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활용중인 생명공학작물

과숙억제 토마토 FLAVR SAVRⓇ

최초의 상업화 GM작물인 과숙억제 토마토 FLAVR SAVRⓇ는 과일의 숙성에 관여하는 세포막 분해효소인 폴리칼락투로나제를 생산하는 유전자의 활동을 억제시킴으로서, 출하 후 장시간 유통기간에도 과일이 무르지 않고 싱싱함을 유지시킬 수 있다.

미국의 칼진(Calgene Inc.)사에서 1988년 개발을 시작하여 1994년 최초로 판매를 시작함

과숙억제 토마토는 유통업자와 생산자들에게는 환영을 받았으나, 교통의 발전으로 운송기간이 단축됨과 동시에 두꺼운 과피로 인한 소비자들의 외면으로 시장에서 실패함

  • [일반 토마토와 GM토마토 FLAVR SAVRⓇ의 저장성 비교]

제초제내성 GM콩

제초제내성 GM콩은 제초제 사용량과 작업시간을 크게 줄일 뿐만 아니라 경작자의 제초제 노출을 줄이며 노동력을 감소시키고 농약으로 인한 토양 및 환경오염을 획기적으로 줄인다.

최초의 상업용 제초제내성 GM작물은 1996년에 미국 몬산토(Monsanto)사의 라운드업 레디(Round Up Ready)라는 제품으로 판매된 GM콩이며 이후 제초제내성 옥수수, 목화 등이 개발됨

  • [제초제내성 GM콩의 잡초방제 효과]

제초제내성 유전자의 작용 원리

  • 제초제는 식물에 필요한 효소 단백질과 결합하여 기능을 저해함으로써 식물을 고사시킨다.
    생명공학작물은 제초제의 작용점이 되는 표적 효소와 구조가 달라서 제초제와 결합하지 않는 돌연변이 효소 유전자 혹은 유사한 대체 효소 유전자를 다른 생물종에서 분리하여 이식 발현시킴으로써 제초제의 활성을 극복하는 방법과 제초제 자체를 불활성화 시키는 변형 효소의 유전자를 이식 발현시키는 방법 등을 쓴다.
  • [제초제내성 유전자의 작용 원리]

출처: 식탁위의 생명공학

해충저항성 Bt 면화

해충저항성작물 개발은 1980년대 초에 토양미생물인 고초균(Bacillus thuringienis)에서 곤충을 죽이는 단백질인 Bt 독소가 발견되면서 본격화되었다. 이 토양미생물이 생산하는 Bt 독소 단백질은 알칼리성인 곤충의 위에서만 활성화되어 사람이나 가축에게는 전혀 해가 없으며, 곤충의 경우에도 목표로 하는 특정 곤충에게만 작용하여 다른 종류에는 영향을 미치지 않는다.
또한 자외선에 의해 빠르게 변성되어 토양이나 물을 오염시키지 않으며 먹이사슬로 전달되지 않는 등 해충저항성 GM작물 개발에 매우 좋은 장점을 가지고 있다.


미국 몬산토사의 목화로 ‘볼가드(Bollgard)’라는 상품명으로 1996년에 상용화되었으며, 이후 각종 해충에 저항성을 갖는 감자, 옥수수 등이 차례로 개발되어 상품화됨

Bt 단백질 독소는 일칼리성인 곤충의 위속에서 용해된 후 소화 효소에 의해 가수분해 됨으로써 활성화 되고, 곤충의 창자 세포막에 존재하는 특이한 수용체에 결합하면 세포막에 구멍을 뚫어 살충 효과를 나타낸다.
그러나 곤충의 종류에 따라서 수용체의 구조가 다르기 때문에 특정한 Bt 단백질은 특정한 종류의 표적 곤충에만 작용하고 다른 비표적 곤충에게는 영향을 주지 못한다. 특히, 위액이 산성인 사람과 가축 등 동물에게는 전혀 해가 없으므로 안전하게 사용될 수 있다.
  • [해충저항성 GM옥수수의 해충방제 효과]

바이러스 저항성 GM작물

1992년 중국이 바이러스저항성 담배 개발을 성공한 이후 감자, 호박 등 다양한 바이러스저항성 작물이 개발되어 상업화가 이루어졌다.
이중 가장 성공적인 사례는 PRSV(Papaya Ringspot Virus)저항성 파파야의 개발과 상업화다.
1992년을 시작으로 PRSV의 발병으로 하와이의 파파야 생산량이 40%까지 감소하는 심각한 상황이 발생하게 되었다.
  • [파파야 바이러스 감염포장 (출처; 온난화대응농업연구센터)]
이에 코넬대학의 Dennis Gonsalves 박사와 하와이에 위치한 미농무부 태평양해역농업연구센터(Pacific Basin Agriculture Research Center)의 연구자들이 바이러스저항성 GM파파야를 개발하여 1999년도부터 하와이의 농민들로 하여금 재배를 시작하게 하였고, 4,700만 달러 규모의 하와이 파파야 산업을 구하는 획기적인 성과를 거두게 된다. 이후 중국 등 세계 여러 지역으로 재배가 확대되는 등 광범위한 상업화가 이루어지게 되었다.
바이러스저항성 작물개발의 원리는 사람이 맞는 백신주사와 같이 바이러스의 외피 단백질을 생산하는 유전자를 식물의 체내에 이식시켜 식물이 면역력을 갖게 함으로서 바이러스가 침입할 때 저항성을 나타내도록 하는 것이며, 최근에는 바이러스 게놈의 일부를 식물에 미리 도입시켜 침입한 바이러스의 RNA 합성(전사)을 방해하는 침묵현상(Post-transcriptional gene silencing) 을 많이 이용하고 있다.

