오태광의 바이오 산책 <72> 유전자가위 기술로 인류 식량문제 해결 (Geneme Editing Technology for Food Settlement) > News Insight

 국제사회는 UN의 지속가능개발 목표(Sustainable Development Goals)중 하나가 전 세계적으로 기아와 영양불량 종식하려고 노력하고 있다. 하지만, “2022 세계 식량안보 및 영양현황(SOFI)”보고서에 의하면 2021년 세계는 기아로 고통을 받는 인구가 8억 2,800만 명으로 증가하고 있고, 특히 2020년 이후 4,600만 명이, 코로나 팬데믹(Pandemic)이후 1억 5,000만 명이 증가하였다. 기아인구 비율도 2015년까지 큰 변화가 없었는데, 2019년에 세계 인구의 8%, 2020년에는 9.3%로 급증하기 시작하여, 2021년에는 9.8%로 급증하였다. 애초 세계는 2030년까지 식량문제 해결로 기아 및 영양불량 종식을 목표로 했는데, 목표 달성은 어렵고, 점차 악화되고 있다.

식량문제는 산업화와 도시화로 농경지가 감소하고 기후변화로 식량 생산량은 감소하는데 비해, 반대로 세계 인구는 계속 증가하고 있어서 앞으로 기아와 영양불량 문제는 계속될 가능성이 크다. 주요 식량자원 생산량 증가하기 위해서는 경지 면적 확장과 단위면적당 생산량 증가가 절실히 필요하다. 경지 면적을 늘리는 방안으로 스마트 팜에서는 다층(보통 5~7층) 재배로 같은 면적의 5∽7배 경지 면적을 높이는 방법 등 다양한 연구/개발하여 실용화하고 있다. 또한, 단위면적당 생산량을 높이는 방안으로 전통적인 육종기술(Conventional Breeding Techniques)이나 유전자 변형(Genetically Modified Organism, GMO) 기술을 사용하고 있다. 인공수분과 같은 전통적인 육종기술은 시간과 비용이 많이 들고 무작위로 유전자 변화가 일어나서 효율성이 떨어진 데 비해, 우수 외래 유전자를 교환하는 유전자 조작 기술은 비교적 짧은 시간에 효율과 경제성은 아주 높아서 급증하는 인구를 기아와 영양불량으로부터 해방하는 방안으로 사용하고 있다. 하지만, 외래 유전자를 사용하기 때문에 유전자 변이와 같은 부작용이 발생할 수도 있고, 세대를 거쳐 부작용이 지속될 수도 있을 뿐 만 아니라, 아직, 안정성과 생태계 교란하는 종(種)출현 가능성에 있어서 큰 우려가 되고 있다. 

이런 시점에 2015년 저명 학술전문지 “사이언스(Science)”는 올해의 획기적 연구(Breakthrough of the Year)로 제3세대 유전자가위 기술인 크리스퍼(CRISPR-Cas9)를 선정하였다. 제3세대 유전자가위 기술은 정밀하게 유전자제거, 첨가, 수정하는 기술로 전통 육종이나 유전자 변형 기술보다 월등하게 빠르고 정확하면, 유전자 조작 기술과 달리 외래 유전자의 삽입 없이도 자체 유전자내에서 특정 유전 형질을 제거하거나 수정할 수 있는 장점이 있다. 유전자 가위기술의 발전은 더 빠른 속도와 적은 비용으로 동식물 식품소재를 높은 수율로 생산할 수도 있어서 기아문제를 해결할 수 있고, 이울러 더 영양가와 소화율이 높은 고기능의 식품소재로 영양불량 문제를 해결할 수 있는 열쇄가 될 것으로 기대하고 있다. 

