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[슈퍼 박테리아] 연구팀은 기존 유전자 코드를 정상적인 유기체가 이해할 수 없는 암호로 부분적으로 재 작업했다 이들은 지구상의 모든 생명체에 대해 외계인인 슈퍼 박테리아를 설계했다. 조작된 박테리아는 이제 가장 공격적인 바이러스에도 내성을 갖게 되었으며 합성 코드가 야생으로 유출될 가능성은 거의 없다. 리팩토링(refactoring)이라고 불리는 이 프로세스는 자연계에서 합성 유기체를 효과적으로 격리한다.

https://singularityhub.com/2022/11/01/scientists-engineered-super-bacteria-that-are-alien-to-all-life-on-earth/

JM Kim | 기사입력 2022/11/04 [00:00]

[슈퍼 박테리아] 연구팀은 기존 유전자 코드를 정상적인 유기체가 이해할 수 없는 암호로 부분적으로 재 작업했다 이들은 지구상의 모든 생명체에 대해 외계인인 슈퍼 박테리아를 설계했다. 조작된 박테리아는 이제 가장 공격적인 바이러스에도 내성을 갖게 되었으며 합성 코드가 야생으로 유출될 가능성은 거의 없다. 리팩토링(refactoring)이라고 불리는 이 프로세스는 자연계에서 합성 유기체를 효과적으로 격리한다.

https://singularityhub.com/2022/11/01/scientists-engineered-super-bacteria-that-are-alien-to-all-life-on-earth/

JM Kim | 입력 : 2022/11/04 [00:00]

악몽 시나리오는 합성 생물학자들을 밤샘하게 만든다. 광범위하게 수정된 유전자 코드를 가진 박테리아 균주가 실험실 밖으로 누출된다유전자 기계의 일부가 순진한 숙주에게 전달되어 숙주에 해를 끼치더라도 번식을 위해 숙주 세포를 선택할 수 있다.

 

박테리아는 해를 끼치도록 설계되지 않았다. 오히려 위험한 바이러스의 감염에 저항하도록 유전자 기계를 조정했다. 초강력 박테리아는 이제 오염 걱정 없이 인슐린과 같은 생명을 구하는 약물을 퍼낼 수 있다.

 

여기의 줄거리는 완전히 허구이다. 그러나 그것은 거의 모든 생물에 공통적인 유전 프로그래밍 언어를 기반으로 하는 합성 생물학의 가능성과 함께 제공되는 양날의 검을 보여준다.

 

한편으로 기존 유전자 코드를 가로채고 편집하면 가장 단순한 세포에도 새로운 능력을 부여하여 초소형 의약품 공장이나 셀룰러 컴퓨터로 변형시킬 수 있다.

 

다른 한편으로 유기체는 동일한 보편적 코드를 공유하기 때문에 바이러스 및 기타 병원체의 외부 공격에 취약하며 자연 유기체가 죽더라도 새로운 능력을 자연 유기체에 전달할 수 있다.

 

유전자 방화벽을 구축하지 않는 이유는 무엇일까?

 

Science의 최근 연구는 바로 그 일을 했다. 연구팀은 기존 유전자 코드를 정상적인 유기체가 이해할 수 없는 "암호"로 부분적으로 재 작업했다. 유사하게, 조작된 박테리아는 자연 유전 암호를 읽는 능력을 상실했다. 이러한 변형은 조작된 박테리아와 자연 유기체 사이에 강력한 언어 장벽을 형성하여 유전 정보를 서로 공유하지 못하도록 분리했다.

 

번역하자면 조작된 박테리아는 이제 가장 공격적인 바이러스에도 내성을 갖게 되었으며 합성 코드가 야생으로 유출될 가능성은 거의 없다. 리팩토링(refactoring)이라고 불리는 이 프로세스는 자연계에서 합성 유기체를 효과적으로 격리한다.

 

"우리는 표준 유전 코드를 읽지 않고 유전 정보를 읽을 수 없는 형태로 기록하는 생명체를 창조했다."고 연구를 주도한 케임브리지 분자생물학 의학 연구 위원회 연구소의 제이슨 친 박사가 말했다.

