수천년에 걸쳐 토마토는 진화 과정에서 자연적으로 돌연변이를 일으켰고, 인간은 이후 자신이 선호하는 특성을 선택했습니다. 이제 CRISPR 게놈 편집 기술로 더욱 정확한 변화가 가능해졌습니다. Cold Spring Harbor Laboratory의 연구원들은 자연 돌연변이와 CRISPR 유발 돌연변이를 사용하여 토마토 재배의 예측 가능성을 연구했습니다. 그들의 결과는 진화 및 농업 역사의 "배경" 돌연변이가 조작된 돌연변이의 결과에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. 이는 새로운 유전자 변형을 도입할 때 이러한 배경 돌연변이를 이해하고 고려할 필요성을 강조합니다.

수만 년에 걸쳐 진화는 자연적인 돌연변이를 통해 토마토를 형성했습니다. 인류는 토마토 재배 분야에 진출한 후 수세기에 걸쳐 토마토를 재배하고 자신이 좋아하는 특성을 선택했습니다. 이제 CRISPR 게놈 편집 기술을 통해 형질을 더욱 향상시키는 새로운 작물 돌연변이를 만들 수 있습니다. 그러나 자연적이든 조작적이든 단일 돌연변이는 단독으로 작동하지 않습니다.

각 돌연변이는 소위 "배경" 돌연변이라고 불리는 수천 개의 바다 내에서 작동합니다. 이러한 변화는 진화와 농업 역사의 산물입니다. 단 하나의 돌연변이가 조작된 돌연변이의 예상 결과를 크게 바꿀 수 있다면 어떨까요?

이제 CSHL(Cold Spring Harbor Laboratory) 식물 유전학자와 전산 과학자가 협력하여 식물 육종에서 자연 돌연변이와 CRISPR 돌연변이의 예측 가능성을 탐구했습니다. 이를 위해 그들은 진화의 시계를 되돌렸습니다.

CSHL 교수이자 HHMI 연구원인 Zachary Lippman과 부교수 David McCandlish는 두 가지 다른 유전적 돌연변이의 존재에 따라 서로 다른 자연 돌연변이와 조작된 돌연변이가 토마토 크기에 유사한 영향을 미치는지 알고 싶었습니다. 그들은 CRISPR 기술을 사용하여 SlCLV3 유전자에 일련의 돌연변이를 생성했습니다. (이 유전자의 자연적 돌연변이는 과일 크기를 증가시키는 것으로 알려져 있습니다.) 그런 다음 그들은 이러한 돌연변이를 SlCLV3와 작용하는 다른 유전자의 돌연변이와 결합했습니다.

콜드 스프링 하버 연구소(Cold Spring Harbor Laboratory) 과학자들은 과일 크기에 영향을 미치는 자연 및 가공 돌연변이가 있는 40개 이상의 토마토 계통을 수집했습니다. 이 균주는 플로리다와 뉴욕의 Cold Spring Harbor를 포함한 다양한 지역에서 수년 동안 재배되었습니다. 이미지 출처: Lipman Laboratory/Cold Spring Harbor Laboratory

그들은 다양한 돌연변이 조합을 통해 총 46개의 토마토 계통을 만들었습니다. 그들은 SlCLV3 돌연변이의 영향이 특정 다른 돌연변이가 존재할 때 더 예측 가능하다는 것을 발견했습니다. 한 유전자의 돌연변이는 토마토 크기에 예측 가능한 변화를 가져오지만 다른 유전자의 돌연변이는 무작위 결과를 생성합니다. 특히 가장 유익한 효과는 수천 년 전에 나타났으며 토마토 재배의 핵심인 두 가지 돌연변이와 관련이 있었습니다.

McCandlish와 Lipman의 새로운 연구는 유전적 예측 가능성을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 한 가지는 확실합니다. 새로운 작물 돌연변이를 도입할 때는 상황이 중요합니다. Lipman은 다음과 같이 설명했습니다.

"게놈 편집이 소비자에게 더 나은 맛과 영양이라는 혜택을 신속하게 제공할 수 있습니까? 대답은 아마도 '예'일 것입니다. 문제는 그것이 얼마나 예측 가능하느냐입니다."

인공 돌연변이와 자연 돌연변이의 다양한 조합을 가진 토마토 모음입니다. 이러한 돌연변이는 스트로뮬(또는 종자 주머니)의 수에 영향을 미쳐 과일 크기가 다양해집니다. CSHL 생물과학대학 졸업생인 Lyndsey Aguirre가 프로젝트를 이끌고 있습니다. 이미지 출처: Lipman Laboratory/Cold Spring Harbor Laboratory

McCandlish와 Lipman의 연구는 배경 돌연변이의 역할을 재평가할 필요가 있음을 시사합니다. McCandlish는 “우리가 더욱 고도로 공학화된 유기체를 만들기 시작하면 현장에서는 이 문제를 해결해야 할 것입니다.”라고 말했습니다. "10, 20개 돌연변이를 만들기 시작하면 예상치 못한 결과가 나올 확률이 높아질 수 있습니다."

진화론은 다양한 언어로 기록되었으며, 그 중 많은 언어는 우리가 아직도 배우고 있습니다. 식물 유전학과 컴퓨터 생물학은 텍스트를 해독하는 두 가지 방법을 제공합니다. Lipman과 McCandlish는 그들의 공동 해석이 과학이 과제를 해결하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 앞으로 이는 인간이 진화하는 사회적 요구를 충족시키기 위해 작물을 적응시키는 데 도움이 될 수도 있습니다.