일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
식물의 성장, ‘유전자 스위치’로 제어
수확 후의 유전자조작 작물에 응용

작물이 본래 가지고 있는 유전자 기능 발현을 제어하는 생명 현상 ‘에피제네틱스(Epigenetics)’를 활용해 농작물의 성장을 조절하는 연구가 추진되고 있다. 도쿄농공대학의 스즈키(鈴木) 강사 팀은 원하는 시기에 잎의 색을 바꾸는 방법 개발에 착수했다. 유전자조작 작물에 응용한다면 과일 수학 후에 잎을 하얗게 변색시켜 성장을 멈추게 해 씨 등이 밭 외부로 확산되는 것을 방지하는 등의 이용 방법이 가능하다. 2030년경에는 유전자 기능을 ‘온∙오프’ 스위치로 자유자재로 제어해 작물을 키울 수 있는 농업이 실현될지도 모른다.

“이것이 현재 개발 중의 기술로 백색화한 식물입니다”. 점박이 나팔꽃처럼 잎의 대부분이 하얀색인 담배 화분 영상을 가리키며 스즈키 강사는 설명한다. 전혀 다른 2개의 화분이지만 옆에 있는 녹색 잎의 개체와 모체는 같다. 스즈키 강사 팀은 녹색 잎을 만들기 위해 색소를 합성하는 유전자 활동을 멈추게 함으로써 백색화했다.

스즈키 강사 팀은 세포 안 DNA 배열을 바꾸지 않고 유전자의 기능을 제어하는 생명 현상 ‘에피제네틱스’를 응용했다. 우선, 색소합성유전자 기능을 방해하는 인공적 DNA 배열을 식물에 도입했다. 이 배열은 전사를 통해 핵산의 일종인 RNA 분자가 되어 세포 내를 떠돌며 색소합성유전자의 기능을 방해한다.

인공 DNA 도입 시, 인공 배열의 선두에는 DNA가 전사되는 것을 방해하는 ‘메틸기’라고 불리는 표시를 붙여둔다. 스위치가 오프 상태이기 때문에 DNA를 도입해도 식물의 잎은 그대로 녹색이다. 하지만 어떤 계기로 인해 식물 안에서 메틸기를 제거하는 반응이 일어나면 인공 배열이 전사되어 흰색 잎이 만들어지게 되는 것이다. 실험에서는 씨가 만들어질 때 종자 안에서 메틸기를 제거하는 반응이 일어나 식물 전체의 잎이 하얗게 되었다.

하얗게 된 잎은 광합성이 불가능해 시들거나 성장이 극단적으로 지연된다. 해외에서 재배 면적이 증가되는 유전자조작 작물에 이번 시스템을 도입할 경우 “밭의 외부로 작물이 확산되는 것을 막는 안전 장치 역할을 하게 될 것이다”라고 스즈키 강사는 보고 있다.

현재 유통되고 있는 유전자조작 작물에도 종자 및 화분 형성을 억제시켜 확산을 예방하는 것은 있지만 열매를 수확하고 싶은 경우에는 이 시스템을 이용할 수 없다. “확산 방지 대책은 충분이 이뤄지지 않고 있다”(스즈키 강사)라는 것이 현실이다.

하지만 개발 중인 새로운 방법으로는 아직 ‘열매가 열린 직후’, ‘꽃이 피기 전’ 등 원하는 시점에 인공 배열을 기능하도록 하는 것은 어렵다. 식물 세포가 메틸기를 제거하는 시스템에 명확하지 않은 점이 많기 때문이다. 스즈키 강사는 “시스템 해명과 병행해 기술 확립을 목표로 하고 싶다”라고 말한다.

향후, 타이밍을 자유자재로 제어할 수 있게 된다면 야채와 과일 등의 품종 보호에도 이용될 가능성이 있다. 예를 들어 삽목으로 키운 식물의 잎을 하얗게 되도록 설계한다면, 특정 국가나 지역에서만 재배되는 품종이 삽목을 통해 무단으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.

연구팀은 앞으로 우선 실험 식물인 담배를 이용해 5~6년 안에 기술을 실현할 계획이다.

-- 실용화에 대한 논의 필요 --
에피제네틱스는 식물뿐만 아니라 동물 등 다양한 생물 내에서 일어나는 현상이다. 식물의 에피제네틱스 연구는 1990년대부터 활발히 추진되었다. 예를 들어 1993년에는 호주의 연구팀이 통상적으로는 겨울의 추위를 거치지 않으면 꽃이 피지 않는 식물을 대상으로 메틸기를 약물로 제거해 기온에 관계 없이 꽃을 피우는 것에 성공했다. 이후, 곡물과 과일, 야채 등의 작물 재배에 활용할 가능성이 있을 것으로 보고 연구가 추진되고 있다.

식물은 본래 고온이나 건조 등의 나쁜 환경에 견딜 수 있는 유전자를 가지고 있다. 그 중에는 보통 때는 스위치가 오프 상태로 있다가, 환경이 달라질 때에만 기능하는 것이 있다. 이러한 에피제네틱스의 원리가 앞으로 밝혀지게 된다면 건조에 강한 작물 등, 다양한 성질의 새로운 품종을 개발할 때 유익한 정보가 될 것이다.

또한 식물이 가진 에피제네틱스 시스템을 개량해 더워지기 전에 약물 등의 자극을 주어 유전자 스위치를 켤 수도 있을 것이다. 이와 같은 기술을 작물에 도입한다면 급격한 기후 변화를 이겨낼 수 있도록 하는 등 고도의 농업이 실현될 수 있을 것이다. 하지만 이러한 품종 개발에는 유전자조작이 동반되는 경우가 많다. 실용화에는 환경에 대한 영향과 안전성, 경제성 등 다양한 시점에서 깊이 있는 논의가 추진되어야 할 것이다.

▶ 식물의 에피제네틱스 응용 연구의 동향
- 1993년: 호주 팀이 에피제네틱스 조작으로 식물의 성장이 크게 변화하는 것을 발견.
- 2000년대: 실험 식물인 애기장대를 중심으로 식물의 에피제네틱스 연구가 진행됨.
- 2008년: 나라(奈良)첨단과학기술대학원대학 등의 팀이 식물에 도입한 유전자 기능을 온∙오프로 전환하는 것에 성공.
- 2019년: 에피제네틱스를 응용해 잎을 백색화하는 것에 성공.
- 2025년경: 담배 등의 실험 식물로 요소 기술이 실현된다.
- 2030년경: 실제의 작물로 에피제네틱스를 통해 성장의 제어가 가능해진다.

 -- 끝 --