캘리포니아 중부지역에서 포도원을 운영하는 스티브 매킨타이어(Steve McIntyre)는 포도나무가 걸리는 ‘피어스병(Pierce’s Disease)’에 대해 잘 알고 있었다. 하지만 1998년 남부 캘리포니아에 위치한 형제의 귤∙아보카도 농장을 방문했을 때 마주친 광경은 그에게도 낯설었다. 피어스병은 오래전부터 캘리포니아에 존재해왔다. 이 병에 걸린 포도나무는 잎이 시들고 열매가 바람 빠진 풍선처럼 쪼그라든다. 그러나 그의 형제 농장 인근에서 목격한 모습은 뭔가 달라 보였다.

매킨타이어는 과수원이 “초토화되었다”고 말했다. 그가 보기에 포도나무들은 마치 관개시설이 완전히 끊긴 것처럼 바짝 말라 있었다. 집으로 돌아오는 비행기에서 매킨타이어는 농지를 처분하기 위해 부동산에 연락해야 할지 고민했다. 자신의 포도밭 역시 조만간 닥칠 불행을 피하지 못할 것 같았기 때문이다.

침입종으로 매미충의 일종인 ‘글래시윙샤프슈터(glassy winged sharpshooter)’는 캘리포니아에서 처음 발견된 지 10년도 채 되지 않아 피어스병의 병원균을 작은 골칫거리에서 악몽 같은 존재로 만들었다. 길쭉한 몸통에 스테인드글라스같이 붉고 투명한 날개가 달린 글래시윙샤프슈터는 토착종 샤프슈터보다 더 멀고 빠르게 날 수 있다. 또한 단단하고 질긴 포도나무에서도 진액을 빨아먹을 수 있다. 캘리포니아 주정부의 짐작으로 1980년대 후반 캘리포니아에 유입된 글래시윙샤프슈터는 피어스병을 급속하게 퍼뜨렸다.

캘리포니아주는 농원을 점검하고 표적 살충제를 살포하여 글래시윙샤프슈터가 캘리포니아 남부 지역 밖으로 번지지 않도록 노력했다. 그러나 아직 치료법이 개발되지 않은 데다가 기후변화로 인해 상황이 악화되어 피어스병 퇴치는 더욱 어려워지고 있는 실정이다.

오늘날 캘리포니아는 최첨단 기술을 이용한 피어스병 퇴치 방안을 모색하고 있다. 글래시윙샤프슈터가 병원균을 퍼뜨리지 못하도록 유전체를 변형시키는 것이다.

이러한 해결책이 나올 수 있었던 것은 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집 기술이 종에 관계없이 모든 생물의 유전자를 바꿀 수 있기 때문이다. 그동안 크리스퍼 유전자 편집 기술은 암 면역치료, 사과 육종, 그리고 논란의 여지가 있지만 인간 배아 연구에 사용되었다. 이와 더불어 최근에는 매년 전 세계 농작물 생산량의 40% 가까이 해를 끼치는 다양한 곤충에 대항하여 크리스퍼를 연구하는 연구원들이 점차 많아지고 있다. 만약 이들의 시도가 성공한다면 살충제 의존도를 낮추고 유전자 변형 작물 재배를 대체할 수 있을 것이다.

현재 전 세계적으로 유전자 편집 곤충은 실험실 밖으로 유출되지 못하게 되어 있지만, 앞으로는 상황이 바뀔 것으로 보인다. 미국의 한 회사는 미국 농무부(US Department of Agriculture, 이하 USDA)와 협업하여 크리스퍼 기술로 불임이 된 과일 해충의 온실 실험을 올해 시작할 예정이다. 이와 동시에 정부 및 민간 기관의 많은 과학자가 해충 유전학에 대해 더욱 깊이 연구하고 더 많은 종을 대상으로 유전자 편집을 시도하기 시작했다.

유전자 편집 생물의 활용은 여전히 논란의 여지가 있다. 미국에서는 유전자 편집을 거친 해충을 야생에 방출하는 행위를 아직 허가하지 않고 있다. 이 기술이 계속해서 변화하는 복잡다단한 규제 절차를 통과하기 위해서는 오랜 시간이 걸릴 것이다. 하지만 과학자들은 크리스퍼가 이미 해충의 유전자를 편집하는 시점에 도달했으며 앞으로 더 많은 발견이 이루어질 것이라고 말한다.

캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스(이하 UC 리버사이드)에서 글래시윙샤프슈터 유전자 조작을 연구하는 곤충학자 피터 앳킨슨(Peter Atkinson)은 “크리스퍼가 있기 전에는 시도조차 하지 못했던 접근이다”라고 말한다. 그는 “유전자 제어가 현실적인 대안으로 떠오르는 새로운 시대에 접어들고 있다”고 덧붙였다.

