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GMO 개발 방법
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유전자재조합에 의한 GMO의 개발은 원하는 특성을 지닌 유전자를 생물체에 직접 삽입함으로써 목적하는 품종을 바로 얻을 수 있어 그 소요시간이 종래의 품종개량 방법에 비하여 짧다는 것이 특징이다. 그러나, 유전자재조합에 의한 GMO의 개발은 주사기로 영양제를 혈관에 주입하듯 간단히 이루어지는 것은 아니며 다음과 같은 복잡하고 정교한 과정을 거치게 된다.
1. 유용한 유전자의 탐색 최근 생물체별로 게놈(genom) 프로젝트가 활발히 이루어지면서 각 생물체의 유전자 서열을 밝히고 각 유전자의 기능을 밝히는 작업이 이루어지고 있다. 이렇게 해서 유전자의 서열과 기능이 밝혀진 정보를 토대로 원하는 기능( 예 : 제초제에 대한 저항성 )의 유전자를 탐색하여 형질전환에 사용하게 된다.
2. 유전자 설계 원하는 유전자를 개량하고자 하는 생물체에 이식하였다 하여도 그 사실을 확인하려면 생물체를 완전히 키워서 원하는 형질이 나타났는가를 실험해야 하는 불편이 있다. 이런 불편을 해소하기 위하여 표지인자(marker)를 활용하게 된다. 표지인자란 원하는 유전자와 밀접한 관련이 있어 함께 옮겨 다니며, 독특하고 식별이 용이한 조직을 말한다. 유전자를 탐색하였으면 필요로 하는 유전자를 갖고 있는 생물에서 DNA 절단효소로 원하는 유전자(gene)만 절단하여 얻는데, 이때 절단된 DNA 조각 안에 표지인자가 포함되도록 하는 것이 유전자 설계이다.
3. 유전자운반체에 연결 이렇게 설계된 유전자라도 단 한 번의 작업으로 생물체에 성공적으로 이식할 수는 없으므로 설계된 유전자를 다량으로 확보할 필요가 있다. 이를 위하여는 숙주세포에 침투가 쉽고, 복제 가능하며, DNA를 자르거나 붙이기가 쉬운 유전자운반체(vector)를 활용하게 된다. 유전자운반체의 종류에는 plasmid, bacteriophage, cosmid, phagemid 등 여러 가지가 있으며, 그 중 가장 널리 쓰이는 것은 대장균(E. coli)을 숙주(host)로 하는 플라스미드(plasmid)이다. 플라스미드는 박테리아에 존재하는 본체 DNA와 분리되어 독자적으로 복제가 가능한 DNA이다. 절단효소를 이용하여 유전자운반체의 DNA 중 일부를 잘라내고, 그 부분에 접합효소를 이용하여 설계된 유전자를 연결하게 된다.
4. 유전자 다량 확보 유전자운반체에 연결이 되면, 그 유전자운반체를 원래의 숙주(host)에 다시 집어넣고 배양하여 증식시킴으로써 원하는 유전자를 다량으로 확보하게 된다. 이처럼 똑 같은 유전적 형질을 지닌 개체를 다량으로 얻는 것을 “gene cloning”이라 한다.
5. 유전자 삽입 cloning하여 원하는 유전자를 확보한 후에는 그 유전자를 생물체에 삽입하게 되는데, 이 때에는 아그로박테리움법, 원형질세포법, 입자총법 등의 방법을 이용하여 시험관 내에서 수천에서 수만의 조직절편에 유전자를 삽입하게 된다.
⊙ 아그로박테리움법 --- 이 방법은 “아그로박테리움(Agrobacterium)”이라는 미생물이 식물세포에 자신의 유전자를 삽입시키는 성질이 있는 것을 이용하는 방법이며, 목적하는 유용한 유전자를 아그로박테리움의 플라스미드에 삽입시킨 후 이것을 식물의 조직절편과 함께 배양하여 식물 조직절편의 상처를 통해 식물체 내로 대상 유전자의 전이를 유도한다. 가장 일반적인 방법이지만 아그로박테리움은 벼 등의 외떡잎식물에는 감염하지 않으므로 유전자를 삽입할 수 있는 식물은 한정되어 있다.
