형질전환체

개요

형질전환체(transgenic organism)는 다른 종의 유전자인 전이유전자(transgene)를 가지도록 유전적으로 설계되어 있습니다. 전이유전자는 유기체의 유전자 중 하나의 다른 버전이거나, 유기체의 유전체(genome)에 존재하지 않는 유전자일 수도 있습니다. 전이유전자는 보통 재조합 DNA(recombinant DNA)와 DNA 클로닝(DNA cloning) 기술을 이용해 생성됩니다. 형질전환 박테리아, 식물, 그리고 동물은 과학자들이 생물학적 질의를 다루고 실용적인 해결책을 설계할 수 있게 만듭니다.

형질전환체 만들기

과학자들은 적절한 기술을 선택해 유기체의 유전체에 전이유전자를 도입하는 과정(transgenesis)을 시작합니다. 이 과정에는 여러 가지 생물학적, 화학적, 물리적 방법이 있습니다. 일반적인 생물학적 방법은 바이러스를 통해 외래 DNA를 숙주 세포 유전체에 도입하는 것입니다. 널리 사용되는 화학적 방법은 인산칼슘(calcium phosphate; Ca₃(PO₄)₂)을 사용합니다. 이 방법은 Ca₃(PO₄)₂/DNA 침전물 형성을 기반으로 DNA가 세포에 결합하고 세포로 들어가는 것 촉진합니다. 물리적인 방법은 미세주입(microinjection; 얇은 유리 바늘을 사용해 유전 물질을 세포에 수동으로 삽입하는 기술) 같이 인위적으로 DNA를 도입합니다.

일단 세포 안에 들어가면, 전이유전자는 무작위로 또는 DNA 복구 효소(DNA repair enzyme)의 도움으로 유전체의 특정 부위에 통합될 수 있습니다 (즉, 재조합). 그러면 이 형질전환 세포는 분열하면서 유전자의 일부로서 전이유전자를 복제해 연구자의 관심 유전자를 안정적으로 발현합니다. 전이유전자는 유전체에 통합되지 않을 수 있으며, 따라서 관심 유전자의 일시적인 발현만을 유도할 수 있습니다. 일반적으로 선택 가능한 표지자(marker; 예: 항생제 내성 유전자) 또는 리포터 유전자(reporter gene; 예: GFP)가 관심 유전자와 함께 포함되어 있어 성공적으로 유전자를 통합한 세포를 식별할 수 있습니다.

동물과 식물에 유전자를 도입할 수 있는 전이유전자

동물의 전이유전자는 일반적으로 미세주입을 통해 수정란의 초기 단계에 삽입됩니다. 전이유전자는 생식세포(germ cell)에 (정확히는 배우자(gamete; 정자 또는 난자)가 될 생식 전구 세포(reproductive precursor cell)에) 통합되어 발달하는 유기체의 세포에서 발현됩니다. 이런 생식세포 통합은 유전자가 번식을 통해 세대를 거쳐 전해질 수 있게 만듭니다. 형질전환 동물은 역교배(backcross; 부모 동물과 교배)해서 전이유전자에 동형접합적(homozygous)인 동물의 계통(line)을 만듭니다.

식물의 전이유전자는 통상적으로 박테리아 벡터 전달과 같은 생물학적 방법을 통해 도입됩니다. Rhizobium radiobacter(이전 명칭: Agrobacterium tumefaciens)는 토양에 거주하는 병원성 박테리아로, 식물을 감염시키고 플라스미드 DNA를 식물의 유전체에 통합할 수 있습니다. 과학자들은 플라스미드 DNA가 전이유전자를 운반할 수 있도록 R. radiobacter를 수정했습니다. 따라서 식물 조직 샘플을 R. radiobacter와 함께 배양해 감염을 통해 전이유전자가 통합되게 만듭니다. 이 조직들은 초기 식물이 토양으로 옮겨 질 때까지 싹과 뿌리 성장을 유도하는 선택배지(selective media)에 배양됩니다. 이러한 형질전환 식물은 높은 수확량의 형질전환 식물을 만들기 위해 역교배됩니다.

형질전환체의 실용적인 이용

형질전환체는 농업, 과학, 산업, 그리고 의학에 많이 응용되고 있습니다. 예를 들어 수확량을 늘리고 농약의 사용을 줄이기 위해 곤충에 강한 형질전환 식물(예: Bt corn)이 생산되었습니다. 형질전환 박테리아는 생물의학 연구와 바이오 연료 생산을 위해 설계되었으며, 형질전환 동물은 인간 단백질과 같은 의약품을 제조하고 인간 질병 모델을 만드는 데 사용되어 왔습니다. 과학자들은 유전자 발현을 연구하거나, 원하는 유전자 생성물을 만들거나, 중요한 형질을 촉진하기 위해 형질전환체를 활용합니다.