네 적을 알라

최근까지만 해도 과학자들은 글래시윙샤프슈터의 유전학에 대해 잘 알지 못했다. 2016년 USDA와 텍사스 베일러 의과대학교(Baylor College of Medicine) 연구팀은 글래시윙샤프슈터의 유전체 지도 초안을 만들었으나 이 초안은 공백을 가졌다. 이후 2021년 앳킨슨을 비롯한 UC 리버사이드의 연구진은 완성도를 높이기 위해 글래시윙샤프슈터의 유전체 연구를 이어갔다.

UC 리버사이드의 식물유전학자로 글래시윙샤프슈터 연구에 참여하고 있는 린다 월링(Linda Walling)은 과학자들이 더 많은 해충 종의 유전자를 편집하기 시작하면 해충의 생물학과 유전학을 더 깊이 이해할 필요가 있을 것이라고 말한다. 그녀는 “생물학적 지식을 쌓기 위해서는 상당한 규모의 투자가 이루어져야 한다”고 강조하며 “이전까지 사람들은 그저 해충을 죽이려고만 했다”고 덧붙였다.

월링이 말하는 생물학 · 유전학적 이해는 DNA 염기서열을 읽어내는 것 이상을 의미한다. 연구진은 유전자 편집에 앞서 곤충이 식물을 해하지 못하게 할 방법을 파악해야 한다. 그 다음 이를 실현할 수 있는 유전자 편집 방법을 정해야 한다. 글래시윙샤프슈터의 경우 가능성 있는 후보가 있었다. 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에서 이루어진 선행 연구에 의하면 글래시윙샤프슈터의 주둥이에 존재하는 특정 탄수화물이 피어스병을 일으키는 병원균과 나무의 결합을 도와주는 역할을 한다. 연구진은 이를 변형시키고자 했다.

앳킨슨과 월링을 포함한 UC 리버사이드 연구진은 유전자 편집을 통해 특정 분자를 바꾸는 시도를 하고 있다.

이를 위해서는 빠른 속도로 발달하는 아주 작은 곤충 배아에 유전자 편집 기구(gene editing machinery)를 전달할 방법을 찾아야 한다.

2016년 글래시윙샤프슈터의 유전체 지도 초안 작성에 참여했던 USDA의 곤충학 연구원 웨인 헌터(Wayne Hunter)는 “유전자를 어떻게 전달할 지가 가장 큰 문제이다”라고 말한다.

글래시윙샤프슈터 배아의 크기는 약 3mm이다. UC 리버사이드 연구진은 글래시윙샤프슈터 배아를 잎으로부터 분리하지 않고도 배아에 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR/Cas9 machinery)를 주입할 수 있는 기술을 새롭게 개발했다. 2022년 발표된 논문에 의하면 이 기술은 “초보자도 10분 이내에 20개의 알에 물질을 주입할 수 있을 정도로 간단하다”고 한다.

연구진은 유전자 가위를 주입한 후 크리스퍼 기술이 글래시윙샤프슈터 유전체를 자르고 변형할 수 있음을 입증했다(이를 증명하기 위해 연구진은 해당 기술을 사용해 샤프슈터의 눈 색깔을 결정하는 유전자를 ‘녹아웃(knock out)’하여 삭제했다). 현재 연구진은 글래시윙샤프슈터의 유전체에 유전자를 삽입하는 연구를 하고 있다. 글래시윙샤프슈터의 주둥이 조직을 마치 ‘테플론(Teflon)’처럼 매끄럽게 변형시켜 피어스병 유발 병원균이 미끄러져 내리도록 하는 것이 그들의 계획이다.

연구진은 USDA뿐만 아니라 캘리포니아 주정부가 피어스병 퇴치를 위해 특별히 소집한 와인 업계 대표 위원회의 지원도 받는다.

매킨타이어도 위원으로 참가하고 있는 이 위원회는 포도나무의 유전자 편집, 천연물에서 유래한 바이오 농약 등 피어스병에 대항하기 위한 다양한 방제법을 지원하고 있는다. 위원회의 연구 조직위원인 크리스틴 로우(Kristin Lowe)는 피어스병이 포도농가의 “매우 끔찍한” 문제라고 말한다. 그녀는 “곤충에 의해 퍼지는 대부분의 식물 병원균의 경우, 이를 장기적으로 제어하기 위해 해당 질병의 생물학적, 환경적, 생태학적 약점을 총동원해야 한다”고 말한다.

초파리 작전

캘리포니아에서 개발된 또 다른 크리스퍼 기술은 진작부터 농작물 방제 목적의 상용화를 위한 기나긴 과정을 밟아오고 있었다.

