크리스퍼 유전자 가위 기술 원리 - 크리스퍼 캐스9 프라임

[크리스퍼 유전자 가위 기술 원리 - 크리스퍼 캐스9 프라임] 

과연 인간은 선천성 난치병을 고칠 수 있을까요? 이것은 인류에게 크나큰 고민이었습니다. 아직은 초보 단계이지만, 여기에 실마리가 생겼습니다. 그것은 '유전자 가위'란 기술입니다. 공상과학 영화에서는 오히려 공포감을 주는 얘기지만, 우리의 난치병 공포 또한 이것이 없으면 해결되지 않는 문제입니다.

최근 크리스퍼 캐스9 프라임이라는 기술이 관심을 받습니다. 이를 개기로 크리스퍼 유전자 가위 기술의 원리를 이해하는 시간을 가집니다.

 

크리스퍼 유전자 가위 기술 원리​

 

크리스퍼 유전자 가위의 원리는 '크리스퍼'라는 DNA 서열과 '캐스9'라는 효소에 있습니다. 이것을 미세조작기 장치를 이용해서 세포에 찔러 넣어서 사용합니다. 그러나 식물 세포는 막이 두껍기 때문에 세균에 넣어서 침투시키기도 합니다.

이 유전자 가위 기술은 2012년에 등장했습니다. 물론 그 이전에도 1세대 기술인 '징크핑거 뉴클레아제' 방식과 2세대 기술인 '탈렌' 방식이 있었지만, 이 3세대 장식은 정확도와 성능 면에서 매우 훌륭하다고 평가되고 있습니다.

(RNA가 표적지점을 찾는 원리 [크리스퍼 유전자 가위 기술 원리 - 크리스퍼 캐스9 프라임] / ⓒ OpenClipart-Vectors, www.kiss7.kr)

이를 이해하기 위해서는 무엇을 이용하는지도 알아야 합니다.

우선 상보적인 성질이 있는 RNA와 효소인 캐스9의 복합체를 만듭니다. 보통 여기에서 RNA는 가이드라고 부르고, 실질적인 가위 역할은 캐스9가 합니다. 즉 RNA가 필요한 부분을 찾아가고, 캐스9가 자르는 것입니다.

유전자는 각각의 정보를 가진 서열이 두 가닥으로 되어 있고, 이것이 마치 꽈배기처럼 꼬인 상태로 존재합니다. 그러므로 어디를 자를 것인지를 결정해야 하는데 전자현미경으로도 보기 어렵습니다. 그래서 RNA 가이드의 역할은 매우 중요합니다.

 

그렇다면 "상보적"이란 것은 무엇일까요? 쉽게 말하자면 "서로 짝이 맞는 것"이라고 할 수 있겠습니다.

유전자에서 DNA는 정보가 저장되는 곳입니다. 그리고 세포마다 DNA와 RNA가 존재하는데, RNA는 그 정보를 변환하는 역할을 합니다. 그러므로 DNA 서열에 맞는 RNA를 넣으면 필요한 곳에 보낼 수 있게 됩니다. 나라마다 외교부가 있고 대사관이 있는데, 외교관을 파견하면 교육부에 가지 않고 외교부의 대사관에 가게 되는 것처럼 말입니다.

DNA 서열과 RNA는 서로 짝을 이루기 때문에 특정 부분에 맞는 것을 넣으면 자동으로 유전자 가위를 그곳으로 안내하게 되는 원리입니다.

(캐스9의 가위 원리 [크리스퍼 유전자 가위 기술 원리 - 크리스퍼 캐스9 프라임] / ⓒ PublicDomainPictures, www.kiss7.kr) 

 

이번에는 유전자 가위 기술의 원리 중에서 가위의 원리도 이해해 봅시다.

특정 RNA를 따라서 캐스9 효소가 도착하면 그 부분의 서열을 녹여 없애버립니다. 하지만 DNA 나선은 자동으로 이를 복구합니다. 상처가 나면 살갗이 자동으로 아무는 것과 같은 것입니다. 이때 P53 효소가 동원되는데, 이것은 암에 대항하는 역할도 가지고 있습니다.

