농업부문의 생명공학동향 및 전망

1. 머리말

생명공학 기술은 의학, 농업, 식품, 환경 등 각분야에서 기존의 과학기술로는 접근이 불가 능하던 각종 문제점들에 대한 새로운 해결 가능성을 제시하고 있을 뿐 아니라 주요 선진국 들의 경우 이미 첨단 고부가가치 창출기술로 각광을 받으며 21세기 첨단 산업을 주도하고 있다. 이러한 중요성을 감안하여 선진국에서는 이미 생명공학기술개발을 주요 핵심 국책사 업으로 선정하여 적극적인 투자를 수행하고 있다. 이러한 추세에 맞추어 우리나라도 2000년 대 생명공학산업의 주도적 역활을 담당코자 '93년말부터 범부처적으로 “생명공학 육성 기 본 계획” (Biotech 2000사업)을 수립하여 생명공학 기술개발을 추진하고 있다. 우리 농업분 야에서도 생명공학 기술이용은 농축산물 개방화에 대비한 우리농업의 경쟁력제고에 필수적 핵심기술임을 인식하고 '94년부터 농촌진흥청 연구관리국의 주관하에 생명공학기술을 이용 한 고소득 신작물 개발 및 고능률 농축산물 생산체계 구축을 통한 우리농업의 첨단 생물산 업으로의 전환이란 최종목표를 달성키 위하여 기존의 관련연구를 종합정비하여 각 분야별로 체계적이고 적극적인 연구를 수행하고 있다. 이러한 관점에서 농업분야의 생명공학 연구를 작물, 축산, 및 수의 분야로 크게 나누어 분야별 연구 동향, 연구성과 및 향후 연구방향에 대해 살펴보기로 한다.

2. 작물분야의 생명공학 기술 및 그 이용

유전공학 기술에 의한 작물개량과 신기능성물질 산업화 연구는 농업을 비롯한 생물학 분 야의 세계적인 추세로서 미국을 비롯한 선진국에서는 이미 실용화 단계에 도달해 있으나 국 내에서는 동분야에 대한 투자 미흡 및 기초기술 부족으로 독자적 연구결과가 미비한 상태이 다. 이러한 현실을 극복키 위하여 농촌진흥청에서는 '94년부터 농업과학기술원 생물자원부 주관으로 작물 Genome연구, 유전자전환작물 개발 및 신기능성물질 개발연구를 중점 연구대 상과제로 선정, 적극적인 연구를 추진하고 있다.

가. 작물 Genome연구

작물 Genome연구는 한 식물을 구성하는 식물전체의 유전자 지도를 작성하고 이를 바탕 으로 전체염색체의 유전자기능과 구조를 밝히려는 작업으로서 이러한 Genome 연구를 통해 얻어진 유전자 구조 및 유전적 특성 정보는 조직적인 생명공학분야 연구수행 및 분자육종기 술 발전을 위한 필수적인 기반 연구 사업으로서 농업과학기술원 세포유전과를 중심으로 벼 와 배추에 대한 분자유전자 작성 및 유용유전자 대량개발연구를 아래 표 1과 같이 추진하 고 있다.

나. 유전자전환 작물개발

유전자전환 작물 육성연구는 벼를 비롯한 주요농작물의 형질전환 기술 정립과 미생물 등 다양한 소재로부터 개발된 유용유전자의 도입에 의한 신기능성 형질전환 농작물 개발에 초 점을 맞춰 연구를 진행하고 있다. 현재 유전자총을 이용한 벼형질전환 체계를 확립하였고 이 기술을 이용하여 제초제 저항성 벼를 개발하여 BC1F3 99계통을 양성하였다. 또한 Agrobacterium을 이용한 벼, 배추 형질전환 System을 확립하였으며 이를 이용한 형질전환 살충성 배추와 벼를 개발 시험중에 있다. 향후 더욱 안정 효율적인 형질전환 기술 정립과 이를 이용한 제초제저항성, 내병충성, 내한발 및 내냉성 유전자 전환 벼 개발과 웅성불임성 유전자 전환 배추 개발을 위한 연구가 지속적으로 수행될 것이며 또한 기능성 Promoter 개 발 등 유용유전자의 효율적 발현제어 기술개발도 병행될 것이다. 이와 더불어 개발된 유전 자 전환작물의 안정성 확보를 위한 연구도 강화되어 작물별 타화수정 기작구명, 전환유전자 의 타작물 전이 가능성 연구, 병충 저항성작물의 내성발생기작연구 등이 수행될 것이다.

