절단 작용에 의해 DNA 이중 가닥이 절단되면 세포는 절단된 DNA를 복구하고, 이 복구 과정에서 다양한 유전자 변이가 발생합니다. 이 변이는 하나 이상의 염기를 삭제하거나 삽입하는 형태로 도입됩니다. DNA의 이중 가닥의 수복 공정은 크게 서열 균질 재조합 또는 비균질 말단 접합을 통해 이루어지며, 특히 비균질 말단 접합 방법은 추가적인 균질 DNA 단편을 필요로 하지 않으며, 수복 공정 중에 높은 돌연변이를 발생시키는 것으로 알려져 있습니다. 유전자 가위로 잘라낸 DNA는 상동 재조합이나 비지배적 말단 결합을 통해 변형되며, 이 과정에서 유전자 변이가 발생합니다. 

 

크리스토퍼 캐스나인(CRISPR)

유전자 가위는 유전자 편집이나 유전자 교정에 가장 중요한 역할을 합니다. 유전자 가위의 정확성과 효율성 측면에서 3세대 유전자 가위인 CRISPR 시스템은 지금까지 가장 정확하고 효율적인 도구로 식물, 동물, 인간 등 모든 생명체의 유전자 편집과 조절에 활용할 수 있습니다. 유전자 발현 조절, RNA 편집, DNA 메틸화 조절 등 무한한 확장성은 물론 기능 상실을 유도하거나 명확한 녹아웃을 만들어 새로운 유전자의 기능을 확인하는 연구도 가능합니다.  3세대인 크리스토퍼 유전자 가위는 유전자를 잘라내고 새로 바꾸는데 최장 수년씩 걸리던 것을 며칠로 줄일 수 있으며 여러 군데의 유전자를 동시에 바꿀 수도 있어 유전자 질환 등을 치료할 대안으로 주목받고 있습니다. 하지만 맞춤형 아기 출산과 같은 윤리문제 때문에 우려를 제기하는 사람들도 일부 있습니다.

우주 유전자 가위 실험 

미국항공우주국(NASA)의 우주비행사가 국제우주정거장에서 중요한 실험을 하였습니다. 유전자 가위 기술을 이용해 지구에서 가져간 일반 효모 DNA가 어떻게 스스로 손상 부위를 회복하는지를 관찰한 우주 속 유전자 실험이었습니다. 당초 계획대로라면 연구진은 유전자 가위 기술을 통해 우주정거장에 있는 두 가닥의 DNA를 상당한 수준으로 잘라낼 수 있었습니다. 절단된 DNA 가닥이 어떻게 원래 상태로 회복되는지를 관찰할 수 있는 방법도 발견할 수 있었습니다. 만약 우주비행사들이 지구 자기권의 보호 경계를 넘어 우주를 여행한다면, 이온화된 방사선으로 인한 DNA 손상의 위험이 증가합니다. DNA 이중 가닥을 부러뜨리는 이 손상은 암과 같은 불치병을 일으킬 수 있고 더 나아가 우주비행사의 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 우주정거장에서 장시간 우주에 머물 경우 안전을 해칠 우려가 있어 우주여행객들이 긴장했습니다. 이런 분위기 속에서 NASA 연구원들은 유전자 가위(CRISPR) 기술을 우주 정거장 안에 적용하기 위해 모험적인 실험을 하고 있었습니다. 우주정거장 내부에서 유전자 조작이 가능한지, 나아가 우주여행 중 손상된 DNA가 어떻게 회복되고 있는지를 관찰하기 위한 실험입니다. 우주에서 유전자 편집과 같은 실험이 가능한지, 나아가 우주 실험실을 운영할 수 있는지가 문제였습니다.  게다가, 우주에서 CRISPR과 같은 극도로 미세한 실험을 수행하는 것은 다른 실험에 비해 매우 섬세한 준비를 필요로 했습니다. 다양한 중력 조건에서 우주의 조건에 맞게 실험을 할 수 있도록 물질뿐만 아니라 실험 환경을 조성해야 했습니다. 이를 위해 연구원들은 가장 안전한 재료를 사용하면서도 가장 안정적으로 연구를 수행할 수 있는 맞춤형 키트를 만들었습니다. ISS 유전자 검사 키트를 개발한 것입니다. DNA는 일반 효모에서 손상되었습니다. 이 DNA들은 양쪽 가닥에서 절단되어 상당한 손상을 입었습니다. 이 효모들을 실험 키트에 넣은 후, 연구원들은 자신을 회복하는 방법의 과정을 관찰했습니다. 우주 실험실에서 DNA 염기서열을 분석하고 있습니다. 지구에서 DNA가 손상되면, 손상된 부분을 복구하기 위해 염기를 재조합할 수 있습니다. 연구자들의 의도는 우주 정거장 내에서 효모 DNA가 지구에서와 같이 유전자 가위로 조작될 수 있는지, 나아가, 손상된 DNA가 우주 정거장 내의 손상된 부분을 어떻게 치유하는지를 관찰하는 것이었습니다. 첫 CRISPR 돌연변이 유발 실험에서 유전자 가위로 절단한 DNA의 양쪽 가닥을 모두 가진 효모 유전자가 지구에서와 마찬가지로 돌연변이를 일으키는 것을 확인할 수 있었습니다. 지구상의 생명체는 부서진 DNA 가닥을 복구하기 위해 두 가지 메커니즘을 적용합니다. 하나는 유전자 교환을 통해 원상태를 회복하는 상동 재조합(HR)이고, 다른 하나는 뉴클레오티드를 무작위로 삽입해 끊어진 가닥을 복구하는 비동력단결합(NHEJ)입니다. 현재, 연구원들은 우주 정거장의 손상된 DNA가 지구에서와 비슷한 방법을 사용하는지를 비교하기 위해 유전자 서열을 분석하고 있습니다. 이 연구 과정은 국제 학술지 PLOS ONE에 발표되었습니다. 유전자 가위 실험을 통해 유전자 치료를 향한 연구가 계속될 것입니다.