 세계 최초로 2016년 4월에 제3세대 유전자가위 기술로 양송이버섯 가공 중 갈변(褐變) 원인인을 제거한 양송이버섯을 만들어서, 가공 중 갈변하지 않는 고품질의 양송이버섯을 만들었다. 미국 농무부(USDA)에서 GMO(유전자변형 종) 정의가 유전자 조작으로 외래 유전자를 삽입한 작물로 정의하는데, 유전자가위 기술로 외래 유전자 삽입과는 전혀 연관이 없이 단지 Peroxidase라는 효소 유전자를 제거하여서 GMO가 아니라는 판정(Non-GMO)을 하였다. 물론, 유전자가위 기술은 자체 유전자중 불필요한 유전자를 제거하거나 외래 유전자를 도입하지 않고 자체 유전자를 사용하기 때문에, Non-GMO라는 논의는 아직 끝나지 않았다. 

하지만, 미국을 비롯한 영국, 일본, 중국, 러시아, 캐나다 등은 이미 유전자가위로 교정된 동식물을 Non-GMO로 인정하고 있다. 유전자가위로 유전자 편집(또는, 유전자 교정)된 작물(GEC, Gene-Edited Crop. or Genome-Edited Crop)에 대한 GMO 규제체제 혁신은 2020년부터 일어나 2022년 초에 빠르게 진행되어서 <그림 1>에 보는 바와 같이 많은 국가가 외래 유전자가 도입되지 않고 제거 또는 교정된 작물은 Non-GMO로 간주하거나 GMO 규제 면제로 전환하고 있다. 하지만, 아직 EU를 중심을 한 국가들은 유전자 편집된 작물을 엄격하게 GMO 규제를 적용하고 있다. 더욱, 제3세대 유전자가위 기술인 CRISPR-Cas9을 개발한 공로로 2020년 노벨 화학상을 받으면서, 여러 국가에서 유전자가위로 유전자 교정한 생명체를 GMO 규제​대상에서 빠르게 제외하는 추세이다. ​

 

더 많은 유전자교정 작물이 세계 시장 진출에 성공한다면 규제상태 및 집행조치를 명확히 할 필요가 있으므로 GMO 규제를 정의하는 임계 치에 대해서도 많은 관심을 가져야 한다고 생각한다. 하지만, 누구도 아직은 선점하지 못한 유전자교정 생명체에 대한 현재 세계시장으로도 약 80조 원(2022)이고 앞으로 세계 시장이 급격히 증가하고 있어서 국가 간의 치열한 경쟁이 일어나고 있다. 

작물 품종을 개량하는 방법은 <그림 2>에 보는 바와 같이 3가지 방법으로 전통 육종, 유전자 변형(유전자 조작) 및  유전자가위 기술을 사용하여 품종을 개량하고 있다. 전통 육종의 경우는 시간과 비용도 많이 들지만, 품종이 개량될 확률보다 나쁘게 개악될 확률이 높아서 수많은 처리를 하여 보물을 찾듯이 탐색을 하여 시간과 비용이 많이 들지만 시장진출에는 문제가 없다. 전통 육종(Conventional Breeding)은 자연적 교배, 돌연변이 유발 및 원형질체 융합의 3가지 방법을 사용하고 Non-GMO로 규제없이 시장진출이 가능하다. 바람, 벌, 나비 등에 의한 자연교배 또는 인위적인 방법 등에 의해서 수술의 꽃가루를 암술에 수분하여 식물체가 교잡하여 우수한 품종을 선발하여 종자를 받아서 다시 생산하는 방식이다. 돌연변이는 유전자변이를 유발하는 화학물질이나 방사선, 자외선으로 유전자가 변성하여 좋은 품종을 만드는 방법인데 인위적으로 UV 및 화학물질 등으로 종자를 처리하여 우수 종자를 얻는 방법이다. 원형질 융합은 식물세포를 보호하는 세포막을 제거하여 원형질체로 만들고 원형질체를 융합하여 신규 품종을 개량하는 방법을 사용한다. 

