단백질을 빠르게 생산하기 위한 생물학적 반응 도가니 엔지니어링

듀크 대학의 생물의학 엔지니어들은 박테리아가 항생제와 같이 일반적으로 박테리아를 파괴하는 단백질을 포함하여 특정 단백질을 더 많이 생산하도록 하는 새로운 합성 접근법을 시연했습니다.

이 기술은 박테리아가 합성 무질서 단백질을 생산하도록 지시하여, 이 단백질이 모여 생물학적 응축물이라는 구획을 형성합니다. 이러한 구획이 특정 단백질에 대한 지시를 전달하는 mRNA와 이를 구현하는 데 필요한 기계를 함께 가두어 두면, 단백질 생산 속도를 크게 높일 수 있습니다.

이 기술은 제약, 산업용 화학물질, 바이오연료 등 광범위한 제품을 생산하는 데 박테리아를 사용하는 산업에 큰 도움이 될 수 있습니다.

이 연구 결과는 2월 10일 Nature Chemistry 저널에 온라인으로 게재되었습니다.

생물학적 응축물은 자연에 이미 풍부한 유용한 도구입니다. 모든 세포는 응축물을 사용하여 생물 분자 기계를 함께 가두거나 분리하여 활동을 위아래로 조절합니다. 이 현상이 2009년에 발견된 이래로, 그 용도와 기능은 활발한 연구 주제가 되었습니다.

"응축물은 세포가 새로운 조건이나 도전에 대응하여 유전자 발현을 일시적으로 제어하는 ​​데 유용합니다. 왜냐하면 DNA 수준이 아닌 단백질 생산 수준에서 유전자 발현을 빠르게 제어함으로써 몇 시간 또는 며칠이 아닌 몇 분 만에 단백질이 생성되는 방식을 변경할 수 있기 때문입니다."

듀크의 Alan L. Kaganov 생물의학 공학 명예 교수인 Ashutosh Chilkoti의 연구실에서 일하는 박사 과정 학생 Daniel Shapiro의 말입니다.

"하지만 자연적으로 발생하는 응축물은 매우 복잡하고 엔지니어링하기 어렵습니다. 저희 연구실은 목적에 맞게 특별히 맞춤화할 수 있는 합성 버전을 만드는 몇 안 되는 세포 중 하나입니다."

Chilkoti 연구소는 엘라스틴 유사 폴리펩타이드, 줄여서 ELP를 전문으로 합니다. 이 길고 무질서한 단백질은 온도나 산도와 같은 다양한 변수에 따라 뭉치거나 녹아내리도록 조정할 수 있는 국수 덩어리와 같습니다.

2023년에 이 연구실은 박테리아가 이러한 합성적 무질서 단백질을 만들고 생물학적 기계에 영향을 미치는 응축물을 형성하도록 프로그램될 수 있다는 것을 처음으로 보여주었습니다.

"그 연구는 우리가 생물의학 엔지니어로서 새로운 분자 부품을 처음부터 설계하고, 세포가 그것을 만들도록 설득하고, 세포 내부에서 이 부품을 조립하여 새로운 기계를 만들 수 있다는 것을 보여주었습니다." 칠코티가 말했습니다. "그것은 우리가 새로운 흥미로운 방식으로 생명을 재프로그래밍할 수 있게 해주는 새로운 분야의 시작이었습니다."

그 연구는 다른 결과들 중에서도 합성 생물학적 응축물이 생물 분자 기계를 함께 가두어 작업 속도를 높일 수 있다는 것을 보여주었습니다. 그러나 세포에 어떤 과정을 가속화해야 하는지 또는 어떤 단백질을 생성해야 하는지 구체적으로 지시하려고 하지 않았습니다.

이 새로운 연구는 정확히 그렇게 하기 위한 기반을 구축합니다. 연구자들은 박테리아 세포에 응축물을 형성하고 특정 RNA 서열에 결합하는 ELP를 생성하도록 지시했습니다. 이 RNA 서열은 DNA에서 단백질을 만드는 청사진을 복사하여 나머지 세포로 운반합니다.

연구자들은 이러한 RNA 서열을 농축된 응축물로 함께 끌어들임으로써 세포의 단백질 생성 기계가 이를 찾아 사용하기에 더 쉽게 사용할 수 있게 되었다고 믿습니다.

샤피로는 "세포의 기계에서 RNA를 숨기는 대신, 모든 것을 더 높은 농도로 모아 일종의 반응 도가니에 넣어 단백질 생산 속도를 높이는 것 같다"고 말했습니다.

"세포가 더 많은 RNA를 발현하고 더 많은 단백질을 만들 수 있지만, RNA가 만들어지면 단백질이 RNA에서 번역되는 속도를 높이는 방법은 거의 없습니다. 우리가 여기서 한 일이 바로 그것인데, 매우 흥미롭습니다."

앞으로 연구자들은 플랫폼을 계속 구축하고 있습니다. 예를 들어, 실험에 따르면 이러한 응축물이 더 점성이 있도록 설계되면 단백질이 덜 생성됩니다. 이러한 효과는 팀에 생산 속도를 제어하는 ​​데 사용할 핸들을 제공합니다. 샤피로는 또한 타겟이 되는 mRNA의 구조가 생산 속도에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 노력하고 있습니다.

이 연구는 적어도 두 가지 대규모 산업 분야에서 유용할 수 있습니다. 항체, 백신, 면역 단백질과 같은 많은 생물학적 치료제는 박테리아에 존재하지 않는 화학적 기계가 필요하기 때문에 포유류 세포에서 만들어집니다. 이러한 합성 응축물을 사용함으로써 샤피로는 박테리아가 이러한 치료제를 효율적으로 만들 수 있도록 퍼즐의 필수 조각을 함께 가두는 경로를 봅니다.

다른 가능성은 응축물을 사용하여 생성되는 단백질을 격리하여 숙주 박테리아에 해를 끼치지 않도록 하는 것입니다. 이는 항생제 및 기타 항균 단백질을 효율적으로 생산하는 데 있어 일반적인 장애물입니다.

이 연구는 공군 과학 연구실(FA9550-20-1-0241)과 국립보건원(MIRA R35GM127042)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250211190250.htm