유전 드라이브에 대한 제어 벡터 인구와 Wolbachia pipientis의 사용에 대한 인구 교체 전략

제 이름은 Jason Rascon 박사입니다. 저는 존스 홉킨스 블룸버그 공중보건대학 분자 미생물학 및 면역학 과와 존스 홉킨스 말라리아 연구소의 조교수입니다. 저는 매개체 집단의 유전학과 매개체 매개 병원체의 역학 사이의 관계에 폭넓은 관심을 가지고 있습니다.

말라리아는 오늘날 세계에서 가장 중요한 매개체 전염병입니다. 이는 매우 치명적인 질병으로, 통계에 따라 차이가 있으나 연간 약 100만 명에서 300만 명의 사망자를 발생시킵니다.

그들 중 대부분은 아프리카의 5세 미만 아동들입니다. 따라서 이는 매우 심각한 문제입니다. 이는 단순히 사망률 측면뿐만 아니라, 이환율과 공중 보건, 그리고 질병이 창궐하는 해당 지역 경제에 가해지는 부담이라는 측면에서도 매우 큰 문제입니다.

아시다시피 남미, 아프리카, 아시아 등 전 세계적으로 문제가 되고 있으며, 이는 다시 재출현하고 있습니다. 따라서 유전자 드라이브 시스템은 이론적으로 이러한 전략들을 경제적으로 가능하게 만드는 요소입니다. 즉, 아주 적은 수의 변형된 곤충만으로도 기본적으로 개체군을 제어할 수 있다는 아이디어입니다.

그리고 유전자 드라이브 메커니즘은 해당 형질을 집단 내에 높은 빈도로 확산시킬 것입니다. 이를 이해하는 방법은, 예를 들어 유전자 변형 곤충을 만들었을 때 해당 유전자를 한 카피만 가지고 있다고 가정하는 것입니다. 왜냐하면 이 곤충들은 보통 이배체이며, 모든 염색체를 두 카피씩 가지고 있기 때문입니다.

그리고 이들이 단순히 무작위 확률로 야생형과 교배한다면, 자손의 50%가 해당 형질을 가질 것으로 예상할 수 있습니다. 그리고 그 자손들의 다시 50%만이 그 형질을 갖게 될 것입니다. 따라서 시간이 지남에 따라 그 형질은 점차 희석될 것입니다.

유전자 드라이브 기전이란 다양한 기전이나 전략을 통해 자손의 50% 이상이 해당 형질을 보유하게 함을 의미합니다. 따라서 이 형질은 시간이 지남에 따라 희석되거나 동일한 빈도를 유지하는 대신, 실제로 빈도가 증가하게 됩니다. 우선, 유전자 드라이브 시스템이 필요합니다.

실제로 실험실 외부에서 작동하는 실행 가능한 유전자 드라이브 시스템은 존재하지 않습니다. 매우 통제된 실험실 환경의 특정 조건 하에서 작동할 수 있는 몇 가지 시스템이 있지만, 이를 실제 야생 개체군에 배치할 수 있는 단계에 이른 것은 아직 없습니다. 현재는 다양한 종류의 유전자 드라이브 메커니즘이 검토되고 있는 상황입니다.

각각의 장단점이 있으며, 따라서 어느 하나가 다른 것보다 본질적으로 더 우수하다고 볼 수 있는 것은 없습니다. Akia Pipi는 필수적으로 모계 유전되는 박테리아입니다. 이는 Rickettsia와 밀접한 관련이 있으며, 적어도 생태학적 시간 동안 어머니에서 자손으로만 독점적으로 전염됩니다.

따라서 어미가 감염되면 감염된 자손을 낳게 되며, 수컷은 감염되지 않은 상태로 자연계의 다양한 메커니즘을 통해 전달됩니다. 이는 아마도 지구상에서 가장 광범위하게 퍼져 있는 내생 공생 박테리아일 것입니다. 알려진 모든 곤충의 최대 75%에서 나타나는 것으로 추정됩니다.

