과학자들은 빛에 반응하여 모양을 바꾸는 불가사리 세포를 개발했다

생명은 단일 세포의 움직임으로 형성됩니다. 특정 단백질과 효소의 신호에 반응하여 세포는 움직이고 흔들리기 시작하여 수축으로 이어지고, 이로 인해 세포가 쥐어짜고, 꼬집고, 결국 분열합니다. 딸 세포가 세대를 따라 따라가면서 성장하고, 분화하고, 궁극적으로 완전히 형성된 유기체로 배열됩니다.

이제 MIT 과학자들은 빛을 사용하여 단일 세포가 가장 초기 발달 단계에서 어떻게 흔들리고 움직이는지 제어했습니다. 이 팀은 과학자들이 오랫동안 세포 성장과 발달을 이해하기 위한 고전적 모델로 사용해 온 유기체인 불가사리가 생산한 난자의 움직임을 연구했습니다.

연구자들은 불가사리 알 세포 내에서 운동의 연쇄를 유발하는 핵심 효소에 초점을 맞췄습니다. 그들은 같은 효소의 빛에 민감한 버전을 유전적으로 설계하여 알 세포에 주입한 다음, 다양한 빛 패턴으로 세포를 자극했습니다.

그들은 빛이 효소를 성공적으로 작동시켰고, 그 결과 세포가 흔들리고 예측 가능한 패턴으로 움직였다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 과학자들은 유도한 빛의 패턴에 따라 세포가 작은 꼬집음이나 광범위한 수축을 보이도록 자극할 수 있었습니다. 심지어 세포 주변의 특정 지점에 빛을 비추어 모양을 원형에서 사각형으로 늘릴 수도 있었습니다.

Nature Physics 저널에 게재될 그들의 연구 결과는 과학자들에게 가장 초기의 발달 단계에서 세포 모양을 제어하기 위한 새로운 광학 도구를 제공합니다. 그들은 그러한 도구가 상처 봉합을 돕기 위해 빛 신호에 반응하여 수축하는 치료용 "패치" 세포나 신체의 특정 위치에서 조명을 비추었을 때만 내용물을 방출하는 약물 전달 "캐리어" 세포와 같은 합성 세포의 설계를 안내할 수 있다고 생각합니다. 전반적으로 연구자들은 그들의 연구 결과를 단일 세포에서 생명이 어떻게 형성되는지 탐구하는 새로운 방법으로 봅니다.

"빛에 의해 활성화되는 스위치가 실시간으로 세포를 재형성하는 방법을 밝혀냄으로써 우리는 생명체가 스스로 조직화되고 진화하는 방식에 대한 기본적인 설계 원리를 밝혀내고 있습니다." MIT 물리학 조교수이자 이 연구의 수석 저자인 니크타 파크리는 말한다. "이러한 도구의 힘은 우리가 이러한 모든 성장 및 발달 과정을 해독하고 자연이 어떻게 하는지 이해하는 데 도움이 된다는 것입니다."

이 연구의 MIT 저자로는 첫 번째 저자인 Jinghui Liu, Yu-Chen Chao, Tzer Han Tan이 있으며, 뮌헨 루트비히 막시밀리안 대학의 Tom Burkart, Alexander Ziepke, Erwin Frey, 자를란트 대학의 John Reinhard, 화이트헤드 생물의학 연구소의 S. Zachary Swartz가 있습니다.

세포 회로

MIT의 Fakhri 그룹은 세포 성장과 발달을 주도하는 물리적 역학을 연구합니다. 그녀는 특히 대칭과 세포가 성장하고 분열하면서 대칭을 따르거나 깨는 방식을 지배하는 과정에 관심이 있습니다. 그녀는 5개 다리 불가사리가 성장, 대칭 및 초기 발달에 대한 이러한 질문을 탐구하기에 이상적인 유기체라고 말합니다.

"불가사리는 대칭 세포로 시작해서 초기에는 양쪽 대칭 유충이 되고, 그다음에는 5중 대칭 성체로 발달하기 때문에 매혹적인 체계입니다." 파크리가 말합니다. "그래서 세포가 어떻게 조직되어야 하는지 알려주기 위해 그 과정에서 일어나는 모든 신호 전달 과정이 있습니다."

