바로가기 메뉴
메인메뉴 바로가기
본문 바로가기

주간조선 로고

상단주메뉴

  • [과학 연구의 최전선]  유전자가위 연구자 김형범 연세대 교수
  • facebook네이버 밴드youtubekakao 플러스친구
  • 검색
  1. IT/과학
[2679호] 2021.10.18
관련 연재물

[과학 연구의 최전선]유전자가위 연구자 김형범 연세대 교수

최준석  선임기자 jschoi@chosun.com 2021-10-22 오전 9:58:37

photo 이신영 영상미디어 기자
김형범 연세대 의대 교수가 유전자가위 연구를 시작한 건 2010년 미국 유학을 마치고 귀국하면서다. 차의과학대학 교수가 되었으나 신임교수라 연구비도 없고 연구시설도 없을 때였다. 물론 연구를 같이할 학생도 없었다. 그때까지 진행하던 연구도 이제 더 이상 하지 않기로 했다. 박사과정(연세대·지도교수 서활)과 박사후연구원(미국 애틀랜타 에모리대학·담당교수 윤영섭) 때의 조직공학(Tissue engineering)과 줄기세포 연구를 접었다. 대신 떠오르고 있던 유전자가위에 주목했다. 당시 한국 내 유전자가위 연구자는 김진수 서울대 교수(현 기초과학연구원(IBS) 유전체교정 연구단 단장)밖에 없었다. 유전자가위는 DNA 내 유전자 교정을 할 수 있는 생명과학의 도구다. 망가진 유전자를 제거하거나 보수할 때 사용된다. 질병치료는 물론 새로운 동식물 품종개량을 할 수 있어 활용 가능성이 무궁무진하다.
   
   
   2010년 유전자가위 연구에 뛰어들다
   
   교수가 되고 6개월 동안 유전자가위 논문만 읽었다. 반년을 공부하니 낯선 분야이지만 뭘 연구해야 할지가 보였다. 김진수 서울대 교수에게 연락했다. 그로부터 배우는 한편, 공동 연구를 했다. 2011년 과학학술지 ‘네이처 메소드(Nature Methods)’에 공동 논문을 한 편 발표했다. 유전자가위 분야에서 김형범 교수의 데뷔 논문이었다. 지난 9월 7일 서울 신촌의 연세대 의대 에비슨의생명연구센터 5층 연구실에서 만난 김형범 교수는 “그때 연구비도 없고, 연구실도 없었던 게 다행이었다. 그렇지 않고 뭔가 할 수 있었다면 엉뚱한 실험을 했을 것이다”라고 말했다.
   
   그가 유전자가위 연구를 시작한 2010년과 지금은 사정이 크게 달라졌다. 유전자가위 자체도 10여년 전에는 1세대 유전자가위(ZFNs·아연손가락 핵산분해효소·Zinc Finger Nuclease)가 사용됐다. 하지만 지금은 2세대 유전자가위(TALENs·탈렌)를 지나 3세대인 크리스퍼(CRISPR) 유전자가위가 개발됐다. 크리스퍼가 나온 뒤 교정의 정확도가 올라가고 유전자 조작이 대단히 쉽게 되었다. 생명과학의 기초 연구나 질환 연구에서 크리스퍼 가위는 보편적으로 사용되고 있다. 한국의 유전자가위 연구자 수도 많이 늘어났다.
   
   김 교수는 “근래 생명과학 분야의 가장 큰 돌파구는 크리스퍼 가위”라고 말했다. 크리스퍼 가위는 개발자 두 사람이 지난해 노벨화학상을 받으면서 그 중요성이 주목받은 바 있다. 수상자는 프랑스의 에마뉘엘 샤르팡티에(독일 막스플랑크감염생물학연구소)와 미국의 제니퍼 다우드너 교수(버클리-캘리포니아대학). 샤르팡티에와 다우드너의 크리스퍼 가위 연구 결과는 2012년 6월 과학학술지 사이언스에 처음 논문이 나왔다.
   