⊙ 원형질세포법 --- 생물체의 세포벽을 효소나 화학물질로 용해시켜 유전자가 들어가기 쉽도록 세포벽이 없는 원형질체를 만들고, 전기충격을 주어서 유용한 유전자가 생물의 원형질 속으로 들어가도록 하는 것이다.
⊙ 입자총(Particle-gun)법 --- 금속의 미립자에 유용한 유전자를 결합시키고, 그 미립자를 고압가스의 힘으로 생물체의 조직절편에 강제로 밀어 넣어 유전자가 들어가도록 하는 방법이다.
6. 조직절편의 선발 유전자가 삽입된 수천에서 수만 개의 조직절편 중에서 실제로 유용한 유전자가 원래 생물체 고유의 특성에 영향을 미치지 않고 유용한 유전자의 기능을 나타내는 것은 극히 일부에 불과하다. 이러한 극히 일부의 것을 선발해내기 위하여 먼저 각각의 조직절편을 적절한 배지에서 배양한다. 그리고, 하나의 생물체로 성장하면서 삽입된 유전자의 특성을 나타내는 것을 선발해나가는 과정이 필요하다. 삽입 유전자가 생물체의 게놈 상에 삽입되는 위치와 삽입된 정도에 따라 나타나는 특성이 달라질 수 있어 이러한 특성 변화를 관찰하면서 원하는 것을 가려내는 것이 중요하다.
7. 유용한 유전자의 발현 확인 유전자가 삽입된 조직절편을 배양하여 성숙한 생명체로 키운 후, 성숙한 생명체에서 DNA, RNA, 단백질 등을 분리하여 유용한 유전자가 생물체의 염색체 내로 도입되었는지 여부를 확인한다. 유용한 유전자가 도입된 것이 확인되면 정상 교배에 의해 차세대 생물체를 생산하고, 차세대 생물체에서도 유용한 유전자가 나타나는가 확인한다.
8. 안전성 확인 유용한 유전자를 갖는 새로운 생물체(GMO)를 개발하였다고 하여도 바로 상품화할 수는 없으며, 안전성을 검증 받아야 비로소 상품으로 판매할 수 있게 된다. 확인된 DNA 배열의 삽입에 의해 생물체에 특정의 형질(의도적인 영향)을 준다고 하는 목적을 달성할 때, 여분의 형질을 얻거나 기존의 형질이 없어지거나 수식(修飾)되는 경우가 있다(비의도적인 영향). 따라서 안전성 확인을 위하여는 의도적 영향과 비의도적 영향 모두를 고려하고, 새롭거나 또는 변형된 위해를 확인하며, 주요 영양소의 사람의 건강에 관련된 변화를 확인한다. 안전성 평가는 현재까지 알려진 최선의 과학적 지식에 비추어 그 GMO가 의도하는 용도에 따라 조리, 사용, 섭취되었을 경우는 유해하지 않다는 것을 보증하는 것이다.
참고로, 일반적으로 기존의 품종개발 방법은 자연적인 것이라고 인식하고 있으나, 실제로는 선발이나 교배 이외의 방법은 자연계에서 자연적으로 일어나는 현상은 아니며, 유전자 기술을 응용한 것이다. 현재 사용되고 있는 기존의 품종개발 방법에는 다음과 같은 것들이 있다.
⊙ 선발 --- 기존의 것보다 종자가 크거나, 많거나, 좀 색달라 다수확 등이 가능한 좋은 종을 고르는 것으로 가장 고전적인 방법이다.
⊙ 교배 --- 우수한 식물의 화분(꽃가루)을 다른 식물의 암술에 묻혀 양쪽의 우수한 특성을 갖는 자손을 만드는 것으로 지금도 육종의 주류이다.
⊙ 제웅(除雄) --- 교배 방법을 변형한 것으로 자가수분을 하지 못하도록 수술의 생식기관(꽃밥)을 자르고, 암술에 다른 꽃가루를 묻혀서 수정시키는 방법으로 육종업자의 반 정도가 이 방법을 이용한다.