과학자들은 오랫동안 불가사리와 그 다양한 발달 단계를 연구해 왔습니다. 많은 발견 가운데, 연구자들은 불가사리 알 세포 내에서 그 움직임과 모양을 제어하는 ​​핵심 "회로"를 발견했습니다. 이 회로에는 세포의 세포질에서 자연스럽게 순환하는 효소인 GEF가 포함됩니다. 이 효소가 활성화되면 세포 역학을 조절하는 데 필수적인 것으로 알려진 Rho라는 단백질의 변화를 유도합니다.

GEF 효소가 Rho를 자극하면 단백질이 본질적으로 자유롭게 떠다니는 상태에서 단백질을 세포막에 결합하는 상태로 전환됩니다. 이 막 결합 상태에서 단백질은 막을 가로질러 뻗어나가는 미세한 근육과 같은 섬유의 성장을 유발하여 세포가 수축하고 움직일 수 있게 합니다.

파크리의 연구진은 이전 연구에서 세포의 GEF 효소 농도를 변화시키면 세포의 움직임이 조작될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 세포에 더 많은 효소를 도입할수록 세포가 보이는 수축이 더 커졌습니다.

"이 아이디어 전체는 우리가 이 회로를 해킹하여 세포의 움직임 패턴을 바꾸는 것뿐만 아니라 원하는 기계적 반응을 얻는 것이 가능한지에 대한 생각을 하게 했습니다."라고 파크리는 말합니다.

조명과 액션

연구팀은 세포의 움직임을 정밀하게 조작하기 위해 광유전학을 고려했습니다. 광유전학은 세포와 단백질, 효소와 같은 세포 구성 요소를 유전적으로 조작하여 빛에 반응하여 활성화되도록 하는 접근 방식입니다.

연구자들은 확립된 광유전학 기술을 사용하여 GEF 효소의 광에 민감한 버전을 개발했습니다. 이 조작된 효소에서 그들은 mRNA를 분리했습니다. 본질적으로 효소를 만드는 유전적 청사진입니다. 그런 다음 그들은 이 청사진을 팀이 수백만 개의 수정되지 않은 세포를 보유할 수 있는 단일 불가사리 난소에서 수확한 난자에 주입했습니다. 새로운 mRNA가 주입된 세포는 스스로 광에 민감한 GEF 효소를 생산하기 시작했습니다.

실험에서 연구자들은 효소가 주입된 각 난자를 현미경 아래에 두고 세포 주변의 다른 지점에서 다른 패턴으로 세포에 빛을 비췄습니다. 그들은 반응에 따른 세포의 움직임을 영상으로 촬영했습니다.

그들은 특정 지점에 빛을 비추었을 때 GEF 효소가 활성화되어 빛에 타겟팅된 부위에 Rho 단백질을 모집한다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 단백질은 근육과 같은 섬유의 특징적인 연쇄 반응을 일으켜 빛에 자극된 동일한 지점에서 세포를 당기거나 꼬집었습니다. 마치 꼭두각시의 줄을 당기는 것처럼 그들은 세포의 움직임을 제어할 수 있었고, 예를 들어 정사각형을 포함한 다양한 모양으로 변형되도록 지시했습니다.

놀랍게도 그들은 특정 효소 농도 한계를 넘어서는 빛을 한 지점에 비춰 세포가 광범위한 수축을 겪도록 자극할 수 있다는 것을 발견했습니다.

"우리는 이 Rho-GEF 회로가 흥분성 시스템이라는 것을 깨달았습니다. 작고 적절한 자극이 크고 전부 아니면 전무 반응을 유발할 수 있습니다." Fakhri가 말합니다. "그래서 우리는 세포 전체를 비추거나 세포의 아주 작은 부분만 비추어 충분한 효소가 그 영역에 모집되어 시스템이 스스로 수축하거나 꼬집기 시작할 수 있습니다."

연구자들은 관찰 결과를 수집하여 빛으로 자극하는 방식을 감안할 때 세포의 모양이 어떻게 변할지 예측하는 이론적 틀을 도출했습니다. Fakhri는 이 틀이 "배아 발달과 상처 치유의 근본적인 과정인 세포 리모델링의 핵심에 있는 '흥분성'에 대한 창을 열어준다"고 말합니다.

그녀는 이렇게 덧붙여 말했습니다. "이 연구는 '프로그래밍 가능한' 합성 세포를 설계하기 위한 청사진을 제공하며, 연구자들이 미래의 생물 의학적 응용 프로그램을 위해 원하는 대로 모양 변화를 조정할 수 있도록 합니다."

이 연구는 슬론 재단과 국가 과학 재단의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250324113843.htm