DNA가 복구되면 캐스9은 또 그곳을 자릅니다. 그러면 또 복구가 됩니다. 이렇게 계속 분리와 복구가 반복되다가 복구 효소가 한계에 다다릅니다. 그러면 결국 그 부분은 원래와 다른 성질의 서열이 메꾸어져 있게 됩니다.

 

크리스퍼 캐스9 프라임의 등장까지

 

그런데 캐스9은 어떻게 해서 자동으로 공격을 멈추는가? 이것을 비유하자면 이렇습니다. 중세의 성을 공격하기 위해서 공성기로 공격을 합니다. 이 공성기는 특정한 모양을 찾아서 부수도록 되어 있다고 칩시다.

공성기로 성의 일부를 부수면, 일꾼이 나와서 그 부분을 수리할 것입니다. 물론 처음에는 똑같은 모양으로 수리하려고 하겠지만, 그때마다 또 부숴버리면 결국은 실수를 하고 다른 모양으로 보수를 하게 될 것입니다. 그러면 이제 모양이 달라졌으니 공성기가 공격할 필요가 없습니다. 어쨌든 원하는 부분의 모양을 바꿔버렸으니 말입니다.

 

(필요한 유전자로 교체하는 원리 [크리스퍼 유전자 가위 기술 원리 - 크리스퍼 캐스9 프라임] / ⓒ MJJR, www.kiss7.kr) 

 

 

결과적으로 자르고 싶은 부분이 다른 것으로 메꿔지고, DNA 서열의 정보가 달라지면 작동이 중지된다는 것이 핵심입니다. 닥치는 대로 공격을 하면 다른 부분이 손상을 입으니 이렇게 합니다.

또한 단지 자르는 것뿐 아니라, 원하는 정보를 끼워 넣을 수도 있습니다. 만약 RNA 가이드와 캐스9 복합체에 우리가 원하는 DNA 서열을 더 붙여서 넣는다면, 복구 중에 이것을 가져다가 쓰게 될 것입니다. 그러면 정말로 원하는 성질의 유전자 DNA를 만들 수 있게 됩니다. 크리스퍼 유전자 가위 기술 원리는 바로 이것입니다.

 

 

그러나 아직도 문제는 많습니다. 아무리 상보적이라고 해도 엉뚱한 곳을 잘라서 변이를 일으킬 수 있다는 불안감은 여전합니다. 실험에서 정확한 결과를 얻은 것은 P53 효소가 거의 없을 때 가장 정확했기 때문입니다.

그래서 다시 만들어진 것이 크리스퍼 프라임 기술입니다. 기존의 방식이 두 가닥을 모두 잘라낸다면, 프라임 방식의 차이는 한 가닥만 자른다는 것입니다. 이것은 '역전사'라는 성질을 이용하는데, 자른 후 남은 RNA의 정보를 이용해서 다시 DNA 가닥을 이어주는 것입니다.

 

 

(크리스퍼 프라임의 역전사 원리 [크리스퍼 유전자 가위 기술 원리 - 크리스퍼 캐스9 프라임] / ⓒ Peggy_Marco, www.kiss7.kr) 

 

 

전사란 정보를 바탕으로 RNA가 합성된 후 그에 맞는 DNA가 생성되면서 정보를 옮기는 것인데, 역전사는 이를 거꾸로 하는 방식입니다. 즉, 끊어진 DNA에 복사되지만 원래의 유전자 정보는 아니라는 의미입니다.

​비록 공상과학에서는 절대 좋지 않은 모습으로 나오는 유전자 변형 기술이지만, 생명윤리가 잘 지켜져서 긍정적으로만 발달하기를 바랍니다.

눈으로 볼 수도 없는 너무나 작은 세계의 유전자 기술, 여러 가지 걱정과 기대를 모두 가진 기술... 그 공은 이제 과학윤리의 손으로 넘어갈 것입니다.

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