살충제는 식량 작물에 피해를 가하는 광범위한 해충을 방제하기 위해 수세기 동안 사용되어 왔다. 그러다 보니 딱정벌레, 나방, 파리 및 기타 곤충들은 살충제 화학 물질에 대응하는 유전적 돌연변이가 출현했다.

농업인과 매개체 방제 전문가들은 이러한 돌연변이 해충의 저항성이 커지면서 독성 화합물의 농도와 빈도를 점점 더 늘려 사용하게 되고, 이로 인해 대다수 살충제는 생태적으로 중요한 곤충과 해충을 무분별하게 죽여 인간의 건강과 환경에 피해를 입힌다는 지적을 받아 왔다.

이러한 문제에 대처하기 위해 연구자들은 최근 살충제 내성 변이 유전자를 유전적으로 제거하고 살충제에 취약한 유전자로 대체하는 강력한 기술을 개발했다. CRISPR 유전자 편집을 기반으로 하는 이러한 유전자 구동 기술은 귀중한 작물을 보호하고 해충을 제거하는 데 필요한 화학 살충제의 양을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 지닌 것으로 알려졌다.

그럼에도 불구하고, 유전자 구동 시스템은 일단 개체군에 방출되면 통제 불능으로 계속해서 퍼질 수 있다는 우려와 함께 비판도 뒤따르고 있다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 유전학자들은 최근 이 문제에 대한 해결책을 개발·제시했다. 생물학과 박사후 연구원인 Ankush Auradkar와 Ethan Bier 교수는 Nature Communications 저널에 게재된 논문에서 “살충제에 내성이 있는 돌연변이 곤충 유전자를 자연스럽고 본래의 형태로 다시 전환하는 새로운 유전 시스템을 만들었다”며 “이 새로운 시스템은 대립 유전자라고 알려진 특정 유전적 변이의 편향된 유전을 사용해 원래의 ‘야생형’ 유전자 버전을 퍼뜨리고, 그 다음 사라지게 하여 수정된 유전자 버전을 가진 곤충 집단만 남기도록 설계됐다”고 설명했다.

세포 및 발달 생물학과 교수인 Bier는 자기 제거 대립 유전자 구동 또는 ‘e-Drive’에 대해 “우리는 환경에 다른 교란을 일으키지 않고 살충제 내성을 역전시키는 효율적인 생물학적 접근 방식을 개발했다”며 “e-Drive는 일시적으로 작용한 다음 개체군에서 사라지도록 프로그램되어 있다”고 밝혔다.

이번 논문에 따르면, 새로운 유전적 ‘카세트’, 즉 작은 DNA 요소 그룹을 만들어서 다른 곤충에 적용할 수 있는 개념 증명 기술로 과일파리 내부에 삽입했다. 그들은 전압 개폐형 나트륨 이온 채널 또는 vgsc로 알려진 유전자를 표적으로 삼는 e-Drive를 개발했는데, 이는 적절한 신경계 기능에 필요한 요소이다.

e-Drive 카세트는 CRISPR 유전자 편집을 통해 퍼지도록 설계되었으며, Cas9 DNA 단백질에 결합하고 표적 vgsc 살충제 내성 유전자 부위를 절단하는 가이드 RNA를 특징으로 한다. 그런 다음 유전자는 살충제에 취약한 유전자의 기본 사본으로 전환된다.

또한, 카세트를 운반하는 곤충이 표적 집단에 도입되면 무작위로 짝짓기를 하고 e-Drive 카세트를 자손에게 전달한다. 연구자들은 e-Drive의 확산을 통제하기 위해 제한된 생존력이나 번식력을 통해 카세트를 운반하는 곤충에 대한 적합성 검사를 시행했다. 그 결과, 카세트는 X 염색체에 삽입되어 수컷의 짝짓기 성공률을 낮추어 자손이 감소했다. 집단에서 카세트의 빈도는 결국 각 세대를 거치면서 감소하여 집단에서 완전히 사라지게 된다. 실험실 실험에서 모든 자손은 8~10세대에 걸쳐 토착 유전자로 전환되었는데, 이는 파리의 경우 약 6개월이 걸렸다.

Auradkar는 “해당 유전자 카세트를 지닌 곤충은 심각한 적응도 비용으로 인해 처벌을 받기 때문에 해당 유전자는 개체군에서 빠르게 제거되며, 표적 유전자의 살충제 내성 형태를 100% 야생형으로 되돌리는 데 걸리는 시간 동안만 지속된다”고 말했다.

연구자들은 e-Drive의 자체 제거 특성으로 인해 필요에 따라 도입하고 재도입할 수 있으며, 다양한 유형의 살충제를 사용할 수 있다고 언급했다. 이들은 현재 말라리아 확산을 예방하기 위해 모기에서 유사한 e-Drive 시스템을 개발하고 있다.

한편, Auradkar와 Bier 외에도 Nature Communications 논문의 공동 저자로는 상파울루 대학 생물의학 연구소의 Rodrigo Corder와 Innovative Genomics Institute의 John Marshall이 포함됐다. 이들은 정교한 수학적 모델링을 통해 e-Drive 시스템의 중요한 숨겨진 특징을 밝혀냈다. 여기에는 드라이브 과정이 발생하지 않는 개체를 효율적으로 제거하는 기능이 포함됐다.