다. 신기능성 물질 개발연구

최근 각종 암, 고혈압, 당뇨병 등에 대한 치료제를 자연자원에서 찾고자 하는 시도가 미국 국립 암연구소(NCI)를 비롯 미국립보건원, 중국 과학원 약물연구소, 일본 과학기술청 등 세 계 각국에서 추진되고 있으며 이미 식물 및 바다생물들로부터 신종 항암물질인 Bryostatin, Dolasstatin, Halomon 등을 개발하여 년간 수백억불의 새로운 시장을 개척하는 등 신 기능 성 물질 탐색분야는 21세기의 최대 첨단 산업으로 급성장하고 있고 이에 대한 선진국들의 연구조사비 투자도 천문학적인 수치에 이르고 있다. 국내에서도 대학, 국립연구소 또는 일반 기업체 연구소 등 80여 회사 연구소들이 생명공학산업에 새로이 도전하고 있으며 일부 중견 기업연구소는 새로운 기능성 물질을 개발하여 해외에 로열티를 받고 수출하는 등 그 시장성 이 날로 증대되고 있다.

농촌진흥청 농업과학기술원에서도 생화학과를 중심으로 약용(항암) 버섯 자원개발의 일환 으로 국내 자생 버섯류에서 면역 활성 및 항암성 다당류 탐색과 분리를 시도하여 장수버섯 등에서 유용 약리활성 다당체를 분리 정제하였으며 시험을 통해 이들의 항보체 활성이 높고 특정 암세포주에서 반응성이 높은 것으로 확인되었다. 항암성 물질탐색을 대량으로 하기 위 한 기초 연구 단계로 국내에 자생하는 45종의 야생버섯을 수집하여 Topoisomerase 활성을 이용한 항암성을 검정한 결과 Topoisomerase 저해제 생성버섯으로 단색구름버섯 등 2종, Topoisomerase drug 생성 버섯으로 말불버섯 등 3종을 각각 선발하였다. 또한 국내 자생식 물 21종으로부터 항산화성 물질을 탐색하여 방아잎(배초향)으로부터 강력한 항산화 물질인 로즈마린산을 분리하여 새로운 농가 소득 작목으로서의 이용성이 있을 것으로 기대된다. 약 리성 불포화 지방산 기내대량생산 기술 개발을 위해서 월견초(달맞이꽃) 등 34종의 식물에 서 약리성 지방산(GCA) 생성 식물을 탐색하여 달맞이꽃, 지치 및 컴프리 등에서 약리성 지 방산이 생산되는 것을 확인하여 Ri plasmid를 이용한 지치세포 기내 양산기술을 개발한 것 을 시작으로 하여 국내 자생 식물인 꿩의다리속으로부터 감마리놀렌산 및 희귀 지방산인 쿨 롬빈산을 분리하였고 들깨로부터 고급지방산인 오메가 3 지방산 합성 유전자, 중쇄지방산 생합성유전자, 아실기 부착효소 유전자 및 oleicin유전자 등을 분리하였다.

