CRISPR-Cas Gene Editing

미생물에서 유래한 단백질을 활용하여 유기체의 게놈을 정밀하게 변경하는 정보화 시대의 유전자 조작 기술. CRISPR이라는 약어는 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(규칙적으로 간격을 두고 배열된 짧은 회문 반복서열)를 의미하며, 이는 박테리아 게놈 DNA에서 발견되는 특징적인 패턴을 설명하는 것으로, DNA 및/또는 RNA를 조작하는 관련 단백질 시스템(Cas, 즉 CRISPR 관련 단백질로 불림)의 최초 발견으로 이어졌다.

자연적인 맥락에서 CRISPR 시스템은 미생물을 흔히 감염시키는 바이러스 및 기타 이동성 유전 요소에 대한 박테리아와 고세균의 방어 메커니즘으로 작용한다. CRISPR 배열은 침입하는 바이러스의 유전 물질에서 이전에 "잘려나온" 짧은 DNA 서열을 포함하며, 이후 특수 단백질에 의해 숙주 게놈에 위치한 짧은 회문 서열(즉, CRISPR)에 삽입된다. 이러한 바이러스 유래 서열은 가이드 RNA로 알려진 작은 RNA 분자의 주형으로 사용되며, 각각은 하나 이상의 Cas 단백질과 복합체를 형성한다. 가이드 RNA로 "프로그래밍"되면 Cas 단백질은 확산을 통해 세포 전체를 이동하다가 외부 DNA를 만나면 이중 나선의 가닥을 분리하기 위해 DNA를 풀고, 가이드 RNA를 구성하는 뉴클레오티드가 노출된 가닥 중 하나를 구성하는 뉴클레오티드와 염기쌍을 형성하도록 시도한다. 가이드 RNA 서열이 검사 중인 외부 DNA 서열과 완전히 상보적이면, Cas 단백질은 이를 가이드 RNA 서열이 원래 유래한 동일한 유형의 바이러스에 속하는 것으로 "인식"하고, 가수분해를 통해 DNA의 두 가닥을 모두 절단하여 바이러스가 스스로 복제할 수 없도록 한다.

이러한 시스템이 초기 정보화 시대에 발견된 직후, 당시의 분자생물학자들은 Cas 단백질의 프로그래밍 가능한 DNA 절단 활동을 정밀한 유전자 조작을 가능하게 하는 용도로 매우 쉽게 재사용할 수 있다는 것을 깨달았다. Cas 단백질을 진핵 세포의 특정 DNA 서열로 표적화하여 특정 위치에서 DNA를 절단함으로써, 세포 자체의 DNA 복구 메커니즘이 끊어진 끝을 재결합하도록 허용할 수 있었고, 이 과정에서 복구 부위에 무작위 단일 뉴클레오티드 변경을 안정적으로 도입하여 원치 않는 돌연변이(예: 유전 질환과 관련된 돌연변이 대립유전자)를 교정하거나 유전자를 비활성화할 수 있었다. 몇 가지 추가 단계를 거치면 절단 부위에 새로운 DNA 서열을 삽입하거나, Cas 단백질을 다양한 다른 DNA 변형 효소와 융합하여 표적 DNA를 전혀 절단할 필요 없이 훨씬 더 정밀한 변형을 가능하게 할 수도 있었다. 이전의 어떤 유전공학 방법도 살아있는 유기체의 게놈을 변경하는 데 있어 거의 같은 수준의 용이성, 다재다능함, 정밀성을 보여주지 못했다.

CRISPR-Cas 유전자 편집의 발명(일부는 대부분의 핵심 구성 요소가 이미 자연에 존재했기 때문에 "발견"이라고 말할 것이다)은 제1세기 AT 중반에 생물과학과 생명공학 산업에 혁명을 일으켰다. 처음에는 과학 연구와 심각한 유전 질환 치료와 같은 생의학 응용에 국한되었지만, 이후 수세기 동안 유전자 편집은 점차 소비자 시장에 진출했으며, 비유전성 유전자 편집을 통해 매개되는 CRISPR 기반 건강 개선 및 미용 변형을 판매하는 회사들이 등장했다. 인간 생식세포계열에 대한 변형은 이 기간의 대부분 동안 국제법과 지역법 모두에 의해 엄격히 금지되었지만, 결국 이러한 규제가 완화되기 시작했고, 처음에는 매우 부유한 사람들을 대상으로 한 "맞춤형 아기" 서비스가 확산되었으며, 나중에는 현재 최초의 트윅으로 여겨지는 것들의 창조가 가능해졌다.

CRISPR-Cas 기술의 상대적 단순성은 또한 아마추어 유전공학자들이 이를 쉽게 습득할 수 있다는 것을 의미했으며, 그들은 자신의 게놈과 다양한 동물, 식물 및 기타 유기체의 게놈을 종종 불법적으로 변형하는 작업에 열심히 착수했다. 이 기간 동안 규제되지 않고 종종 통제할 수 없는 유전자 편집 유기체의 확산은 전 지구적 사회 전반의 일반적인 무질서에 기여한 많은 요인 중 하나였으며, 이는 테크노칼립스에 앞서 발생했고 결국 이를 초래하는 데 도움을 주었다.

오늘날 CRISPR-Cas 유전자 편집은 오래 전에 유전자 편집 나노기술로 대체되었으며, 이는 주어진 유기체의 게놈에 대해 거의 완전한 통제를 가능하게 한다. 그러나 CRISPR 시스템(자연적이든 변형된 것이든)은 오늘날에도 여전히 많은 바이오나노 사례의 필수 구성 요소이며, Cas 단백질은 일반적으로 역사학자들에 의해 테라젠 문명이 개발한 최초의 바이오나나이트 사례 중 하나로 인정받고 있다.

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