그리고 이것은 다음 세대로의 전파를 극대화하는 방식으로 숙주의 생식을 조절합니다. 이 박테리아에게 수컷은 막다른 길의 숙주가 되기 때문에, 감염된 암컷의 수를 최대화하기 위한 작용을 합니다. 따라서 특정 시스템에서는 유전적 수컷을 기능적 암컷으로 바꾸거나, 암컷이 교미를 하지 않아도 되도록 유전적으로 변화시킵니다.

감염된 암컷 자손이 다시 감염된 암컷 자손을 낳는 방식으로 이어질 수 있습니다. 그리고 모기에서도 마찬가지입니다. Akia는 세포질 불적합성이라고 불리는 현상을 일으킵니다.

그리고 여기서 수컷은 박테리아의 막다른 숙주이기 때문에, 집단 내 감염되지 않은 암컷의 적응도를 낮추기 위한 트로이 목마로 이용됩니다. 따라서 감염된 수컷이 감염되지 않은 암컷과 교배하면, 그 암컷을 불임으로 만듭니다. 반면 감염된 암컷은 감염된 수컷 또는 감염되지 않은 수컷과 교배하더라도 아무런 영향이 없습니다.

따라서 감염된 암컷은 모든 교배가 가임 상태이므로 더 많은 자손을 낳게 됩니다. 이러한 자손들 또한 감염된 상태이며, 마찬가지로 더 많은 자손을 낳습니다. 결과적으로 이 박테리아는 집단 내에서 높은 빈도로 빠르게 확산될 수 있습니다.

따라서 이 방법의 핵심은 집단 내로 퍼져나가는 Akia의 능력을 이용해 관심 유전자를 집단 속에 주입하는 것입니다. Akia가 확산됨에 따라, 예를 들어 말라리아 저항성 유전자와 같은 관심 유전자가 유전적 히치하이킹(genetic hitchhiking)을 통해 함께 퍼지게 됩니다. Akia는 곤충 전반에 걸쳐 널리 분포해 있습니다.

모기 속(genera) 전반을 살펴보면, 거의 모든 속이 감염되어 있습니다. 한 속 내의 모든 종이 감염된 것은 아니지만, Anopheles 속을 제외한 모든 속에는 감염된 일부 종들이 존재합니다. 자연적인 Anopheles 감염 사례는 알려진 바 없습니다.

따라서 anis, gambier 및 그 어떤 변종도 아닙니다. 그리고 이것은 실제로 제 연구 그룹의 주요 관심 분야입니다. 저희는 Anis를 감염시키고자 노력해 왔으며, 적어도 wbaa가 anis gambier 세포를 감염시킬 수 있음을 보여줄 수 있었습니다.

따라서 세포 배양 단계에 있습니다. 저희는 이 in vitro 세포 배양 시스템에서 in vivo 모기 시스템으로 전이시키고자 노력하고 있지만, 아직 실제로 성공한 사례는 없습니다. 그래서 이 과정은 상대적으로 간단합니다.

해당 유전자가 없는 모기들이 들어있는 케이지와, Akia 또는 다른 유전자 드라이브 기전이 결합된 특정 유전자를 가진 모기 계통이 있다고 가정해 봅시다. 기본적으로 유전자가 도입되지 않은 일반 케이지 집단에 실험 집단의 모기를 다양한 빈도로 투입하여 함께 사육합니다. 매 세대마다 무작위로 샘플링을 수행하며, 시간이 지남에 따라 해당 유전자의 빈도가 어떻게 변화하는지 확인하기 위해 매 세대 이 과정을 반복합니다. 이렇게 하여 정해진 세대 수까지 실험을 진행할 수 있습니다.

이 과정은 유전자가 미리 정해진 빈도에 도달하거나 유전자가 소실될 때까지 수행할 수 있습니다. 그리고 이는 실험실에서 수행하기에 매우 간단한 종류의 실험입니다. 평소에 하는 방식대로 매 세대마다 모기를 사육하기만 하면 됩니다.

