세포가 조직과 구조를 만드는 방식을 모방하도록 설계된 합성 유전자

UCLA 사무엘리 공과대학과 이탈리아 로마 토르베르가타 대학의 연구자들은 살아있는 세포의 유전자처럼 기능하는 합성 유전자를 개발했습니다.

인공 유전자는 계단식 시퀀스를 통해 세포 내 구조를 구축할 수 있으며, 이는 조각조각으로 자체 조립 구조를 구축합니다. 이 접근 방식은 IKEA에서 찾을 수 있는 것과 매우 유사한 모듈식 유닛으로 가구를 만드는 것과 유사합니다. 동일한 부품을 사용하여 여러 가지 다른 것을 만들 수 있으며, 세트를 분해하여 다른 용도로 부품을 재구성하는 것이 쉽습니다. 이 발견은 DNA 타일에서 나노스케일 튜브와 같은 복잡한 생물 분자 재료를 만드는 데 프로그래밍할 수 있는 간단한 빌딩 블록 세트를 사용하는 경로를 제공합니다. 동일한 구성 요소를 프로그래밍하여 다른 재료에 대한 디자인을 분해할 수도 있습니다.

이 연구는 최근 Nature Communications 에 게재되었으며 UCLA Samueli의 기계 및 항공우주 공학 및 생명공학 교수인 Elisa Franco가 주도했습니다. Franco의 Dynamic Nucleic Acid Systems 연구실의 박사후 연구원인 Daniela Sorrentino가 이 연구의 첫 번째 저자입니다.

프랑코는 "우리의 연구는 그러한 지시를 전달하는 분자의 수를 늘리는 것이 아니라, 자기 조립을 위한 분자 지시의 타이밍을 활용하여 생체 분자 물질의 복잡성을 확장하는 방법을 제안합니다."라고 말했습니다. "이것은 조립의 시간적 순서를 제어하는 ​​요소를 간단히 다시 연결하여 동일한 유한한 부품 세트에서 자발적으로 '발전'할 수 있는 별개의 재료를 생성할 수 있는 흥미로운 가능성을 보여줍니다."

복잡한 유기체는 단일 세포에서 연속적인 분열과 분화 과정을 거쳐 발달합니다. 이러한 과정에는 유전자 활성화의 타이밍과 위치를 안내하는 유전자 카스케이드에 의해 조정되는 수많은 생체 분자가 포함됩니다. 분자 신호가 수신되면 일련의 유전자가 특정 순서로 조립되어 특정 생물학적 반응이 발생합니다. 생물학에서 잘 알려진 예로는 과일파리의 체절 형성을 제어하는 ​​유전자 카스케이드가 있습니다. 이 과정에서 유전자는 특정 체절이 올바른 순서로 형성되도록 완벽하게 타이밍이 맞춰집니다.

"우리는 유전자 활성화의 타이밍에 따라 합성 물질의 형성이나 분해를 유도할 수 있는 유사한 유전자 연쇄 반응을 실험실에서 재현한다는 아이디어를 얻었습니다."라고 로마 토르 베르가타 대학교의 화학과 교수이자 공동 저자인 프란체소 리치가 말했습니다.

연구자들은 연구에서 몇 개의 합성 DNA 가닥으로 형성된 DNA 타일의 빌딩 블록을 사용했습니다. 그런 다음 수백만 개의 이러한 타일이 포함된 용액을 만들어서 서로 상호 작용하여 미크론 규모의 관형 구조를 형성했습니다. 이러한 구조는 형성을 유발하는 특정 RNA 분자가 있는 경우에만 형성됩니다. 다른 RNA 트리거 분자도 동일한 구조의 분해를 유도할 수 있습니다.

그런 다음, 특정 시간에 RNA 트리거를 생성하는 다양한 합성 유전자를 프로그래밍하여 DNA 구조의 형성과 분해를 정밀하게 조절할 수 있었습니다.

그들은 이러한 유전자들을 연결하여 과일파리의 유전자 연쇄 반응과 비슷한 합성 유전자 연쇄 반응을 만들어냈습니다. 이 유전자 연쇄 반응은 특정 유형의 DNA 구조가 형성되거나 분해되는 시점을 제어할 뿐만 아니라 주어진 시점의 특정 구성적 특성도 제어할 수 있습니다.

"우리의 접근 방식은 DNA 구조에 국한되지 않으며, 생화학적 신호의 타이밍에 의존하는 다른 물질과 시스템으로 확장될 수 있습니다." 소렌티노가 말했다. "이러한 신호를 조정함으로써, 우리는 동일한 구성 요소에 다른 기능을 할당하여 동일한 부분에서 자발적으로 진화하는 물질을 만들 수 있습니다. 이는 합성 생물학에서 흥미로운 발전을 열고 의학 및 생명공학에서 새로운 응용 분야를 위한 길을 열어줍니다."

이 연구는 미국 에너지부 과학국, 미국 국립과학재단, 유럽연구위원회, 이탈리아 암연구협회, 이탈리아 대학연구부, 이탈리아 국가 회복 및 회복력 계획(유럽연합의 경기부양책 NextGenerationEU를 통해 자금 지원)의 지원을 받았습니다. 소렌티노는 이탈리아 암연구협회의 지원을 받는 펠로우십을 받고 있습니다.

로마 토르 베르가타 대학의 연구자인 시모나 라날로도 이 연구의 저자입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241104112240.htm