캘리포니아 공과대학교의 생물공학 박사후 연구원이었던 오마르 아크바리(Omar Akbari)는 크리스퍼에 관한 기념비적인 논문이 발표된 직후부터 이 기술을 연구하기 시작했다. 10년이 지난 현재 캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스(이하 UCSD)에 있는 아크바리 연구실에서는 약 12종의 곤충을 대상으로 크리스퍼 기술을 실험하고 있다.

벗초파리(학명 Drosophila suzukii)도 이 연구실의 실험 대상이다. 벗초파리는 체리나 자두같이 과육이 부드럽고 잘 익은 과일에 구멍을 뚫어 알을 낳는 종이다. 벗초파리는 매년 미국에서 약 5억 달러(약 6,352억 원)어치의 과일에 피해를 입혔고 이미 일부 살충제에 내성이 있다.

아크바리의 연구실에서는 유전자를 변형하여 수컷 벗초파리를 불임으로 만들고 암컷 벗초파리의 개체수를 줄이기 위해 크리스퍼를 사용했다. 유전자를 변형시켜 번식 능력을 잃은 수컷 벗초파리를 자연에 풀어놓으면 이들이 야생 벗초파리와 섞여 결과적으로 벗초파리의 전체 개체수가 감소하게 된다.

아크바리 연구실에서 개발한 기술 라이선스를 소유한 기업 아그라진(Agragene)은 농작물 방제를 위한 곤충 불임 기술을 상용화하기 위해 520만 달러(약 66억 원)의 자금을 모금하였다. 아그라진은 올해부터 미국 오리건주에 위치한 온실에서 제품을 시험하고 있다.

크리스퍼를 사용해 해충 개체군과 해충 매개 질병을 통제할 수 있는 전략은 매우 다양하다. UCSD에서 아크바리와 함께 연구하는 니콜라이 칸둘(Nikolay Kandul)은 “상상할 수 있는 대부분의 전략을 실험을 통해 검증할 수 있다”고 말한다.

하지만 연구원들은 생물학적 과제를 해결하는 과정에서 유전자 조작이 생태계에 미칠 파장을 고민해야 한다. 아크바리 연구실에서 개발한 초파리 유전자 편집 방식의 경우, 유전자 편집 초파리를 계속해서 방출하는 것 이외에 변형된 유전자를 가진 개체군이 자연에 남아서는 안 된다. 아크바리는 “유전자 편집으로 만든 불임 초파리 방제법은 안전하고 효과적이며 제어할 수 있을 뿐 아니라 환경에 영구적인 영향을 남기지 않을 것이다”라고 주장한다.

아크바리는 이것보다 더 지속적인 영향을 미칠 수 있는 다른 접근법도 연구했다. ‘유전자 드라이브(gene drives)’라고 불리는 이 기술은 특정 유전자가 유전법칙을 따르지 않고 다음 세대에 더 높은 확률로 전달되도록 만들어 결과적으로 특정 유전자가 개체군 전체에 퍼지게 한다. 사람들은 이 기술의 잠재성을 두고 기대와 우려의 시선을 동시에 보냈다(말라리아 전염을 막기 위해 모기에 유전자 드라이브를 활용하려는 시도가 검토 중에 있지만, 많은 과학자들이 잠재적인 위험을 지적하며 주의를 촉구했다).

노스캐롤라이나 주립대학교(North Carolina State University)의 제이슨 델본(Jason Delborne) 과학∙정책∙사회학 교수는 “화학 물질은 환경에 노출되어도 분해되고 나면 더 멀리 퍼지지 못한다. 그러나 스스로 이동할 수 있는 유전자 편집 생명체를 환경에 퍼트리면 상당한 규모의 시공간에 걸쳐 환경의 변화가 나타날 위험이 생긴다”고 말한다.

칸둘은 좀 더 직설적으로 언급한다. 그는 유전자 드라이브가 “통제하기 어려울(sloppy) 수 있다”고 표현했다.

아그라진은 초파리에 유전자 드라이브를 적용하는 것을 고려했다. 하지만 아크바리는 경영진이 투자자 유치와 규제 당국의 승인이 어려울 것으로 판단했다고 말한다. 대신 아그라진은 불임 기술을 진행하기로 했다. 2022년 사육장 실험을 마친 아그라진은 USDA와 협력하여 온실 실험을 시작하고 궁극적으로 광범위한 영역에서 이 기술을 활용하기 위한 기반을 마련할 수 있기를 기대하고 있다.

농업기업 몬산토(Monsanto)를 비롯한 여러 생명공학 회사에서 경력을 쌓은 아그라진의 CEO 브라이언 위더비(Bryan Witherbee)는 “불임 초파리가 안전하다는 것을 보여줄 데이터를 충분히 모으고 있다”고 밝혔다.

