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유전자 발현 억제 기술, 특정 해충만을 제거해 농작물 생산에 큰 도움을 줄 것

'유전자 발현 억제’라는 기술을 통해 자연적으로 발생하는 토양 박테리아를 이용하여 다른 벌레나 주변 환경을 해치치 않으면서 농작물을 해하는 특정 해충만을 제거할 수 있게 되었다. 이러한 독성이 없는 해충들을 통제하는 것은 글로벌 인구들의 식량 제공에 기여를 하고 유기농 음식 생산을 증가시키며 바이오 연료 생산에도 도움을 준다. 실제로 실험들은 이 기술을 통해 92%의 농작물들을 생존시킬 수 있다는 것을 증명해 주었다. 2019년 5월 2일 사이언스데일리(ScienceDaily)에서 전했다.

 

서섹스 대학의 수학자 콘스턴틴 블라이우스 박사는 우크라이나 국립과학원에서 생물학자들과 함께 밀 수확물을 파괴하는 기생충을 정밀하게 공략할 수 있으면서도 화학 물질을 사용하지 않는 방법을 개발했다.

이 해충 조절의 획기적인 방법은 식물 자체의 유전자와 함께 작용하여 다른 곤충, 새, 포유류에게 해를 끼치지 않고, 네마토드라고 불리는 특정한 미세한 벌레들을 죽인다.

서섹스 대학의 수학과 물리과학 대학의 콘스탄틴 블라이우스 박사는 다음과 같이 말했다.

"세계 인구가 증가하고 있는 상황에서, 화석 연료에서 생물 연료로 전환해야 하는 긴급한 필요성이 대두됨에 따라, 우리의 연구는 벌이나 다른 곤충들에게 해를 끼치지 않는 환경적으로 안전한 농작물 보호를 모색하는 데 있어 중요한 진전입니다.“

 

매년 약 1,300억 달러의 농작물이 네마토드로 인한 질병으로 인해 손실된다.

화학 살충제로 유해한 성충을 표적으로 삼는 것은 다른 곤충을 무차별적으로 해칠 수 있기 때문에 문제가 있다.

토양에는 자연적으로 발생하는 박테리아가 있어 식물을 해로운 성운으로부터 보호할 수 있지만, 지금까지는 이 박테리아들의 힘을 대규모로 농작물을 보호하는 효과적인 방법이 없었다.

블라이우스 박사와 그의 동료들은 밀을 해치는 순수의 종을 정밀하게 목표로 하기 위해 'RNA 간섭'(RNAi)을 사용해 왔다.

블라이어스 박사는 이렇게 설명했다.

"네마토드는 다른 모든 살아있는 유기체들과 마찬가지로 생존하고 자손을 만들기 위해 약간의 단백질이 생성되어야 하며, RNA 간섭은 이것들의 생산을 멈추거나 침묵시키는 과정입니다."

연구팀은 자연적으로 발생하는 토양 박테리아에서 유래한 생체 자극제를 사용하여 유해한 성분의 유전자를 '침묵'하는 방법을 개발했다. 또한 생물유전제는 과즙의 영향을 받는 식물 자체의 유전자를 '스위치 오프'시켜 기생충이 농작물을 해치는 것을 훨씬 어렵게 만든다.

토양에서 자연적으로 발생하는 박테리아의 대사물인 바이오스티뮬러제가 밀에 적용될 때 유전자 침묵 과정이 촉발된다. 바이오스틸란트는 씨앗이나 뿌리를 바이오스티물 성분이 함유된 용액에 담그거나, 식물이 자라는 토양에 용액을 첨가하여 적용할 수 있다.

블라이어스 박사는 이렇게 말했다.

"식물의 씨앗을 바이오스타민트 용액에 담그면 식물 안에서 생산되는 특수 화합물을 네마토드로 전달하는 '트로이잔 말'이 되고, 그 다음 죽입니다. 우리는 네모데의 특정 유전자를 목표로 삼았으니 이것이 다른 생물체에는 영향을 미치지 않을 것이라는 것을 알고 있습니다.“

생물유전물은 특정 성운과 식물 유전자에만 영향을 미칠 뿐 다른 종의 곤충을 해치지 않는다. 그리고 그것들은 화학 물질로 만들어지기 보다는 자연적으로 발생하기 때문에, 잠재적으로 유기농 농부들에 의해 미래에 유기농 식품을 더 저렴하게 만들기 위해 사용될 수 있다.

블라이우스 박사의 수학적 모델링은 식물의 RNA 간섭이 어떻게 작용하는지 설명하고, 농작물을 해로운 성운으로부터 안전하게 보호하기 위해 생물 자극제를 적용하는 가장 효과적인 방법을 보여준다.