이러한 유용 2차 대사산물 생합성 기작을 이해하기 위한 분자생물학적 연구로서 고추의 terpene계 생합성 효소 특성 규명을 통한 carotene, phytoalexin, sterol, 호르몬(ABA, GA) 등의 생합성 경로의 조절 기작을 이해하고자 고추에서 3종류의 HMGR 효소를 coding하는 유전자를 확인하여 염기서열 및 그 구조를 밝혔다. 또한 terpenoid 대사의 전과정에 관여하 는 각 단계별 유전자의 expression pattern을 조사하고 그 조절 기작을 이해하고자 현재까 지 9종의 cDNA clone을 확보하였다. 이렇게 확보된 cDNA 중 고추에서 합성되는 주된 phytoalexin의 하나인 capsidiol의 합성 분지경로 첫단계에 관여하는 sesquiterpene cyclase enzyme coding cDNA를 CaMV 35S promoter에 융합하여 식물형질전환용 vector를 제작하 였다. 식물생성 기능성 단백질을 분리하기 위하여 국내 자생 식물 38종을 탐색하여 명아주, 참비름, 호박잎 등에서 항바이러스성 단백질을 분리하여 그 구조를 밝혀내었고 그 외에도 마늘속 및 십자화과 채소에서 발암물질을 억제하는 화학성분인 유기황 화합물로 알려진 이 소치오시안산과 페닐에칠 이소시안산을 분석하였으며 특히 한국 재래의 배추 뿌리에서 그 함량이 아주 높았다.

앞으로는 이들 개발된 물질들의 구조를 더 자세히 분석하고 이들 물질을 생산하는 유전자 를 개발하여 수량성이 높은 작물에 그 유전자를 도입한 새로운 고소득 신기능성 작물개발연 구가 수행될 것이다.

3. 수의과학 분야 생명공학 기술 및 그 이용

가축전염병을 보다 효과적으로 방역하기 위해서는 위생적인 환경 및 사양관리의 개선과 동시에 신속 정확한 진단기술을 토대로 한 적절한 예방과 치료대책이 종합적으로 이루어져 야 한다. 이중 현재 활용되고 있는 진단 및 예방기술에는 아직 많은 취약점이 있으므로 첨 단 생명공학기술을 활용하여 이러한 문제점을 해결하려는 연구가 세계 각국에서 활발히 수 행되고 있다. 최근 국내에서도 수의과학연구소를 중심으로 주요 가축 전염병에 대한 미생물 학적 및 분자생물학적 특성과 숙주동물의 면역반응 등에 대한 연구가 종합적으로 이루어지 고 있으므로 금후 이러한 각 분야의 폭넓은 첨단지식을 동원할 수 있다면 기존 진단법의 정 확도와 간편성을 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라 예방효과가 미흡한 각종 질병의 피해를 최소화할 수 있는 새로운 개념의 백신을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이외에도 질병치료와 축산물 안전성 확보를 위한 항미생물질과 생리활성물질 개발 등 다양한 연구가 진행되고 있으며 이들 연구현황을 간략하게 소개하면 다음과 같다.

가. 가축 전염병 진단 분야

국내 수의분야에 세포융합기술을 도입한 이래 여러 병원체에 대한 단클론항체(monoclonal antibody)를 생산하고 특성을 조사하여 특이 진단항체를 지속적으로 선발하였다. 최근까지 개발된 각종 단클론항체는 병원체의 분자생물학적 연구에 유용하게 이용되었을 뿐만 아니라 진단 특이성이 우수하여 소 전염성비기관염, 돼지 콜레라, 닭 뉴켓슬병, 개의 광견병 등 30 종 이상의 가축전염병 진단에 활용되고 있으며 점차 기존 polyclonal 진단항체를 대치하고 있는 실정이다.

유전자 탐색 또는 분석기법은 가축질병 진단법으로 매우 유용한 방법이지만 쉽게 도입하 지 못한 가장 큰 이유는 특정 유전자를 찾아내는 탐색자(probe) 작성에 방사선동위원소를 이용하기 때문이었다. 지금은 각종 효소나 형광물질을 사용하여 안전성과 민감도가 우수한 probe를 작성할 수 있으므로 점차 이 방법의 활용성이 확대되고 있다. 이와 아울러 유전자 중합효소를 이용한 PCR(polymerase chain reaction) 기법들이 개발되어 병원체의 검색, 질 병진단 및 각종 유전공학분야 연구에 활발히 응용되고 있다. 국내 수의분야에서도 이러한 연구가 부단히 진행되고 있으며 현재 대장균, 살모넬라, 부루셀라, 렙토스파이라, 리스테리 아, 결핵, 탄저 등 각종 세균성 질병과, 그리고 소 및 돼지의 바이러스성 설사병, 소전염성비 기관염, 소백혈병, 돼지콜레라, 오제스키병, 돼지 생식기호흡기증후군, 광견병, 닭의 뉴켓슬 병, 전염성기관지염, 세망내피증 등 각종 바이러스성 질병 등 50종 이상의 질병진단에 활용 되고 있다(표 2).

