토마토 유전체 완전 해독! 맞춤 재배 가능해질까?

여러분, 토마토 좋아하시나요?
토마토는 우리가 즐겨먹는 채소이자 가지, 고추, 감자 등과 같은 가지과 식물의 연구모델식물로서, 연간 세계 교역량이 10조원에 달하는 중요한 채소작물인데요, 8년 만에 토마토 유전체의 전체 염기서열이 국제 공동연구에 의해 모두 해독되었습니다!

*가지과 식물 : 고추, 토마토, 감자, 가지, 담배 등을 포함하는 식물군으로 식량, 채소, 기호식품, 화훼 및 약용식물로 전세계적으로 재배되고 있으며 진화적으로 가장 종 분화가 다양하게 일어난 식물 분류군 중 하나로 지구상에 약 3,000종이 서식하고 있음.

@burgundavia / http://www.flickr.com/photos/coreyburger/4640025475


이 연구는 국내 연구진을 포함한 14개국 3백여 명의 과학자가 참여했으며 국내에서는 교과부 21세기 프론티어 작물 유전체 기능연구 사업단(단장 최양도)과 한국생명공학연구원(원장 정혁)의 지원을 받아 서울대 최도일 교수팀과 한국생명공학연구원 허철구 박사팀이 참여하였습니다.

이번 토마토 유전체 염기서열 분석은 국제 컨소시엄을 구성하여 12개의 염색체를 참여국가에 하나씩 나누는 방법으로 진행되었으며, 한국은 2번 염색체를 할당 받아 분석을 진행했습니다.

한편 염기서열분석 방법은 인간유전체 분석에 활용된 1세대 염기서열 분석 방법으로 시작하여 최종적인 마무리는 차세대 염기서열 분석장비(NGS)를 이용하는 방법으로 진행하였으며, 하나의 야생종을 포함하여 재배되는 토마토의 질높은 유전체서열을 감자유전체와 비교하여 보고했습니다.


* 1세대 염기서열분석: 1977년 Sanger교수가 개발해 노벨상을 수상한 염기서열 분석 방법으로 인간 유전체 및 애기장대 유전체 분석에 쓰임.

* NGS (차세대염기서열분석 방법): 2000년대 이후 유전체 분석 수요가 늘면서 개발된 염기서열 분석방법으로 Illumina사가 개발한 Genome Analyzer, Roche사가 개발한 454 GS FLX등의 기종이 있으며 최신기종의 경우 인간 유전체의 100배 분량의 서열을 10일 내에 생산해 낼 수 있음.

그 결과, 재배되는 토마토는 야생토마토와 서열상에 0.6%, 감자와는 8% 변이가 일어났으며 유전체상의 염색체 재배열을 관찰 할 수 있었습니다. 애기장대와는 다르지만 콩과는 유사하게 토마토의 small RNA 유전자는 유전자가 많은 염색체 부위에 존재했으며, 토마토 염색체는 진화과정상 세 번의 배수화가 진행되었습니다. 즉, 토마토 열매의 특성, 색깔 및 과육의 특성은 이러한 염색체 진화과정을 통해 진화된 것으로 판단됩니다.

국제컨소시엄을 통한 토마토 전체 유전체 서열분석

9억 염기쌍의 DNA로 구성된 토마토 유전체의 염기서열 정보는 35,000여 개의 토마토 유전자 기능정보 뿐만 아니라 유전자의 배열 및 구성, 그리고 유전체 구조 등 광범위한 내용을 담고 있기 때문에 이러한 토마토 유전체 정보는 육종 기술개발을 가속화하여 생산성 높은 고품질의 토마토를 생산하는데 도움이 될 것으로 보입니다.

무엇보다 유전체 정보를 이용하면 초기 단계에서 종의 품질을 확인할 수 있어 육종연한 및 비용을 절반이상 감축할 수 있으며, 비타민 A․C, 캡사이신(매운성분) 등 가지과 식물의 유용한 2차 대사산물의 생합성과정과 종분화 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 또한, 이 정보를 같은 가지과 식물인 고추, 감자 등에 활용하면 다양한 고품질의 신품종 농산물을 만들 수도 있겠죠.

토마토 유전체와 다른 가지과 식물 유전체의 유사성

최도일 교수팀은 토마토 유전체 정보 분석을 통해 축적된 기술력을 바탕으로 고추의 유전체 분석을 독자적으로 진행하고 있는데요, 최도일 교수는 “이번 연구결과가 육종기술개발 및 유전자의 진화 및 종분화 연구에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.”고 밝혔습니다.

이번 연구결과는 생명과학분야 최고 학술지인 네이처지에 5월31일 게재되었으며, 염기서열 관련 정보는 홈페이지(http://solgenomics.net/tomato)를 통해 확인할 수 있습니다.

자료 |
교육과학기술부 보도자료(http://mest.korea.kr/gonews/branch.do?act=detailView&dataId=155831076&sectionId=b_sec_2&type=news&currPage=3&flComment=1&flReply=0)

 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기


여러분 모두들 CSI를 보셨나요? 보시진 않았어도 아마 다들 들어보셨을 단어가 아닌가 싶습니다.
CSI는 법의학을 바탕으로 과학수사를 펼쳐나가는 미국의 인기 드라마입니다.

