진화는 새로운 병원체를 대량생산하는 끊임없는 순환 속에 있다. 다행스럽게도 우리 인간과 다른 많은 동물들에게는 적응 면역 체계라고 알려진 매우 발전된 면역 체계가 있다. 이를 통해 우리 몸은 항체와 T 세포와 같은 다른 무기를 사용하여 병원체를 매우 정확하게 표적으로 삼을 수 있다. 홍역이나 코로나19와 같은 질병을 일으키는 유기체에 대한 예방접종을 받을 때, 우리는 향후 병원체와의 만남에 대비하여 적응 면역 체계를 준비하는 것이다.

식물에는 이것이 부족하다. 그들은 선천성 면역으로 알려진 보다 일반적인 면역 체계를 가지고 있지만 적응 면역만큼 정확하거나 강력하지는 않다. 이 선천적 면역 체계는 시간의 시험을 견뎌왔지만 중요한 식량 작물을 포함한 식물은 새로운 종류의 병원체에 취약해졌다.

적응형 면역 체계를 갖도록 식물을 생명공학적으로 조작하는 것이 가능하다면 어떨까? 이것이 바로 이오르고스 쿠렐리스(Jiorgos Kourelis)와 그의 동료들이 했던 일이며, 그들의 결과는 사이언스 저널에 보고되었다. 그들의 방법은 취약한 작물 종을 신속하고 정확하게 변형하여 새로운 병원균과 해충에 대한 저항성을 부여하려는 오랫동안 추구해 온 목표를 향한 길을 제공할 수 있다.

진화하는 춤

식물면역은 세포표면면역과 세포내면역으로 나눌 수 있다. 식물 세포의 표면을 코팅하는 면역 수용체는 고대 병원체 관련 분자 패턴(PAMP)을 모니터링한다. 이는 단순히 미생물 위협이 존재함을 나타내는 비특이적 마커이다. 대략적인 비유는 보안 카메라이다. 면역 수용체는 보안 카메라처럼 행동하여 의심스러운 것을 인식하면 경보를 울린다. 예를 들어 마스크를 쓴 사람(이 비유에서는 병원체 관련 분자 패턴)이 집에 침입하려고 시도하는 경우이다. 하지만 카메라는 그것이 누구인지 알아낼 만큼 정확하지 않다.

이러한 표면 결합 수용체가 촉발되면 병원체를 죽이는 일련의 보호 조치가 시작된다. 이를 피하기 위해 병원체는 세포 기능을 방해하기 위해 식물 세포에 주입되는 이펙터라고 불리는 면역 파괴 물질을 방출하도록 진화했다. 이에 대응하여 식물은 효과기에 대응하기 위한 자체 전략을 발전시켜 왔다. 그들은 병원체 효과기를 인식하고 중화시키는 NLR(뉴클레오티드 결합, 류신이 풍부한 반복 면역 수용체)이라고 불리는 세포내 면역 수용체 레퍼토리를 사용한다.

수백만 년 동안 식물과 병원체는 끝없는 진화의 춤을 추었다. 식물은 병원체 작동자를 감지하고 무장 해제할 수 있는 NLR을 진화시켰고, 병원체는 식물 NLR이 감지할 수 없는 작동기를 진화했다.

그러나 이러한 진화적 춤이 주요 식량 작물에 영향을 미칠 경우 수백만 명의 사람들에게 심각한 위협이 될 수 있다. 예를 들어, 단일 곰팡이 병원체인 마그나포르테 오리자에(Magnaporthe oryzae)는 전 세계 쌀 생산 손실의 30%를 담당하며, 6천만 명에게 먹일 수 있는 식량을 파괴한다. 이것이 바로 쿠렐리스(Kourelis)와 같은 과학자들이 작물에 약간의 도움을 줄 수 있는 방법을 찾고 싶어하는 이유이다.

하이브리드 식물-동물 면역 체계

의심스러운 병원성 분자를 인식하는 NLR 단백질의 일부를 통합 도메인(ID)이라고 한다. 과학자들은 벼 식물에서 수백 개의 고유한 ID를 식별했으며, 이는 식물이 수백 개의 서로 다른 효과기를 감지할 수 있음을 시사한다. 너무 많은 것처럼 들릴 수도 있지만, 식물은 일반적인 패턴만 인식할 수 있는 일반적인 면역 체계를 가지고 있다는 점을 기억하라. 반면에 인간이 생산하는 항체는 100경(100만조)의 서로 다른 매우 정확한 분자 패턴을 인식할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

동물 적응 면역 체계는 노출된 거의 모든 외부 단백질에 대해 항체를 생성할 수 있다는 점을 고려하여 쿠렐리스(Kourelis)와 그의 팀은 항체의 힘을 활용하여 식물이 병원체와 싸우는 데 도움을 줄 수 있는지 궁금해했다. 원리 증명 연구에서 쿠렐리스(Kourelis)는 벼에서 생산되는 NLR 중 하나인 Pik-1이라는 단백질을 변형했다. 연구팀은 Pik-1의 ID 영역을 형광 단백질에 결합하는 항체 단편으로 대체했다. 다음으로, 그들은 형광 단백질을 발현하도록 유전적으로 변형된 병원체(감자 바이러스 X)에 생명공학 및 대조(변경되지 않은) 식물을 노출시켰다. 생명공학 식물은 형광성이 상당히 낮은 것으로 나타났는데, 이는 식물에 의해 생산된 NLR-항체 하이브리드 분자가 바이러스 복제를 성공적으로 차단했음을 시사한다.

저자들은 이 기술이 병원균과 해충으로부터 작물을 보호하기 위해 "주문 제작 저항성 유전자"를 생산할 수 있다고 제안한다. 이는 전 세계 농부와 그들이 먹이를 주는 사람들에게 환영받는 발전이 될 것이다.