식물세포 분화조절기술이란 식물세포가 가지는 전형성능(totipotency: 하나의 세포로부터 전체 개체를 형성할 수 있는 능력)을 통해 분화 완료된 체세포를 다시 탈분화 및 재분화 시킬 수 있는 기술을 말한다.

탈분화는 분화된 체세포가 본래의 성질을 잃고 자가 재생과 전분화능을 가진 미분화 세포로 전환되는 과정을 의미한다. 탈분화된 세포는 다시 줄기, 잎, 뿌리 등의 식물 조직으로 재분화될 수 있고, 이후 온전한 식물체로도 발달이 가능하다.

식물 조직배양을 통해 탈분화된 세포 덩어리인 캘러스(callus)를 유도할 수 있고, 캘러스는 세포배양에 이용되거나 식물 줄기세포 특성을 바탕으로 다양한 조직 및 기관으로 재분화 될 수 있다.

 

최근 게놈 엔지니어링 기반의 작물의 형질개량 및 정밀육종 기술 도입을 위해 식물 탈분화 및 재분화 기술이 급속도로 발전하고 있고, 동시에 미세 번식(micro-propagation)을 통한 대량의 개체 생성 또는 식물 캘러스 배양을 통한 의약품, 유용화합물, 유용대사산물 등의 대량생산 필요성이 커지고 있다.

이에 한국연구재단 기초연구본부는 ‘식물세포 분화조절기술’에 대한 연구동향 브리프를 발간했다(NRF R&D BRIEF 2021-21호/생명과학단)

■ 최근 많은 연구가 이루어지고 있나?

ㅇ 식물 분화조절기술의 수요가 점진적으로 증가함에 따라 관련 논문의 출판과 특허의 출원 또한 지난 수년간 양적으로 팽창하고 있다.

 

■ 최근 국내·외 연구 동향은?

ㅇ 인도, 한국: 식물세포 전분화능 획득 원리 규명(인도 과학 교육 및 연구 연구소, 2015.04.;
서울대학교, 2018.10.)
- 인도 과학 교육 및 연구 연구소는 탈분화 이후 캘러스 전형성능 획득과 재분화 원리를 규명(Curr Biol. 2015.04).
- 서울대학교 노유선 교수 연구팀은 식물조직배양 과정 중 식물세포의 전형성능 획득 원리를 규명 (EMBO J. 2018.10).

ㅇ (한국, 중국) 식물세포 분화조절원리 규명(서울대학교, 2017.11; 중국 과학원, 2018.02.)
- 서울대학교 서필준 교수 연구팀은 식물 체세포가 탈분화하는 원리 를 규명 (Sci. Signal. 2017.11.)
- 비슷한 시기 중국 과학원 Hu 교수 연구팀 역시 탈분화 유도의 핵심 유전자인 LBD의 상위
조절 인자를 규명 (Nat. Plant 2018.02)

ㅇ (한국) 기후변화 취약 구상나무 배아세포 분화조절 기술 개발(국립생태원, 2020.10.)
- 국립 생태원은 기후변화로 인해 개체수가 줄고 있는 구상나무의 캘러스 배양에 성공하여 구상 나무 보전 및 복원 기술 확보(에코타임스, 2020.10)

ㅇ (벨기에) 모델식물 생태형 분석을 통한 식물세포 재분화 핵심 유전자 규명(벨기에 헨트 대학교, 2020.10.)
- 벨기에 헨트 대학교 Geelen 교수 연구팀은 종마 다 서로 다른 세포 재분화의 원인을 찾기
위해 모 델식물인 애기장대 190개 생태형을 대상으로 유전형질 분석을 수행하고 핵심 유전자를 규명 (Commun. Biol., 2020.10)

ㅇ (미국) 부작용 없는 식물 미분화 세포의 재분화 유도 방법 개발 (미국 UC 데이비스 대학교, 2020.11.)
- 미국 UC 데이비스 대학교의 Dubcovsky 교수 연구팀은 GRF-GIF 단백질을 통해 식물 생장에 방해를 주지 않는 재분화 유도 방법을 개발(Nat. Biotech, 2020. 11)
- 한편, 독일 KWS사의 Pacheco-Villalobos 박사 연구팀은 거의 동시에 GRF 단백질을 통해 외떡잎과 쌍떡잎식물 모 두에 적용 가능한 재분화 유도 방법을 개발(Front.Plant.Sci., 2020.10.)

ㅇ (미국) 식물세포배양을 통한 목질생산 가능성 확인(미국 MIT, 2020.12.)
- 미국 MIT의 Velásquez-García 교수 연구팀은 백일홍의 캘러스 배양을 통해 나무와 같은
목 질화 세포로 분화시키는 기술 개발(J. Clean. Prod., 2020.12)

ㅇ (한국) 토종 인진쑥 캘러스 배양으로 말라리아 치료물질 대량생산(농촌진흥청, 2021.04.)
- 농촌진흥청은 토종 인진쑥의 캘러스를 배양 후 뿌리조직을 유도하여 말라리아 치료제의 원료로 이용되는 물질인 ‘아르 테미시닌’을 생산하는 기술을 개발(농업경제신문, 2021.04)

ㅇ (한국) 고추 새 품종 더 빨리 만드는 기술 확립(농촌진흥청, 2021.06.)
- 농촌진흥청은 미성숙 꽃가루인 소포자를 이용하여 탈분화 유도 후 완전한 식물체로 재분화
시키는 기술 개발(영농자재신문, 2021.06)

 

■ 기초연구사업 지원 현황은?