과거에 실제로 일어났던 범죄를 연상시키는 연예인 독살사건, 희대의 연쇄살인마, 마약밀매 사건 등을 풀어나가는 CSI 법의학자들의 고군분투를 보며 시청자들은 땀을 쥐면서 보았을 것입니다. 이런 장르의 드라마와 영화가 현재 많이 방영되고 있는데요. 얼마 전 우리나라에서도 방영되었던 싸인이 한국의 대표적 법의학 드라마가 아닌가 싶습니다. 이런 것을 많이 접하고 있다 보니 오히려 보는 사람에게 범죄방법과 수사망을 피하는 방법을 알려줘 오히려 예비 범죄자를 양성하고 있다는 우려의 목소리도 나오고 있는데요.

미드 CSI3 한장면

하지만 과연 그럴까요?
과학 앞에 완벽한 범죄는 존재할 수 없습니다. 앞으로 펼쳐질 과학수사의 방법을 보신다면 누구라도 쉽사리 범죄를 저지를 수 없을 것입니다. 그럼 이러한 첨단과학수사를 한번 만나보러 가실까요?

과학수사에 있어서 가장 많이 쓰이는 방법은 바로 지문감식입니다. 지문이란 손가락 끝 피부에 있는 땀샘의 입구가 융선에 따라 만들어지는 모양 또는 이 융선의 형태를 만드는 모양이 물체의 표면에 부착된 후 만들어진 자취를 말하는데요, 지문감식은 바로 이러한 지문을 범인이 두고 간 물건이나 현장에 있던 물건에서 채취하여 증거로 확보하는 것을 이야기합니다. 지문은 기본적으로 모두 다르며 평생 변하지도 않습니다. 일란성 쌍둥이조차도 지문이 다르기 때문에 개인 인증이나 범죄수사에서도 사용되고 있습니다.
[##_1C|cfile22.uf@125A18384F28D68E2B80CA.jpg|width="500" height="334" alt="" filename="cfile22.uf@125A18384F28D68E2B80CA.jpg" filemime=""|출처:플리커(@|Chris|(http://www.flickr.com/photos/33852688@N08/4599271172)_##]
지문에 대한 관심은 1880년 영국 외과의사 헨리 폴즈(Henry Faulds)가 각 사람마다 지문에 차이가 있다는 논문을 최초로 발표하면서 시작됩니다. 그 후 1892년 영국의 유전·통계학자 프랜시스 골튼이 이 논문을 통계적으로 입증하는데 성공하였고 ‘핑거프린트(지문)’라는 저서를 통해 지문의 패턴과 형태에 대해 다루었습니다. 그리고 골튼의 저서를 심도 있게 연구하던 크로아티아계 아르헨티나 경찰관 후안 부체티크가 두 아들을 살해한 프란시스카 로하라는 범인을 지문을 이용하여 검거함으로써, 지문이 실제 수사에 본격적으로 사용되기 시작했다고 합니다. 특히 1897년에는 인도의 캘커타에서 총독령에 의해 범죄수사에 지문을 적극적으로 활용하는 부서가 설치되었으며 이후 지문국이 설치되기에까지 이르렀습니다.

프랜시스 골튼이 연구 할 때 썼던 지문들

 

DNA 지문법 

일반적으로 사람들은 과학수사에 사용되는 지문법을 손가락 끝에 있는 지문을 이용한 방법만 있다고 생각하기 쉬운데요, DNA 지문법 역시 자주 사용되고 있습니다. 물론 DNA 지문법은 사람의 손가락에 있는 지문을 이용하는 방법은 아닙니다. 미드 CSI를 보다보면, 손톱 밑에 남아있는 상피세포를 채취하는 장면을 보실 수 있는데요, 이처럼 혈액이나 상피세포 등을 이용해 DNA를 추출하여 범인을 색출하는데 사용되는 것이 바로 ‘DNA 지문법’입니다.

DNA 이중나선(출처:위키피디아)

DNA 지문법은 1985년 영국의 레스터 대학 유전학 교수인 알렉 제프리(Alec Jeffrey)에 의해 처음으로 소개되었습니다. 그는 DNA 상의 특정 부위가 개인차가 심해 동일한 것이 없고 그 형태 또한 천차만별인 것을 발견했습니다. 마치 손가락의 지문과 같이 말이죠. 일란성 쌍둥이를 제외하고는 각 개체마다 모두 다른 패턴으로 존재했기에 DNA에 있는 지문과 같다고 하여 ‘DNA 지문’이라고 했습니다.(레포트, 'DNA 지문(DNA fingerpinting)'참조) DNA 지문법은 바로 이 부분을 분석하여 개개인을 식별하는 방법을 말하며, 알렉 제프리가 처음 고안해 낸 DNA 지문 감정기술은 RFLP(제한효소 절편길이 다형성)였습니다. RFLP에 대해서는 아래에서 다시 이야기하도록 하겠습니다.

