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[획기적인 발전으로 인공 생명에 더 가까워지다] 네덜란드 Radbound대학의 분자재료연구소의 N. Amy Yewdall 박사에게 결과는 인공 생명 설계를 위한 새로운 플랫폼을 나타낸다. "저자의 작업은 코아세르베이트를 플랫폼으로 사용하여 다양한 세포를 호스트하고 활용하여 원래 방식으로 기능을 연결하는 스릴 넘치는 잠재력을 제안한다.

박민제 | 기사입력 2022/11/22 [10:20]

[획기적인 발전으로 인공 생명에 더 가까워지다] 네덜란드 Radbound대학의 분자재료연구소의 N. Amy Yewdall 박사에게 결과는 인공 생명 설계를 위한 새로운 플랫폼을 나타낸다. "저자의 작업은 코아세르베이트를 플랫폼으로 사용하여 다양한 세포를 호스트하고 활용하여 원래 방식으로 기능을 연결하는 스릴 넘치는 잠재력을 제안한다.

박민제 | 입력 : 2022/11/22 [10:20]

 

획기적인 발전으로 인공 생명에 더 가까워지다

2022년 10월 21일

처음부터 살아있는 합성 세포를 만들 수 있습니까?

Nature 저널 의 새로운 연구 에 따르면 대답은 '  ' 입니다. 합성 거품과 두 가지 다른 유형의 박테리아의 융합을 사용하여 과학자들은 DNA를 복제하고 설탕을 대사하며 다른 모양으로 성장할 수 있는 세포를 조작했습니다.

그렇다면 왜 관심을 가져야 할까요?

대규모 실험을 통해 생명의 기저에 깔린 기계를 이해하는 데 도움이 됩니다. 이 손수 만든 세포는 잠재적으로 독소를 감지하거나 인슐린과 같은 약물 분자를 배출할 수 있습니다. 건강 격차에서 기후 변화에 이르기까지 가장 큰 문제를 해결하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

오늘의 블로그에서는 연구 결과와 생명 공학, 의학의 미래, 그리고 생명 자체를 정의하려는 우리의 노력에 대한 연구 결과에 대해 논의할 것입니다.

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(이 블로그는 Peter H. Diamandis, MD 및 Shelly Fan, PhD가 작성했습니다.)

인공생명 설계를 위한 새로운 플랫폼

실험에 대한 팀의 접근 방식은 놀라울 정도로 창의적이었습니다.

그들은 세포의 각 구성 요소를 처음부터 세심하게 조작하는 대신 문자 그대로 박테리아를 터뜨려 기존 세포 구성 요소를 납치하여 생명을 지원하는 효소, 세포 구조 및 기계가 합성 거품을 채울 수 있도록 했습니다.

과학적으로 코아세르베이트라고 불리는 이 거품은 폴리머로 만들어졌지만 그 자체로는 생명이 없습니다.

인공 세포에는 또 다른 부러운 이점이 있습니다. 이론적으로 그들의 생화학은 세포를 살아 있게 유지하는 데 일반적으로 필요한 다른 과정에 대해 걱정할 필요 없이 단 하나의 생화학 기능에만 집중할 수 있습니다. 이것은 인공 세포를 훨씬 더 견고하게 만듭니다. 현재 약물과 연료를 생산하는 데 사용되는 생명공학의 대명사인 신뢰할 수 있는 대장균 ( E. Coli) 박테리아와 같은 생물학적 영감에 비해 유지 관리에 필요한 인프라가 훨씬 적습니다.

연구에 참여하지 않은 네덜란드 Radbound대학의 분자재료연구소의 N. Amy Yewdall 박사에게 결과는 인공 생명 설계를 위한 새로운 플랫폼을 나타냅니다.

