<예언자들>은 각 분야에서 연구 중인 KAIST 교수들이 특정 시점을 전제로 미래를 예측해 쓰는 가상의 에세이입니다. 그저 공상 수준이 아니라 현재 연구 성과와 미래의 실현 가능성을 정교하게 조율하기에, <예언자들>은 스프 구독자들에게 짧게는 10년, 길게는 50년 이상 과학이 내다보는 미래를 미리 살펴볼 수 있게 할 것입니다.  “유전자 가위 발견 (Science지, 2012년 6월 28일)으로부터 30년이 지난 미래에 <우주 정원>, <CRISPR 유산균>, <CasX 유전자 가위 쇼핑>, <유전자 가위로 온실가스 감축> 등 전반적인 사회에 미치는 영향을 상상해보았습니다. 가벼운 마음으로 함께해주세요!”(이지민 컨트리뷰터) 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위가 세상에 등장한 지 30주년을 맞이하는 2042년 6월 28일, 2012년 첫 어벤져스 영화 출범 30주년과 동일한 올해, CRISPR 어벤져스급 인공지능 히어로 6인의 기자회견입니다. 30년간 어떤 발전이 이뤄졌을까요? 바이러스(박테리오파지)에 맞서 싸우기 위한 박테리아의 기본 면역 체계에서 아이디어를 얻은 C. R. I. S. P. R. 유전자 가위, 알파벳 하나씩에서 이름이 유래된 6인의 히어로는 본인의 능력치대로 아래와 같이 불리고 있습니다.   Captain Spacer! 침입자 바이러스 외부 유전자를 박테리아 Spacer 부위에 삽입하여 기억하자! Spacer! RNA Panther! 삽입으로 기억한 바이러스 유전자를 다시 인식할 수 있는 장갑 (guide) RNA를 만들자! RNA! Iron Assembly Man! 장갑 RNA와 Cas 효소(가위)의 복합체를 자가조립하여 다음 침입에 대비하라! Assembly! Strange Doctor Matcher! 바이러스 유전자가 다시 침투했을 때 메모리 장갑 RNA와 결합하는지 매치하여라! Matcher! Phage Thor! 재 침입한 적인 박테리오파지의 유전자를 Cas 가위로 잘라서 다 부셔버리자! (Against) Phage! Repeat Widow! 이 현상을 최대한 반복하여 박테리아 면역시스템으로 외부 바이러스를 물리치자! Repeat! Captain Spacer(캡틴 스페이서) Q. Space Garden(우주 정원)이 어떻게 가능했나요? A. SPACE에는 공간이란 의미도 있지만 우주라는 의미도 있습니다. 박테리아는 외부 바이러스에 대항하는 면역체계의 일환으로 자신의 유전자 중 Spacer라는 부위에 바이러스가 감염시킨 유전자를 복사하여 삽입하는 형태로 기억을 하게 되는데, 우주라는 또 다른 SPACE까지 이 원리가 영향을 미칠 거라고는 2012년 발견 당시에는 상상하지 못했을 것입니다. 우주는 너무나도 지구와 다른 환경이지만, 우주탐험이나 여행 시 직접 섭취할 수 있는 식물을 재배하는 게 가능해진 것도 모두 유전자 가위로 농작물을 포함한 식물을 재탄생시킨 덕분입니다. 우주의 대기 상황, 토양 상태 등 달라진 환경에 적응이 가능한 유전자를 보유한 식물들이 맛은 유지하면서 자라날 수 있게 한 거죠. 자세한 이야기는 RNA Panther에게 물어보시죠. RNA Panther(알앤에이 팬서) Q. CRISPR agriculture(유전자 가위 농작물)은 정말 맛도 괜찮나요? A. Spacer, 이제 유전자 가위는 guide RNA를 필요로 하는 경우도 있지만 그렇지 않아도 되는 기술로까지 발전했어요. 그리고 아시다시피 유전자 가위는 유전자를 없애는 것에 그치지 않고, 새로운 유전자로의 변화, 유전자 삽입으로도 응용 가능하죠. 농작물에서 맛과 영양을 담당하는 유전자는 더욱 발현하도록 하고 동시에 극한 환경(온도, 가뭄, 염분 등)에서도 영양분 공급이 유지되도록 유전자를 돌연변이시켰기에 오히려 맛이 더 좋답니다. 변화시키고 싶은 유전자만 바꾸어 씨가 있어서 먹기 힘든 과일들은 씨만 없애도록 유전자 개량이 되기도 했죠. 