1-15. 유전자 전환

1. 유전자 전환

1) 유전자 전환

• 다른 생물의 유전자(DNA)를 벡터(유전자 운반체, 아그로박테리움 방법) 또는 물리적 방법(입자총 방법)에 의해 직접 도입하여 형질전환식물을 육성하는 기술
• 이 기술을 이용하는 육종을 형질전환육종이라 함
• 아그로박테리움(Agrobacterium) 방법은 입자총보다 효과적이며, 입자총 방법은 삽입되는 유전자 사본수는 많지만 성공확률은 더 낮음
• 세포융합에 의한 체세포잡종은 양친의 게놈을 모두 가지므로 원하지 않는 유전자도 있지만, 형질전환식물은 원하는 유전자만 가짐

2) 형질전환 육종

 ① 형질전환 육종 단계

• 1단계 : 다른 생물에서 원하는 유전자(DNA)를 분리하여 클로닝 실시
• 2단계 : 클로닝한 외래유전자를 벡터에 재조합하여 식물세포에 도입(입자총, 아그로박테리움 방법)
• 3단계 : 재조합 DNA를 도입한 식물세포를 증식하고 식물체로 재분화시켜 형질전환식물을 선발
• 4단계 : 형질전환식물의 특성을 평가하여 신품종으로 육성

 ② 형질전환품종 사례

• 내충성 품종 : Bacillus thuringiensis(바실루스 투링기엔시스)의 Bt 유전자를 도입
• 바이러스 저항성 품종 : 담배모자이크바이러스(TMV)의 외피단백질 합성 유전자를 도입
• 제초제 저항성 품종
•    - 글리포세이트[glyphosate(round up)] 저항성 유전자 : Salmonella typhimunrium 의 aroA 유전자 도입
•    - bialaphos, basta 저항성 유전자 : Streptomyces hygroscopicus 의 bar 유전자 도입
• 최초의 형질전환 품종 : 토마토의 플레이버세이버(Flavr Savr, 미국, 1994)

③ 형질전환

• 형질전환 기술은 식물이나 동물 또는 미생물의 특정 유전자를 대상 작물에 도입시켜 그 유전자가 발현하도록 작물을 형질전환 시키는 기술
• 원하는 형질을 발현하는 생물체(식물, 동물, 미생물)의 관련 유전자를 선정하고, 여러 가지 방법으로 염색체상의 유용유전자 위치를 찾아 시험관 내에서 원하는 부위를 절단하거나 기계적으로 합성하는 기술
• 유용유전자를 벡터라고 불리는 DNA 운반체에 연결한 후 식물체에 도입하여 특정 형질을 발현 또는 억제시켜 원하는 식물체를 획득하는 것
• 꽃가루에 의한 유전자 이동빈도는 엽록체 형질전환체(모계유전)보다 핵형질전환체가 더 많음

2. 아그로박테리움을 이용한 형질전환 작물 개발

1) Agorobacterium tumefaciens 를 이용한 새로운 유전자의 도입

• 토양세균인 아그로박테리움은 식물의 종양 형성에 관여하는 Ti(tumor inducing)-plasmid 라는 유전물질을 세포 내에 가지고 있음
• 이 세균이 쌍떡잎식물의 상처 부위에 감염되면 Ti플라스미트 내에 있는 전이 DNA를 분리하여 식물세포의 염색체에 삽입시킴
• 전이된 유전자의 지시에 따라 식물세포는 식물호르몬을 과량 만듦으로써 종양화시킴

2) 형질전환 기술의 사례

• Flavr -Savr(1994) : 쉽게 무르지 않는 연화지연토마토 개발 및 상업화
• Roundup Ready(1995) : 몬산토의 제초제 저항성 콩 상품화
• Yieldgard Plus(1995) : 내충성 목화의 상업화
• Bollgard(1996) : 내충성 목화의 상업화
• Golden Rice(2000) : Potrykus 에 의해 비타민 A가 강화된 황금쌀 개발

3. 유전자 이식작물 개발

① 연화지연 토마토

• Flavr-Savr 토마토는 세계 최초 유전자가 조작(안티센스 유전자 삽입)된 비가공 생산품으로 미국 시장에 출시됨
• 비전사 기술을 이용한 오랫동안 물러지지 않는 토마토 개발
•    - mRNA를 전사(sense)라 하며
•    - mRNA와 상보적 서열을 지닌 RNA는 비전사(antisense)라고 함
•    - 비전사 기술은 mRNA와 결합할 수 있는 상보적인 염기서열을 이용해 단백질 합성을 억제하는 기술에 해당됨

② 제초제 저항성 작물

• 비선택성 제초제인 Roundup(glyphosate)에 대한 저항성을 가진 유전자를 야생의 피튜니아, 대장균, 아그로박테리움 드에서 발견
• 이 저항성 유전자를 콩에 도입하여 Roundup 저항성 콩 품종을 육성

 ③ 해충 저항성 작물

• Bt 유전자 : 박테리아의 한 종인 토양세균 Bacillus thuringiensis(Bt)는 곤충들을 죽일 수 있는 독소 단백질을 생산함
•    - 독소 단백질의 특성에 따라 나방의 유충만 죽이는 Btk 아종
•    -                                     파리목 유충을 죽이는 Bti 아종
•    -                                     딱정벌레 유충을 죽이는 Btt 아종
•    - 이들은 약효가 강하고 오래가며, 가축이나 사람에 비교적 안전하여 공해 유발이 적음
• Nema 유전자 : 감자, 토마토, 사탕무에는 선충을 죽이는 단백질 효소 억제제의 특허 유전자인 Nema 유전자가 도입됨

 ④ 영양성분이 다른 작물

• camola(Brassica napus) 종자는 식품과 세제 생산에서 사용되는 포화지방산인 lauric acid 를 생산하도록 유전자조작이 이루어짐

3. 유전자변형 농산물(GMO)

 ① GMO의 재배면적 비율 : 콩(50%) > 옥수수(21%) > 목화(14%) > 유채(5%)

 ② 국가별 GMO 비율 : 미국(63%), 아르헨티나(21%), 캐나다(6%), 중국(4%)

 ③ GMO 분류

세     대	특              성
제1세대	* 생산성을 향상시키는 기능 부여
	* 제초제 저항성(aro A, bar 유전자), 병해충 저항성 작물 개발(Bt 유전자)
	* 농민 등 생산자에게 이점 제공
	* 예) Roundup Ready, Soybean, Bt-corn, Glyphosate Resistant Canola
제2세대	* 가공특성을 향상시키는 기능 부여
	* 지방산 조성이 변화한 콩, 과숙억제 과일 개발
	* 유통, 가공업자에게 이점 제공
	* 예) Flavr Savr
제3세대	* 작물의 부가가치를 향상시키는 기능 부여
	* 비타민 보강 쌀, 항암제 함유 약용식물 개발
	* 소비자에게 이점 제공
	* 예) Golden Rice

 ④ 생물재해

• 형질전환 식물이 자연과 경지생태계에 미치는 영향과 유전자변형 농산물의 생물체에 미치는 영향을 면밀히 검토하여 예상치 못한 생물재해에 대비할 필요가 있다.