생물체의 세포와 생체 분자 과정을 이용함으로써, 연구원들은 악명 높은 CRISPR-Cas 시스템과 같은 생명공학적인 도구를 개발할 수 있다. 이와 같은 도구는 생명공학 분야인 유전공학에서 유기체의 게놈을 직접 조작하거나 수정하여 원하는 표현형을 가질 수 있다.
빵처럼 오래된 생명공학 도구
살아있는 유기체에서 파생된 도구의 적용은 메소포타미아 사람들까지 거슬러 올라가는 관습이다. 7000여 년 전, 문명은 효모를 포도즙으로 발효시켜 쾌락성과 보존성을 지닌 음료인 포도주를 생산했다. 약 3,000년 후, 이집트인들은 빵을 만들기 위해 효모를 사용하기 시작했다. 효모가 발효에서 역할을 하는 것으로 인식되었지만, 그 과정은 이해되지 않았다. 안토니 반 리웬 호크와 루이 파스퇴르의 연구가 발효에서 효모의 역할을 밝히기까지 약 3,000년이 더 걸렸다. 17세기에 쓰인 리웬 호크는 현미경으로 효모 "구체"를 관찰한 최초의 사례를 기술했다. 이를 바탕으로, 19세기에 파스퇴르는 알코올 발효에 관련된 과정의 기초를 확립했다. 발효에서 그것의 역할을 설명하는 것 외에도, 식품 등급의 효모(Saccharomyces cerevisiae)는 생물학적 연구에 적용되기 위해 오랫동안 연구되어 왔다. 1996년, S. cerevisiae는 전체 게놈 서열을 가진 최초의 진핵생물이며, 기본적인 모델 유기체로 확립되었다. 현재까지 효모는 인간의 유전학과 건강을 연구하는 데 인기 있는 생명공학적인 도구로 남아 있다.
유전자 공학을 위한 도구
효모의 선천적 과정을 활용하는 것 외에도, 생명공학은 다양한 생산물의 생합성에 응용할 수 있는 유전자 변형 유기체를 만들기 위해 유전자 공학을 활용할 수 있다. 다른 종류의 효모가 생물 공학에서 특정한 응용을 하는 반면, 세레비시아에는 바이오 연료, 바이오 제어제, 프로바이오틱스, 향료제 및 다양한 다른 제품의 생산에 가장 널리 사용되는 세포 "공장"이다.
효모의 게놈을 수정함으로써 연구자들은 원하는 제품을 생산하는 생합성 공장을 개발할 수 있다. 클러스터된 정규 간격의 짧은 회절 반복(CRISPR)-Cas 시스템은 원핵생물 적응 면역 시스템에서 파생된 인기 있는 생명공학 기술로, 게놈 편집에 다양한 응용 프로그램이 있다. 표적화를 위해 쉽게 프로그래밍된 CRISPR-Cas 시스템은 호스트에서 설계하고 표현하기 쉬운 가이드 RNA를 포함한다. 이 가이드 RNA와 DNA의 상보적인 염기쌍은 업스트림 프로토스 페이스 조정 모티프의 존재뿐만 아니라 CRISPR 부속 단백질을 게놈의 표적 사이트로 유도한다.
CRISPR 시스템과 합성생물학의 협력
CRISPR-Cas 시스템은 게놈 서열을 직접 조작하는 것을 넘어 유전자 공학 분야에 혁명을 일으키는 데 도움을 주었다. 이 생명공학 도구는 그들의 활동을 조절하기 위해 효율적으로 유전자를 목표로 한다. 효모에서 유전자 전사의 활성화 및 억제를 가능하게 함으로써, CRISPR 시스템은 원하는 기능을 가진 보조 단백질을 게놈의 표적 부위로 운반하는 데 사용될 수 있다. 촉매적으로 비활성화된 Cas9(dCas9)를 구성함으로써 CRISPR 시스템은 유전자 발현을 조절하는 데 사용될 수 있다. 간섭 시스템의 일부로서 CRISPR/dCas9은 표적 유전자 또는 프로모터에 결합하고 RNA 중합효소 결합을 방지함으로써 전사를 억제한다. 선택된 유전자를 상향 조절하기 위해 dCas9는 전사 활성제 또는 활성화 도메인에 융합될 수 있다. 다양한 이펙터와 dCas9를 융합하면 정밀한 게놈 조절이 가능하다. 숙주의 유전자 서열을 바꾸지 않고, 이 도구는 농작물 생산을 향상할 수 있다. 식물에서 CRISPR/dCas9 시스템은 스트레스 내성 향상, RNA 바이러스에 대한 면역력 향상, 성장과 발달에 중요한 대사산물 조절에 사용되어 왔다. 이러한 방식으로 생명공학은 유기체의 바람직한 특성을 향상하는 데 사용될 수 있다.
생명공학의 응용
유전체를 직접 편집하거나 유전자의 발현을 변화시킴으로써 개발된 생물공학 유기체는 농업에서 점점 더 널리 퍼지고 있다. 이에 대응해 미국 농무부는 2016년 바이오 엔지니어링 식품에 대한 규제를 확대했다. 이와 함께, 이 기준서는 생물공학 식품에 대한 새로운 용어를 "특정 실험실 기법을 통해 변형된 검출 가능한 유전자 물질을 포함하고 있으며, 전통적인 사육을 통해 생성되거나 자연에서 발견될 수 없는 것"으로 정의했다. CRISPR/dCas9 시스템의 잠재적 적용은 여전히 탐구되고 있지만, 이것이 식물 게놈 공학을 지원하는 강력한 도구가 될 수 있다는 것은 분명하다. 그러나 이 도구를 실행하는 것은 여전히 대중의 관심사, 즉 조작된 농작물의 소비로 인해 발생할 수 있는 위험에 의해 제한된다. 이러한 식품에 대한 적절하고 적절한 규제를 보장하기 위해, 미국 농산물 마케팅 서비스는 유전자 변형 물질을 검출하기 위한 검사 방법 및 검증에 대한 지침뿐만 아니라 생물 공학적인 형태로 이용할 수 있는 농작물 또는 식품의 목록을 작성했다.
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