그리고 수확 후에도 오랫동안 변색이 되거나 상하지 않도록 하여 보관도 편해졌고요. 해충이나 다양한 자극에 저항성을 갖도록 유전자를 조작하는 것도 가능하니 이제 왜 우주 정원이 만들어지는지 아시겠죠? 농작물 재배에서도 온실가스 효과가 유도된다는 것은 아실 텐데, 이러한 온실가스에는 토양에 사는 특정 마이크로바이옴이 많아서인데, 이 마이크로바이옴을 포함한 미생물 자체도 또 유전자 가위로 변화가 가능한 개체에 속하죠. 그래서 CRISPR 유산균까지 얼마 전 등장을 했답니다. Iron Assembly Man(아이언 어셈블리 맨) Q. CRISPR 유산균 혹시 드셔보셨나요? A. 물론입니다. 유익한 균을 단순히 배양해서 먹던 시절과 비교하자면 CRISPR 유산균은 우리 몸속 장을 통째로 유익한 성분으로 바꾸는 수준으로 여러 유익균의 좋은 점만 모아 유전자가 개량되었습니다. 그리고 매일매일 여러 번 먹을 필요도 없죠. 장에서 오랫동안 살아있도록 유전자가 완전 바뀌었거든요. 사람의 몸에 들어가는 미생물뿐 아니라, RNA Panther가 이야기한 것처럼 토양에 살고 있는 미생물도 바꾸어 유전자가 바뀌어진 GMO 식물과 함께 토양의 미생물도 개량하여 메탄의 발생을 최소화하고 공기 중의 탄소를 식물과 토양에 효율적으로 오랜 기간 가둬두는 것도 가능해졌으니… 오! 가위 역할을 하는 Cas 단백질과 guide RNA가 합쳐져 (Assembly) 유전자를 오리고 더하는 CRISPR 기술 덕분에 그나마 환경 오염 속도가 많이 느려진 것 같습니다. 아이언맨 슈트가 조각조각 맞춰지는 것처럼 장갑 RNA와 Cas 가위가 잘 assembly되는 현상의 응용은 어디까지 가능할지 앞으로의 발전도 기대됩니다.      Strange Doctor Matcher(스트레인지 닥터 맷쳐) Q. 수탉이 될 운명의 계란만 먹게 된 것도 정말 CRISPR 덕분인가요? A. 변하지 않아야 하는 유전자에는 PAM 서열이 없어서 유전자 가위에 의해 인식이 안 된다는 것은 이제 설명 안 드려도 되죠? PAM은 박테리아가 외부 바이러스 유전자만 없애려는 안전장치인데, Cas 가위가 PAM을 인식하여 바꿀 유전자에 와서 그 이후에 일어나는 다양한 변화들이 가축에게도 적용이 된 거죠. 장갑 RNA가 변화시키고자 하는 유전자와 정확히 매치해 암탉은 계속 계란을 생산할 수 있게 삶은 달걀이나 계란 후라이로 가지 않도록 닭의 성별이 계란 껍질에 나타나게끔 유전자가 바뀐 겁니다. 육안으로 껍질만 봐도 암수 구별이 가능한 거죠! 뿐만 아니라 계란 알러지를 유발하는 자극원의 유전자를 변화시켜 알러지원을 제거하게 되었으니 요즘 왜 식당에서 알러지 있는 음식 있냐고 안 물어보는지 이유를 알 것 같지 않나요? 음식 포장지에도 더 이상 이런 문구가 없는 것도 이해가 되시죠.   Phage (Virus) Thor(파지 바이러스 토르) Q. 그럼, CasX 가위 쇼핑이라니 이건 무슨 의미죠? A. 번개를 모아 땅을 내려쳐 파괴하는 토르의 능력처럼 박테리아가 파지 (바이러스) 감염을 물리치는 데는 Cas 단백질 효소가 큰 역할을 하는데요. Cas9의 첫 발견에 이어 현재는 Cas12, 13뿐 아니라 X의 숫자가 어디까지 갈지 흥미진진합니다. 실제 박테리아 미생물에서 발견한 Cas 단백질뿐 아니라 인공적으로 효율을 높인 조작된 Cas까지 번호별 기능이 다 다르니 유전자를 어떻게 바꾸고 싶냐에 따라 이 가위를 선택하는 의미로 쇼핑인 거죠. 유전자를 자르고 싶으세요? 다른 유전자를 오려서 붙이고 싶으세요? 아니면 유전자 돌연변이를 유도하고 싶으신가요? 유전자를 더 활성화시키고 싶으신가요? 유전의 문제가 어디서 왔는지 파악하는 시간을 단축하고 유전자를 그냥 통째로 정상으로 변화시키고 싶은가요? 무엇을 원하든지 효율성과 기능이 각기 다른 CasX들이 리스트 되어 있습니다. 