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GMO 해충저항성 Bt 기술 Bacillus thuringiensis

GM 개발 현황 :  GM 필요성?
- 제초제 : 글리포세이트
- 해충 : Bt 저항성

 

 

바실러스 투린기엔시스Bacillus thuringiensis(Bt)라는 토양 미생물이 1901년 병누에의 천적으로 발견되었다. 세균에 의한 해충의 방제가 가능한 것이다. 그 매커니즘은 나중에 알려지게 되었는데, 그 세균은 약간 특이한 단백질(BT 단백질)을 만든다는 것이다. 그런데 그 자체로는 전혀 작동이 하지 않는다고 한다. 그 단백질은 해충의 강알카리성 소화관에서 들어가면 모양이 변하면서(분해되면서) 활성 형태로 바뀐다는 것이다.
활성 형태로 바뀐 단백질도 특별한 기능을 하는 것은 아니라 단지 상피세포의 특정 수용체와 결합하는 능력이 있다고 한다. 이를 활성 BT단백질이라고 한다. 그런데 그 이유는 모르겠지만 그 수용체와 결합하면 해충의 소화관에 구멍이 뚤리는 기능이 발현된다고 한다. 농부들은 이런 특성을 이용해 Bt세균을 산 채로 농작물에 살포하거나, 세균에서 분리한 BT 단백질을 이용하여 유기(생물학적) 농약으로 반세기동안 사용해온 것이다. 그리고 그 단백질을 만드는 유전자를 이용하여 BT 저항성 작물을 만들기도 하였다
그런데 해충이 죽는 것은 단순히 위장관에 구멍이 뚤려서가 아니라고 한다. 처음에는 막연히 독소로 너무 많은 손상을 입히기 때문에 곤충들이 굶어 죽는다고 가정해 왔는데 유충들이 굶어죽는 데는 일주일 이상이 소요되는데, Bt를 사용하면 3~4일 내에 죽는다.
그 비밀을 니콜 브로데릭이 우연히 알게 되었다. 그녀는 곤충에 미리 항생제를 처리하여 장내 세균을 모두 죽인 후 Bt에 노출시켜보았다. 그러자 곤충들은 전혀 죽지 않았다. 장내세균이 위장관에 머무를 때는 곤충에게 해를 끼치지 않기 때문에 오히려 BT단백질에 저항성을 부여할 것을 생각했는데 결과는 반대였다. Bt단백질의 신호로 위장관에 구멍이 뚤리면서   장내미생물은 그 구멍을 통해 혈류로 침투하게 되자 큰 문제가 생겼다. 면역계를 과잉흥분 시킨 것이다. 그 결과 해충의 전신에서 과잉의 면역반응이 일어나, 장기를 손상시키고 혈액순환을 가로막았다. 해충이 그렇게 빨리 사망한 건 Bt단백질의 독성 때문이 아니라 장내미생물이 일으킨 패혈증 때문이었다.
인간의 위는 해충처럼 강알카리조건이 아니고 반대로 강산성 조건이다. BT단백질이 활성화 형태로 바뀌지 않을뿐 아니라 인간의 소화관에는 곤충과 같은 수용체도 없어서 소화관에 구멍이 뚤리지도 않는다 현상도 없다.
그렇게 많은 GMO가 개발되었다고 하지만 실제 상업적으로 재배되는 작물은 글리포세이트 저항 유전자를 활용한 것과 BT단백질 유전자를 활용한 2종 밖에 없다. 우리는 GMO에 대해 말만 많이 할 뿐 실체가 무엇인지는 전혀 궁금해 하지 않는 셈이다

 


 