   크리스퍼 가위는 크게 두 덩어리로 되어 있다. RNA(리보핵산)서열과, Cas9(캐스9)이라는 단백질이다. RNA서열은 유전자 교정을 하게 될 대상의 염기서열에 결합하며, 그래서 ‘안내(guide) RNA’라고 불린다. Cas9단백질은 안내RNA의 길 안내를 받아 표적 DNA염기서열을 자르게 될 가위다. 샤르팡티에와 다우드너는 가위로 Cas9단백질을 사용했고, 그래서 이들이 노벨상을 받은 유전자가위는 좀 더 정확히 말하면 크리스퍼-Cas9이다.
   
   김형범 교수는 “크리스퍼-Cas9 가위만 해도 이미 고전적인 유전자가위에 해당한다”면서 다음 세대 유전자가위가 쏟아지고 있다고 했다. 김 교수는 “크리스퍼-Cas9의 경우 DNA이중나선 두 가닥을 끊어낸다. 지금부터는 DNA를 자르지 않는 유전자가위에 관해 설명하겠다”라고 말했다. 현재 가장 주목받는 유전자가위 개발자는 하버드대학 및 브로드연구소(Broad Institute of MIT and Harvard) 소속인 데이비드 류(Liu) 교수다.
   
   

   3세대까지 진화한 유전자가위 기술
   
   김 교수에 따르면 데이비드 류는 2017년, 2018년, 2019년 3년 내리 최상위 과학학술지 ‘네이처’에 새로운 유전자 교정 기술을 내놓았다. 2017년에는 염기 4종류(A·T·G·C) 중 ‘C’염기를 ‘T’염기로 바꿀 수 있는 기술을, 2018년에는 ‘A’를 ‘G’로 바꾸는 염기교정술을 내놓았다. ‘프라임 에디팅(Prime editing)’ 기술을 내놓은 건 2019년이다. 프라임 에디팅은 2017년, 2018년에 내놓은 ‘염기교정술’과는 다르다. 기술적인 설명을 하는 건 쉽지 않으니 ‘크리스퍼-Cas9’과 비교해 ‘프라임 교정’의 교정술이 크게 향상됐다고만 알자. 한 차이를 보면 크리스퍼-Cas9은 DNA이중나선 두 가닥을 모두 잘라내나 ‘프라임 에디터’는 한쪽만 잘라낸다. 한쪽만 잘라냄으로써 교정 능력의 정확성과 효율성 모두를 높게 얻을 수 있다.
   
   김형범 교수 그룹은 데이비드 류가 개발한 유전자 교정술인 ‘프라임 에디터’를 사용해 처음으로 질병을 치료해냈다. 질병 표현형 치료 사례를 만들었다.(이걸 크리스퍼-Cas9 가위에 비교하면 이렇다. 2020년 노벨상 수상자 두 사람이 크리스퍼-Cas9 가위를 만들어냈다면, 인간세포에 실제 적용할 수 있는 기술을 개발한 사람은 김진수 IBS 유전체교정연구단 단장, 펑장 하버드대학 교수, 조지 처치 하버드대학 교수다.)
   
   김 교수 그룹의 연구 결과는 이번 인터뷰 1주일 전에 과학학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’에 나왔다. 이 학술지에 대해 김 교수는 “여기에 논문을 쓴다는 건 적어도 한국 박사과정 학생 중에서 5% 안에 든다는 것”이라고 말했다. 연구를 수행한 학생은 박사과정을 밟고 있는 장혜원씨다. 실험실에서 만난 장혜원씨는 “프라임 에디터는 크기가 크다. 그래서 생명체에 전달하기가 쉽지 않다. 그 문제를 해결한 게 성공적인 연구의 출발점이었다”라고 말했다. 유전자가위를 생쥐 안에 전달하려면 ‘바이러스 벡터’라는 전달 수단에 집어넣어야 한다. 바이러스는 유전체 길이가 작다. 작은 바이러스 안에 크기가 큰 프라임 에디터가 잘 들어가지 않아 김 교수 그룹은 프라임 에디터를 둘로 쪼개는 아이디어를 냈다. 그래서 바이러스 안에 집어넣을 수 있었다. 연구는 2019년에 시작했다.
   
