합성 DNA는 공상 과학 소설처럼 보이지만 빠르게 현실이 되고 있습니다. 연구자들은 세계 최초의 완전 인공 염색체를 포함하여 50% 이상의 인공 게놈을 포함하는 효모 세포를 만들었습니다.
과학자들은 이전에 인공적인 박테리아 및 바이러스 게놈을 생산했지만 다음 단계는 전체 게놈이 막으로 둘러싸인 핵 내에 위치하는 세포인 진핵생물이었습니다. 빵 효모와 같은 효모가 이를 위한 자연스러운 선택이었을 수 있습니다(와인 효모)는 염색체가 16개에 불과한 컴팩트한 게놈을 갖고 있으며 DNA를 서로 연결하는 타고난 능력을 가지고 있습니다.
그러나 합성 효모 게놈(Sc2.0) 프로젝트에 참여한 연구자들은 효모에 “디자이너” 게놈을 부여함으로써 단순히 DNA를 합성하는 것과는 조금 다른 작업을 수행하기를 원했습니다. “우리는 자연의 디자인에 의해 매우 밀접하게 수정된 무언가를 생산하는 것이 중요하다고 결정했습니다.”라고 수석 저자이자 Sc2.0 책임자인 Jeff Buckey가 논문에서 말했습니다. 성명. “우리의 가장 중요한 목표는 우리에게 새로운 생물학을 가르칠 수 있는 효모를 만드는 것이었습니다.”
인공 게놈 만들기
연구팀은 먼저 게놈에서 소위 “정크” DNA를 제거하고 합성 유전자와 원래 유전자를 구별하는 데 도움이 되는 새로운 DNA 조각으로 대체한 다음 유전자 순서를 다시 섞었습니다. 또한 tRNA 유전자를 제거하는 또 다른 주요 제거 작업도 있었습니다.
tRNA 유전자가 암호화하는 단백질은 세포 내에서 중요한 역할을 하는 반면, tRNA 유전자는 또한 효모 게놈을 불안정하게 만듭니다. 혁신적인 단계에서 연구자들은 이를 제거하고 t-RNA 유전자를 기반으로 하는 완전히 새로운 ‘새로운 염색체’로 옮겼습니다. 공동저자인 패트릭 예지 카이(Patrick Yezi Cai)는 “새로운 tRNA 염색체는 세계 최초의 완전 인공 염색체이다. “자연에는 이런 게 없어요.”
연구진은 새로운 염색체와 함께 각 염색체를 독립적으로 조립한 후 각각 15개의 정상 염색체와 1개의 인공 염색체를 포함하는 16개의 부분 인공 효모 균주를 만들었습니다.
조각들을 모아보세요
그런 다음 어려운 부분이 왔습니다. 모든 인공 염색체를 단일 효모 세포로 모으는 것입니다. 여기에는 고전적인 유전 기술인 혼성화와 완전히 새로운 접근법이 결합된 것이 포함되었습니다. 혼성화는 느렸으며 결과 효모에는 30% 이상의 합성 게놈이 포함되어 있었지만 연구자들은 더 많은 것을 찾고 있었습니다.
염색체 교체라는 새로운 방법과 CRISPR/Cas9와 유사한 기술을 사용해 유전적 결함을 복구한 후 합성 DNA가 50% 이상 포함된 단일 효모 세포를 얻을 수 있었습니다. 게놈을 조작하면 효모가 자라거나 비정상적으로 보일 수 있지만 세심한 제조 덕분에 효모는 야생 효모와 유사하게 생존하고 번식했습니다.
Kay는 “이제 팀은 신진 효모의 운영 체제를 다시 작성하여 소수의 유전자를 조작하는 것에서 전체 게놈을 설계하고 구축하는 데 새로운 공학 생물학 시대를 열었습니다”라고 말했습니다.
다음 단계
효모는 오랫동안 식품 및 음료 생산의 필수 요소였습니다. 이것이 바로 우리가 괜찮은 빵과 맥주를 먹을 수 있는 이유입니다. 모두가 “고마워요, 효모”라고 말합니다. 과학에서는 화학 물질을 생산하고 모델 유기체로 사용합니다. 선도적인 과학자 중 한 명인 Ben Blunt가 자신의 기사에서 설명했듯이 합성 DNA를 사용하면 이러한 분야에서 많은 진전을 이룰 수 있습니다. 성명.
“인공 염색체는 그 자체로 엄청난 기술적 성과이지만 생물학을 연구하고 적용하는 방법에 대한 수많은 새로운 기능을 열어줄 것입니다. 이는 보다 친환경적인 생물 생산을 위한 새로운 미생물 균주를 만드는 것부터 질병을 이해하고 통제하는 데 도움이 될 수 있습니다. .”
다음 단계는 16개의 인공 염색체를 모두 하나의 효모 세포로 결합하는 것입니다. 쉽지는 않지만 연구자들은 낙관적입니다. 버키는 “우리는 이제 하나의 세포에 16개의 염색체를 모두 갖는 결승선과는 거리가 멀다”고 말했다.
“저는 이것을 끝의 시작이 아니라 시작의 끝이라고 부르고 싶습니다. 그러면 우리는 실제로 그 표면을 혼합하고 이전에 본 적이 없는 일을 할 수 있는 효모를 생산할 수 있기 때문입니다.”
해당 연구는 저널에 게재되었습니다. 셀.
