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DNA 코팅 나노입자를 활용한 유전자 변형 기술이 농업의 판도를 바꿀 전망이다. 부산대학교 연구진이 오이 등 박과작물 최초로 화분(꽃가루)에 외래 유전자를 전달하는 혁신적인 기술을 개발해 유전자 변형에 성공했다. 농업 생산성 향상의 새로운 가능성을 연 것으로, 유전적 변형 과정을 간소화하고 조직배양은 거치지 않는 신품종 육종 개발도 기대된다.
부산대학교(총장 최재원)는 생명환경화학과 김유진 교수 연구팀이 나노입자를 이용해 외래 DNA를 화분에 성공적으로 전달하고, 이를 통해 식물 형질전환을 보다 직접적이고 효율적으로 이뤄낼 수 있는 방법을 제시했다고 5일 밝혔다. ※ 식물 형질전환은 식물의 유전자를 인위적으로 변형하거나 외래 유전자를 삽입해 식물의 새로운 형질을 얻는 생명공학 기술이다.
식물 세포에 유전자를 전달하는 토양 박테리아인 아그로박테리움(Agrobacterium)을 이용한 전통적인 유전자 전달 기술은 특정 식물 종에서 성공률을 제한하는 여러 장애물에 부딪히는 경우가 많다. 이에 비해 자기 나노입자를 사용하는 혁신적인 DNA 전달 방법인 마그네토펙션(Magnetofection)은 이러한 기존 접근법에 대한 유망한 대안으로 주목받고 있다.
이전의 마그네토펙션(Magnetofection)은 목화, 옥수수 등 소수의 작물에서 시도되기도 했지만, 식물마다 화분의 특성이 다르고 이전에 보고된 동일한 마그네토펙션 실험 방법을 사용했을 경우 외래 DNA가 화분으로 전달되지 않는 경우가 발생했다. 이에 따라 식물의 특성에 맞게 나노입자를 이용한 유전자 전달 방법을 최적화하는 것이 필요했다. 부산대 김유진 교수팀은 이번 연구를 통해 오이에 마그네토펙션 실험 방법을 최적화하고, 박과작물 최초로 외래 DNA를 나노입자를 사용해 화분에 전달, 보다 빠르고 효율적으로 유전자 변형 종자를 획득하는 데 성공했다. ※ 박과작물은 쌍떡잎식물로 오이, 수박, 참외, 멜론, 호박, 박 등이 속한다.
김유진 교수팀은 자석 유도 화분 유전자 전달 시스템을 이용해 오이를 유전자 변형하는 식물 생명공학 분야에서 획기적인 성과를 달성했다. 이 첨단 기법은 DNA로 코팅된 자기 나노입자를 활용해 외래 유전자를 화분에 주입함으로써 전통적인 조직 배양이나 재생 단계 없이 유전자 변형 종자를 생성한다. 이를 통해 작물의 유전적 변형 과정을 크게 간소화하고 가속화해 농업 생산성과 회복력을 향상시킬 수 있는 새로운 길이 열릴 것으로 기대된다.
이 같은 연구성과를 담은 논문 ‘Magnetofected pollen gene delivery system could generate genetically modified Cucumis sativus(마그네토펙션 화분 유전자 전달 시스템을 통해 유전자 변형 오이를 생성할 수 있다)’는 세계적인 원예 학술지 『홀티컬처 리서치(Horticulture Research)』 6월호에 게재됐다. - 논문 링크: https://doi.org/10.1093/hr/uhae179 ※ Cucumis sativus: 오이의 학명.
이번 연구는 부산대 생명환경화학과 김유진 교수가 교신저자, 박찬우 석박사과정생이 제1저자로 수행했으며, 농우바이오 최준영 연구원이 공동으로 참여했다. 부산대 실전문제연구단 과제의 지원을 받았으며, 박찬우 학생이 팀장을 맡아 논문 연구에 참여한 손예진·김도현 학생과 함께 지난 11월 26일 X-Corp 페스티벌에서 최우수상(한국연구재단 이사장상)을 수상하기도 했다.
한편, 이번 연구는 국내 최초로 국립대 교내 인증을 받은 부산대 LMO(Living modified Organism, 유전자변형생물체) 격리 포장시설에서 진행됐다.
연구를 주도한 부산대 김유진 교수는 화분 마그네토펙션이 오이에서 유전자 변형을 수행하는 데 있어 유연하고 효율적인 접근법임을 보여준다는 것을 이번 연구의 핵심 의의로 들며, “이 기술은 기존 조직 배양의 한계를 우회해 형질전환 식물을 더 빠르고 쉽게 생산할 수 있는 방법을 제공한다”고 설명했다. 김 교수는 “원하는 유전자 편집만을 통해 LMO-free 작물 제작을 위한 후속 연구를 진행 중이다. 향후 연구를 통해 이 기술의 적용 범위를 다른 주요 작물로 확장할 수 있을 것이며, 지속 가능한 농업을 위한 혁신적인 해결책을 제시할 것”이라고 말했다.
<화분 마그네토펙션(Magnetofection)의 도식적 설명도> 화분 마그네토펙션 과정을 간단히 그림으로 나타낸 것(좌)과 실험을 진행하면서 최적화한 실험내용(우)을 나타낸 것이다. 먼저 나노입자를 DNA로 코팅해 화분에 전달한다. 그리고 마그네토펙션 된 화분을 건조 과정을 통해 효율적으로 수정에 이용될 수 있도록 전처리한다. 그리고 이들을 암술머리에 직접 수정시켜 외래 유전자가 전달된 종자를 획득한다. [사진=부산대학교]
출처: [BRIC Bio통신원] 오이 꽃가루에 나노입자 이용한 유전자 전달 시스템 구축, https://www.ibric.org/s.do?tngPZfKlYa
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