농촌진흥청에서 진행하는 차세대바이오그린21사업은 농업생명공학기술 개발을 통해 미래 성장동력을 확보하기 위한 연구사업으로 주목받고 있다. 이제 3년차를 맞는 사업의 성과보고회에 업계의 관심이 모아졌다. 특히 7개 사업단 주요연구 진행상황 보고에 대한 의견과 정보를 교환하는 자리를 마련한다는 의미가 부여됐다.

지난달 30일 서울 코엑스에서 차세대바이오그린21사업 성과 보고회가 열렸다. 이 사업은 농촌진흥청(청장 이양호)이 2011년부터 2020년까지 추진하며, 총 투자액은 약 1조원 규모로 연간 4100여 명의 대학교수 및 연구원 등이 참여해 연구를 수행하고 있다.

차세대바이오그린21사업은 농업생명공학 연구개발을 통해 우리나라 농축산업의 미래 신성장동력을 창출할 목적으로 산학관연이 협력해 추진하는 우리나라의 대표적인 농업생명공학연구 프로젝트다. 동·식물 유전체 해독, 탄저병 저항성 고추, 결핵치료용 항생제, 인공고막, 바이오신약·장기용 가축 개발 등이 이 사업의 주요 성과로 꼽히고 있다.

세계 생명산업규모가 2006년 1660억달러에서 2015년 4000억달러 수준으로 급성장할 것으로 전망되는 가운데 10년간 1조원이 투자되는 이 사업에 업계의 관심이 쏠리고 있다.(올해 700억원 예산 투입) 이번에 열린 성과 보고회는 차세대유전체연구사업단 등 총 7개 사업단의 성과를 제고하고 평가해 본다는 의미가 있었다. 우수성과를 연구자가 직접 발표해 정보의 공유와 의견수렴도 이뤄졌다.

서울 삼성동 코엑스 그랜드볼룸에서 열린 이번 보고회는 관련 부처, 대학, 연구소 및 산업체 등 약1500여명이 참가해 성황을 이뤘다. 행사의 주요내용은 ‘바이오경제시대에 농업생명공학의역할’ 및 ‘농업생명공학 산업의 현재와 미래’에 대한 기조강연에 이어 마련한 우수성과 학술발표였다. 이와 함께 차세대바이오그린21사업 7개 사업단의 연구와 추진성과 및 성과물 전시가 눈길을 끌었다. 또 청년일자리 창출의 하나로 생명공학분야 전공자를 위한 관련기업체의 채용 설명회도 열려 관심을 모았다.

학술발표는 차세대유전체연구사업단, 동물유전체육종사업단, 식물분자육종사업단, GM작물실용화사업단, 농생명바이오식의약소재개발사업단, 시스템합성농생명공학사업단, 동물바이오신약장기개발사업단의 연구내용 브리핑 성격의 발표와 함께 양태진 서울대 교수의 ‘인삼 유전체 비밀 해독’ 등 12개의 주제발표가 3개 발표장에서 섹션별로 펼쳐졌다.

인삼 유전체 비밀 해독

양태진(서울대 농업생명과학대 식물생산과학부)

인삼은 24쌍의 염색체, 약 36억쌍의 염기서열로 이뤄진 유전체를 가지고 있는데 이는 모델식물인 애기장대에 비해 약 22배, 벼에 비해 약 8배로 거대한 크기다. 초기의 식물 유전체 해독은 대부분 Sanger 방법에 의한 map-based genome sequencing(MBS) 방법으로 수행돼 시간과 비용이 많이 소요됐지만 최근 차세대 염기서열(NGS) 기술을 이용한 whole genome shotgun(WGS) 방법에 의해 조기에 비교적 낮은 예산으로 완성도 있는 유전체 해독을 완료하고 있다. 그래서 인삼과 같이 유전체가 크고 기초연구가 되어 있지 않은 식물에 대한 유전체 연구도 용이해졌다.