유전자 조작 기술은 이종이든 동종이든 자체 유전자가 아닌 우수한 외래 유전자를 발굴하여 벡터(Vector)라는 운반체에 실어서 목적세포 내로 옮겨서 성체(成體)로 키워 우수 품종을 만든다. 전통적인 육종에 비해서 성공확률과 제조시간이 짧게 만들 수 있어, 고 생산 또는 고 품질 작물로 효율적으로 개량할 수 있다. 이렇게 유전자 조작에 의해 만들어진 유전자 변형작물을 GMO(Genetically Modified Organism)라고 하고 안정성 및 생태계 교란에 많은 관심을 가지고 엄격한 규제를 하고 있다. 엄격한 규제에도 불구하고 우리나라에서도 국민 1인당 연평균 42.8kg의 수입 GMO 농산물을 수입하여 섭취(서울신문(2017))하고 있고, 2017년 대두와 옥수수 등 GMO 농산물 수입량이 총 221만 ton에 이르고 있다.

유전자 편집 방법은 유전자가위로 주로 불필요하게 존재하여 동식물자원의 품질이나 생산성을 낮추는 열등한 유전자를 제거하는 방법으로 유전자 편집 작물(Geneme Editing Crop, GEC)을 만든다. 유전자가위 기술이 혁신적인 발전을 하여 현재는 정확하게 변이가 일어난 비정상인 염기를 편집할 수 있게 되었다. 특히, 제4세대 유전자가위 기술인 프리임 에디팅 기술은 자체 유전자에서 종래의 3세대 유전자가위 기술처럼 유전자 DNA 이중나선을 모두 자르지 않게 한 가닥만 교정하여 남은 한 가닥으로 DNA 복원이 기능하여 더욱 정확한 교정이 가능하다. 유전자가위 기술의 진화는 잘라주는 위치를 지정하는 가이드로 사용하는 CRISPR의 RNA의 프라임 에디팅뿐만 아니라 잘라주는 가위인 Cas9도 Cas10, Cas11, Cas12 등이 계속 개발되고 있어서 더 좋은 품종개량을 기대할 수 있다. 결국 GMO는 GEC와 엄격하게 구분되는 기술이고 외래 유전자의 유입 없이 자신이 가지고 있는 도구를 사용한다는데 큰 장점이 있다.

폭발적 인구는 증가하고, 산업화 및 도시화로 경지 면적이 줄어들고, 과도한 온실가스 배출과 산림파괴로 인한 기후변화로 인하여 식량부족은 현재 피할 수 없는 인류의 난제이다. 현재도 식량부족 인구는 1.1%/년씩 증가하여 매년 8,300만 명씩 늘어나고 있다. 세계 인구는 2024년 1월 현재 81억 1,883만 명(통계청 KOSIS OPENAPI, 2024.1)인데 2030년 중간까지 86억 명, 2050년 중반까지 98억 명, 2100년까지 112억 명으로 증가할 것으로 예측하여 갈수록 부족한 식량문제는 문제 시 되고 있다. 농업 경지 면적확장은 수직 및 도시농업을 위한 스마트 팜이 일조는 할 수 있지만, 에너지문제로 한계성이 있다. 고생산성과 고기능의 품종개량으로 전통적인 자연 육종은 많은 시간과 비용이 들지만, 시장형성에 공공적인 허용(Public acceptance)은 되지만, 급격한 인구증가에 따르지 못해 근본적인 식량 해결책으로 적당하지 않다.

유전자 변형하는 작물육종은 시간과 비용 문제를 많이 해결하지만, 안정성 문제에 완전한 입증이 되지 않아서 GMO로 분류되어서 규제를 받고 있다. 유전자가위를 이용한 작물의 유전자 변형은 GMO의 최대 문제점인 외래 유전자를 도입하지 않고, 자체 유전자를 제거하거나 변형한다는 점에서 유전자 안정성에 법적 문제는 없지만, 아직 전폭적인 공공적인 허용은 얻지 못하고 있다. 지금도 텔레비전에서는 영양을 옳게 섭취하지 못한 아프리카 영유아를 돕자는 캠페인을 보면서 식량에 대한 근본적 해결책이 무엇인지 생각하고 과학자의 더 많은 연구 노력이 절실함을 느낀다. 

<ifsPOST>