김재연 교수팀, 작물 육종의 게임 체인저 ‘초고효율 프라임 에디터’ 개발

▸기존 기술 대비 최대 8.9배 효율 향상…유전자 교정 효율 최대 87.5% 달성

▸국내 특허 2건 및 국제특허 출원 완료…글로벌 종자 기업과 협력 기대

▸“차세대 작물 육종 기술의 상용화를 앞당길 획기적인 성과”로 평가

경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 작물유전체교정연구실(김재연 교수팀)과 그린바이오 벤처기업 ㈜눌라바이오가 공동연구를 통해 쌍떡잎식물의 유전자를 기존 대비 획기적인 효율로 교정할 수 있는 ‘초고효율 프라임 에디팅(Ultra-efficient Prime Editing, 이하 UtPE)’ 기술 개발에 성공했다. 프라임 에디팅 기술은 유전자 이중나선 절단 없이 DNA 염기서열을 원하는 형태로 자유자재로 삽입, 삭제, 치환할 수 있는 차세대 초정밀 유전자 가위 기술이다. 

이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 《네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)》에 게재됐으며, 차세대 작물 육종 기술의 상용화를 앞당길 획기적인 성과로 평가받고 있다. 이번 연구는 한국연구재단과 중소기업기술정보진흥원(TIPA) 등의 지원을 받아 수행됐다.

‘가능성’을 넘어 ‘확실성’으로…기존 한계 극복

연구팀은 지난해 9월 《네이처 플랜츠(Nature Plants)》에 쌍떡잎식물에서 프라임 에디팅의 적용 가능성을 세계 최초로 입증하며 학계의 주목을 받은 바 있다. 그러나 당시 기술은 일부 유전자 위치에서 교정 효율이 낮거나 작동하지 않는 ‘위치 의존성(locus-dependence)’의 한계가 있었다.

이번에 개발한 UtPE 시스템은 이러한 한계를 극복했다. 연구팀은 최신 4세대 유전자 가위 기술인 프라임 에디터(PE)에 ▲진화된 PE6 단백질 변이체 ▲RNA 샤페론(Nucleocapsid) ▲구조가 개선된 가이드 RNA(aepegRNA) ▲제미니바이러스 레플리콘 시스템을 결합하여 최적의 ‘유전자 교정 칵테일’을 완성했다.

세계 최고 수준의 효율 달성…교정 효율 최대 87.5%

UtPE 기술은 토마토 등 쌍떡잎식물에서 기존에 김재연 교수 연구팀이 개발한 세계 최고 수준의 프라임 에디팅 기술(PE2max) 대비 최소 3.4배에서 최대 8.9배 높은 교정 효율을 보였다. 특히, 기존 기술로는 접근이 불가능했던 유전자 위치에서도 고효율 교정에 성공하며 ‘위치 독립적(locus-independent)’ 기술임을 입증했다. 실제 식물체(T0) 재분화 과정에서 최대 87.5%라는 경이적인 유전자 교정 효율을 기록했으며, 다중 유전자 교정(Multiplexing) 능력 또한 입증했다. 

연구팀은 개발된 UtPE 시스템을 활용해 대규모 필드 재배가 필수적인 세계 가공용 토마토 시장의 최대 난제인 잡초 방제를 해결하기 위해 글리포세이트(Glyphosate) 제초제 저항성을 확보함과 동시에, 기계 수확 시 과실 손실을 최소화하는 ‘조인트리스(Jointless, 마디 없음)’ 변이를 성공적으로 도입했다. 이런 정밀육종은 인건비 상승으로 인해 기계화가 필수적인 글로벌 가공용 토마토 산업에서, 제초제 처리를 통한 대단위 관리와 기계 장비를 이용한 일괄 수확을 동시에 가능케 함으로써 농업 생산성을 비약적으로 높일 것으로 평가받고 있다.

연구팀은 베트남 연구팀과 협력하여 UtPE가 쌍떡잎식물뿐만 아니라 외떡잎식물인 벼에서도 매우 잘 작동한다고 밝혔다.

산학협력의 쾌거…글로벌 기술이전 기대감 고조

이번 성과는 대학의 기초 연구 역량과 ㈜눌라바이오의 상용화 기술력이 결합된 산학협력의 모범 사례로 평가받고 있다.

연구팀은 UtPE 기술에 대해 이미 2건의 국내 특허 출원과 2건의 국제특허(PCT) 출원을 마쳤으며, 현재 미국 등 해외 개별국 진입을 준비 중이다. 이러한 독보적인 기술력을 바탕으로 현재 해외 글로벌 종자 기업과 협력을 진행 중이다.

연구를 주도한 생명과학부 김재연 교수(㈜눌라바이오 대표)는 “지난해 발표한 기술이 쌍떡잎식물 유전자 교정의 ‘문’을 열었다면, 이번 UtPE 기술은 그 문을 활짝 열어젖히고 상용화의 고속도로를 깐 것”이라며, “세계적 기업들이 주목하는 이 초고효율 기술을 바탕으로 콩과 같은 글로벌 작물의 고부가 종자를 개발하여 해외 기술 수출을 본격화하겠다.”라고 강조했다.

용어 설명

ㅇ 프라임 에디팅(Prime Editing): 유전자 이중나선 절단 없이 DNA 염기서열을 자유자재로 삽입, 삭제, 치환할 수 있는 차세대 초정밀 유전자 가위 기술. ‘유전자 워드프로세서’로 불린다.

ㅇ UtPE(Ultra-efficient Prime Editing): 경상국립대학교와 ㈜눌라바이오가 독자적으로 개발한 초고효율 프라임 에디팅 시스템. 기존 기술의 낮은 효율과 위치 제약을 극복한 개량형 플랫폼이다.

ㅇ 위치 의존성(Locus-dependence): 유전자의 특정 위치에서는 유전자 가위가 잘 작동하지 않는 현상. UtPE는 이를 극복하여 유전체 내 대부분의 위치에서 고효율 교정이 가능하다.

ㅇ 사진 설명

(그림 1) UtPE 기술의 모식도: 진화된 UtPE6 시스템 및 변이체 단백질- UtPE 시스템은 UtPE용 변이체 단백질 외 RNA 샤페론, 그리고 바이러스 레플리콘과 결합된 고발현 시스템이 결합되어 식물 세포 내에서 고효율로 유전자를 교정하는 정밀육종 유전자가위 도구임.

(그림 2) UtPE로 개발된 신품종 토마토: (좌)유전자 교정을 통해 꼭지가 자연스럽게 떨어지는 특성(Jointless)이 구현된 토마토로 기계 수확에 필요한 특성임. (우)제초제 저항성 토마토로 역시 가공용 토마토 노지 재배에 필요한 작물 형질임.

(사진 1) 연구진 사진: 교신저자 경상국립대학교 김재연 교수와 부반티엔(Vu Van Tien) 연구교수

ㅇ 내용 문의: 경상국립대학교 생명과학부 김재연 교수 055-772-1361