 

다시 쓰는 삶

 

삶의 언어는 의외로 간단하다. 우리에게는 A, T, C, G의 네 가지 DNA 문자가 있다. 유전자가 생명에 영향을 미치려면 20가지 다른 아미노산으로 구성된 단백질로 번형되어야 한다.

 

이를 가능하게 하는 전체 세포 제조 공정이 있다. 스풀 주위의 카세트 테이프 리본과 같은 DNA 가닥을 상상해보면 된다. 유전 메시지(믹스 테이프 만들기와 같은)를 복사하여 세포 내부의 단백질 제조 공장으로 보내는 메신저(mRNA)가 들어온다.

 

여기에서 수많은 다른 작업자가 유전자 코드를 아미노산으로 번형한다. 핵심은 세 개의 규칙이다. 코돈으로 함께 그룹화된 세 개의 DNA 문자는 아미노산에 해당한다. 적절하게 tRNA라고 불리는 운반체 분자는 코드(: TCG)를 읽고 해당 아미노산을 잡아낸다. 헹구고 반복하면 결국 세포는 최종 3D 구조로 추가 처리될 준비가 된 긴 단백질 사슬을 만든다.

 

하지만 여기에 문제가 있다. DNA 문자는 64개의 서로 다른 코돈을 형성하지만 우리는 20개의 아미노산만 가지고 있다. 뭔가 추가되지 않는다.

 

그 이유는 우리의 유전자 코드가 중복되기 때문이다. 예를 들어, 코돈 TCG, TCA, AGC AGT는 모두 동일한 아미노산을 코딩한다. 유전자 코드를 간소화하여 다른 단백질에 대한 "추가" 코돈을 확보할 수 있을까?

 

2021년에 진의 그룹은 대답이 ''임을 보여주었다. 기술적인 견제에서 그의 팀은 생명 공학 및 연구의 원동력인 대장균 박테리아에서 18,000개 이상의 코돈을 다시 작성했으며 새로운 생명체가 행복하게 살고 분할되었지만 프로그래밍할 준비가 된 새로 해제된 코돈을 보여주었다. 그런 다음 팀은 이전에 현재 존재하지 않는 코돈을 "읽는" tRNA를 제거하여 집을 청소했다.

 

여러 테스트에서 Syn61.Δ3(ev5)이라는 초강력 균주는 복제를 위해 세포의 유전 기계를 가로채는 데 필요한 수많은 바이러스와 싸웠다. 세포는 바이러스의 표준 유전자 코드를 읽을 수 없었기 때문에 더 이상 침입자에게 취약하지 않았다.

 

또는 그렇게 생각했다.

 

새로운 규칙

 

최근 논문에서 합성 생물학자인 하버드 대학교의 George Church 박사와 Akos Nyerges 박사는 Syn61.Δ3이 처음 보았던 것처럼 무적이지 않다는 것을 발견했다.

 

돼지 분뇨와 닭장에서 긁어낸 것과 같은 다양한 출처에서 분리된 바이러스를 박테리아에 주입한 결과 여전히 박테리아의 유전적 방어를 관통할 수 있는 약 12개의 바이러스가 발견되었다.

 

왜일까? 교활한 용의자 그룹은 일반적으로 "이기적인 유전자"로 알려진 이동성 유전 요소이다. 이러한 호핑 비트의 유전 코드는 바이러스와 박테리아에서 유래할 수 있으며 우리 자신의 게놈에도 포함되어 있다.

 

DNA 코드이기 때문에 이러한 요소는 세포 내부의 tRNA를 인코딩할 수 있다. 바이러스가 이러한 이기적인 유전자를 보유하고 있다면 Syn61.Δ3과 같은 바이러스 내성 세포를 감염시키는 생물학적 "백도어"를 열어 복제를 위한 적절한 tRNA의 부족을 보충할 수 있다. Nyerges와 동료들은 이 능력으로 인해 "유전자 코드 기반 방화벽이 비효율적"이라고 설명했다.

