▲ 경상국립대학교 김재연 교수

[뉴스노크=김인호 기자] 경상국립대학교 생명과학부/식물생명공학연구소 김재연 교수((주)눌라바이오 대표) 연구팀은 작물 유전자 교정의 차세대 핵심 기술인 ‘식물 정밀 DNA 삽입(Precise DNA Insertion)’ 기술의 현황과 미래 발전 전략을 체계적으로 정리한 총설 논문이 국제 학술지인 《네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)》에 게재됐다고 밝혔다.

이번 논문의 교신저자인 김재연 교수와 연구팀의 부반티엔 연구교수는 3세대 유전자 가위(CRISPR-Cas9)를 넘어선 차세대 기술인 ‘프라임 에디팅(Prime Editing)’과 ‘유전자 타기팅(Gene Targeting)’ 분야에서 지속적인 연구 성과를 발표해 왔다. 연구팀은 최근 쌍떡잎식물에서의 고효율 프라임 에디팅 최적화 기술을 개발하여 《네이처 플랜트(Nature Plants)》(2024)에 발표하는 등 핵심 원천 기술과 연구역량을 입증한 바 있다.

▣ “무작위 삽입(GMO)에서 초정밀 교정으로” 기술의 대전환 분석

기존의 유전자 변형 작물(GMO) 개발 방식은 외부 유전자를 식물 게놈(Genome)의 무작위 위치에 삽입하는 방식이었다. 이는 유전자가 어디에 들어갈지 예측할 수 없어 원치 않는 부작용을 초래하거나, 안전성 우려로 인해 복잡한 규제 심사를 거쳐야 하는 한계가 있었다.

김재연 교수팀은 이번 논문 ‘식물에서의 정밀 DNA 삽입 기술의 진화(The evolving landscape of precise DNA insertion in plants)’에서, 이러한 무작위성을 극복하고 원하는 위치에 원하는 유전정보를 정확히 써넣는 ‘정밀 DNA 삽입’ 기술의 흐름을 체계적으로 분석했다.

논문은 ▲CRISPR-Cas 기반의 상동 재조합(GT) 및 비상동 말단 연결(NHEJ) 방식 ▲프라임 에디팅을 이용한 미세 교정 ▲최근 학계의 주목을 받는 대용량 유전자 삽입 기술인 ‘PrimeRoot’ 및 ‘PCE(Programmable Chromosome Engineering)’ 기술 ▲트랜스포존(Transposase) 활용 기술(TATSI) 등을 총망라하여 각 기술의 장단점과 적용 분야를 상세히 비교 분석했다.

▣ 유전자 교정 분야 전문가의 제언…‘정밀 DNA 삽입’이 여는 농업의 미래

이 논문이 학계의 주목을 받는 이유는 유전자 교정 분야 전문가인 김재연 교수팀이 기존 기술의 한계를 분석하고 이를 극복할 실질적 해법을 제시했기 때문이다.

연구팀은 현재 기술들이 가진 한계, 즉 대형 DNA 조각 삽입의 효율성 문제와 식물 전달 시스템의 장벽을 지적하며, 이를 극복하기 위한 구체적인 전략을 제안했다.

특히, 김재연 교수팀은 ▲내재적 단백질의 기능을 연구하기 위한 위치 추적(In-locus tagging) ▲유전자 발현을 정교하게 조절하는 조절 부위(Promoter/Enhancer) 교정 ▲질병 저항성 및 고기능성 유전자의 안정적 삽입 등 정밀 육종 기술이 가져올 농업의 변화를 구체적인 사례와 함께 제시했다.

▣ “규제 장벽 넘어 실용화로 가는 길잡이 될 것”

논문은 기술적 분석에 그치지 않고, 상용화를 위한 과제도 심도 있게 다뤘다.

연구팀은 전 세계적으로 상이한 GMO 및 유전자 교정 작물(NGT) 규제 현황을 분석하며, 과학적 정밀성에 기반한 규제 완화의 필요성과 함께 인공지능(AI) 기반의 효소 개량 등 미래 연구 방향을 제시했다.

김재연 교수는 “유전자 가위 기술은 단순한 ‘절단(Cutting)’을 넘어 이제 새로운 유전 정보를 정밀하게 ‘쓰는(Writing)’ 단계로 진화했다.”며 “이번 리뷰 논문은 전 세계 연구자들에게 다양한 정밀 삽입 기술 중 연구 목적에 맞는 최적의 도구를 선택하고 적용하는 데 명확한 가이드라인(Roadmap)이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행했으며, 김재연 교수는 교원창업기업인 ㈜눌라바이오를 통해 이러한 첨단 유전자 교정 기술의 상용화와 작물 개발에 앞장서고 있다.

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