황금 쌀(Golden Rice)

처음 개발된 1세대 황금쌀은 수선화와 미생물에서 베타카로틴 형성에 관여하는 유전자를 찾아내어 벼 염색체에 도입하여 만들었다.
이 초창기 황금쌀은 베타카로틴 생산량이 충분치 못하여 비타민 A 공급원으로서의 활용가치에 의문을 제기하는 지적이 많았다.
이후 지속적인 연구를 통해 수선화의 유전자를 옥수수로 대치하는 2세대 황금쌀을 만들었는데, 1세대보다 베타카로틴 함량을 23배 이상 늘림으로서 보통 사람의 양만큼 황금쌀밥을 먹으면 비타민A 필요량을 채울 수 있게 되었다.

스위스의 Ingo Potrykus 박사와 Peter Beyer 박사가 개발한 비타민A 성분을 보강한 황금쌀은 2000년 미국 과학학술지 '사이언스'를 통해 처음 알려짐

현재, 황금쌀은 안전성 평가와 승인을 거쳐 필리핀에서 상업용 재배를 준비하고 있는 중이며, 쌀을 주식으로 하는 아시아 지역이나 아프리카와 남미 등 경제적으로 어려운 지역에서 비타민 A 결핍 문제를 개선할 수 있을 것으로 기대함

유전자재조합 황금쌀(Golden Rice)은 옥수수와 미생물로부터 베타카로틴의 생합성에 필요한 효소를 생산하는 유전자를 분리한 후 쌀의 염색체에 삽입하여 만들었다. 먼저 “파이토인(phytoene)” 생합성 효소는 옥수수에서 분리하여 벼에 삽입된 삽입유전자를 통해 생산하고, 파이토인에서 라이코펜(lycopene)으로 전환하는 두 단계에 작용하는 효소는 미생물에서 분리한 유전자로부터 생산하게 된다.
마지막으로 라이코펜은 벼에 이미 존재하고 있는 효소 “라이코펜 싸이클라제(cyclase)”에 의해 비타민 A의 전구체인 베타카로틴으로 전환됨으로서 최종적으로 벼에서 비타민A를 생산할 수 있게 만든 것이다.

비타민 A 결핍

  • 비타민 A 결핍은 야맹증으로 인한 시력감퇴의 주원인으로 지속적인 공급부족 시 실명과 사망에 이를 수 있음
  • 해마다 전 세계 25 ~50만 명의 어린이들이 비타민A 결핍으로 인한 야맹증으로 실명하고 있으며, 그중 절반이 12개월 이내에 사망하는 것으로 추정함 (세계보건기구(WHO))

기타 영양강화 GM작물

  • 오메가-3 지방산을 콩에서 생산하는 연구를 진행하여 상업화를 준비 중임
  • 올레인산 (Oleic acid) 함량이 높은 GM콩 상업화됨
  • 전분 함량을 높인 GM감자 상업화됨
  • [노란색의 황금쌀과 일반 쌀의 비교 (출처; Biosafety)]

가뭄저항성 옥수수

GM옥수수는 평상시 일반 옥수수와 유사한 생육상태를 보이지만 가뭄 조건하에서 일반 옥수수가 50%가량의 생육저하 피해를 입는 데 반해, GM옥수수는 엽록소 및 광합성 효율 증대 등의 효과로 약 24% 정도의 생육저하가 나타난다.
가뭄저항성 GM옥수수는 2011년에 미국 농무부(USDA)의 안전성 심사를 통과하여 2012년에 “DroughtGard”라는 품종명으로 출시되어 2013년부터 미국의 가뭄지역에서 재배되고 있다.

2012년 미국의 몬산토사가 독일의 바스프(BASF)사와 공동으로 건조저항성 GM옥수수를 개발하여 처음으로 상품화함

cspB(cold shock protein B) 유전자 : 이 유전자는 RNA를 보호하는 RNA chaperone 단백질을 만들어 내는 유전자로서, 보통은 가뭄 스트레스를 받으면 RNA가 파괴되어 작물의 정상적인 생리대사와 생육발달이 저하되는데 이 단백질이 건조 스트레스 하에서 RNA를 감싸 파괴되지 않고 수명을 연장시킴으로써 작물에 가뭄저항성을 부여함

  • [GM 옥수수(상)과 일반 옥수수(하)의 가뭄저항성 비교]