인삼에서 육성된 품종 중 가장 역사가 깊고 개체간 변이가 적어 순도가 높은 천풍을 선택해 DNA를 추출하고 Illuimina사의 HiSeq 2000 플랫폼을 이용해 WGS read들을 생산했다. Sequencing bias를 막으면서 인삼 유전체 전체에 대해 고른 서열정보를 확보하고 어셈블리의 정화도를 높이기 위해 다수의 library를 제작했고 insert size도 다양하게 했다. 같은 데이터를 가지고도 어셈블러마다 서로 다른 결과를 주기 때문에, 다양한 공개 및 상용 어셈블러를 이용해 어셈블리를 수행했다. 어셈블리를 통해 작성된 contig들은 3kb, 5kb, 10kb, 20kb, 40kb 등의 긴 insert library로부터 생산된 mate-pair 서열을 이용해 scaffolding 되었다.

양태진 교수팀은 세계 최초로 베일에 쌓여있던 인삼의 유전체 정보를 완전히 해독하고자 연구를 진행하고 있으며 이번 발표에서 그 진행상황을 소개했다.

세계 최초 고추 탄저병 저항성 품종 개발

윤재복(㈜고추와육종 기업부설연구소)

고추 탄저병은 우리나라와 동남아, 중국, 인도 등에서 그 피해가 심각하다. 특히 장마의 영향을 많이 받고 있으며 농약비용도 큰 부담이 되고 있다. 윤재복 소장의 연구 성과가 주목받은 것은 전세계적으로 상업화된 탄저병 저항성 품종이 전무하기 때문이다. 윤 소장은 고추 탄저병 저항성을 국내 재배종에서 찾을 수 없어 남미 근연종(Capsicum baccatum)에서 이를 가져왔다. 남미 근연종에 존재하는 고추 탄저병 저항성을 국내 재배종으로 옮기기 위해 종간교잡을 수행했으며 종간장벽이 있어 배배양과 여교잡 방법을 통해 이를 극복했다. 또한 탄저병 저항성에 대한 QTR mapping을 수행했고 주동 QTR에 연관된 분자표지를 개발해 육종 과정 증 선발마커로 사용했다. 그리고 분자표지, 인공접종 및 노지검정을 동시에 이용해 탄저병 저항성 개체를 선발하고 이를 고정함으로써 탄저병 저항성이 도입된 다양한 재배종 계통을 육성했다.

탄저병 저항성 F1 품종 개발을 위한 마지막 단계로 지금까지 육성된 탄저병 저항성 계통(부계)과 원예적 특성이 우수한 계통(웅성불임 모계)과의 조합작성을 수행했고 탄저병 저항성과 원예적 특성이 모두 우수한 조합을 선발했다. 2012년에 선발된 조합은 올해 지역적응성 검정을 통해 확실한 탄저병 저항성 효과가 있다고 판단되면, 2014년 탄저병 저항성 품종이 농가에 보급될 수 있을 것으로 보인다. 이날 발표에서 윤 소장은 탄저병 저항성 고추 품종의 기술이전 사실을 밝히고 상업화가 이뤄질 것을 예고했다.

기후변화대응 GM작물 개발

김주곤(명지대 생명정보학부)

세계적으로 가뭄은 쌀 생산성을 크게 감소시킨다. 가뭄조건에서 생장한 벼는 이삭과 알곡 생장점의 발달이 저해되고 결과적으로 이삭과 알곡의 수가 감소함으로서 생산성이 떨어지는 것이다. 현재까지 많은 관련연구에서는 가뭄이 왔을 때 식물체내 ABA 함량이 증가함으로써 수확량 감소로 이어진다고 알려져 있었다. 김주곤 교수팀은 가뭄처리와 애기장대에서 분리된 jasmonic acid carboxyl methyltransferase(AtJMT) 유전자를 과발현시킨 형질전환 벼 연구를 통해 가뭄처리 된 벼에서의 ABA 증가는 MeJA 증가를 선행조건으로 하고 있다는 사실을 밝혀냈다.

가뭄저항성을 가지는 유전자 mode of action 연구로 트레할로스 생합성 유전자를 벼에 도입시켜 연구한 결과 가뭄, 냉해, 염해 등 환경스트레스에 저항성이 있음을 밝혀냈다. 또한 가뭄조건에서 수확량 감소를 최소화시키기 위해 환경 스트레스에 반응하는 벼 OsNAC 유전자들을 뿌리 특이적 프로모터(RCc3)와 전신발현 프로모터(GOS2)를 이용해 형질전환 벼를 제작했다. 이 유전자들의 뿌리특이적 발현은 하부 유전자의 발현을 증가시켜 환경 스트레스의 저항성을 유도할 뿐 아니라 벼 뿌리직경을 증가시켜 형질전환 벼가 가뭄 스트레스에서 더 오랫동안 견딜 수 있게 해 알곡수확량의 감소를 최소화한다는 사실을 알아냈다.