고르십시오! Repeat Widow(리피트 위도우) Q. 가축까지 바꾸는데, 유전자 가위가 정말 사람 운명까지 변화시키는 건 아니겠죠? A. 유전자 가위가 세상에 등장하고 얼마 안 있어서 CRISPR 베이비로 한 때 논란이 있었죠. 박테리아가 파지를 물리치는 것을 반복하는 기적은 온 세상을 변화시켰지만, 발전에는 항상 부정적인 면도 그림자처럼 따라오는 것 같습니다. 아직도 유전자 가위의 윤리 이슈는 다양한 면을 고려해야 하지만, 비단 사람을 조작하는 것뿐 아니라 식물/미생물/동물의 유전자를 조작할 때도 윤리위원회의 허가를 받아야 합니다. 저희 6인의 C. R. I. S. P. R 히어로는 30년간 유전자 가위 기술에 관여하는 여러 과학자, 환자, 의사, 비과학계 업종 등 각 계층의 의견을 수렴하여 지금도 수정해 나가고 있는 법령을 바탕으로 철저한 심의를 진행하여 허가된 실험만이 응용되어 사용될 수 있도록 하고 있습니다. 그림자적인 측면은 늘 따라오겠지만 최대한 공동체 발전에 도움이 되는 기술이 되기 위해서는 일반인들도 이 유전자 가위를 더욱더 이해해야 한다고 생각합니다.   더 궁금한 독자들을 위해 준비했어요! ► 함께 보면 좋은 주요 키워드 CRISPR 크리스퍼로 발음되며, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats의 약자이다. 박테리아에게서 찾은 면역 체계로 박테리아 자체의 유전자 서열을 반복하고 여기에 외부 바이러스 (박테리오파지)의 유전자를 삽입하여 기억함. Cas 카스로 발음되며, CRISPR-associated의 약자로 박테라에서 만들어지는 유전자(cas)가 단백질(Cas)로 발현된 가위 역할을 하는 효소이다. 외부에서 침투된 바이러스의 유전자를 직접적으로 자르는 역할을 함. 유전자 (nucleic acid)를 자르는 nuclease 효소 중 endonuclease (유전자 안에서 자르는)에 속함. Guide RNA (gRNA) 일반적으로 두 개로 구성되어 있으며 편집하고자 하는 유전자와 상보적으로 결함이 가능하다. CRISPR RNA (crRNA)와 trans-activating CRSPR RNA (tracrRNA)로 구성되어 있으며 tracrRNA가 핸들처럼 가이드 (안내)하고 crRNA의 spacer 시퀀스는 정확히 매칭되는 유전자를 찾아 결합함. 두 개의 구성이 하나로 합쳐진 경우 single-guide RNA (sgRNA)로 불리움. GMO (Genetically Modified Organism) 유전자가 조작된 생명체 전체를 이야기하며 미생물, 식물, 동물이 모두 포함됨. PAM (Protospacer adjacent motif) Cas 가위 효소에 의해 잘려지는 유전자 (박테리아의 경우 바이러스 유전자, 유전자 가위를 도구로 사용할 경우 편집할 유전자)에 바로 붙어 존재해야하는 유전자 서열로 PAM이 없으면 Cas가 붙어서 자르지 못한다. 박테리아가 자신의 유전자를 보호하기 위해 외부 침입 유전자에만 Cas 가위가 작동하도록 하는 안전장치에서 유래함. ► 함께 보면 좋은 참고자료들 1. A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity | Science 2012년 6월 28일에 세상에 등장하여 2020년 노벨상을 받는 데 큰 역할을 했던 Emmanuelle Charpentier와 Jennifer Doudna의 Science 지 논문 2. The Nobel Prize in Chemistry 2020 - Popular information - NobelPrize.org 2020년 CRISPR 유전자 가위로 노벨상을 받은 기록 3. Innovative Genomics Institute (IGI) at UC Berkeley and UCSF Jennifer Doudna가 세운 회사로 유전자 편집으로 세상을 바꾸는 최신 뉴스를 확인 가능함 디자인: 박수민