지난 수십 년 동안 유전자 연구는 유전자 시퀀싱 기술의 놀라운 발전을 보았다. 2004년 과학자들은 30억 달러의 비용과 10년이 소요된 인간 게놈 시퀀싱을 위한 야심찬 프로젝트인 인간 게놈 프로젝트를 완료했다. 이제 한 사람은 1,000달러 미만의 비용으로 약 24시간 이내에 게놈 염기서열을 분석할 수 있다.

 

과학자들은 찾기 힘든 대왕 오징어에서 에티오피아 가지에 이르기까지 모든 것을 시퀀싱함으로써 이러한 발전을 활용했다. 이 기술로 모든 질병이 치료되고 세계 기아가 과거의 일이 될 것이라는 기적적인 돌파구의 약속이 나타났다.

 

그렇다면 이러한 기적은 어디에 있을까?

 

2015년에 연구원 그룹은 인공지능을 사용하여 이러한 약속을 현실로 만들기 시작하는 것을 목표로 하는 농업 생명 공학 회사인 Yield10 Bioscience를 설립했다.

 

두 가지가 Yield10 Bioscience의 발전을 주도했다.

 

"분명한 글로벌 식량 안보의 필요성: 2050년까지 식량 생산이 60~70% 더 필요하다."라고 Yield10 Bioscience의 CEO인 Oliver Peoples 박사는 인터뷰에서 설명했다. "그리고 물론, CRISPR."

 

CRISPR: 마침내 DNA를 쉽게 편집하는 방법

 

DNA 시퀀싱 도구를 갖는 것은 우리가 약속한 기적을 만드는 단계 중 하나일 뿐이다.

 

두 번째 단계는 DNA 시퀀스가 실제로 무엇을 하는지 알아내는 것이다. 즉, 유전자를 발견하는 것과 특정 유기체에서 유전자의 역할을 발견하는 것은 완전히 다른 것이다.

 

이를 위해 과학자들은 유전자를 조작한다. 유기체에서 유전자를 삭제하고 손실된 기능을 확인하거나, 유기체에 추가하고 얻은 것을 확인한다. 초기 유전학 혁명 동안 과학자들은 DNA 염기서열을 쉽고 정확하게 분석할 수 있는 도구를 가지고 있었지만 DNA를 조작하는 도구는 노동 집약적이고 번거로운 작업이었다.

 

유전자를 발견하는 것과 특정 유기체에서 유전자의 역할을 발견하는 것은 완전히 다른 것이다.

 

2012년 즈음에 CRISPR 기술이 등장하여 모든 것이 바뀌었다. 과학자들은 80년대부터 박테리아에서 바이러스와 싸우기 위해 진화한 시스템인 CRISPR에 대해 조사해 왔지만 마침내 어떤 유기체의 유전자를 편집하는 데 사용할 수 있는지 이해하는 데 30년이 걸렸다.

 

갑자기 과학자들은 게놈을 쉽게 조작할 수 있는 강력한 도구를 갖게 되었다. DNA 시퀀싱 및 편집 도구를 갖춘 과학자들은 한때 수년 또는 수십 년이 걸렸던 연구를 단 몇 달 만에 완료할 수 있었다.

 

새로운 활력으로 다시 쏟아진 기적의 약속: CRISPR은 유전적 장애를 제거하고 세계를 먹여살릴 것이다! 그러나 물론, 또 다른 단계가 있다. 편집할 유전자를 파악하는 것이다.

 

어떤 유전자를 편집할 가치가 있을까?

 

지난 수십 년 동안 연구자들은 수백만 개의 유전자 데이터베이스를 수집했다. 예를 들어, 국립보건원(NIH)의 유전자 염기서열 데이터베이스인 GenBank에는 38,086,233개의 유전자가 포함되어 있으며 그 중 수만 개만이 일부 기능적 정보를 갖고 있다.

 

예를 들어, ARGOS는 식물 성장에 관여하는 유전자이다. 결과적으로 매우 잘 연구된 유전자이다. 과학자들은 식물 생물학 연구에 일반적으로 사용되는 빠르게 자라는 식물인 아라비돕시스 (Arabidopsis)를 유전자 조작하여 ARGOS를 많이 발현시키면 식물이 더 빨리 자라는 것을 발견했다.

 

파인애플, 무, 겨울 호박과 같은 수십 개의 다른 식물에는 ARGOS(또는 적어도 이와 매우 유사한 유전자)가 있다. 그러나 그 식물은 애기장대에 비해 유전자 조작이 어렵다. 따라서 일반적으로 작물에서 ARGOS의 기능은 잘 연구되지 않았다.

 

CRISPR은 농업 혁신을 희망하는 소규모 연구원들의 풍경을 갑자기 바꿨다. 누구나 사용할 수 있는 합리적인 가격의 기술이었지만 아무도 이 기술로 무엇을 해야 할지 몰랐다. 세계에서 가장 큰 연구 기업조차도 확인된 모든 유전자를 테스트할 자원이 없다.

 

“대형 작물 회사들과 이야기를 해보면 모두 CRISPR에 막대한 투자를 하고 있다고 생각한다. 그리고 그들은 모두 '이것은 훌륭한 도구이다. 이걸로 어떻게 하죠?'라고 피플 박사가 말했다.

 

곡물: 작물 과학의 성배

 

People 박사에 따르면 "작물 과학의 성배"는 당신이 재배하는 작물의 생산량을 두 배로 늘리는 3~4개의 유전적 변화를 식별할 수 있는 도구가 될 것이다.

 

CRISPR를 사용하면 이러한 변경을 지금 바로 수행할 수 있다. 그러나 이러한 변경 사항을 식별할 수 있는 방법이 필요하며 해당 정보는 방대한 데이터베이스에 묻혀 있다.

 

이를 파낼 수 있는 도구를 개발하기 위해 Peoples 박사의 팀은 인공지능과 합성생물학을 통합했다. 합성생물학은 작물 수확량 증가 또는 바이오플라스틱 생산과 같은 유용한 새로운 능력을 갖도록 유기체를 재설계하는 것을 포함한다.

 

 

이 연합은 GenBank와 같은 과학 데이터베이스를 평가하고 작물 대사의 기본 수준에서 작용하는 유전자를 식별하는 알고리즘인 유전자 순위 인공지능 네트워크/Gene Ranking Artificial Intelligence Network(GRAIN)를 만들었다.

 

그 "기본적인 수준"이라는 측면은 GRAIN의 장기적인 성공의 열쇠 중 하나이다. 여러 작물 유형에 공통적인 유전자를 식별하므로 강력한 유전자가 식별되면 여러 작물 유형에 사용할 수 있다.

 

예를 들어, GRAIN 플랫폼을 사용하여 Peoples 박사와 그의 팀은 유채(진정한 카놀라유)와 유사한 식물인 Camelina의 종자유 함량에 상당한 영향을 미칠 수 있는 4가지 유전자를 확인했다. 연구원들이 CRISPR을 통해 이들 유전자 중 하나의 활성을 증가시켰을 때, 식물은 종자유 함량이 10% 증가했다.

 

아직 기적은 아니지만 유전자 편집과 AI가 계속해서 발전함에 따라 유전자 혁명의 약속이 마침내 결실을 맺기 시작했다.