   질병치료 사례 연구는 선천성망막질환으로 시력을 잃은 생쥐를 갖고 했다. 이 같은 유전자 변형 생쥐 모델을 만들어 갖고 있는 건 서울대 병원 안과의 김정훈 교수다. 김정훈 교수 그룹과 공동연구를 했다. 프라임 에디터를 생쥐 눈의 망막 아래에 찔러 넣었다. 유전자가위는 한 개가 아니라 수조에서 수십조 개를 만들어 생쥐 안으로 들여보낸다. 연구를 위해 유전자가위를 많이 만들었다.
   
   
   프라임 에디터로 망막을 치료하다
   
   김 교수가 자신의 방에 있는 컴퓨터 화면에 이미지를 하나 보여준다. 그는 몸이 좋지 않아 요즘 서서 일한다. 컴퓨터 책상도 서서 일하기 쉽게 높이가 맞춰져 있다. 높게 놓여 있는 화면에 C57BL/6, rd12, rd12-AAV-PE2라는 세 단어가 보인다. 정상 쥐(C57BL/6), 앞이 안 보이는 쥐(rd12), 그리고 김형범·김정훈 교수 그룹이 만든 새로운 생쥐(rd12-AAV-PE2)를 가리키는 단어들이다. 앞이 보이지 않는 쥐는 빛을 전혀 감지하지 못하나, 유전자가위를 사용해 치료한 생쥐는 거의 정상에 가깝게 빛을 감지했다.
   
   김 교수는 “눈이 유전자가위 치료를 하기가 좋다”라고 말했다. 한 눈을 치료하면 유전자가위를 찔러보지 않은 다른 눈은 좋은 대조군이 된다. 눈에는 유전자가위를 찌르기도 편하다. 또 눈에 찌르면 다른 곳으로 약이 퍼지지 않아 좋다.
   
   김형범 교수가 유전자가위 개발에서 특히 존재감이 큰 영역이 있다. 대량으로 유전자가위의 성능을 평가하는 데서 세계 최고라는 얘기를 듣는다. 그의 유전자가위 성능 대량평가 연구는 2017년 학술지 ‘네이처 메소드(Nature Methods)’에 처음 나왔다. 이후 매년 한두 편을 계속해서 내놓았다. 2018년(Nature Biotechnology)과 2019년(Science Advances)에 한 편, 2020년(Nature Biotechnology)은 두 편, 그리고 올해에도 한 편(Nature Biotechnology)을 이미 발표했다.
   
   유전자가위를 종전에는 하나씩 평가했다. 성능을 알기 위해서는 가위 복합체가 특정한 표적 염기서열에 잘 결합하고 잘 잘라내는지를 확인해야 한다. 유전자가위는 만드는 데 3~4일 걸리고, 성능 평가에는 또 2주가 소요된다. 성능 평가에 돈도 많이 든다. 김형범 교수 그룹이 대량 평가 기술을 개발하기 시작한 건 2015년부터다.
   
   “한 번 실험으로 수만 개의 유전자가위를 평가할 수 있는 신기술을 개발했다. 굉장한 기술이다. 일반인에게는 와 닿지 않는 이야기겠지만. 연구에 착수한 건 유전자가위 하나하나를 평가할 때 학생들이 너무 힘들어했기 때문이다. 10개, 20개 만들고 평가하려면 한 2주 걸리는데 너무 힘들어서 학생들의 얼굴이 구겨져 있다. PCR 돌리고 파이펫(pipet·실험실 도구) 작업을 하고, 만들고 성능 테스트하는 데 돈도 많이 들었다.”
   
   구체적으로 2017년 논문 내용을 설명해달라고 했다.
   