콩에는 이것 말고도 건강에 유해할수 있는 성분이 많다. 하지만 단점 보다는 장점이 훨씬 많기에 우리는 콩을 칭찬한 것 뿐이다. 지금까지 실속은 별로 없고 논란만 많았던 유전자 삽입 기능보다는 유전자를 침묵시켜 버리는 유전자 가위기법이 발전하면, 콩과 같은 식물이 먹히지 않게 만들었던 수많은 독성물질의 유전자를 봉쇄시켜 인간에게 더욱 좋은 콩을 만들 수 있을 것이다.
대부분의 식물은 동물과 곤충에게 먹히지 않기 위해 독을 만들거나, 방어수단을 구축한다. 농작물은 그 중에 그런 것이 적을 것을 고르고 고른 것이지만 아직도 남아 있는 위해요소가 많다. 유전자 가위로 감자의 독성물질을 만든는 유전자를 차단하는 것과 같은 일들이 앞으로 많아질 것이다. 그런 것이 훨씬 쓸모가 많을 것이다


생콩을 자연 그대로 많이 먹으면 동물은 죽기 쉽다. 단백질 분해효소 저해인자, 트립신 저해제 저해인자 등으로 소화불량에 걸리기 때문이다. 그래서 우리는 생콩을 그대로 먹지 못하고 삶아서 먹거나 두유나 두부로 만들어 먹는다. 단백질은 열에 의해 쉽게 불활성화 되기 때문이다.

 


좋은 세균'과 '나쁜 세균'은 없다: 조건과 상황이 중요하다.

출처: 에드 용, 『나는 미생물 군단이다』

‘미생물과 함께 산다는 것’의 혜택을 논하는 책에서, 이상야릇하지만 매우 중요한 감정을 건드려야 할 것 같다. 그것은 ‘좋은 미생물’과 ‘나쁜 미생물’에 관한 감정이다. 단도직입적으로 말해서, 이 세상에 ‘좋은 미생물’이나 ‘나쁜 미생물’ 같은 것은 존재하지 않는다. 그런 용어는 어린이들 동화책에나 나오는 것이며, 자연계에 존재하는 복잡하고 괴팍하고 맥락적인 관계를 기술하는 데는 적합하지 않다.
현실에서, 모든 세균들은 ‘나쁜 기생자’와 ‘좋은 상리공생자’라는 극단적 생활방식 사이의 어디쯤엔가 존재한다. 이를테면 월바키아는 균주와 숙주에 따라 기생자-상리공생자 스펙트럼의 양극단 사이를 오간다. 그러나 많은 세균들은 동시에 양극단에 존재한다. 예컨대 위장에 사는 헬리코박터 파일로리는 위궤양과 위암을 초래하지만, 식도암을 예방해 주기도 한다. 그런데 어이없게도, 악과 선을 행하는 세균이 동일하다. 어떤 세균들은 동일한 숙주 안에서 상황에 따라 역할을 바꿀 수도 있다. 이런 사실들로 미뤄볼 때, 상리공생자, 편리공생자, 병원균, 기생자와 같은 꼬리표는 고정된 정체를 알려주는 명찰이 아니라, 존재의 상태state of being(배고픔, 살아있음, 깨어있음)나 행동(협동, 투쟁)을 지칭하는 용어라고 할 수 있다. 다시 말해서, 그런 것들은 명사가 아니라 형용사나 동사에 가까우며, 특정 시간과 장소에서 두 파트너 간의 관계를 기술할 뿐이다.
