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[합성 유전자 드라이브 기술: 잡초와 같은 야생 식물을 제거한다.] 이 기술을 사용하여 수율을 저하시키는 농업 잡초나 생물 다양성을 위협하는 침입 식물이 유전적 구속력을 갖고 유지될 수 있다.

https://singularityhub.com/2024/07/08/gene-drives-shown-to-work-in-wild-plants-they-could-wipe-out-weeds/

JM Kim | 기사입력 2024/07/10 [00:00]

[합성 유전자 드라이브 기술: 잡초와 같은 야생 식물을 제거한다.] 이 기술을 사용하여 수율을 저하시키는 농업 잡초나 생물 다양성을 위협하는 침입 식물이 유전적 구속력을 갖고 유지될 수 있다.

https://singularityhub.com/2024/07/08/gene-drives-shown-to-work-in-wild-plants-they-could-wipe-out-weeds/

JM Kim | 입력 : 2024/07/10 [00:00]

 

합성 유전자 드라이브 기술: 잡초와 같은 야생 식물을 제거한다.

 

헨리 그라바(Henry Grabar)는 장근풀과의 싸움을 충분히 겪었다. 그가 원했던 것은 브루클린에 작은 정원을 짓는 것뿐이었다. 도시 생활의 불협화음 속에서 약간의 평화를 누리는 것이었다. 그러나 사탕무처럼 붉은 잎을 가진 식물이 곧 그의 초기 정원을 차지했다. 그가 본 것 중 가장 빠르게 자라는 식물은 높이가 10피트까지 자라 옥수수밭 만큼 두껍게 자랄 수 있었다. 제초제로도 죽이는 것은 거의 불가능했다.

 

침입성 식물종과 잡초는 뒷마당 정원만 망치는 것이 아니다. 잡초는 연간 평균 330억 달러의 비용으로 작물 수확량을 감소시키며, 통제 조치로 인해 60억 달러가 더 추가될 수 있다. 제초제는 방어 수단이지만 나름의 짐이 있다. 잡초는 화학물질에 대한 저항력을 빠르게 키우며, 그 결과 생성된 농산물은 많은 소비자에게 팔리기 힘든 제품이 될 수 있다.

 

잡초가 우위를 점하는 경우가 많다. 가져갈 수 있을까?

최근의 두 연구에서는 그렇다고 말한다. 연구팀은 합성 유전자 드라이브라는 기술을 사용하여 유전자 조각을 실험실 연구에서 인기 있는 겨자 식물에 접합했다. 이전에 초파리, 모기, 생쥐에서 검증된 유전자 드라이브는 유전의 규칙을 깨뜨려 "이기적인" 유전자가 전체 종에 빠르게 퍼지도록 허용한다.

 

그러나 유전자 드라이브를 식물에서 작동시키는 것은 부분적으로 DNA를 복구하는 방식 때문에 골치 아픈 문제였다. 새로운 연구에서는 자연의 50%와 대조적으로 합성 유전자 페이로드가 다음 세대에 약 99% 전파되는 영리한 해결 방법을 발견했다. 컴퓨터 모델에 따르면 유전자 드라이브는 대략 10~30세대에 걸쳐 식물 전체 개체군에 퍼질 수 있다.

 

자연적 진화를 무시하고 유전자 드라이브는 잡초를 제초제에 더 취약하게 만들거나 수분과 수를 줄이는 유전자를 추가할 수 있다. 유익한 유전자는 작물 전체에 퍼질 수도 있다. 이는 본질적으로 바람직한 특성을 위한 교배 육종 관행을 빠르게 추적하는 것이다.

 

이번 연구에 참여하지 않은 코펜하겐 대학교의 폴 니브(Paul Neve)와 호주 CSIRO 농업 및 식품의 루크 바렛(Luke Barrett)수율을 저하시키는 농업 잡초나 생물 다양성을 위협하는 침입 식물이 유전적 구속력을 갖고 유지될 수 있는 미래를 상상해 보라라고 썼다.

 

 

50/50

상속은 대부분의 종에 있어서 동전 던지기이다. 자손의 유전 물질 중 절반은 각 부모에게서 나온다.

유전자는 이 상속 규칙을 어뢰에 적용한다. 10년 전에 개발된 이 기술은 유전자 편집 도구인 CRISPR를 사용하여 50/50 확률을 극복하고 인구 전체에 새로운 유전자를 전파한다. 곤충과 포유류의 경우 유전자는 대략 80% 정도 전파될 수 있으며, 유전된 특성을 여러 세대에 걸쳐 전달하고 종 전체를 돌이킬 수 없게 변화시킬 수 있다.

 

이것이 다소 사악해 보일 수도 있지만, 유전자 드라이브는 선을 위해 설계되었다. 조사 중인 주요 용도는 수컷을 불임 상태로 유전자 변형하여 질병을 옮기는 모기를 통제하는 것이다. 방출되면 자연 모기보다 경쟁하여 야생 모기 수를 줄이고 결과적으로 여러 질병의 위험을 낮춘다. 실내 우리에서 유전자 드라이브는 1년 이내에 곤충 개체수를 완전히 억제했다. 소규모 현장 테스트가 진행 중이다.

 

유전자 드라이브는 식물 과학자들의 눈길을 끌었지만 식물에 대한 초기 노력은 실패했다.