   “기존에 하는 방식은 안내RNA를 하나 만들고, 그걸 세포에 전달하는 것이다. 그리고 3일 후에 유전자가위 성능을 분석한다. 가위 성능 분석은, 목표로 삼은 세포의 DNA가 얼마나 망가져 있는지를 보면 된다. 유전자 파괴가 잘 되어 있는지를 보는 거다. 보통은 효율이 20~30%다. 나는 그렇게 하지 않고 한 번에 1만개를 만들어 이걸 동시에 평가한다. 안내RNA를 1만개 만들고 타깃으로 하는 염기서열을 거기에 같이 넣는다. 라이브러리를 만든 것이다. 라이브러리(library)는 도서관이라는 뜻이나, 여기서는 상관관계를 가진 데이터베이스 개념이다. 그런 뒤 Cas9단백질은 따로 넣는다. 이렇게 하면 유전자가위의 성능을 분석하기 위해서 타깃 염기서열만 보면 된다. 대상 DNA가 얼마나 망가져 있는지를 보면 된다.”
   
   
▲ 유전자가위의 성능을 평가하는 일은 하나하나 봐야 해서 고통스러웠다. 김형범 교수는 대량으로 분석하는 일에 성공했다. photo 김형범

   AI로 유전자가위 성능 평가 기술 개발
   
   이어 2018년에는 테스트하지 않아도 유전자가위 성능을 알 수 있는 방법을 개발했다. 2016년 인공지능(Deep Learning) 바둑 프로그램인 알파고가 이세돌 바둑 9단과의 대결에서 승리하는 게 계기가 되었다. 인공지능을 통해 유전자가위 성능을 예측하는 기술을 개발한 것이다. 관심을 갖고 있는 터에 서울대 공대 윤성로 교수(전기정보공학부)가 연세대에 와서 세미나를 하는 걸 알고 찾아가 만났다. 윤 교수 그룹과 미팅을 갖고 공동연구를 시작했다. 한 사람은 유전자가위를 모르고 다른 한 사람은 인공지능을 모르니, 상대방 분야를 조금씩 공부했다. 김형범 교수 그룹의 김희권씨(현 성균관대 교수·융합생명공학과)와 윤성로 교수 그룹의 민선우씨가 연구를 했다. 처음에는 실패했으나 6개월이 되었을 때 대량 측정 기술을 개발하는 데 성공했다. 김형범 교수의 연구는 유전자가위 분야에 인공지능을 사용한 첫 번째 응용 사례가 되었다.
   
   이후 나온 대량 분석 논문은 유전자가위의 구성요소를 달리해본 것이다. Cpf1(요즘은 Cas12a라고 불린다)가위단백질에 써보고, Cas9가위단백질에 적용해보고(2019년), 데이비드 류 하버드대학 교수가 개발한 염기교정술에 써보고(2020년 논문), 그리고 프라임 에디터로 연구(2021년 논문)하는 식으로 분야를 확장해왔다.
   
   김형범 교수의 연구 이야기는 다 들었나 싶었는데 김 교수가 지난 2월에 ‘셀’에 발표한 논문을 얘기하겠다고 했다. 셀은 최상위 생명과학 학술지다. 연구 내용은 ‘DNA시계’의 발견이다. 이 연구 역시 유전자가위에서 나왔다. 김 교수는 “자연계에는 시계가 여러 개 있다. 암석의 나이 측정에 사용하는 방사성 연대 측정이 대표적이다. 방사성 연대 측정법은 방사성 물질이 붕괴해 본래 양의 절반으로 줄어드는 특징인 ‘반감기’를 이용한다. 생물에서도 처음 자연의 시계를 발견한 게 이번 연구다. 큰 의의가 있다고 생각한다”라고 말했다.
   