니콜 브로데릭은 바실러스 투린기엔시스Bacillus thuringiensis(Bt)라는 토양미생물을 연구하다 대단한 사례를 발견했다. Bt는 독소를 생성하는데, 그것은 위장관에 구멍을 뚫음으로써 곤충을 살해한다. 농부들은 1920년대 이후 이 능력을 이용하기 위해, Bt를 산 채로 농작물에 살포해 왔다. 심지어 유기농 농민들도 이런 방법을 이용한다. Bt의 효과는 부정할 수 없지만, 과학자들은 지난 수십 년 동안 ‘Bt가 곤충을 살해하는 방법’을 잘못 이해해 왔다. 그들은 독소가 너무 많은 손상을 입히기 때문에 곤충들이 굶어죽는다고 가정해 왔다. 그러나 그것은 스토리의 전부가 아니다. 유충들이 굶어죽는 데는 일주일 이상이 소요되는데, Bt는 그들을 3~4일 내에 살해하기 때문이다.
브로데릭은 우연한 기회에 실상을 알게 되었다. 그녀는 장내미생물이 곤충의 유충들을 Bt의 독소에서 보호함으로써 생명을 연장해줄 거라고 생각하고, 그들을 항생제로 처리한 후 Bt에 노출시켰다. 미생물이 사라졌으니, 유충들은 훨씬 더 빨리 죽을 거라 예상했다. 그러나 결과는 완전히 딴판이었다. 유충들이 전부 살아남은 것이다. 면밀히 분석해본 결과, 놀라운 비밀이 밝혀졌다. 장내미생물은 유충을 보호하는 우군이 아니라, 되레 Bt와 내통하여 유충을 죽이는 반란군이었다. 그들은 위장관에 머무는 동안에는 유충에게 해를 끼치지 않았지만, Bt의 독소가 위장관에 구멍을 뚫은 후에는 행동이 돌변했다. 장내미생물이 그 구멍을 통해 혈류로 침투하자, 이를 감지한 면역계가 흥분했다. 그 결과 유충의 전신에서 면역반응이 일어나, 장기를 손상시키고 혈액순환을 가로막았다. 이것은 패혈증sepsis의 전형적 증상인데, 유충이 그렇게 빨리 사망한 건 Bt의 독소 때문이 아니라 장내미생물이 일으킨 패혈증 때문이었다.
인간의 경우에도, 매년 수백만 명이 이와 비슷한 현상을 경험하는 것으로 보인다. 인간도 위장관에 구멍을 뚫는 세균에 감염되는데, 평소에 위장관에 머물던 장내미생물이 혈류로 침투하면 우리도 패혈증에 걸리게 된다. 앞에서 설명한 곤충 유충의 경우처럼, 동일한 미생물이 위장관에서는 ‘좋은 미생물’이지만, 혈류 속에서는 ’나쁜 미생물’로 행동할 수 있다. 그들이 상리공생자 행세하는 것은 그들 자체의 속성 때문만이 아니라, 그들이 살고 있는 서식처 때문이다. 소위 기회성 세균opportunistic bacteria의 경우에도 동일한 원리가 적용된다. 인체 내에 서식하는 그들은 평소에는 무해하지만, 면역계가 약화된 사람들의 경우에는 치명적 감염을 초래할 수 있다.

