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포유류 세포 DNA 조작의 새로운 방법 고안
2017-03-29 14:00:00
정세진

포유류 세포의 DNA를 유전공학적으로 조작, 복잡한 계산을 수행하고 세포를 바이오 컴퓨터로 전환시키는 새로운 방법이 고안됐다.

이번 연구는 추후 변형된 세포를 프로그래밍해 암 치료에서 마모된 신체 부위를 대체할 수 있는 조직 등을 개발하는 데 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.

미니 컴퓨터처럼 작동하는 공학 세포는 이전에도 성장 생물학 분야의 일환으로 꾸준히 연구가 지속돼 왔다.

지금까지 대부분의 실험은 대장균과 다른 박테리아들을 대상으로 이뤄졌는데, 그 이유는 유전자가 비교적 조작하기 쉽기 때문이다. 학자들은 박테리아에서 더 복잡한 계산을 수행하기 위해 단일 세포 내의 여러 유전 회로를 함께 연결했다.

인간의 질병을 탐지하고 치료하는 데에는 포유류 세포로 유전 회로를 만드는 것이 더욱 효과적이다. 그러나 이러한 시도들은 대부분 실패했다.

복잡한 회로가 작동하려면 각기 다른 구성 요소의 켜고 끄기가 일관되게 이루어져야 한다.

사진설명-유전자 재조합 실험의 예

유전자를 켜거나 끄는 가장 일반적인 방법은 특정 유전자의 발현에 결합해서 그 유전자의 발현을 조절하는 전사 인자(transcription factors)라고 불리는 단백질을 이용하는 것이다.

미국 보스턴 대학의 합성 생물학자 윌슨 웡 박사는 “이러한 전사 인자들이 모두 조금씩 다르게 움직이는 것이 문제”라고 설명한다.

연구팀은 DNA의 스위치를 업그레이드하기 위해 전사 인자를 제거하고 DNA 일부를 선택적으로 잘라내는 가위 역할을 하는 효소를 대신 집어넣어 인간 신장 세포 유전자를 켜고 끄도록 했다.

DNA 재조합 효소로 알려진 이 효소들은 DNA의 두 개의 표적 스트레치를 인식하며 각각 30~50개 또는 그 이상의 염기쌍을 가지고 있다.

재조합 효소가 표적 DNA의 스트레칭을 인식할 때, 그것들은 중간 부분의 DNA를 잘라 내고 이중 나선의 절단된 끝을 함께 꿰맨다.

유전자 회로를 설계하기 위해 연구팀은 세포의 DNA를 읽고, 유전자를 RNA로 전사한 다음 RNA를 단백질로 번환시키는 기존의 세포 기계를 사용했다.

사진설명-DNA 폴리머라제의 구조와 기능

이 정상적인 유전자 대응 단백질 작동은 유전자의 상단부에 있는 또 다른 DNA 조각인 프로모터에 의해 시작된다.

프로모터가 활성화되면 RNA 폴리머라제라 불리는 분자가 작동, DNA 가닥을 움직이게 하고 DNA 끝부분에 도달한 후에는 RNA를 생성해 멈추도록 지시한다.

GFP 유전자의 프로모터 상류가 활성화되었을 때 RNA 폴리머라제는 맨 처음에 종결 서열로 진행된 후 DNA 판독을 중단했다.

그러나 약물이 첨가되면 재조합 효소는 RNA 폴리머라제 GFP의 생산 개시를 막고 있던 종결 서열을 스위치 온 해서 연결시켰다.

연구팀이 각기 다른 재조합 효소를 다른 DNA 표적 가닥과 함께 추가해 만들어낸 다양한 회로는 113가지로 96.5%의 성공률을 보였다.

메사추세츠 공과대학의 합성 생물학자인 티모시 루 박사는 “포유동물의 유전 회로를 설계 할 수 있는 또 방법을 제시했다는 점에서 매우 흥미롭다”며 “학자들은 이를 새로운 의학 치료법을 개발하기 위해 사용하기를 원할 것”이라고 언급했다.

가령 과학자들은 암세포에 의해 생성된 2개 또는 3개의 ‘바이오 마커’의 존재를 감지할 때 종양을 없애기 위한 반응을 시작하는 유전 회로와 함께 T세포, 면역 시스템의 중심을 조작할 수 있다고 웡 박사는 말한다.

연구팀은 또한 줄기 세포를 조작해 다른 신호로 자극받을 때 이를 특정 세포 유형으로 발전시키는 방법에 대해 연구하고 있다.

이 방법을 사용하면 합성생물학자는 인슐린 생산 β세포 또는 연골 생성 세포와 같이 필요에 따라 조직을 생성하게 할 수 있다.

이 연구 결과는 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)’ 27일자에 게재됐다.

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