   유전자가위를 한 세포 핵에 집어넣고 10일, 20일, 30일, 40일 지켜본다. 처음에는 핵 안의 유전자를 망가뜨리는 정도가 낮은 것도 있으나 결국 시간이 더 지나면 거의 100%에 가깝게 DNA 염기서열을 망가뜨리게 된다. 일찍 망가뜨리는 게 있고 늦게 망가뜨리는 게 있을 뿐이다. x, y 좌표를 그리고 x축은 유전자가위의 활동시간을, y축은 유전자가위 효율을 표시한다.
   
   김 교수 그룹은 이때 x축과 y축을 바꿔서 보면 어떻게 될까를 떠올렸다. 김 교수는 “유전자가위의 효율을 보면 거꾸로 유전자가위가 작동하기 시작한 시간을 추적할 수 있겠다는 걸 알게 되었다. 그러려면 시간과 효율이라는 둘 사이의 함수관계를 알아야 한다. 두 개의 관계는 지수 함수가 된다”라고 말했다. 김 교수는 “내가 학생이었다면 나는 못 해냈을 거다. 밤과 낮, 그리고 주중과 주말에 상관없이 시간을 맞춰야 하는 작업이었다. 박지혜 학생이 애썼다”라고 말했다.
   

   ‘크리스퍼’란?
   세균과 고세균이 해로운 바이러스에 대항하기 위해 만든 무기
   
   크리스퍼는 세균과 고세균이 갖고 있는 특정한 염기서열이다. 어떤 염기서열인가 하는 단서는 크리스퍼라는 이름에 있다. 크리스퍼는 ‘짧은 회문(回文) 구조가 간격을 두고 반복되는 구조의 집합체(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats·CRISPR)’라는 영어의 첫 글자를 딴 약자다. 회문 구조는 ‘소주 만 병만 주소’처럼 앞에서 읽으나 뒤에서 읽으나 똑같은 단어를 가리킨다. 크리스퍼의 경우 글자가 계속 이어지는 건 아니고, 가운데에는 하나의 낯선 염기서열이 들어가 있다. 이 낯선 염기서열까지를 포함해 크리스퍼RNA(crRNA)라고 부른다.
   
   크리스퍼RNA는 외부 바이러스가 보이면 다가간다. 그리고 바이러스가 갖고 있는 DNA염기서열이, 자신들이 갖고 있는 염기서열과 같은지를 비교한다. 같으면 결합한다. 그리고 가위단백질인 Cas9을 활성화해 바이러스의 DNA를 싹둑 자른다. 가위단백질을 활성화하는 건 활성화RNA(tracrRNA)라는 다른 RNA다. 활성화RNA는 크리스퍼RNA와 결합하고, 그리하여 유전자가위인 Cas9단백질을 잠에서 깨어나게 하는 것이다. 유전자가위질을 하면 외부 바이러스는 무력화된다. 결국 알고 보니, 크리스퍼는 세균과 고세균이 해로운 바이러스에 대항하기 위해 발명한 면역체계였다. 자기 방어를 위한 무기다. 세균이나 고세균은 각기 다양한 크리스퍼를 갖고 있고, 학자들은 이들 크리스퍼를 추출해 무엇이 우수한 유전자교정가위인지를 연구해왔다.
   
   자연에는 크리스퍼RNA와 활성화RNA가 따로 존재한다. 둘을 묶어 실험실에서 사용하기 편하게 만든 게 2020년 노벨화학상 수상자인 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드너가 한 일 중 하나이다. 따로따로 집어넣지 않고 한 번에 집어넣는다면 작업이 쉬워진다. 그리고 한 가지, 활성화RNA를 발견한 건 샤르팡티에의 공적이었다.
   
Copyright ⓒ 조선뉴스프레스 - 주간조선. 무단전재 및 재배포 금지
우리들병원
신협 어부바 콘텐츠 공모전
마감을 하며
검은 호랑이의 해 정장열 편집장

격화되는 대선전에 오미크론 사태까지 더해져 연말이 어수선합니다. 한 해를 정리할 때면 지나온 날을 되돌아보지만 다가...

주간조선 대학생 기사 공모
주간조선 칼럼마당
기업소식
네이버 포스트
TOP