ㅇ 지원과제 현황

※ 연구사업통합지원시스템(e-R&D)에서 ‘식물줄기세포, 조직배양, 캘러스, 탈분화, 재분화, 미분화, 세포운명 , 기관형성’ 키워드로 검색 후 전문가 검토를 통해 지원과제 선별

ㅇ 성과현황

 

■ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

ㅇ 연구자 조사 결과: 노유선 교수(서울대학교)/서필준 교수(서울대학교)

▪ 식물 탈분화 및 재분화 과정에 대한 명확한 이해가 필요함.
- 재분화 원리를 이해하지 못 하는 상태에서 조직배양 기법 개선은 매우 한정적 효과만을 가져옴. 따라서 재분화 원리에 기반한 접근이 매우 긴요함.
- 식물의 탈분화 및 재분화 효율 증진을 위해서는 필수적으로 해당 과정에 대한 명확한 이해와 원리 규명이 선행되어야 함. 조직배양 기술의 발전에도 불구하고, 탈분화 및 재분화 과정에 대한 분자 수준의 이해는 비교적 최근에 들어서 진전이 이루어지고 있는 상황임.
- 여전히 탈분화 및 재분화 과정에 대한 생물학적 이해가 부족한 상황으로 캘러스 형성 및 재분화 과정에 관여하는 유전자 및 유전자간 상호작용을 규명하는 연구가 시급함.
- 유전 경로의 명확한 이해를 통해 중요 조절인자 제어에 기반한 작물 탈분화 및 재분화의 효율화가 비로소 가능해지며, 식물세포 분화조절의 중요 원천기술 개발이 이루어질 것으로 예상함.

ㅇ 연구자 조사 결과: 이효준 박사(한국생명공학연구원)/서필준 교수(서울대학교)

▪ 주요 작물 종을 대상으로 맞춤형 재분화 증진 전략 도출이 필요함.
- 식물 탈분화 유도 및 재분화 원리는 주로 모델식물을 대상으로 연구된 반면 작물을 대상으로 한 연구가 부족한 상황임. 모델식물 연구 성과를 바탕으로 작물별 탈분화/재분화 경로의 특징을 이해하고 핵심 유전자를 밝히는 연구가 필요함.
- 세계적으로 수요가 크거나 농경제학적 가치가 있는 작물들(밀, 옥수수, 콩 등)은 일반적으로 낮은 재분화 효율을 보이고, 이는 주로 유전장벽에 의한 것임. 따라서 유전 장벽을 파악하고 선택적으로 제거하여 대상 작물 맞춤형 재분화 증진 기술을 확보하는 연구가 필요함.

▪ 다양한 식물에 범용적으로 적용될 수 있는 탈분화/재분화 증진 기술 개발이 필요함.
- 작물 전반에 걸쳐 낮은 재분화 효율을 가지고 있기 때문에, 이를 효율적으로 증진시킬 수 있는 범용적 소재 및 기술 개발이 필요함.
- 식물의 전형성능 확보에 중요한 저분자, 대사체, 펩티드 등을 스크리닝하여 식물 탈분화/재분화 증진 소재를 발굴하고, 해당 소재를 다시 재분화 난작물에 적용하여 재분화 증진 기술로 발전시키는 연구가 필수적임.
- 식물 세포의 탈분화/재분화의 핵심 조절인자를 지속적으로 발굴하여 다양한 작물 종에서 효율적으로 탈분화 및 재분화를 유도할 수 있는 기술 확립이 필요함.

ㅇ 연구자 조사 결과: 서필준 교수(서울대학교)/이경희 박사(서울대학교)

▪ 식물 재분화 기술을 게놈에디팅 기술과 연계하여 파급력 및 활용성을 극대화시킴.
- 유전자가위 기술의 발전과 식물 분화조절기술은 밀접한 연관이 있음. 유전자 가위를 통해 유전체가 교정된 세포로부터 온전한 식물체를 재분화시키지 못하면 효용가치가 없음.
- 따라서 식물 재분화 효율을 획기적으로 증진시킬 수 있는 기술 기반 하에 유전체 교정 기술을 동시에 접목함이 필수적임.
- 유전자 가위 기술을 활용한 DNA-free 게놈 엔지니어링 을 위해 식물 단일세포 기반의 유전체 교정 전략이 필요함. 해당 기술은 유전체 교정 작물 개발 및 유용 물질 대량생산을 위한 캘러스 제작에 필요한 필수 선행 기술임.

ㅇ 연구자 조사 결과: 이효준 박사(한국생명공학연구원)/서필준 교수(서울대학교)

▪ 식물 캘러스의 효율적 배양을 활용한 대사공학 연구가 필요함.
- 식물은 지구상에서 가장 다양한 이차대사산물을 생산하는 생물임. 식물 세포의 효율적 배양 기술은 식물유래 유용 대사물의 대량생산을 위해 필수적임.
- 특히 식물은 단일 세포 단위의 배양이 어렵기 때문에, 캘러스 배양이 주로 이루어지고 있음. 효율적인 캘러스 유도 및 배양 기술은 식물유래 유용물질을 대량 생산할 수 있는 토대가 될 수 있음.
- 유전체 교정 및 형질전환 기술을 통해 주요 대사 유전자 발현조절 및 대사경로 재프로그래밍을 캘러스에서 수행하여 목적 대사체를 선택적으로 대량생산할 수 있는 기술 개발이 필요함.

■ 기초연구사업 결과들이 원천기술 확보로 이어지려면?