동남아 국가에서 ‘생명공학 가지’ 상용화

손수인  2015.10.07  

가지는 인도뿐만 아니라 다른 아시아 여러 국가들의 주요한 식재료이다. 가지는 다양한 형태와 색을 가지는 품종이 있다. 줄무늬가 있고 둥글거나 또는 하얗고 마치 달걀같이 보여서 가지를 에그 플랜트 (egg plant) 라고 부른다. 인도에서는 거의 55만㏊가 재배되고 중국 다음으로 가장 큰 생산국이다. 필리핀에서 가지는 생산면적으로 봤을 때 가장 많이 재배되는 채소이다. 평균적으로 해마다 2만1225㏊가 심겨진다. 방글라데쉬는 전국에서 5만㏊를 재배하고 생산량의 관점에서 세 번째로 중요한 채소이다. 가지는 많은 아시아 농부들에게 중요한 수입원이다. 가지의 이득은 농부들에게만 그치는 것은 아니다. 인간건강에도 유익한데 가지는 많은 섬유와 수분,항산화제가 풍부하고 비타민과 미네랄의 좋은 공급처이다. 따라서 항암,당뇨,위장관 질환에 도움을 줄 수 있다.
그러나 가지를 재배하는 농부들은 해충으로 인해 해마다 51~73％의 심각한 생산량 감소로 고통받는다. 그 이유는 FSB (Eggplant Fruit and Shoot Borer)라 불리는 해충 때문이다. 암컷 나방은 가지의 잎에 대부분 알을 낳는다. 알이 부화하고 유충으로 변할 때 잎 조직을 먹고 줄기와 열매에 터널을 만든다. 이것 때문에 필리핀과 방글라데시의 주요 가지 생산지역의 가지재배 농부들은 매일 화학 살충제를 살포하거나 재배기간 동안에는 어마어마한 양의 살충제를 살포한다. 이 문제를 해결하기 위해 생명공학 기술을 이용한 가지가 품종 개발되었다. 이는 Bt 기술이라고 알려졌는데,Bt는 Bacillus thuringiensis의 약자로서 토양에 존재하는 일반적인 토양세균이고 FSB를 죽일 수 있는 유전자를 포함하고 있다. 과학자들은 이 유전자를 가지에 도입하여 FSB에 저항성을 가지는 가지를 개발하였다. Bt 유전자가 생산하는 Bt 단백질은 FSB 유충에서 소화될 때 알칼리성 조건을 보이는 장에서 분해될 수 있다. 그런 다음 이것은 중장에 존재하는 또 다른 단백질 수용체에 결합하고 이로인해 활성을 가진 독소를 야기한다. 이 독소는 곤충의 장에 천공을 만들어 곤충이 몇 일 안에 죽게 만들다. 다른 Bt 작물인 Bt 옥수수나 Bt 면화는 이들 재배 농부가 살충제를 덜 사용하도록 해주었다. Bt 기술은 농부들에게 돌아가는 순이득을 높이고 환경에도 바람직한 영향을 줄 수 있다.
방글라데시는 여러해 동안 시험을 거친 후 세계에서 첫 번째로 Bt 가지의 상업적 재배를 승인하였다. 4품종의 BT 가지가 2013년에 승인되었는데 초기 재배기간의 실험적 자료에 근거하면 Bt 가지는 생산력을 적어도 30％ 정도 증가시켰으며 살충제의 종류와 양을 줄여 비용을 71-90％ 까지 감소시켰다. 인도에서 Bt 가지는 한 회사에서 개발되었는데 살충제의 비용을 77％까지 줄인 것으로 나타났으며, 시장성 있는 열매는 전통적인 교잡종의 열매에 비해 116％ 증가하였다. 연구자들은 Bt 가지가 농민들에게 에이커당 미화 330달러에서 397달러의 순이득을 가져오면서 연간 400백만 달러를 넘어서는 이득을 인도에 가져다 줄 것으로 예측했다.


