2020 노벨화학상, 인류의 새로운 희망 ‘유전자 가위’

올해 노벨화학상은 크리스퍼 유전자 가위를 발견한 프랑스 출신의 에마뉘엘 샤르팡티에(Emmanuelle Charpentier)과 미국 출신의 제니퍼 다우드나(Jennifer A Doudna) 2명의 여성 과학자에게 돌아갔다.

스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회는 수상 사유에 대해 “2020년 노벨화학상 수상자로 선정된 에마뉘엘 샤르팡티에 독일 막스플랑크연구소 교수와 제니퍼  다우드나 UC버클리 교수는 ‘크리스퍼 / 카스9(CRISPR / Cas9)’ 유전자 가위를 발견했다”며, “DNA를 매우 정밀하게 편집할 수 있는 이 유전자 기술은 생명과학에 혁명적인 영향을 미쳤기 때문이다”라고 7일 설명했다.

2020년 노벨화학상 수상자 에마뉘엘 샤르팡티 독일 막스플랑크연구소 교수(왼쪽)와 제니퍼 다우드나 UC버클리 교수 [출처: 노벨위원회]

2012년 크리스퍼를 활용한 유전자 가위를 만드는데 최초로 성공한 다우드나 교수와 샤르팡티에 교수는 수년간 노벨상 0순위로 꼽혔다.

유전자 가위는 동식물 유전자에 결합해 특정 DNA 부위를 자르는 데 사용하는 리보핵산(RNA) 기반의 제한 효소(restriction enzyme, 制限酵素)다, 즉 유전자의 잘못된 부분을 잘라 제거해 문제를 해결하는 유전자 교정 기술을 말한다. 

유전자 가위는 쉽게 말해 지퍼(DNA)가 고장 났을 때 이빨이 나간 부위(특정 유전자)만 잘라내고 새로운 지퍼 조각을 갈아 끼우는 ‘유전자 짜 집기’ 기술로 불리기도 한다. 

제한 효소란 DNA를 절단하는 엔도뉴클리아제(Endonuclease)의 일종이다. DNA의 염기서열 중 수개에서 수십 개(정확히는 21개)의 염기 배열 부분을 식별해 절단하는 효소를 말한다. 긴 DNA 분자를 정하여진 장소에서 일정한 수로 절단할 수가 있기 때문에 유전공학에서 유전자를 잘라내는 가위로써 사용되고 있다.

유전자 가위인 크리스퍼가 처음 발견된 해는 1987년으로 일본에서다. 처음에 발견되었을 때는 단순히 '주기적으로 간격을 띄우고 분포하는 짧은 회문 구조의 반복 클러스터(CRISPR, Clustered Regulary Interspaced Short Palindromic Repeats)'라는 긴 이름을 붙였으나, 2002년에 크리스퍼라는 이름을 공식적으로 붙였다. 

012년 다우드나 교수와 샤르팡티에 교수가 발표한 논문(A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity) 그림. [출처: 사이언스]

크리스퍼의 생물학적 기능은 2010년과 2011년에 밝혀졌고, 크리스퍼와 Cas9 효소를 이용해 유전자를 절단하는 데 성공한 것은 2012년이다. 

당시 미국 UC버클리 다우드나 교수와 독일 하노버대 샤르팡티에 교수가 이끄는 공동연구팀은 크리스퍼 적응면역에서 중요한 역할을 하는 'Cas9' 단백질을 세균에서 찾아냈다고 논문(A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity)을 발표했다. 

세균의 DNA(21개 염기)가 RNA로 전사되고, 이 RNA와 Cas9이 결합해 외부에서 침투한 바이러스의 DNA를 자른다는 것을 발견했다. 새로운 유전자 가위가 탄생하는 위대한 순간이었다. 

다우드나 교수와 샤르팡티에 교수가 2012년 CRISPR / Cas9 유전자 가위를 발견한 이후로 생명과학계에서는 사용이 폭발적으로 증가했다. 

이후 유전자 가위는 기초 연구에서 많은 중요한 발견에 기여했다. 식물 연구에서는 곰팡이, 해충 및 가뭄에 견디는 작물을 개발할 수 있었다. 의학에서는 새로운 암 치료법에 대한 임상 시험이 진행 중이다. 

특히 수만 가지에 이르는 유전질환을 치료할 수 있는 가능성이 열린 것이다. 이 유전자 가위는 생명과학을 새로운 시대로 이끌었으며, 인류에게 새로운 희망을 가져다주고 있다.

국내 최초로 전 세계 유전자 가위(CRISPR/Cpf1) 논문 수십 편을 집중분석 보고서를 발간한 차원용 아스팩미래기술경영연구소장은 “생명과학자들은 최근 3세대를 넘어 보다 정확하고 표적에 특이적인 3.5세대 유전자 가위(CRISPR/Cpf1)를 발견하고 개발했다”고 말했다, 

그러면서 “현재 유전자 가위는 인간세포와 동식물세포의 유전자를 마음대로 교정(Editing)하는 데 사용한다. 암과 에이즈 등뿐만 아니라 더 나아가 희귀난치병 치료나 작물•가축개량•미래식량(Clean meat) 분야에서 유전자 가위 혁명이 빠르게 확산되고 있다”고 설명했다.

한편, 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단 김진수 수석연구위원(전 서울대 화학과 교수)에 대해서도 관심이 모아지고 있다. 

2016년 8월, 유전자 교정에 대해 10년 가까이 논문을 다룬 생명과학 및 화학분야 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature biotechnology)’에는 3.5세대 유전자 가위 권위자인 MIT와 하버드대학의 공동연구소인 브로드연구소(Broad Institute)의 펭 장(Feng Zhang) 박사의 3.5세대 CRISPR/Cpf1의 메커니즘을 활용한 연구 성과 3편이 실렸다. 그런데, 공교롭게도 모두 우리나라 연구팀의 연구 성과였다.

김진수 교수 연구팀의 논문이 2편, 서울아산병원 아산생명과학연구원 및 울산의대의 연구팀의 논문이 1편 등이다. 3편의 논문들 중 2편은 807~808페이지와 808~810페이지에 실린 2페이지의 논문들이고, 863~868 페이지에 실린 논문은 김진수 교수 팀의 논문이다. 이들 3편은 2016년 6월 6일에 온라인판에 공개됐던 논문들이다. 

특히 김진수 연구위원은 2016년 새로운 절단효소를 장착한 3.5세대 신형 유전자가위인 크리스퍼 Cpf1(CRISPR Cpf1)의 정확한 성능을 자체 개발한 실험방법으로 처음으로 입증했다. 이는 펭 장 박사도 이를 정확히 밝히지는 못한 연구 결과다. 

김민중 기자 sciece@