Increasing the shelf life of tomato fruit by editing the β-D-N-acetylhexosaminidase (β-hex) gene using CRISPR/Cas9 technology.

본 연구는 토마토 식물에서 CRISPR/Cas9 기술을 활용하여 β-D-N-아세틸헥소사미니다제 (β-hex) 유전자를 녹아웃함으로써 품질을 저하시키거나 형질전환 요소를 도입하지 않으면서 과일의 저장 수명과 경도를 성공적으로 연장할 수 있음을 입증한다.

핵심

당신에게 바구니에 담긴 토마토가 있다고 상상해 보세요. 당신은 이 토마토들이 선반에서 가능한 한 오랫동안 단단하고 신선하게 유지되기를 원하지만, 자연은 그들을 너무 빨리 무르고 물러지게 만드는 내장된 '숙성 타이머'를 가지고 있습니다.

오랫동안 농부들은 전통적인 육종을 통해 이를 해결하려 했습니다. 이는 건초더미 전체를 뒤져서 특정 바늘을 찾는 것과 같습니다. 엄청난 시간이 소요되며, 단단한 토마토를 하나씩 찾아낼 때마다 맛이나 색상과 같은 다른 좋은 특성들을 실수로 잃어버릴 수 있습니다.

그다음에는 RNA 간섭이라는 또 다른 방법이 등장했습니다. 이는 작동했지만, 어떤 사람들은 이를 너무 침습적이라고 느껴 유전자에 '방해 금지' 표지를 붙이는 것과 같았으며, 식물에 '유전자 변형 (외래)' 요소가 남는 것에 대해 우려를 표했습니다.

이 논문은 CRISPR/Cas9이라는 더 정교한 새로운 도구를 소개합니다. 전통적인 육종이 건초더미를 뒤지는 것이라면, RNA 간섭은 책에 스티커를 붙이는 것이라면, CRISPR/Cas9은 이야기 속 특정 문장을 흔적 없이 잘라낼 수 있는 분자 가위를 가진 것과 같습니다.

과학자들이 한 일은 다음과 같습니다:

1. 목표: 그들은 $\beta$-hex라는 특정 유전자를 확인했습니다. 이 유전자를 토마토의 설명서 속 '연화 스위치'로 생각할 수 있습니다. 이 스위치가 켜지면 과일이 분해되어 무르게 됩니다.
2. 편집: CRISPR 가위를 사용하여 토마토 DNA 의 $\beta$-hex 유전자를 잘랐습니다. 구체적으로 유전자 설명서의 첫 두 장 (엑손 1 과 2) 에 작은, 불규칙한 절단 (인델) 을 가했습니다.
3. 결과: 설명서가 손상되었기 때문에 '연화 스위치'가 켜질 수 없었습니다. 그 결과로 나타난 돌연변이 토마토는 브레이크가 잠긴 자동차와 같아서, 일반 토마토처럼 쉽게 무르게 될 수 없었습니다.

핵심 결론:
이 편집된 유전자를 가진 토마토는 일반 토마토보다 훨씬 더 오랫동안 단단하고 온전한 상태로 유지되었습니다. 중요하게도, 과학자들은 과일을 검사한 결과 이 연장된 유통기한이 맛이나 품질을 해치지 않았음을 확인했습니다. 그들은 식물에 외부 물질을 추가한 것이 아니라, 과일이 너무 빨리 무르게 만드는 레시피의 부분만 끄는 작업을 했을 뿐입니다.

기술 요약

기술 요약: CRISPR/Cas9을 이용한 β-hex 유전자 편집을 통한 토마토 저장 수명 연장

문제 제기
많은 토마토 육종 프로그램의 주요 목표는 단단하고 무결한 과일을 가지며 저장 수명이 연장된 품종을 개발하는 것입니다. 이를 달성하기 위한 전통적인 육종 방법은 종종 시간이 많이 소요되며, 연관 이동 (linkage drag) 을 통해 바람직한 농학적 형질이 실수로 손실될 위험을 수반합니다. 또한, RNA 간섭 (RNAi) 이 숙성 관련 유전자를 억제하기 위해 연구되어 왔지만, 이러한 식물에 존재하는 형질전환 요소에 대한 소비자의 우려로 인해 그 채택이 제한되었습니다. 외래 DNA 를 도입하지 않으면서 이러한 시간적, 규제적/소비자 장벽을 극복할 수 있는 육종 접근법이 명확히 필요합니다.

방법론
이러한 도전을 해결하기 위해 본 연구는 토마토 과일의 숙성 과정에 관여하는 것으로 알려진 β-D-N-acetylhexosaminidase(β-hex) 유전자를 표적으로 하는 CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술을 활용했습니다. 연구진은 β-hex 유전자의 녹아웃 (knockout) 을 유도하도록 CRISPR/Cas9 시스템을 설계했습니다. 편집 과정 후, 생성된 돌연변이 식물들은 특정 유전체 변이를 식별하기 위해 스크리닝되었습니다. 본 연구는 코딩 영역에서의 삽입 또는 결실 (indels) 을 특히 찾아내어 유전자 구조 내의 돌연변이를 특성화하는 데 초점을 맞추었습니다.

주요 결과
CRISPR/Cas9 의 적용은 β-hex 유전자에 표적 돌연변이가 있는 토마토 식물을 성공적으로 생성했습니다. 유전체 분석은 표적 유전자의 엑손 1 과 2 에 구체적으로 위치한 indel 돌연변이의 존재를 확인했습니다. 이러한 돌연변이 식물의 표현형 평가 결과, 유전자 녹아웃은 비편집 대조군 식물에 비해 과일의 경도 증가와 저장 수명 연장을 초래했습니다. 중요하게도, 이러한 수확 후 특성의 개선은 과일의 전반적인 품질에 부정적인 영향을 미치지 않고 달성되었습니다.

의의 및 주장
본 논문은 CRISPR/Cas9 기술의 사용이 전통적인 육종과 RNAi 기반 접근법의 한계에 대한 실현 가능한 해결책을 제공한다고 주장합니다. 내생성 β-hex 유전자를 직접 편집하여 녹아웃을 생성함으로써, 본 연구는 과일의 저장 수명과 경도를 효율적으로 향상시키는 방법을 입증합니다. 이 연구의 의의는 전통적 육종의 시간적 제약을 우회하고 형질전환 요소와 관련된 소비자 우려를 피할 수 있는 능력에 있으며, 다른 바람직한 형질의 무결성을 유지하면서 토마토 과일의 품질을 개선하는 정밀한 도구를 제공한다는 점에 있습니다.