나. 재조합단백질 항원을 이용한 혈청학적 진단법 개발

기존 항체검사법에 활용한 항원은 주로 정제된 병원체나 병원체의 일부를 분획·정제한 항원을 사용하였다. 이러한 결과 동일 종 또는 속에 속하는 병원체에 존재하는 공통항원에 의하여 뜻하지 않는 교차반응이 발생하므로 정확한 결과를 판단하기 곤란하였다. 이러한 문 제점을 극복하기 위하여 한 병원체에만 존제하는 특정 단백질을 혈청반응의 항원으로 사용 하는 것이 바람직 하다. 그러나 이와같은 특이 단백질을 병원체로 부터 순수하게 정제하는 것은 쉽지 않을 뿐만 아니라 생산량도 제한되고 질적인 면에서도 균일성을 보장할 수 없다. 따라서 최근 생물공학기법으로 특정 유전자를 발현한 재조합단백질을 생산하고 이를 항원으 로 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

국내에서도 이러한 연구의 결과가 기존의 혈청진단법을 개선할 수 있음을 보여주고 있다. 최근 재조합단백질을 항원으로 사용하여 개발한 각종 효소 면역법(ELISA)과 기타 혈청검사 법은 정확성, 민감성 및 재현성이 우수하여 소의 전염성비기관염과 바이러스설사병, 돼지의 콜레라, 오제스키병, 전염성위장염, 유행성설사, 파보바이러스감염증 및 일본뇌염, 그리고 개 의 파보바이러스감염증 등을 일반 실험실에서도 쉽게 검사할 수 있게 되었다.

다. 유전자 조작기술을 활용한 가축질병 백신 개발

최근 미생물학, 생화학, 분자생물학 및 면역학 등의 종합적인 이론과 기술을 바탕으로 보 다 안전하고 효과가 우수한 새로운 백신개발의 연구에 초점이 집중되고 있으며 현재 국내에 서 다음과 같은 몇가지의 접근방법이 활발히 연구되고 있다. 아마 가까운 장래에 이러한 차 세대 백신이 기존 백신의 일부 또는 대부분을 대체할 수 있을 것으로 예측된다.

첫째 병원체의 특정 유전자를 결손 또는 조작하여 순화된 maker 백신을 개발하기 위한 연구가 허피스바이러스 모델로 연구되고 있으며, 이중 국내 분리 오제스키바이러스의 TK, gX 및 gE 유전자를 제거한 재조합바이러스를 백신으로 활용할 수 있는 가능성을 검토하고 있다.

둘째 병원성이 현저히 낮거나 없는 비병원성 미생물을 선발하여 특정 유전자 위치에 유용 한 외부 유전자를 도입 발현시킬 수 있으며, 이러한 유전자재조합바이러스는 두가지 이상의 질병을 동시에 예방할 수 있는 vector 백신으로 사용될 수 있다. 최근 국내에서도 herpesvirus, poxvirus 및 adenovirus 등을 모델로 외부 유전자를 삽입·발현하려는 연구가 꾸준히 수행되고 있다. 이 바이러스들은 유전자의 크기가 vaccinia virus보다 상당히 적기 때문에 여러가지 외부 유전자를 도입하기 어려우나 vaccinia virus를 vector 백신으로 사용 하기를 꺼리는 사회적인 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 구강 또는 비강으로 접종할 수 있는 장점을 가지고 있으므로 국내에 발생되고 있는 각종 동물의 설사병 및 호흡기 질병 을 보다 효과적으로 예방할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

셋째 유전자재조합 단백질을 면역보강제(adjuvant) 또는 면역활성물질 (cytokine)과 혼합 하여 안전성과 필요한 면역반응을 유도할 수 있는 subunit vaccine 개발연구를 수행하고 있 으며 이러한 백신을 사용하면 감염동물과 백신접종동물을 구별할 수 있어 특정 질병을 박멸 하고자 할 때 매우 유용한 방역수단이 될 수 있을 것이다. 현재 국내에서 돼지콜레라, 오제 스키병, 돼지와 개의 파보바이러스감염증에 대한 subunit vaccine이 개발되었으며 일부는 산 업화되어 야외에서 사용되고 있으며 상당한 성과를 거양하고 있다.

