합성 생물학을 사용하면 다양한 질병을 관리하는 데 도움이 될 수 있는 새롭고 향상된 세포를 설계할 수도 있다. 사이언스(Science)에 발표된 새로운 연구에서 연구원들은 암세포를 성공적으로 발견하기 위해 박테리아를 조작한 방법을 설명한다.

유능한 박테리아 활용

우리 프로젝트는 캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스에서 열린 동료 제프 헤이스티(Jeff Hasty)의 주간 연구실 회의에서 합성 생물학자 롭 쿠퍼(Rob Cooper)의 프레젠테이션으로 시작되었다. 롭은 박테리아의 유전자와 유전자 전달을 연구하고 있었다.

유전자는 유전적 유전의 기본 단위이다. 그것은 어머니의 미소나 아버지의 눈 색깔을 주는 것이다.

유전자 전달(또는 상속)은 유전자가 한 세포에서 다른 세포로 전달되는 과정이다. 수직적으로 유전될 수 있다. 즉, 하나의 세포가 DNA를 복제하고 두 개의 별도 세포로 분열할 때 발생한다. 이것이 생식에서 일어나는 일이며, 아이들이 부모로부터 DNA를 물려받는 방식이다.

그러나 유전자는 수평적으로 유전될 수도 있다. 즉, DNA가 부모에서 자손으로의 유전이 아닌 관련 없는 세포 사이에 전달되는 경우이다.

수평적 유전자 전달은 미생물 세계에서 매우 일반적이다. 특정 박테리아는 주변 환경에서 발견되는 무세포 DNA로부터 유전자를 회수할 수 있다. 이 자유롭게 떠다니는 DNA는 세포가 죽을 때 방출된다. 박테리아가 무세포 DNA를 자신의 세포에 집어넣는 것을 자연적 능력이라고 한다.

따라서 유능한 박테리아는 주변 환경을 샘플링할 수 있으며 이를 통해 이점을 제공할 수 있는 유전자를 획득할 수 있다.

롭의 이야기가 끝난 후 우리는 열광적인 추측을 했다. 박테리아가 DNA를 흡수할 수 있고 암이 DNA의 변화에 의해 유전적으로 정의된다면 이론적으로 박테리아는 암을 감지하도록 조작될 수 있다.

대장암은 장이 미생물로 가득 차 있을 뿐만 아니라 암에 걸렸을 때 종양 DNA로 가득 차 있기 때문에 논리적인 개념 증명처럼 보였다.

우리는 박테리아를 그 속도에 맞춰 넣는다.

자연적으로 유능한 박테리아인 아시네토박터 베일리(Acinetobacter baylyi)가 질병 감지 세포인 실험적 바이오센서로 선택되었다.

우리 팀은 우리가 관심을 갖고 있는 인간 암 유전자에서 발견된 DNA를 반영하기 위해 긴 DNA 서열을 포함하도록 아시네토박터 베일리 게놈을 수정했다. 이러한 "상보적인" DNA 서열은 끈끈한 착지 패드 역할을 했다. 특정 종양 DNA가 박테리아에 의해 흡수되면 박테리아 게놈에 통합될 가능성이 더 커졌다.

종양 DNA를 통합하고 제자리에 고정하는 것이 중요했다. 그렇게 함으로써 우리는 다른 통합된 유전자(이 경우에는 항생제 내성 유전자)를 암이 발견된다는 신호로 활성화할 수 있다.

신호는 다음과 같이 작동한다. 박테리아가 항생제가 함유된 배양 접시에서 자랄 수 있다면 박테리아의 항생제 저항성 유전자가 활성화되었다. 그러므로 그들은 암을 발견했다.

우리는 점점 더 복잡해지는 시스템에서 새로운 박테리아 바이오센서와 종양 세포를 통합하는 일련의 실험을 수행했다.

처음에 우리는 정제된 종양 DNA로 바이오센서를 간단히 담그었다. 즉, 우리는 감지하기 위해 만들어진 정확한 DNA를 바이오센서에 제시했고 작동했다. 다음으로 우리는 살아있는 종양 세포와 함께 바이오센서를 성장시켰습니다. 이번에도 종양 DNA가 검출되었다.

궁극적으로 우리는 종양이 있거나 없는 살아있는 쥐에게 바이오센서를 전달했다. 생쥐 대장암 모델에서는 생쥐 대장내시경을 이용하여 마우스 대장암 세포를 대장에 주입한다.

몇 주에 걸쳐 암세포를 주입한 쥐에서는 종양이 발생하는 반면, 주입되지 않은 쥐는 건강한 비교 그룹으로 사용되었다. 우리의 바이오센서는 대장암이 있는 쥐와 없는 쥐를 완벽하게 구별했다.

CATCH의 유망한 시작 – 그러나 더 많은 테스트가 필요함

이렇게 고무적인 결과를 얻은 후 우리는 박테리아를 더욱 정교하게 조작했다. 이제 바이오센서는 종양 DNA 내의 단일 염기쌍 변화를 구분할 수 있어 유전자를 감지하고 표적화하는 방법에 있어 정밀한 조정이 가능하다. 우리는 이 기술을 CATCH라고 명명했다: 표적화되고 CRISPR로 구별되는 수평 유전자 전달을 위한 세포 분석이다.

CATCH는 큰 가능성을 가지고 있다. 이 기술은 무세포 DNA를 합성 생물학적 회로의 새로운 입력으로 사용하여 다양한 질병, 특히 감염과 암을 탐지한다.

그러나 아직 임상에서 사용할 준비가 되어 있지 않는다. 우리는 DNA 검출의 효율성을 높이고, 다른 진단 테스트에 비해 이 바이오센서의 성능을 보다 비판적으로 평가하며, 물론 환자와 환경의 안전을 보장하기 위해 다음 단계를 적극적으로 진행하고 있다.

그러나 세포 건강 관리의 가장 흥미로운 측면은 단순한 질병 감지에 있는 것이 아니다. 실험실에서는 그렇게 할 수 있다.

그러나 실험실에서 할 수 없는 일은 질병의 감지(진단)와 적절한 치료를 통해 질병에 실제로 반응하는 세포를 연결하는 것이다.

이는 질병 신호(이 경우 무세포 DNA의 특정 서열)가 질병이 실시간으로 감지되는 지점에서 직접 특정 생물학적 치료를 촉발할 수 있도록 바이오센서를 프로그래밍할 수 있음을 의미한다.