이 팀의 실험은 식물의 씨앗을 생체모방 용액에 담그는 것은 식물이 생존할 확률을 57%에서 92%까지 높인다는 것을 보여준다. 이 기술은 또한 생물 자극제가 없는 식물에 비해 정맥주사 침투의 수준을 73%에서 83%까지 감소시킨다.

블라이어스 박사는 연구를 설명하면서 다음과 같이 말했다.

"수학적 모델을 사용함으로써 생물유전제가 밀 식물에 흡수되는 방법을 알게 되었기 때문에, 우리는 이제 그것들을 전달할 수 있는 최선의 방법을 알게 되었습니다. 또한 식물과 네마포드에서 RNAi가 어떻게 발달하는지, 식물이 어떻게 정맥 기생 과정에 관여하는 특정 유전자를 차단하여 침입을 막을 수 있는지, 그리고 어떻게 RNAi의 일부가 식물의 일부분을 정화하는지에 대해서도 살펴보았습니다.”

이러한 통찰력은 밀 네마포드의 제어를 위한 새로운 세대의 환경적으로 안전한 도구를 개발하기 위해 토양 박테리아와 그 대사물을 추출하는 진보된 실험 연구와 첨단 분자 유전학 분석과 결합되었다.

"유전적으로 변형된 식물을 경계하는 분도 계시기 때문에 이런 식물이 아니라는 점을 분명히 해두는 게 중요합니다. 생체모독제는 네모드 침입에 대항하는 '인포화' 역할을 합니다. 그들은 식물의 내부 기계장치를 동원하여 식물을 네마토드로부터 보호하는 동시에, 동시에 네마토드 사망을 일으키는 화합물을 생산함으로써 그 효과를 달성합니다. 생균제를 사용하여 생산되는 식물은 농작물 수확량이 훨씬 좋고 해충에 대한 내성이 더 높지만, 어떤 유용한 특성을 가지기 위해 인공적으로 재배한 다른 식물들과 다를 바 없습니다. 게다가, 생물 자극제 자체는 다른 아무것도 아닌, 이미 토양에 살고 있는 박테리아의 산물이기 때문에, 정말로 자연스럽습니다. “

 

이 돌파구는 식물과학의 프런티어지에 실린 논문에 실렸다. 3개의 서로 다른 연구기관에서 온 블라이우스 박사의 우크라이나 협력자는 빅토리아 티간코바(바이오르가닉 화학 및 페트로케미스트리, 리우드밀라 빌리아브스카, 갈리아 이우틴스카(미생물학과 비롤로지, 미생물학, 식품유전자공학, 유전공학) 교수였다.

바이오스티물 개발에 관한 실험 연구를 이끈 갈리나 이우틴스카 교수는 다음과 같이 말했다.

"이 작업은 매우 흥미진진합니다. 왜냐하면 우리의 생체 자극제는 유전적으로 변형되지 않은 자연 발생 토양 박테리아의 산물에서 얻어지기 때문입니다. 이것의 중요성은 화학 살충제와 달리 이러한 생균제는 유기농 농사의 맥락에서 기생충으로부터 다양한 농작물을 보호하는 데도 사용될 수 있다는 것인데, 이것은 특히 어려운 문제입니다. 게다가 이러한 생체모독제는 화학 살충제를 대체하거나 사용을 크게 줄일 수 있어 환경에 미칠 수 있는 부정적인 영향을 제한할 수 있습니다.“

다음 단계는 여러 가지 성분을 가진 생물 종자가 어떻게 토양에서 씨앗과 뿌리에 의해 흡수될 수 있는지에 대한 보다 진보된 수학 모델을 개발하는 것이다; 그리고 가장 최근에 확인된 유전적 목표들 중 어느 것이 가장 효과적인지를 확인하는 것이다.

서섹스 생명과학 대학의 교수이자 벌의 개체수 감소에 대한 세계적인 전문가인 데이브 굴슨은 다음과 같이 말했다.

"농사에 재래식 살충제를 많이 사용하면 생물다양성에 큰 해를 끼쳐 토양과 수로가 유해독소로 오염된다는 인식이 커지고 있습니다. 우리는 농작물 해충을 통제하기 위한 대안적이고 지속 가능한 수단을 시급히 찾아야 합니다.“

블라이우스 박사의 이 연구는 서섹스 대학교(DISCUS)의 학제간 데이터 집중 과학 센터에 의해 지원되었다.

 

황지혜 인턴기자  sustainability@sjournal.kr

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