2016년 호주기상청은 세계에서 가장 큰 산호초 시스템인 그레이트 배리어 리프(Great Barrier Reef) 근처에서 가장 뜨거운 해수 온도를 기록했다. 열 파는 몇 주 동안 지속되어 암초가 경험한 최악의 표백 사건을 촉발했다. 그 결과 산호의 거의 30%가 죽었다.

기후변화로 인한 기온 상승은 더 많은 산호 표백과 대량 감소를 가져올 위험이 있다. 산호초는 생애주기의 어느 시점에서 모든 해양 종의 약 25 %가 서식하고 있으며 해안지역을 폭풍과 침식으로부터 보호하고 관광을 창출한다.

붕괴 직전의 암초를 구하기 위해 과학자들은 일부 산호가 생존하고 다른 산호가 생존하지 못하는 이유를 이해하기 위해 경주하고 있다. 특히 흥미로운 것은 산호 생존 뒤에 있는 유전자이다. 유전자편집기술인 CRISPR을 사용하여 한 그룹의 연구자들은 그레이트 배리어 리프 (Great Barrier Reef)에서 산호의 내열성을 담당하는 유전자를 찾아 냈다.

이번 달 국립과학아카데미 회보에 게재된 이 발견은 산호 보존 노력을 안내하는 데 도움이 될 수 있으며 잠재적으로 산호에 대한 23andMe 유형 테스트로 이어질 수 있다. 과학자들에게 표백의 위험이 가장 큰 산호나 산호에 내성이 더 강한 산호를 알려주는 유전자 검사는 보존에 매우 유용할 것이라고 Carnegie Institution의 해양 유전학자인 Phillip Cleves 박사는 과학은 알려준다. 예를 들어 일부 산호는 극한 환경에서 살 수 있다.

"현장의 주요 문제는 우리가 산호 표백이나 산호 생존에 어떤 유전자가 열 스트레스에 영향을 미치는지 파악할 수 없다는 사실이다."라고 Cleves는 말한다. "우리는 그들의 유전자가 무엇을 하는지 물어볼 수 있는 유전적 도구가 없었다."

Cleves와 그의 협력자들은 산호에서 CRISPR을 사용하는 방법을 알아 냈다. 한 쌍의 유전자 가위처럼 CRISPR을 사용하면 과학자가 유기체 세포의 유전자를 삭제하거나 편집할 수 있다. 이 기술은 실험실 생쥐에서 널리 사용되며 암뿐만 아니라 소수의 유전 질환을 해결하기 위해 인간에게 시도되고 있다. 그러나 CRISPR은 다른 유기체보다 일부 유기체에서 사용하기가 더 어렵다.

산호에 CRISPR을 적용하는 데 있어 어려움은 절차가 새로 수정된 난자에서 이루어져야 한다는 것이다. 그러나 산호는 보름달 동안 한밤중에 일년에 한 번만 산란한다. 수온이 적당할 때 성숙한 산호는 수정을 위해 난자와 정자를 동시에 바다로 방출한다. 지난 몇 년 동안 Cleves와 다른 과학자들은 실험을 위해 새로 수정된 알을 수집하기 위해 매년 산란을 위해 호주의 그레이트 배리어 리프를 방문했다.

"이것은 확실히 수송의 문제이다."라고 그는 말한다.

실험실로 돌아온 Cleves와 그의 공동 저자는 수정된 산호 란에 CRISPR을 주입하기 위해 작은 바늘을 사용했다. 그들은 다른 유기체에서 열 반응에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 유전자를 제거하기 위해 그것을 사용했다. 다음으로 그들은 수정란을 발육시킨 다음 생성된 산호 유충을 다른 온도에서 물에 노출시켰다.

편집된 유충은 섭씨 27도(화씨 81도)의 수온에서 잘 살았지만 연구원들이 수온을 34도(화씨 93도)로 높이자 빠르게 죽었다. 대조적으로, 편집되지 않은 유충은 따뜻한 물에서 잘 살아남았으며, 이는 유전자가 내열성에 필요하다는 것을 암시한다. 그레이트 배리어 리프 주변의 수온은 일반적으로 겨울에는 섭씨 23도(화씨 75도)에서 여름에는 섭씨 29도(화씨 약 84도)까지 다양하다. 유전자 HSF1은 이전에 산호의 열 반응에 관여하는 것으로 알려지지 않았다.