"저자의 작업은 코아세르베이트를 플랫폼으로 사용하여 다양한 세포를 호스트하고 활용하여 원래 방식으로 기능을 연결하는 스릴 넘치는 잠재력을 제안합니다."라고 그녀 는 썼습니다 "이 발견은 우리를 산업 응용 분야에 사용할 수 있는 실물과 같은 시스템에 한 걸음 더 가까이, 그리고 삶 자체에 대한 더 나은 이해를 향해 나아가게 합니다."

코아세르베이트는 본질적으로 플라스틱을 씹거나 바이오 연료 및 단백질 기반 약물을 배출할 수 있는 광범위한 유용한 화학 물질을 잠재적으로 생산하기 위해 인공 세포에 맞출 수 있는 빈 슬레이트입니다.

Yewdall이 말했듯이 "그것이 꿈입니다."

합성 생활

글로벌 협력 덕분에 과학자들은 합성 세포를 향한 긴 발걸음을 내디뎠습니다.

쉬운 일은 아니지만 그 이유를 이해하기 위해 한 걸음 뒤로 물러나 봅시다. 세포는 성벽으로 둘러싸인 도시와 같습니다. 보호 이중층 막으로 둘러싸인 세포는 여러 개별 구획을 품고 있으며 각 구획은 특정 역할을 수행합니다. 한 가지 예는 우리의 DNA를 수용하는 복숭아 씨 모양의 구조인 핵입니다. 또 다른 하나는 미토콘드리아로, 세포가 당과 다른 분자를 연료로 전환할 수 있도록 하는 효소라고 하는 단백질을 포함한 정교한 기계를 품고 있는 에너지 공장입니다.

즉, 각 세포는 신진대사, 성장 및 복제를 지원하기 위해 전용 세포 내 고속도로를 가로지르는 생체 분자가 있는 고도로 정교한 대도시입니다.

처음부터 셀을 구축하려면 두 가지가 필요합니다. 하나는 다양한 셀룰러 구획을 포함하는 "하드웨어" 인프라입니다. 다른 하나는 생화학적 과정 뒤에 있는 분자 기계인 "소프트웨어"입니다.

Yewdall 은 "이 규모에서는 모든 것이 공간적으로나 시간적으로 어디에 있는지 제어하기가 매우 어렵습니다 ." 라고 말했습니다. "여러 구획을 갖는 것, 이러한 구획 내에서 효소 반응이 발생하는 것, 이러한 구획 내의 공간 조직화는 모두 다른 그룹이 해결했지만 이전에는 하나의 시스템으로 결합한 적이 없는 개별적인 문제입니다."

인공 세포

과학자 팀은 영리한 해결 방법으로 문제를 해결했습니다. 핵, 미토콘드리아 및 기타 구성 요소를 조작하는 대신 살아있는 기증자 세포에서 미리 만들어진 것을 재활용하는 것이 어떻습니까?

그들은 코아세르베이트를 사용하여 인공 세포를 만들기 시작했습니다. 위에서 언급한 바와 같이 이들은 합성 고분자로 만들어진 기포의 일종입니다. Coarcervate는 물에 기름을 떨어뜨린 것처럼 액체 용액 안에 넣으면 자연적으로 작은 물방울을 형성합니다. 이 물방울은 세포의 내부 구조를 모방하기 위한 훌륭한 후보가 된다고 저자는 설명했습니다. 여기에서 기포에는 세포의 신진대사에 동력을 공급하는 분자 바이오 연료인 ATP가 내장되어 있습니다.

다음으로 팀은 코아세르베이트 기포에 두 종류의 박테리아를 조심스럽게 도입했습니다. 한 유형인 E. Coli 는 거품 내부로 빠르게 가라앉았습니다. 다른 하나인 Pseudomonas aeruginosa (PAO1 균주)는 "거의 순간적으로 물방울 표면에 흡수되어 살아있는 박테리아 껍질을 생성했습니다"라고 저자는 설명했습니다.

