세포 프로그래밍: 최첨단 RNA 도구를 사용한 유전 회로 혁명

POSTECH(포항공과대학교) 김종민 교수 연구팀이 합성 유전회로의 정밀성과 집적도를 향상시키는 새로운 기술을 개발했습니다.

포스텍 생명과학과 김종민 교수가 이끄는 연구팀은 대학원생 고현섭, 최종승도와 함께 '합성 번역 결합 요소(SynTCE)'를 성공적으로 개발해 합성생물학에서 유전 회로의 정밀성과 집적 밀도를 크게 향상시켰습니다. 이 연구는 최근 국제 분자생물학 및 생화학 저널 인 'Nucleic Acids Research' 에 게재되었습니다.

'합성생물학'은 자연 및 합성 유전적 조절 도구를 활용하여 유기체에 새로운 기능을 할당하는 연구 분야입니다. 합성생물학을 통해 엔지니어링된 유기체는 질병 치료, 플라스틱 분해 미생물, 바이오연료 생산을 포함한 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 특히, 여러 유전자가 협력하여 복합체를 형성하고 특정 기능을 수행하는 '폴리시스트론 오페론' 시스템은 제한된 리소스로 인코딩 효율성을 극대화하는 데 중요합니다.

그러나 정교한 유전 회로를 정밀하게 설계하려면 생물학적 부분 간의 간섭을 최소화해야 하며 효율적인 유전자 회로 통합을 위해 인코딩 밀도를 높여야 합니다. 합성 RNA 기반 번역 조절 부분은 종종 단백질 번역 프로세스의 간섭으로 인해 여러 유전자를 조절하고 회로 기능의 높은 정밀도를 달성하는 데 한계에 부딪혔습니다.

이 문제를 해결하기 위해 김 교수 팀은 여러 유전자를 조절하는 오페론에서 흔히 발견되는 자연적 유전자 조절 메커니즘인 '번역 결합'에 집중했습니다. 이 메커니즘은 상류 유전자의 번역이 하류 유전자의 번역 효율성에 영향을 미칩니다. 이 연구를 통해 팀은 이 메커니즘을 모방한 'SynTCE'를 설계하고, 이를 합성 생물학적 RNA 장치와 통합하여 더 효율적인 유전 회로를 만드는 데 성공했습니다.

연구팀이 이전에 보고한 RNA 컴퓨팅 시스템에 SynTCE 아키텍처를 통합함으로써, SynTCE를 사용하여 입력 신호를 하위 유전자로 정확하게 전송함으로써 유전 회로의 집적 밀도가 크게 향상되었으며, 단일 RNA 분자에서 여러 입력 및 출력을 동시에 제어할 수 있는 전례 없는 기능을 갖춘 시스템을 구현할 수 있었습니다.

특히, 단백질 N-말단을 정확하게 제어하고 단백질 번역 간섭을 제거함으로써 SynTCE는 '생물학적 봉쇄 ' 기술 에 적용되어 표적 세포를 선택적으로 제거하고 단백질을 프로그래밍된 세포 위치로 보낼 수 있습니다. 이 기술은 세포에서 정확한 기능 제어를 발전시키고 원하는 생물학적 작업을 용이하게 할 것으로 기대됩니다.

김종민 교수는 "이번 연구는 정교하고 정확한 유전자 회로 설계를 가능하게 하는 데 있어 중요한 진전을 나타낸다"며 "이 새로운 설계는 맞춤형 세포 치료제, 생물학적 치료를 위한 미생물, 바이오연료 생산 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것"이라고 기대감을 나타냈습니다.

본 연구는 농림식품 기술기획평가원, 한국연구재단, 경상북도 및 포항시의 합성생물학 연구비, 한국보건산업진흥원의 한국건강기술R&D사업, 경북테크노파크 지원사업, 교육부의 4차 BK21 지원사업, 한국기초과학지원연구원 사업, 산학협력선도대학원(LINC 3.0) 사업 등의 지원으로 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241220133203.htm