물이 너무 따뜻해지면 산호는 조직에서 피난처를 차지하는 유익한 조류를 배출한다. 조류는 산호에 생생한 색을 줄 뿐만 아니라 산호가 생존하는 데 필요한 중요한 영양소를 만든다. 그것들이 없으면 산호는 하얗게 변하고 질병에 더 취약해진다. 표백은 또한 그들의 성장과 번식 능력을 방해한다.

"이 연구는 열 스트레스 기간 동안 산호가 표백이 되는 방법과 이유에 대한 더 나은 통찰력을 제공한다. 특히 산호가 기후변화에 어떻게 적응할 수 있는지 이해하기 위해 노력할 때 확실히 유익하다."고 캘리포니아에 기반을 둔 비영리 단체인 Coral Reef Alliance의 보존과학 책임자인 Helen Fox 박사는 말했다.

2018년에 Cleves와 그의 동료들은 산호에서 유전자편집이 가능하다고 처음으로 보고했다. 하지만 그 연구에서 이 기술은 충분히 효과가 없었다. 그들은 CRISPR이 산호의 물리적 특성에 실제로 영향을 미칠만큼 충분한 세포를 편집할 수 없었다. (이것은 CRISPR의 일반적인 문제이다.)이 최신 논문은 유전자편집을 사용하여 유전자를 삭제하고 누락된 유전자의 효과를 연구할 수 있음을 보여준다. 해양생물학자들은 오징어에서 CRISPR을 사용하여 비슷한 발전을 이루었다.

"산호에서 유전자를 제거할 수 있는 능력이 있으면 우리는 산호에서 유전자가 하는 일을 분류할 수 있다."라고 Cleves는 말한다. “그 기본 지식은 산호가 기후변화에서 살아남는 경향과 관련된 생물학적 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 것이다.”

이 연구는 또한 내열성 유전자를 산호에 주입할 수 있는 기회를 제공한다. Cleves는 유전자조작 산호를 만드는 데 관심이 없지만 그의 협력자 중 일부는 그렇다. 작년에 Science 잡지는 산호 유전학자인 Madeleine van Oppen 박사가 CRISPR을 사용하여 온난한 온도를 더 잘 견딜 수 있는 다양한 종류의 산호의 특성을 가진 하이브리드 산호를 만드는 방법을 연구하고 있다고 보도했다.

Cleves의 논문에 첨부된 논평에서 van Oppen은 CRISPR로 생성된 산호 균주가 일부 국가에서 GMO로 분류될 것이라고 경고한다. “그들의 환경에 대한 방출은 엄격한 규제와 공공 조사에 직면하게 될 것이다.”고 그녀는 썼다.

Fox는 산호초를 유 전적으로 변경하는 것이 위험한 보존 방법이라고 생각한다. “자연은 믿을 수 없을 정도로 예측할 수 없으며 너무 많은 인간의 간섭은 의도하지 않은 결과를 초래할 수 있다.”고 그녀는 말한다.

또한 표백 만이 산호초가 직면하는 유일한 위협은 아니다. 대부분의 암초는 해안 근처의 얕은 물에 위치하여 육지에서 발생하는 오염과 해안 개발 및 어업으로 인한 피해에 취약하다. 많은 국가에서 금지되어 있지만 불법 산호 채굴은 전 세계의 산호초 파괴에도 기여하고 있다.

현재 van Oppen과 Cleves는 유전자 변형 산호를 야생에 도입하는 것이 보존 노력의 초점이 되어서는 안된다는 데 동의하지만 CRISPR이 멸종위기에 처한 산호 종을 보존하는 다른 방법을 공개할 수 있기를 희망한다.

“더 확장 가능한 보존 접근법은 산호초에 대한 위협을 줄이고 산호가 기후변화에 적응할 수 있도록 진화 과정을 거치도록 하는 것이다.”고 Fox는 말한다.