인간의 유전적 청사진은 믿을 수 없을 정도로 간단하다. 우리의 유전자는 염색체라고 불리는 46개의 X자 모양 구조로 단단히 감겨 있다. 진화에 의해 만들어진 그들은 DNA를 운반하고 세포가 분열할 때 복제하여 세대에 걸쳐 게놈의 안정성을 보장한다.

 

1997년에 한 연구가 진화론의 플레이북을 어뢰했다. 한 팀이 처음으로 유전공학을 이용해 인공 인간 염색체를 만들었다. 페트리 접시에 있는 인간 세포에 전달되었을 때 인공 염색체는 자연 염색체와 매우 유사하게 행동했다. 이는 세포가 분열하면서 복제되어 47개의 염색체를 가진 인간 세포로 이어졌다.

 

안심해도 된다. 목표는 우리 종을 인위적으로 진화시키는 것이 아니었다. 오히려 인공 염색체를 사용하여 인간 유전 물질의 큰 덩어리나 유전자 편집 도구를 세포로 운반할 수 있다. 현재의 전달 시스템(바이러스 운반체 또는 나노입자)과 비교하여 인공 염색체는 훨씬 더 많은 합성 DNA를 통합할 수 있다.

 

이론적으로는 유전 질환이 있는 사람에게 치료 유전자를 전달하거나 암에 대한 보호 유전자를 추가하도록 설계될 수 있다.

그러나 20년이 넘는 연구에도 불구하고 이 기술은 아직 주류에 진입하지 못했다. 한 가지 과제는 염색체를 형성하기 위해 연결되는 짧은 DNA 조각이 세포 내부에서 서로 달라붙어 유전자가 어떻게 행동할지 예측하기 어렵다는 것이다.

 

이번 달 펜실베니아 대학의 새로운 연구에서는 25년 동안의 제조법을 변경하고 차세대 인공 염색체를 구축했다. 이전 염색체에 비해 새로운 염색체는 조작하기가 더 쉽고 세포 내부에서 한 번도 뭉치지 않는 더 긴 DNA 세그먼트를 사용한다. 그들은 또한 이론적으로 대략 가장 큰 효모 염색체 크기의 유전 물질을 인간 세포로 운반할 수 있는 큰 운반체이기도 하다.

 

연구 저자인 벤 블랙(Ben Black) 박사는 보도 자료에서 “본질적으로 우리는 HAC(인간 인공 염색체) 설계 및 전달에 대한 기존 접근 방식을 완전히 개편했다.”고 말했다.

 

이번 연구에 참여하지 않은 조지아 대학의 R. 켈리 다웨(R. Kelly Dawe) 박사는 “이 연구는 동물과 식물 모두에서 인공 염색체를 조작하려는 노력을 다시 활성화할 것”이라고 썼다.

 

당신의 모양

1997년 이래로 인공 게놈은 확립된 생명공학이 되었다. 박테리아, 효모, 식물의 DNA를 다시 쓰는 데 사용되어 생명을 구하는 약물을 합성하거나 플라스틱을 먹을 수 있는 세포가 탄생했다. 또한 과학자들이 우리 게놈 전체에 흩어져 있는 신비한 DNA 서열의 기능을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

 

이 기술은 또한 최초의 합성 유기체를 탄생시켰다. 2023년 말, 과학자들은 유전자의 절반이 인공 DNA로 대체된 효모 세포를 발견했다. 팀은 궁극적으로 모든 단일 염색체를 맞춤화 할 수 있기를 희망한다. 올해 초 또 다른 연구에서는 식물 염색체의 일부를 재 작업하여 합성 유기체의 경계를 더욱 넓혔다.

 

그리고 염색체의 구조를 조작함으로써(예를 들어 의심되는 쓸모 없는 영역을 잘라냄) 염색체가 정상적으로 기능하는 방식을 더 잘 이해할 수 있으며 잠재적으로 질병 치료로 이어질 수 있다.

 

인간 인공 염색체를 만드는 목적은 합성 인간 세포를 조작하는 것이 아니다. 오히려 이 연구는 유전자 치료를 발전시키기 위한 것이다. 치료용 유전자나 유전자 편집 도구를 세포에 전달하는 현재 방법은 바이러스나 나노 입자에 의존한다. 하지만 이들 항공사는 화물 용량이 제한되어 있다.

 

현재 전달 수단이 범선과 같다면 인공 인간 염색체는 훨씬 더 크고 광범위한 유전자를 운반할 수 있는 능력을 갖춘 화물선과 같다.

 

문제는? 만들기가 어렵다. 원형인 박테리아나 효모 염색체와 달리 우리의 염색체는 “X”와 같다. 각각의 중심에는 세포가 분열할 때 염색체가 분리되고 복제될 수 있도록 하는 동원체라고 불리는 단백질 허브가 있다.