따라서 많은 윤리적 고려 사항이 있습니다. 우선, 이것이 실제로 효과가 있을지 확신해야 한다고 생각합니다. 현재 사용 가능한 전략들보다 더 나은 성과를 낼 수 있을까요? 많은 사람들이 일반적으로 유전자 변형 생물체에 대해 본질적인 불신을 가지고 있습니다.

따라서 우리는 이 문제를 해결할 수 있어야 합니다. 예를 들어 유전자 변형 모기 방사를 원하는 A국에 모기를 방사했을 때, 바로 옆에 있는 B국이 이를 원하지 않더라도 모기들은 국경을 준수하지 않을 것입니다. 따라서 이러한 유전자 드라이브 메커니즘이 우리가 의도한 대로 작동한다면, 해당 유전자는 확산되어 기본적으로 해당 종의 분포 범위 전역으로 퍼져나가게 될 것입니다.

따라서 이러한 정치적, 윤리적, 사회적, 법적 문제들을 매우 철저하게 다룰 필요가 있습니다. 상황을 개선하는 대신 오히려 악화시키는 일이 없도록 확실히 해야 합니다. 그러므로 실제로 생물을 방출하기 전에 환경에서 일어나는 모든 일을 진정으로 이해하고자 합니다.

다시 말씀드리자면, 두 가지 서로 다른 범주가 있습니다. 매우 심각하지만 우리가 해결하기 위해 노력하고 있는 과학적 장애물이 있으며, 그리고 사회적, 윤리적, 법적 장애물이 있습니다.

그리고 저는 시간이 흐르면서 과학적인 문제들을 해결할 수 있을 것이라고 생각합니다. 제 말은, 모기에게 적용 가능한 유전자 드라이브 메커니즘이 현재로서는 실제로 없다는 것입니다. 초파리(Drosophila)에서 매우 유망해 보이는 최근 연구들이 일부 있지만, 아직 모기로는 전이되지 않은 상태입니다.

하지만 저는 이러한 것들이 저희가 연구하는 분야라고 생각하며, 지난 10년, 15년 동안 많은 진전을 이루었습니다. 앞으로의 10년 동안에도 많은 진전이 있을 것입니다. 그리고 방출에 적합한 모기 계통을 확보하게 되면, 궁극적으로 해결 가능한 과학적 문제들이 있을 것이라 생각하지만, 사람들이 실제로 저희가 이를 방출할 수 있도록 허용해주어야 합니다.

그리고 저는 그러한 종류의 장애물들이 과학적인 문제들보다 훨씬 더 극복하기 어려울 것이라고 생각합니다. 또한 이는 많은 시간이 걸릴 일입니다. 그리고 결국에는 사람들이 그것들을 받아들이고 싶어 하지 않을 수도 있습니다.

그리고 사실, 그 시점에서 그런 상황이라면 우리가 할 수 있는 일은 별로 없습니다. 그래서 전반적으로 자금 지원은 상당히 많은 편입니다. 물론 지원금이 더 많을수록 좋겠지만, 국립보건원(NIH), 세계보건기구(WHO), 게이츠 재단 등이 매개체 전염성 질환에 정말 많은 자금을 투입하고 있습니다.

특히 말라리아와 뎅기열이 그렇습니다. 제 생각에, 이미 투입된 자금의 관점에서 볼 때 그 양이 매우 많습니다. 그 모든 자금이 유전자 변형 모기에만 집중되어서는 안 된다고 봅니다.

모든 예산이 살충제에만 투입되어서는 안 됩니다. 우리는 전략을 다양화하여 모든 각도에서 이 문제에 접근하려는 노력이 정말 필요합니다. 하지만 관련 펀딩은 마련되어 있습니다.

제 말은, 현재 모든 이들에게 자금 조달이 어렵다는 것이지만요.