넷째 특정 방어항원 단백질을 암호하는 유전자에 RSV 또는 CMV 유래의 promoter를 연 결한 plasmid DNA를 동물에 접종한 바 상당한 면역반응을 유도할 수 있게 되었다. 이러한 DNA 백신은 모체이행항체에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 면역보강제 없이도 세포 및 체 액면역을 동시에 유도할 수 있으므로 국내외에서 많은 연구가 진행되고 있다.

다섯째 특정 방어항원 단백질을 암호하는 유전자를 식물에서 발현하여 이를 사료화 함으 로써 소위 먹는 예방약(edible vaccine)을 개발하고자 일부 공동연구가 진행되고 있으며, 앞 으로 이 분야 연구를 강화해야 할 것이다.

라. 항미생물질 탐색 및 개발연구

자연계에서 존재하는 항미생물질의 종류는 상당히 다양하며 수많은 항생물질들이 세균성 및 진균성 질병의 치료에 유용하게 사용되고 있으나 바이러스성 질병을 효과적으로 치료할 수 있는 약제는 아직까지 개발되지 않았다. 현재 사용하고 있는 항생제 또는 합성항균제는 내성획득과 잔류문제 등으로 식품의 안전성 제고를 위하여 점차 사용이 규제되고 있는 실정 이다. 따라서 이러한 문제점을 해소할 수 있는 생체유래 peptide중 항미생물효과를 나타내는 defensin, PG2, PR39 등에 대한 연구가 최근에 시도되고 있으며 앞으로 이러한 분야 연구에 더욱 관심을 가져야 할 것으로 생각된다.

4. 축산분야 생명공학 기술 및 그 이용

가축의 생산성 제고를 위해 이미 개발되었거나 또는 개발과정에 있는 생명공학적 연구는 매우 다양하지만 여기서는 현재까지의 연구된 결과를 중심으로 축산분야에서 그 효과와 가 능성이 가장 큰 생명공학 기술개발에 관해 간략하게 소개하고자 한다.

가. 수정란이용 가축의 개량

수정란을 이용한 가축의 개량에 있어서 수정란 이식 및 동결기술은 국내에서도 어느정도 기술 확립이 되어 있는 상태이며 선진국에서는 이미 산업화 단계에 접어들고 있다. 이에 우 리도 수정란을 이용한 가축개량 효율을 높이기 위한 수정란의 동결 및 이식기술개발에 많은 노력과 연구가 수행될 예정이다. 수정란의 성판별 기술은 PCR응용기법 개발로 산업화가 확 실시되며 축산기술연구소에서도 소의 성판별 기술을 개발하였고 산업화를 위한 연구를 추진 하고 있다.

나. 복제가축 생산

쌍자생산 기술은 효율성이 적기 때문에 실용성이 낮은 반면에 핵치환 기술은 몇가지 기술 적인 문제만 해결된다면 산업화의 가능성이 매우 높은 기술이다. 즉, 체외배양기술의 개선으 로 핵치환된 수정란의 체외 발달율을 높이게 된다면 고능력 가축의 조기증식을 위해 유용하 게 이용될 수 있을 것이다. 또한 세포수준의 핵치환과 핵치환된 수정란의 질적 향상을 위한 연구와 핵치환 송아지의 분만시 장애요인인 난산해결을 위한 핵치환 수정란의 새로운 배양 법 등에 관한 연구도 수행될 전망이다.