 

새로운 논문에서 그는 아미노산 세린의 전달을 적극적으로 방해하는 대신 대안으로 대체하는 다른 전략을 취했다. 그것은 책에서 문자 "s"를 찾아서 바꿔서 "p" 또는 "a"로 바꾸는 것과 같다. 결과는 일반 셀에서는 완전히 읽을 수 없지만 엔지니어링된 셀에는 가능성의 세계가 열린다.

 

전체적으로 2개의 코돈을 4개의 다른 아미노산에 "독립적으로 재할당"하여 16개의 새로운 유전자 코드를 생성할 수 있다고 저자들은 말했다. 세포가 새로운 코드를 읽을 수 있도록 돕기 위해 팀은 아미노산 트래픽을 리디렉션하는 데 도움이 되는 수많은 tRNA도 프로그래밍했다. 이 조작된 tRNA는 자연 유전 암호를 극복할 수 있으며, 대신에 자연적으로 올바른 아미노산이 아닌 프로그래밍된 아미노산을 전달하여 단백질을 구축할 수 있다.

 

유전적 장벽

 

이러한 유전적 변형은 Syn61.Δ3 박테리아 균주를 훨씬 더 외계인으로 만든다. 본질적으로, 그것은 이제 모든 생물체의 유전자 코드를 기반으로 하지만 그와는 매우 다른 유전자 코드를 가지고 있다.

 

업그레이드에는 주요 특전이 제공된다. 박테리아는 일반적으로 매우 수다스러운 동료이며 쉽게 유전 물질을 공유한다. 수평 이동이라고 불리는 이 과정은 합성 생물학자들에게 끔찍한 골칫거리이다. 왜냐하면 그들의 조작된 유전자 요소가 이론적으로 야생으로 빠져나갈 수 있기 때문이다.

 

그러나 새로운 슈퍼 균주는 천연 박테리아의 정상 유전자를 공유하거나 해독할 수 없다. 쉽게 퍼진다고 알려진 "이기적 유전자"인 이동성 유전 요소를 사용한 실험에서 자연 세포와 조작된 세포는 유전 코드를 전달할 수 없었다. 어떤 면에서 팀은 합성 계통에 새로운 유전 언어를 프로그래밍하여 자연 유기체와의 통신을 차단했다.

 

편집은 또한 새로운 변종을 바이러스에 무적으로 만들었다. 여기에서 팀은 먼저 원래 균주의 유전적 보호를 피할 수 있는 바이러스에 대해 캠브리지의 River Cam을 스캔했다. 2개의 균주는 세포에서 이전의 유전적 보호를 극복할 수 있는 자체 tRNA를 보유하여 특히 악의적이었다.

 

이러한 바이러스 tRNA의 합성 버전을 추가하면 그렇지 않은 비감염성 바이러스가 Syn61.Δ3을 침범할 수 있다고 저자는 말했다. 그러나 새로운 변종은 수많은 바이러스에 대해 완전히 면역이 되어 이기적인 유전자를 쉽게 차단했다.

 

다음 무적 세포를 설계하는 데 관심이 있는 그룹은 친만이 아니다. 그들의 preprint에서 Nyerges Church는 유사한 전략을 사용하여 Syn61.Δ3을 다시 코딩하여 세린이 다른 아미노산으로 대체되도록 했다. 예비 테스트에서 그들의 균주는 원래의 균주를 압도하는 12개의 바이러스와 싸울 수 있다.

 

바이러스에 저항하는 것은 유전자 리팩토링의 첫 번째 단계일 뿐이다. 과학자들은 이 과정이 새로운 특성을 가진 유기체를 만들 수 있다고 오랫동안 생각했다고 Chin과 동료들은 말했다. "우리가 설명한 전략은 합성 유기체에 추가된 모든 유전자 또는 유전 시스템에 일반적으로 적용할 수 있어야 한다. 우리는 우리가 수립한 원칙이 광범위한 유기체에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.”

 
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