유전자총

유전자총(gene gun, particle bombardment gun)은 1987년 Sanford와 동료들에 의해서 고안되었다.¹⁾ 이 장치는 외부 DNA를 매우 빠른 속도로 발사하여 식물 세포나 조직 내로 도입한다. 이 기술은 유전자총(gene gun), 입자사출(particle bombardment), 입자총(particle gun) 등으로 불린다. 유전자총 기술은 조직배양을 통한 재분화가 어려운 식물에 가장 적합하며, Agrobacterium을 이용한 유전자 전이가 충분히 잘 되지 않는 밀, 옥수수, 콩 등에 효과적으로 적용이 가능하다. 또한 이 기술을 사용하여 외부 DNA를 박테리아 세포, 조류, 곰팡이, 식물의 엽록체와 미토콘드리아, 동물과 인간 세포, 초파리 배아 등에도 도입하였다.

목차

유전자총 장치는 진공을 일으키기 위하여 밀폐용기를 갖추고 있다.(그림 1) 위쪽 부분의 실린더는 밀폐용기와 연결되고 플라스틱 파열 디스크(rupture disk)로 밀봉된다. 헬륨 가스는 실린더 내로 들어오게 된다. 플라스틱 미세수송체(microcarrier)는 파열 디스크 가까이에 둔다. 미세수송체는 텅스텐이나 금으로 코팅된 DNA를 가지며 미세한 침전으로 미세발사체(microprojectile)이다. 유전자총 장치는 무균 벤치 안에 두어 무균조건을 유지하도록 한다. 실험 세포와 조직은 유전자총 장치 안에 둔다. 정지 스크린(stopping screen)은 실험 세포와 미세수송체 사이에 둔다. 헬륨 가스가 매우 빠른 속도로 흐르면 실린더의 압력이 증가하여 플라스틱 디스크가 파열되는 점을 지나면 터지게 된다. 이때 헬륨 가스의 흐름은 DNA를 갖는 미세침전을 포함하는 미세수송체를 앞으로 추진해서 날려보낸다. 정지 스크린은 미세침전은 통과되도록 해서 목표 세포로 DNA를 전달하게 된다. 이후 형질전환된 세포는 영양분을 갖는 배지에서 식물체로 재생되게 된다. 형질전환된 식물 조직은 항생제나 제초제 등이 포함된 배지 조건에서 선별된다.(그림 2) 선별된 식물체는 도입된 외부 DNA의 발현의 분석을 통하여 확인이 되게 된다. 

그림 1. 유전자총 구조 (출처:한국식물학회)

그림 2. 유전자총을 이용한 형질전환 식물체 생산과정 (출처:한국식물학회)

외부 유전자를 원하는 세포, 조직이나 꽃가루에 도입을 위해서는 최적의 조건이 필요하다. 유전자총에 의한 도입된 유전자를 갖는 형질전환 식물체가 고효율로 생산되기 위해서는 최적의 조직배양 조건과 배지성분 등이 또한 중요하다. 유전자총의 실험 조건에서 미세수송체의 종류, 크기와 양, 코팅되는 외래 DNA 양 및 발사횟수 등이 실험의 성공 여부의 중요한 요인이다. 또한 유전자총 발사 전후에 삼투압조절제 등의 전처리 여부도 형질전환 효율에 영향을 미친다. ß-Glucuronidase(GUS) 리포터 유전자를 이용하여, 유전자총을 이용한 실험의 최적조건을 효율적으로 확립할 수 있다.

유전자총은 여러 작물의 형질전환 연구에 사용되는 과정에서 숙주에 제한이 없고, 형질전환 방법이 간편하고 실험 수행기간도 짧으며, 여러 종류의 세포에 적용할 수 있는 장점들이 있다. 특히 형질전환이 어려운 곡류 등의 형질전환에 유용하게 사용이 가능하다. 아그로박테륨(Agrobacterium)을 이용한 형질전환 방법과 같은 다른 기술을 이용하여 외부 유전자를 엽록체에 안정적으로 발현하기 어렵다. 이에 비해 유전자총은 엽록체 형질전환에 유용하게 사용이 가능하다. 현재까지 유전자총으로 엽록체에 도입된 유전자가 발현이 상실되는 문제점은 보고되지 않았다. 또한 제작된 벡터를 특정한 조직 등에 일시적으로 도입하여 유전자의 발현을 분석하는 데 매우 용이하게 활용이 가능하다.

아그로박테륨 매개에 의한 형질전환 방법과 비교하여 유전자총 방법은 염색체상의 한 지점에 외부 유전자를 많은 수를 도입하는 것이다. 또한 도입 과정에 외부 유전자의 재배열 및 염색체 상의 여러 곳에 외부 유전자가 들어가는 것이다. 이런 여러 개의 같은 염기서열을 가지는 유전자의 도입은 후대 자손에서 종종 도입된 유전자가 발현이 되지 않는 현상을 야기하게 된다.²⁾

1. Klein, T.M., Wolf, E.D., Wu, R. 등 (1987) High-velocity microprojectiles for delivering nucleic acids into living cells. Nature, 327: 70-73
2. Yao Q, Cong L, Chang J L 등 (2006) Low copy number gene transfer and stable expression in a commercial wheat cultivar via particle bombardment. Journal of Experimental Botany, 57: 3737-3746