김주곤 교수는 이날 ‘가뭄조건에서 벼 수확량을 감소시키는 Methyl Jasmonate 연구’, ‘환경 내성 트레할로스 벼 개발’, ‘뿌리재구성 유전자 OsNAC에 의한 가뭄 저항성 벼 개발’에 대해 발표했다.

GM고추의 비전

한지학(㈜농우바이오 생명공학연구소장)

지난 12년간 ㈜농우바이오는 상업화를 위한 GM고추를 개발했고 주요 목표형질은 바이러스저항성, 곤충저항성, 제초제저항성이다. 한국에서 고추에 감염되는 바이러스 중에 CMV(cucumber mosaic virus)가 45%의 감염율로 가장 높고 이어 BBMV(broad bean wilt virus), PepMoV(pepper mottle virus) 그리고 PMMov(pepper mild mottle virus) 순이다.

CMV 중 CMVP1은 한국뿐 아니라 전세계적으로 퍼져 있으며 특히 인도, 중국, 동남아에서 피해가 심하다. CMVP1와 PepMoV는 진딧물에 의해 매개되며 이에 대한 저항성 유전자원이 없어 일반 관행육종으로는 저항성 품종을 개발하지 못한다. 따라서 PepMoV-HC-Pro와 CMVPO-CP 유전자를 고추에 형질 전환하여 각각 PepMoV와 CMVP0·CMVP1에 저항성을 갖는 GM고추를 개발했다. 이어 자가수분, 여교배를 통해 T, BC세대를 확보하면서 event GM고추를 선발했고 GM고추 육종프로그램을 통해 GM계통들을 지속적으로 육성하고 있다.

GM고추 이벤트 둥 CMV 저항성 GM고추에 대해 한국생명공학연구원, 중앙대, 서울여대, 고려대 등 국내의 여러 기관들과 공동으로 환경·인체위해성 연구를 실행했으며 특히 H15 line에 대한 위해성평가 심사서 1차 draft를 작성했다. 한 소장은 추가 데이터를 첨가한 다음 올해 말 심사서를 해당 부서에 제출할 예정이다. 이외에도 PepMoV 저항성 GM고추도 환경위해성 연구를 착수했고 이미 개발된 담배나방 저항성 GM고추와 제초제저항성 GM고추 중에서 이벤트를 선발중에 있다.

한국에서는 그동안 많은 GM작물이 개발되었지만 아직 환경·인체위해성평가 심사서를 청구할 수 있을 수준의 GM작물이 개발되지 않았다. 한지학 소장은 “국내 기술력이 글로벌 종자기업과 비교할 때 10년 이상 뒤처져 있어 이 분야에서 국가의 총체적 육성대책이 요망된다”고 말했다. 이와 함께 “㈜농우바이오 생명공학연구소는 GM고추 개발에 대해 독점적인 국제기술력을 가지고 있다”고 밝혔다. 또 육종을 통해 해외 GM계통들을 개발하고 있으며 기술적 파이프라인과 로드맵 인프라가 확보되어 있어서 새로운 GM고추 시장을 구축할 가능성이 높다고 전했다.

감귤바이오겔이용 융합기술 개발 및 인공피부 임상검증

최영훈(농촌진흥청 국립원예특작과학원 감귤시험장)

천연 신소재인 감귤바이오겔의 인공피부 임상 검증을 위해 우수 생성 균주를 선별하고 최적의 생성 환경을 설정했으며, 생성된 감귤바이오겔을 액상시료 및 분말 형태로 변형해 foam 드레싱 형태의 감귤바이오겔을 제작했다. 그리고 제작된 foam 드레싱제에 Chitosan과 β-glucan를 첨가해 인공피부로서의 효능을 확인했다. 동물실험 결과 감귤바이오겔 인공피부를 드레싱한 창상의 경우 육안적으로 치유가 빨랐으며 병리학적 검사에서도 창상에서 중성구의 침윤이 빠르게 감소되고 초기에 신생혈관이 증가되어 창상치유에 도움이 되는 것으로 나타났다.