⊙ 속(屬) 간 교배 --- 속이 다른 식물끼리를 억지로 교배시키는 방법으로 자연계에서는 거의 일어나지 않으나 한 번 일어나면 “인조작물”이 만들어진다. 빵 제조에 적합한 밀과 혹독한 환경에 견디는 호밀을 교배한 품종이 그 예이다.
⊙ 배(胚) 배양 --- 보통은 교배하지 않는 종끼리 교배하여 미발달한 배(胚) 또는 보다 직접적으로 씨방에서 떼어내어 배양접시나 시험관에서 배양한다. 인공 환경이어서 자라기 어려우나 드물게 좋은 신품종이 얻어진다.
⊙ 반수체(haploid) 육종 --- 자연계에서는 부모로부터 각각 한 짝씩 염색체를 물려받은 알(卵)과 꽃가루가 합체하여 배(胚)가 되고, 그 배(胚)로부터 2쌍의 염색체를 갖는 개체가 된다. 반수체 육종에서는 생식세포( 꽃가루나 알 )에 자기만의 염색체 복사본을 억지로 만들게 하여 자손으로 한다. 이렇게 하여 만들어진 세포나 자란 식물을 “반수체(haploid)”라고 한다. 일반적인 교배종이 부계 유전자와 모계 유전자가 쌍이 된 “이형접합체”인데 비하여 반수체는 부계나 모계 어느 한쪽의 ‘완전히 같은’ 염색체가 쌍이 되고 있는 “동형접합체”이다. 반수체 육종을 통하여 잘 되지 않는 품종개량의 기간을 단축할 수 있다.
⊙ 돌연변이 육종 --- 식물을 다량의 방사선이나 화학물질로 처리하면 시들어 죽지만 적당량 처리하면 돌연변이( DNA 분자의 변화 )가 일어난다. 돌연변이로 개발된 품종으로 보리나 쌀의 키를 작게 한 품종이 있다. 과거 50년 동안 1,400종 이상의 작물이 돌연변이로 만들어졌다고 한다.
⊙ 체세포복제변이 --- 식물의 세포나 조직을 배양접시에 넣고 양분을 주면 뿌리와 줄기가 생겨 식물체( 부모와 같은 복제 )가 재생된다. 이런 방법으로 난(蘭)과 같은 희소 원예식물 등을 재배하는 방법이 최근 거대 사업이 되고 있다. 그런데 때로는 돌연변이로 이상한 개체가 만들어지기도 하는데, 이것은 환경적인 요인이 아니고 유전자의 변화에 의한 것으로 밝혀졌으며, 이런 현상을 “체세포복제변이( SCV, somaclonal variation)”라고 한다. 드물게 나타나는 체세포복제변이에 의한 개량품종도 몇 가지 상업적으로 생산되고 있다.
⊙ 세포선발 --- 체세포복제변이를 약간 변형시킨 방법으로 세포선발이 있다. 체세포복제변이나 돌연변이에서는 엄청난 수의 세포 및 그 자손을 조사해야 하므로 비용과 시간이 많이 걸리지만, 세포선발은 배양접시 안에서 몇 백만이나 있는 세포로부터 여러 가지 돌연변이를 용이하게 선발해낼 수 있으며, 돌연변이 세포 및 그 자손이 갖는 형질을 추측하기 쉬운 이점도 있다. 세포선발은 두 가지 방법이 있으며, 그 중 하나는 배양접시 내에서 세포를 키워 종양 같은 덩어리(캘러스, callus)를 만들게 하는 것이다. 사람의 종양도 그렇지만 세포가 억지로 증식하면 유전자에 변화가 일어난다. 돌연변이 세포에서 좋은 것만을 골라 키워서 신품종으로 한다. 또 하나는 배양접시의 배지에 어떤 화학물질을 첨가하여 살아남은 강한 세포만을 고르는 방법이다. 이 방법으로 제초제, 염, 건조 등에 강한 신종 만들기에 성공하였다.
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