그런 다음 팀은 각 유형의 박테리아를 파열시켜 내부 분자와 분자 공장을 코아세르베이트 골격으로 방출했습니다. 거품은 곧 생명을 지탱하는 생화학 물질의 홍수, 즉 활성 효소와 단백질 합성 기계를 포착했습니다. 방출된 생체분자의 약 16%만이 결국 통합되었지만 세포골격 유지, 효소 반응, 신진대사, 심지어 세포가 다른 환경에서 자신을 감지하고 위치를 찾을 수 있도록 하는 단백질과 같은 중요한 단백질에 의해 과도하게 표현되었습니다. 분자는 인공 세포질과 유사한 반액체 상태에 의해 현탁되었습니다.

다음으로 일련의 실험을 통해 인공 세포의 생물학적 기능을 테스트했습니다. 하나는 효소를 사용하여 세포질 내부에 떠다니는 DNA 분자를 절단하여 핵과 유사한 구조로 응축시켜 주 "세포" 내부에 구조를 형성하는 것입니다. 이러한 유형의 계층적 조직은 생명의 특징이지만 합성 생물학을 사용하여 구축하기는 매우 어렵습니다. 그 결과는 "살아 있는 세포에서 DNA가 어떻게 구획화될 수 있는지를 암시한다"고 저자는 말했다.

또 다른 테스트에서는 살아있는 박테리아 세포를 코아세르베이트에 추가하면 자동으로 아메바를 모방한 비대칭 모양으로 변형되어 "성장"하고 적응하는 능력을 보여줍니다. 추가 유전 공학을 통해 인공 세포는 현미경에서 밝은 녹색으로 나타나는 녹색 형광 단백질(GFP)을 포함한 새로운 단백질을 조작할 수도 있습니다.

"현재 이 연구는 생화학이 자연 세포에서 발견되는 것과 다른 조건에서 기능할 수 있다는 것을 흥미롭게 보여줍니다."라고 Yewdall은 말했습니다.

믹스앤매치 생명공학의 미래?

우리는 아직 살아 있는 세포를 혼합하고 일치시켜 특정 기능을 가진 새로운 세포를 마음대로 설계할 준비가 되지 않았습니다. 세포의 생화학적 과정의 대부분은 아직 알려지지 않았습니다. 예를 들어, 생명을 유지하는 유전자만 포함하도록 조작된 "최소 세포"의 게놈에는 여전히 기능이 알려지지 않은 유전자의 약 30%가 포함되어 있습니다.

인공 세포를 추가로 구축하려면 기본적으로 필요한 부품과 더 중요한 것은 연결 방법을 찾아야 합니다.

Yewdall  "정상 세포에서는 구조 단백질에서 효소에 이르기까지 살아있는 시스템 내에서 발견되는 이러한 모든 구성 요소를 생산해야 한다고 상상할 수 있습니다. 우리 분야의 순간.”

축소하여 연구는 "인생이란 무엇인가?"라는 철학적 질문을 제기합니다.

과학자들은 종종 생명을 정의하기 위해 다소 환원주의적인 접근 방식을 취합니다. 예를 들어, 생명은 정보를 처리하고 저장할 수 있으며, 신진대사가 있으며 재생할 수 있습니까? 구조에서 단순한 생화학적 과정에 이르기까지 인공 세포는 일반적으로 생명에 기인하는 몇 가지 근본적인 측면을 복제했습니다. 명확히 하자면, 인공 세포는 일반적인 의미에서 "살아 있는" 것이 아닙니다.

그러나 인공 게놈을 가진 세포나 뇌 소기관과 같은 복잡한 조직과 마찬가지로 생명공학이 생명의 경계를 시험하고 있다는 것은 분명합니다.

Yewdall은 이를 가장 잘 요약했습니다. "이 인공 세포를 사용하여 모든 종류의 단백질을 만들 수 있습니다."

이 연구는 약물에서 바이오 연료 및 아직 상상하지 못한 다른 응용 분야에 이르기까지 셀룰러 제조의 새로운 시대를 여는 길을 열어줍니다.

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