 

어떤 면에서 동원체는 해어진 천 조각, 즉 염색체의 팔 부분을 온전하게 유지하는 단추와 같다. 인간 인공 염색체를 구축하려는 이전의 노력은 이러한 구조에 초점을 맞춰 염색체를 고정하기 위해 인간 세포 내부에서 단백질을 발현할 수 있는 DNA 문자를 추출했다. 그러나 이러한 DNA 서열은 양면 테이프처럼 급속히 달라붙어 세포가 추가된 유전자에 접근하기 어렵게 만드는 공으로 끝난다.

 

한 가지 이유는 합성 DNA 서열이 너무 짧아 미니 염색체 구성 요소를 신뢰할 수 없기 때문일 수 있다. 새로운 연구는 이전보다 훨씬 더 큰 인간 염색체 어셈블리를 설계하여 아이디어를 테스트했다.

 

8은 행운의 숫자이다.

연구팀은 X자형 염색체 대신 인간 인공 염색체를 효모 복제와 호환되는 원형으로 설계했다. 그 원은 인간 염색체 전체 크기의 대략 1/200에 해당하는 760,000개의 DNA 문자 쌍으로 가득 차 있었다.

 

원 안에는 더 튼튼한 동원체, 즉 염색체 구조를 온전하게 유지하고 복제할 수 있는 "버튼"을 만들라는 유전적 지시가 들어 있었다. 효모 세포 내부에서 발현된 버튼은 효모의 분자 기계를 동원하여 건강한 인간 인공 염색체를 만들었다.

 

효모 세포의 초기 원형 형태에서 합성 인간 염색체는 세포 융합이라는 과정을 통해 인간 세포로 직접 전달될 수 있다. 과학자들은 화학적 처리를 통해 효모 세포 주위의 "포장지"를 제거하여 인공 염색체를 포함한 세포 구성 요소가 페트리 접시 내부의 인간 세포에 직접 병합될 수 있도록 했다.

 

자비로운 외계인처럼, 추가된 합성 염색체는 인간 숙주 세포에 행복하게 통합되었다. 유해한 잔해로 뭉치는 대신 원은 8자 모양으로 두 배가 되었고 중심체가 원을 함께 묶었다. 인공 염색체는 정상적인 기능을 바꾸지 않고 원래의 X자 모양 염색체와 행복하게 공존했다.

 

유전자 치료를 위해서는 세포가 분열하는 동안에도 추가된 유전자가 체내에 남아 있어야 한다. 이 특혜는 치료법에 빠르게 적응할 수 있는 암과 같이 빠르게 분열하는 세포에 특히 중요하다. 합성 염색체에 알려진 암 억제 유전자가 들어 있으면 세포 세대 전반에 걸쳐 암과 기타 질병을 억제할 수 있다.

 

인공 인간 염색체가 테스트를 통과했다. 그들은 인간 숙주 세포에서 단백질을 모집하여 세포가 분열될 때 단백질이 퍼지는 것을 돕고, 이를 통해 여러 세대에 걸쳐 인공 유전자를 보존했다.

 

부흥

최초의 인간 인공 염색체 이후 많은 변화가 있었다.

CRISPR와 같은 유전자 편집 도구를 사용하면 유전자 청사진을 다시 작성하는 것이 더 쉬워졌다. 특정 장기나 조직을 표적으로 하는 전달 메커니즘이 증가하고 있다. 그러나 합성 염색체가 다시 주목을 받고 있을 수도 있다.

  

유전자 치료 또는 유전자 편집자를 위해 가장 자주 사용되는 전달 수단인 바이러스 운반체와 달리, 인공 염색체는 우리 게놈으로 터널을 뚫을 수 없고 정상적인 유전자 발현을 방해할 수 없으므로 잠재적으로 훨씬 더 안전하다.

 

하지만 이 기술에는 취약점이 있다. 조작된 염색체는 세포가 분열할 때 여전히 종종 손실된다. 염색체의 "단추"인 동원체 근처에 배치된 합성 유전자는 세포가 분열할 때 인공 염색체의 복제 및 분리 능력을 방해할 수도 있다.

 

그러나 다웨에게 이 연구는 인간 세포보다 더 큰 의미를 갖는다. 이 연구에서 나타난 동원체 리엔지니어링의 원리는 효모에 사용될 수 있으며 잠재적으로 살아있는 유기체의 "왕국 전체에 적용 가능"할 수 있다.

 

이 방법은 과학자들이 인간 질병을 더 잘 모델링하거나 약물과 백신을 생산하는 데 도움이 될 수 있다. 더 광범위하게는 “의료, 가축, 식품 및 섬유 생산과 관련된 세계적인 문제를 해결하기 위한 확장 툴킷의 일부로 인공 염색체를 포함시키는 것이 곧 가능할 수도 있다.”라고 썼다. 

이미지 출처: Warren Umoh / Unsplash