또한 분자생물학적 분석에서는 감귤바이오겔 인공피부를 드레싱한 창상에서 초기에 TFG-β1과 VEGF의 발현이 높게 나타나 창상치유를 촉진했으며 후기에는 MMP-9의 발현이 높게 나타나 반흔형성을 억제하는 것으로 나타났다.

이 연구는 천연재료인 감귤바이오겔에 방사선 융합기술을 적용한 소재 개발 연구로서 우수한 물성과 생체친화적 특성을 가진 피부보호 및 상처치료용 하이드로겔 및 폼(foam)을 개발했다. 이는 상처에 습윤 유지, 외부 공기와 접촉 차단으로 미생물 감염 예방, 세포재생을 촉진시킬 수 있는 치료용 거즈로도 개발이 가능하며 특히 감귤 생산 안정 및 부산물 처리로 높은 부가가치 창출이 기대된다.

동물세포에서 식물세포로의 진화

윤환수(성균관대 자연과학대학)

식물의 엽록체는 광합성을 통해 지구상 거의 모든 종속영양식물의 에너지원을 제공하고 있으며 특히 작물의 생산량 증대를 위해 반드시 엽록체의 특성과 기원을 이해해야만 한다. 엽록체의 기원을 설명하는 내공생 가설은 많은 증거에 의해 지지되고 있음에도 불구하고 약 20억년전에 기원한 일차내공생 그룹(회조류, 홍조류, 녹색식물류)으로 통해 이해하기에는 어려움이 있다. 본 연구는 일차내공생 과정을 자세히 이해하기 위해 모델 생물인 폴리넬라와 회조류(Cyanophora paradoxa)의 유전체를 분석함으로 엽록체 진화 과정과 경로를 파악하는데 목적을 두었다. 한국에서 새로이 분리 배양한 Paulinella KR01의 유전체를 해독했으며 전사체 11.4Gbp를 분석했다. 이를 통해 색소체 기원 51개의 핵전이 유전자를 발굴했고 56개 조류기원 유전자를 발굴했다. 폴리넬라의 정보를 통한 진화 패턴은 새로이 분석한 회조류(Cyanophora paradoxa)의 유전체 자료를 통해 검증됐다.

천연발효 레티놀 대량 생산 세포공장

김선원(경상대 자연과학대학)

레티노이드는 고가의 기능성 물질로 화장품, 식품, 의약품 등의 다양한 용도로 활용이 되고 있지만 현재의 생산방법은 화학합성법에 의존하고 있어서 고품질 레티노이드를 대량생산하는 생물공정기술 개발의 필요성이 제기됐다. 이를 달성하기 위해 IPP와 DMAPP 생합성 경로를 최적화하고 균체생육을 저해하는 발효부산물(유기산 및 알코올류) 생합성 경로 차단을 통한 발효생산성 및 탄소원 이용효율을 향상시켰다. MVA 경로의 출발물질인 acetyl-CoA 생합성을 최대화하는 대사재설계를 통한 최적화된 균주를 제작과 더불어 플라스미드에 발현하던 외래 MVA 경로의 대장균 내에서의 안정적 발현을 위해 대장균 염색체 내로의 삽입에 성공했다.

대장균 염색체 내에서의 MEP 경로 발현조절 및 발현량 증가를 위해 strong promoter를 MEP 경로 유전자 발현 프로모터로 염색체에 삽입했다. 레티노이드 배양최적화를 위해 mineral oil을 이용한 two-phase culture 시스템을 개발하고 mineral oil의 종류 및 양, 혼합 정도에 따라 레티노이드 생산 및 추출효과를 극대화했다. 특히 현재 화장품 원료로 사용되고 있는 물질 중 isopropyl myristate(IPM), Dioctanoyl-decanoyl-glycerol(ODO), cetyl etylhexanoate(CEH), phyto-squalane을 이용한 효율적인 레티노이드 생산 및 추출에 성공했다. 위와 같은 배양조건을 이용한 발효조 배양에서 약 1.4g/L의 레티노이드를 생산할 수 있었고, 향후의 추가적인 발효조 배양 최적화를 통해 고농도의 레티노이드 대량생산이 가능할 것이다.