GM 옥수수에 저항성을 띤 해충 발견

GM 농산물의 주특기 가운데 하나는 병충해에 저항하는 독소를 생성한다는 것입니다. 그런데 이 독소에 저항성을 띤 해충이 발견되었다고 합니다. 예상치 못했던 바는 아니지만, 곤충의 적응력은 참으로 놀랍군요.
미국 아이오와 대학교의 애런 그래스먼 교수(곤충학)가 이끄는 연구진은 아이오와 주의 일부 들판에서, GM 옥수수가 생성하는 Bt 독소(Bacillus thurinigiensis toxin) 3가지 중 2가지에 저항성을 지닌 옥수수뿌리벌레(Diabrotica virgifera virgifera LeConte)를 발견했다. 최근 한 종류의 Bt 독소에 저항하는 해충이 발견된 적이 있지만, 이번에는 양상이 달라졌다. 즉, 한 종류의 Bt 독소에 대해 저항성이 생기면, 이보다 최근에 도입된 다른 독소에도 교차저항성을 띠는 것으로 밝혀진 것이다. "문제의 독소들은 현재 시중에 나와 있는 3가지 독소 중의 일부로, 이용 가능한 해충구제 기술의 상당부분을 차지하고 있다"라고 연구진은 말했다.
GM 옥수수는 Bt 독소인 Cry3Bb1을 생성하는데, 이것은 2003년 미국에서 처음 승인받았으며, 뿌리벌레와 같은 해충으로부터 옥수수를 보호해 준다. 그런데 2009년 GM 옥수수를 재배하던 농부들은 옥수수 뿌리가 손상되는 현상을 목격하기 시작했다. 2011년에 이르자, 뿌리 손상 현상은 제2의 독소인 mCry3A를 생성하는 GM 옥수수로 파급되었다. 그래스먼 교수가 이끄는 연구진은 실험실 연구를 통해, "Cry3Bb1에 내성을 지닌 해충은 mCry3A에도 내성을 지니게 된다"는 사실을 입증했다. 이 같은 교차저항성(cross-resistance)이 나타나는 이유는, 두 가지 독소가 유사한 화학구조를 지니고 있으며, 해충의 위장관에서 동일한 부위에 결합하기 때문인 것으로 보인다.
문제를 더욱 어렵게 만드는 것은, 옥수수 뿌리벌레가 너무 끈질겨 현재 GM 농산물이 생성하는 Bt 독소의 양으로는 완전히 통제하기가 불가능하다는 것이다. 예컨대 조명나방(European corn borer)의 경우 Bt 독소를 이용하면 99.99% 이상이 사망하지만, 뿌리벌레의 경우에는 Bt 독소가 함유된 GM 옥수수를 갉아먹더라도 2% 이상이 생존한다. 게다가 미국의 농부들은 널따란 평원에서 매년 동일한 품종의 옥수수를 대량으로 재배하기 때문에, Bt 독소 저항성 해충이 신속하게 진화할 수 있다. 아이오와 주의 경우 평균 3.6년 만에 Bt 저항성 뿌리벌레가 출현한 것으로 알려졌다.
"이번 연구결과는 `병충해 구제 정책이 GM 농산물에만 전적으로 의존해서는 안 된다`는 교훈을 준다. 아무리 병충해에 강한 GM 농산물이라 하더라도 통합된 해충구제 정책(integrated pest-management policy)의 일환으로 사용하지 않으면, 저항성 해충이 신속하게 발생할 수 있다"라고 다우 애그로사이언스(Dow AgroSciences)의 글로벌 과학정책 리더인 니콜라스 스토러 박사는 말했다. 예컨대 다우와 같은 농업 BT 업체들은 저항성 해충의 등장을 막기 위해 피라미딩(pyramiding) 전략, 즉 2가지의 상이한 독소를 생성하는 GM 작물을 개발하는 전략을 구사하고 있다. 일례로 다우는 몬산토와 손을 잡고 Cry3Bb1와 Cry34/35Ab1을 동시에 생성하는 종자를 판매하고 있는데, 현재 Cry34/35Ab1에 저항성을 지닌 해충은 출현하지 않은 상태다.
"두 가지 상이한 항병충해 독소를 결합하는 것은 저항성 해충의 출현을 지연시킬 수 있는 중요한 방법이지만, 두 가지 독소 중 하나에 대해 저항성이 발생하는 경우 결합의 효과가 반감된다. 따라서 농부들은 과학기술에만 전적으로 의존하는 병충해 구제방법을 탈피하고, 윤작과 같은 기법을 도입하여 해충의 라이프사이클을 교란시켜야 한다. 한 지역에서 주기적으로 작물을 바꿔 심으면, 해충의 번식을 막을 수 있다. 옥수수가 없는 들판에서 옥수수 뿌리벌레가 살아남을 수는 없지 않은가?"라고 그래스먼 교수는 말했다.
스토러 박사도 `아무리 최고의 BT 기술일지라도 반드시 구식 기법과 병행해야 한다`는 의견에 동의하며, 이렇게 말했다: "Bt 독소가 등장하기 이전에 뿌리벌레와 싸우는 주된 방법은 윤작이었다. 지금도 그 방법을 계속 사용할 필요가 있다. 구관이 명관이다."

※ 원문정보: Gassmann, A. J. et al., "Field-evolved resistance by western corn rootworm to multiple Bacillus thuringiensis toxins in transgenic maize", Proc. Natl Acad. Sci. USA