다. 배성간세포(ES세포)이용

90년대 초부터 가축 등 대동물에서 ES세포주를 개발하려는 연구가 시작되었기 때문에 아 직 구체적인 결과는 적다. 그러나 ES 세포주의 이용기술은 가장 확실한 가축 개량 방법으 로 이용될 수 있고 그 응용성이 광범위 하기 때문에 유용가축의 ES 세포주 개발에 관한 연 구는 계속적으로 확대될 것으로 생각된다.

국내에서도 고유가축에 대한 ES 세포주확립에 관한 연구가 착수되어야만 하고 이러한 ES 세포주의 이용효율을 극대화하기 위한 가축 Genome 분석 연구도 병행되어야만 할 것이 다.

라. 형질전환가축 생산

세계적으로 형질전환 가축이용 기술은 가장 활발히 연구가 진행되고 있는 생명공학 분야 중에 하나이며 앞으로 산업화의 가능성이 가장 높은 분야 중의 하나이다. 이러한 형질전환 의 주목적은 가축의 성장촉진과 축산물의 품질향상이며 이 목적을 위해서 성장촉진 호르몬 생성 유전자가 사용되고 있다. 이러한 성장촉진 유전자를 이용한 연구결과 돼지의 중체량은 1,273kg으로 일반 돼지의 781kg에 비해 유의하게 성장율이 높았으며 체지방을 줄이고 지육 을 늘리는 효과가 있어 육질이 개선된 것으로 판단되었다. 따라서 금후 성장촉진 유전자와 돈육 지방함량 저하 및 적육증가 관련 유전자의 동시활용을 통해 돼지의 성장율을 현저하게 촉진하고 육질을 개선하는 효과를 동시에 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 형질전환가축을 이용한 유용생리활성물질 생산은 현재 임상실험단계에 접어들 정도로 상당히 산업화에 가깝 다. EPO, tPA, Lactoferrin 등을 다량 생산하는 형질전환 가축이 개발되었으며 앞으로 단크 론항체, CSF 등을 발현하는 가축들도 개발될 전망이다. 이러한 형질전환 가축개발을 위해선 형질전환율을 높이기 위한 연구가 선행되어야 하는데 축산기술연구소에서 산양 성장 호르몬 유전자가 도입된 형질전환돼지를 생산한 결과 형질전환율은 이식수정란 대비 0.17% 였고 산자수 대비 1.95%로서 선진국에 비해 기술수준이 낮으나 이러한 기술을 국내에서도 확보 했다는데 의의가 있으며 앞으로 이 분야에 대한 연구가 계속 추진될 예정이다.

5. 결 론

지금까지 살펴본 바와 같이 농업분야의 생명공학기술연구도 이미 실용화단계를 지나 산업 화단계에 들어서 있는 실정이다. 이러한 시점에서 국내 농업 경쟁력 향상 및 유전공학산업 화의 성패를 좌우할 수 있는 생명공학분야 연구는 반드시 국책연구사업으로 수행하여야 할 것이며 금후 우리의 기술개발에 의한 각종 생명공학산물의 산업화를 위해서는 외국 특허에 저촉지 않는 “한국형 유전자발현체계”를 확보하는 것이 무엇보다도 시급한 실정이다. 이 를 위하여는 1) 국내외 유전자원의 체계적 수집, 동정, 분석 및 보존, 2) 유용농업형질관련 유전자의 지속적 탐색 및 대량확보, 3) 각종 기능성유전자의 개발 및 이를 이용한 대량생산 System 정립, 4) 각종 promoter 등 조절유전자 및 효율적 expression vector의 개발, 5) 효 과적인 형질전환 및 안정적 발현 System 확립 등 각 분야의 세부과제에 대하여 보다 폭넓 은 연구가 체계적으로 수행되어야 할 것이다. 이와 같은 연구전략을 성공적으로 수행하려면 생물공학에 관련된 전문가의 지속적 양성과 관련 연구소, 대학과의 활발한 기술교류 및 선 진국과의 국제공동연구를 더욱 강화하여야 하겠다.

본문은 농촌진흥청 노태홍과장의 발표자료를 인용하였음