[연구] 곽선영 교수팀, 식물 캘러스 재분화 효율 향상을 위한pH 감응형 스포츠 토토 라이브 스코어 개발

[연구필요성]

식물 조직배양에서 역분화된 캘러스가 다시 줄기와 잎 등 지상부 조직으로 재분화되는 과정은 유전자 편집과 품종 개량의 핵심 단계이지만, 일부 작물에서는 재분화 효율이 낮아 연구와 산업 적용에 한계가 있다. 선행 연구에 따르면, miR396 등의 유전 장벽은 핵심 재분화 유전자(GRF)의 기능을 억제함으로써 재분화 효율을 저하시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서 조직배양 과정 중 유전 장벽을 일시적으로 무력화시킬 수 있는 artificial inhibitory RNA를 식물세포 내로 효과적으로 전달할 수 있다면 캘러스의 재분화 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이를 위해서는 식물 세포벽을 통과해 세포질에 도달할 수 있으면서, 적절한 시점에 RNA를 세포질로 방출할 수 있는 고효율 전달체가 필요하다. 본 연구에서는 pH 변화에 따라 microRNA 억제 RNA를 식물 세포 내에 선택적으로 방출할 수 있는 스포츠 토토 라이브 스코어를 개발하고, 이를 활용해 식물 조직배양 재분화를 저해하는 유전적 장벽을 극복하고자 하였다.


[연구성과/기대효과]

서울대학교 농림생물자원학부 곽선영 교수와 화학부 서필준 교수 공동 연구팀은 올리고히스티딘 펩타이드로 기능화된 단일벽탄소나노튜브 기반의 스포츠 토토 라이브 스코어(His₆-SWNT)를 개발하였고, 이를 활용해 식물 조직배양 재분화를 저해하는 유전적 장벽을 극복할 수 있는 RNA를 효율적으로 전달함으로써, 식물 조직배양 효율 향상이 가능함을 증명하였다. 연구팀이 개발한 스포츠 토토 라이브 스코어는 생체적합성이 높고, 우수한 식물 세포벽 투과 능력을 가진다. 또한, 히스티딘 이미다졸기의 pKa(약 6.0) 특성으로 인해 세포 외부에서는 스포츠 토토 라이브 스코어와 RNA가 강한 인력으로 결합하여 안정적인 복합체를 형성하지만, 세포질의 중성 pH 환경에서는 스포츠 토토 라이브 스코어와 RNA사이의 정전기적인력이 감소함에 따라, 식물 세포 내에서 선택적으로 효과적인 RNA 방출이 가능하다. His₆-SWNT를 이용해 miR396을 표적하는 STTM396 RNA를 애기장대 및 토마토 식물의 캘러스에 전달한 결과, GRF 유전자의 발현이 증가하고 재분화 효율이 최대 2.5배 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 해당 기술은 외래 DNA 삽입 없이도 식물 세포 내 유전자 발현을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 식물 유전공학 플랫폼을 제시한 기술로서, 특히 조직배양이 어려운 작물의 재분화율을 향상시키는 데 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[본문]

□ pH 감응형 RNA 전달소재 개발과 식물세포 내 투과 확인

서울대학교 농림생물자원학부 바이오소재공학 전공 곽선영 교수 연구팀은 히스티딘의 imidazole기 pKa(약 6.0) 특성을 활용한 pH 감응형 RNA 전달 스포츠 토토 라이브 스코어를 개발했다. 단일벽탄소나노튜브(SWNT)를 oligohistidine 펩타이드로 비공유결합 기반으로 기능화하여 제작한 His₆-SWNT는 우수한 수용액 분산성과 식물 세포벽 투과 능력을 가지며, 산성 환경에서 RNA와 안정적으로 결합하고 중성 pH 환경에서는 결합력이 약화되어 RNA 방출을 유도하도록 설계되었다.
화학부 서필준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 STTM396 RNA를 His₆-SWNT 표면에 효율적으로 loading 시켜 안정한 STTM396RNA-SWNT복합체를 형성했으며, His₆-SWNT는 표면에 결합된 RNA를 안정적으로 보호하여 RNase에 의한 분해까지 방지할 수 있음을 증명했다. Arabidopsis seedling에 His₆-SWNT를 처리 후RNA-seq 분석을 수행한 결과, His₆-SWNT 처리군의 전사체 발현 패턴은 비처리군과 큰 차이를 보이지 않아, 해당 스포츠 토토 라이브 스코어가 식물 세포에 대해 높은 생체적합성을 지님을 확인하였다. 또한, 다양한 이미징 분석을 통해 RNA가 스포츠 토토 라이브 스코어를 통해 식물 세포 내부로 성공적으로 전달될 수 있음을 증명했다.


□ 캘러스의 지상부 조직 재분화 효율 향상 및 유전자 발현 증가 확인

His₆-SWNT를 통해 STTM396가 전달된 캘러스는 대조군 대비, 애기장대에서 최대 2.5배, 토마토에서 약 2배 높은 재분화율을 보였다. qRT-PCR 분석을 통해 miR396 발현이 유의하게 감소하고, miR396의 타겟인 GRF 계열 유전자 발현이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 pH 감응형 방출 소재를 통한 miRNA 억제가 세포 내 유전자 발현 네트워크를 조절하여 재분화 과정을 촉진했음을 시사한다.

본 연구에서 제시한 His6-SWNT 기반 전달 플랫폼은 외래 DNA 삽입 없이도 식물 세포 내에서 특정 microRNA를 정밀하게 억제할 수 있으며, 재분화 효율이 낮은 작물의 조직배양 성능 향상에 폭넓게 응용될 수 있다. 또한 동일한 원리를 적용하여 다양한 기능성 RNA를 전달함으로써 식물 생리 연구와 농업생명공학 전반으로 확장이 가능하다.
이번 연구는 농촌진흥청과 한국연구재단의 지원을 받아 진행되었으며, 연구 결과는 지난 8월 7일 재료과학 분야 권위지인 Advanced Functional Materials에 온라인으로 게재되었다.