범죄 수사에서뿐만 아니라 친자 확인, 심지어 선사 시대 동물의 진화 연구에 이르기까지 DNA지문법은 중요하게 사용되고 있는데요, 그렇다면 이러한 DNA 지문을 판독하는 방법은 어떤 것들이 있을까요?

DNA 지문법 중 우선적으로 VNTR 및 STR법을 들 수 있습니다. 인간의 DNA에는 초변이성 단위반복구조가 존재하며, 염기의 단위는 2개부터 수백 개에 이르기까지 다양합니다. STR(짧은연속반복서열(Short Tandem Repeat)은 2~7개의 염기가 한 단위가 되어 연속적으로 반복하여 만들어지는 반복염기서열이며, VNTR은 수십개(14~70 bp) 염기 단위의 반복염기서열을 말하는데, 이 둘은 일정한 중심염기서열이 직렬반복 됨으로써 나타나는 반복염기서열입니다. 반복단위의 반복횟수는 사람에 따라 모두 다르고 여러 형태로 나타나기 때문에 VNTR 및 STR법은 이 VNTR과 STR 부위의 단위 반복의 횟수 차이로 증폭된 DNA 단편의 길이의 차를 이용하여 개개인을 식별하게 됩니다.

제한효소 절편길이 다형성 서던탁본법

다음으로 ‘제한효소 절편길이 다형성(Restriction Fragment Length Polymorphism, RFLP)’ 법에 대해 알아볼까요? RFLP는 염기서열의 특정 부위에 점 돌연변이가 발생하면서 제한효소로 이 부위를 절단했을 때 생기는 절편의 길이가 사람마다 모두 다르게 나타나는 점을 이용한 분석법으로, 이렇게 조각된 DNA를 젤 전기영동의 방법을 사용하면 서로 다른 띠 모양을 볼 수 있으며 이를 통해 개개인을 식별할 수 있습니다. (책 ‘DNA: 생명의 비밀’, 제임스 D.왓슨)

범죄 현장을 예로 들어보도록 하겠습니다. 범행현장에서 발견된 머리카락 등에서 DNA를 추출하고, 용의자로부터도 DNA를 추출하여 이를 제한효소로 처리한 후에 전기영동 처리하여 DNA 띠가 동일한 패턴인지를 확인하거나 DNA검색시스템 CODIS와 같은 프로그램을 이용하여 범인을 가려내게 됩니다.

DNA(@micahb37 / http://www.flickr.com/photos/micahb37/3080247531)

하지만 현재 대부분의 국가에서는 '중합효소연쇄반응(PCR)'법을 사용하고 있습니다. 1985년, 캐리 멀리스(Kary B. Mullis)에 의해 개발된 PCR은 DNA를 분리 추출한 후 특정 부분을 대량으로 증폭시켜 증폭된 DNA를 전기영동하여 크기별로 나열한 후 그 차이를 분석, 판독하여 유전자형의 일치 여부를 가려내는 방법입니다.

이처럼 DNA 지문법은 일반적으로 완전한 지문이 있어야만 하는 지문 감식과 달리 머리카락이나 혈흔 등 체세포 몇 개만 있으면 판단이 가능하기 때문에 제약조건이 적은 신원확인 수단이라고 할 수 있습니다.

그렇다면 DNA 지문법이 과학수사에서 처음 적용된 것은 언제였을까요? 가장 처음 적용된 것은 1983년 영국에서 발생한 살해사건에서였습니다. 3년 뒤에도 같은 형태의 살해사건이 발생하자 경찰은 이 두 사건의 용의자를 동일인으로 추정했고 범인으로 한 소년을 체포하였습니다. 이 소년은 첫 번째 사건은 자신이 저질렀으나 두 번째 사건은 자신이 한 짓이 아니라고 주장했고 영국경찰은 새로운 유전자 지문 분석 기술이 개발되었다는 것을 알고 의뢰하게 됩니다. 이때 사용된 것이 알렉 제프리가 개발한 유전자 지문기술입니다. 결국 이를 통해 범인으로 지목되었던 소년이 범인이 아니라는 것이 밝혀져 자백에도 불구하고 석방되었으며, 이후 실제 범인을 찾아내는데도 DNA 지문법이 큰 공헌을 하게 됩니다. 미국에서 처음 적용된 것은 1987년 11월, 플로리다에서 발생한 성범죄 사건에서였습니다. 이 사건에서 최초로 DNA 지문법을 적용하여 범인에게 22년의 징역형 선고를 내렸습니다. 이후 1989년 4월 캐나다에서는 연금을 받는 부녀자들을 대상으로 한 연속 강간사건을 DNA 지문법을 통해 해결한 사례도 있습니다. 국내의 경우, 1992년 5월 의정부에서 발생한 어린이 강간 추행사건을 해결한 것이 최초였는데요, 이후에도 DNA 지문법은 다양한 강력범죄에서 그 역할을 톡톡히 해내고 있습니다.


글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 최 형 일
자료참고 | 위키백과 ‘지문’, REPORT 'DNA지문검사(DNA finger printing)',
책 ‘DNA: 생명의 비밀’, 제임스 D.왓슨


 

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