위더비는 2022년 완료한 실험을 통해 불임 초파리가 유전자를 편집하지 않은 초파리처럼 생존하고 활동할 수 있다는 확신을 얻었다고 말한다. 또 초파리를 대규모로 불임 처리하는 기술을 연구하고 있다고 전했다. 하지만 아그라진은 여전히 미국 환경보호국(US Environmental Protection Agency)에 어떤 데이터를 제출해야 초파리 방출을 승인받을 수 있을지 논의하고 있으며 이 과정은 수년이 걸릴 수 있다.

미 환경보호국 대변인에 따르면 현재 미국에서 크리스퍼 유전자 변형 곤충에 대한 규제 환경은 “진화(evolving)하고 있다”고 한다. 2017년에 발표된 정부 지침은 이전과 달라진 접근 방식을 개괄적으로 설명하고 있다. 여기서는 농업과 관련된 유전자 조작 동물에 대한 권한이 USDA에 있음을 시사한다. 그러나 유전자 편집 생명체가 곤충 개체 수를 줄이기 위한 것인지 질병 전파를 방해하기 위한 것인지에 따라 그 소관은 달라질 수 있다. 지금까지 미국 정부는 유전자 변형 모기의 방출을 허용했으나 배추좀나방(diamondback moth)이나 분홍솜벌레(pink bollworm)와 같은 농작물 해충에 대한 실험은 제한적으로 이루어졌다.

UC 리버사이드의 월링과 엣킨슨은 농작물 해충의 유전자 변형 기술을 개선하여 방출 승인을 받기까지 수년이 걸릴 것으로 예상한다. 아그라진은 이 기간을 단축하기 위해 노력하고 있다. 현재 아그라진은 환경보호국과 소통하고 있다. 최대 2년 후 2024년에 유전자 변형 초파리의 상업적 사용 허가 신청서를 제출하는 것을 목표로 한다.

유전자 편집 너머

유전자 편집 곤충은 농작물 방제를 위한 강력한 전략이 될 수 있다. 하지만 일부 식물 및 곤충 생물학 전문가들은 다른 방식의 기술도 연구 중이다. 

USDA 곤충학자인 헌터는 10년이 넘는 기간 동안 6개 대륙에 걸쳐 매년 수십억 달러(수조 원)의 피해를 입히는 해충의 유전체 지도를 만들기 위해 다양한 노력을 기울여 왔다. 그가 연구하는 ‘아시아감감귤나무이(Asian citrus psyllid)’는 귤나무 잎이 노래지고 과실이 정상적으로 익지 못해 파랗게 되는 ‘감귤녹화병’을 퍼뜨린다. 이 병에 걸린 나무는 결국 죽게 된다. 

그는 “나무가 살아 있더라도 팔 만한 열매가 거의 남지 않는다”고 말한다.

그는 현재 감귤녹화병으로부터 나무를 보호하기 위한 다양한 방안을 연구하는 대규모 연구의 일원으로 지원받고 있다. 향후 몇 년 동안 이 연구진은 농업 현장에서 사용할 수 있는 기술 상용화에 집중할 계획이다.

올해부터 헌터는 크리스퍼를 이용하여 아시아감귤나무이가 감귤녹화병을 퍼뜨리지 못하도록 유전자를 조작하려고 한다. 그는 궁극적으로 병원균에 저항성을 지닌 유전자 변형 식물이 질병을 원천적으로 차단할 수 있는 가장 유력한 해결책이라고 보고 있다. 그는 “유전자 변형 식물이 근본적인 해답이다”라고 강조한다. 질병의 매개체인 곤충을 표적으로 삼을 경우에는 살아남은 소수의 곤충을 통해 질병이 퍼질 가능성이 남는다. 그러나 식물 면역력을 이용하면 질병으로 인한 영향을 무력화할 수 있다.

농작물 방제에 있어 유전자 변형 식물을 일반적인 해결책으로 삼기에는 한계가 있다. 코넬대학교(Cornell University)에서 배추좀나방의 불임 기술을 연구하고 있는 앤서니 셸턴(Anthony Shelton) 곤충학과 명예교수는 벗초파리의 경우 매우 다양한 과일에 영향을 미치기 때문에 저항성 식물 품종을 생산하기에 몹시 번거로운 점이 있다고 우려려한다.

또 셸턴은 농부와 해충 사이의 오랜 투쟁에서 중요한 것은 다양한 대응법을 끊임없이 개발하고 적용하는 것이라고 말한다.

그는 “해충을 완벽히 방제할 묘책이 없다는 사실은 농업이나 의학 곤충학 연구를 통해 이미 잘 알려져 있다”고 말하면서 “우리는 과거의 교훈을 잊지 말아야 한다”고 덧붙였다.

*이 글을 쓴 엠마 포링거 머천트(Emma Foehringer Merchant)는 주로 기후변화, 에너지, 환경을 다루는 저널리스트로 캘리포니아에 거주하고 있다.