이 기술은 DNA를 절단하여 유전자 문자를 삽입, 삭제 또는 교체하는 CRISPR에 의존한다. DNA의 손상을 감지한 세포는 내부 분자 "수리인"을 활성화하여 유전자를 다시 연결하고 유전자 드라이브와 유전적 화물을 채택한다.

 

식물은 다르다. 그들의 세포에는 DNA 복구 메커니즘도 있지만 부분적으로만 곤충이나 생쥐와 유사하다. 고전적인 유전자 드라이브를 식물에 주입하면 표적 부위에 유전적 돌연변이가 발생할 수 있으며 심지어 일종의 세포 내전에서 유전자 드라이브에 대한 저항이 촉발될 수도 있다.

 

 

당신을 죽이지 않는 것이 당신을 더 강하게 만든다.

해결 방법으로 두 가지 새로운 연구 모두 "독소 해독제"라는 시스템을 사용했다. 이전 유전자 드라이브와 비교하면 표준 DNA 복구에 의존하지 않는다.

 

연구팀은 연구를 위해 자가 수분 겨자 식물을 사용했다. 식물 과학 연구의 사랑을 받는 이 식물의 게놈은 잘 알려져 있으며, 식물이 자가 수분을 하기 때문에 실험을 억제하기가 더 쉽다. 유전자 드라이브를 구축하기 위해 그들은 "어뢰"라고 불리는 생존에 중요한 유전자를 파괴하는 CRISPR 기반 방법을 개발했다. 유전자가 없는 꽃가루는 살아남을 수 없다. 두 번째 구조물인 "해독제"는 동일한 유전자를 모방했지만 CRISPR에 의한 파괴에 저항하도록 변형되었다.

 

그들은 두 가지 다른 유전자 페이로드를 조사했다. 한 연구에서는 식물의 남성과 여성의 생식 세포 모두에 필수적인 유전자를 조작했다. 다른 하나는 꽃가루 생산을 방해하는 유전자를 표적으로 삼았다.

 

영리한 부분은 다음과 같다. 식물이 수분을 하면 자손은 독소나 해독제 또는 둘 다를 물려받을 수 있다. 해독제를 가진 식물만이 살아남는다. 독소를 물려받은 식물은 빠르게 죽는다. 그 결과, 시스템은 CRISPR 저항성 유전자를 보유한 식물이 개체군을 장악하는 유전자 드라이브로 작동했다. 유전자 드라이브는 매우 효율적이어서 대략 99%의 시간 동안 세대를 거쳐 전달되었다. 그리고 과학자들은 새로운 유전자 구성에 대한 저항성으로 알려진 진화적 적응의 징후를 전혀 발견하지 못했다.

 

컴퓨터 모델링은 유전자 드라이브가 10~30세대 안에 단일 식물 종을 따라잡을 수 있음을 보여주었다. 니브와 바렛에 따르면 이는 매우 인상적이라고 한다. 인공적인 유전적 변화는 야생 식물에 고착되지 않는 경우가 많다. 식물은 죽어가는 경향이 있다. 새로운 유전자 드라이브는 침입종과 싸우거나 여러 세대에 걸쳐 유익한 특성을 물려주는 더 튼튼하고 해충 저항성 작물을 재배하여 현장에서 잠재적으로 더 오래 지속될 수 있음을 시사한다.

 

이러한 약속에도 불구하고 유전자 드라이브는 종 전체를 변화시킬 수 있는 잠재력 때문에 여전히 논란의 여지가 남아 있다. 과학자들은 여전히 ​​생태학적 영향에 대해 논쟁을 벌이고 있다. 유전자 드라이브가 의도하지 않은 목표를 향해 뛰어들 수 있다는 우려도 있다. 현재 연구에서는 유전자 드라이브를 억제하기 위해 유전자 "브레이크"를 설계했다. 대부분의 연구는 세심하게 통제된 실험실 환경에서 수행되며, 말라리아의 경우 유전자 드라이브를 운반하는 모기를 야생에 방출하기 전에 잠재적인 예상치 못한 결과가 엄격하게 논의되고 있다.

 

과학이 효과가 있다고 하더라도 규제 및 사회적 승인을 향한 길은 장애물에 직면할 수 있다. 기술을 바탕으로 농민을 판매하는 것은 어려울 수 있다. 그리고 식량원으로서의 CRISPR 처리된 식물은 유전자 변형 유기체(GMO)에 대한 부정적인 인식으로 인해 오염될 수도 있다.

 

현재 팀은 잡초를 죽이는 것보다 더 수용 가능한 일상적인 사용 방법을 모색하고 있다. 아직 해결해야 할 몇 가지 문제가 있다. 유전자 드라이브는 확산될 수 있을 때만 작동하므로 연구에 포함된 식물과 같이 자가 수분을 하는 식물보다는 다른 식물에 수분을 공급하는 식물에 이상적인 용도로 사용된다. 그럼에도 불구하고, 그 결과는 강력한 기술이 식물에서 작동할 수 있다는 개념 증명이다. 하지만 그것이 헨리의 장근초 문제를 해결하는 데 도움이 되기까지는 아직 시간이 걸릴 수 있다.

이미지 출처: Anthony Wade / Unsplash

 

 

 

 
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