요약:
합성 생물학 분야는 최근 중요한 이정표를 달성했습니다. 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학교 과학 연구팀의 최근 연구에 따르면 지구 유기체에서 자연적으로 발견되는 핵심 효소가 8개의 화학 문자로 구성된 확장된 버전의 유전 코드를 정확하게 인식하고 전사할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
이 발견은 자연에서 수십억 년 동안 생명이 단 4개의 기반으로 구성되었다는 본질적인 이해를 깨뜨린 것입니다. 이는 살아있는 세포의 기존 분자 기계가 인공적으로 합성된 유전 정보를 완벽하게 처리할 수 있음을 입증하고, 새로운 정밀 의학, 표적 약물 및 공학적 생물학적 시스템의 미래 개발을 위한 핵심 분자 기반을 마련합니다.
지구상의 모든 알려진 생명체의 유전 정보는 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 구아닌(G)의 네 가지 화학 문자로 구성된 DNA 코딩 시스템에 기록되어 있습니다. 과학자들은 이전에 DNA의 이중 나선 구조에 통합될 수 있는 새로운 염기(예: 4개의 합성 염기 P, Z, B 및 S를 포함하는 "8자 DNA" 시스템)에 통합될 수 있는 새로운 염기를 합성했지만, 이러한 부자연스러운 문자가 자연 세포 내부의 판독 메커니즘에 의해 정확하게 분석될 수 있는지 여부는 항상 합성 생물학의 실제 적용에 있어 핵심 병목 현상이었습니다.
네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표된 최근 연구에서 연구팀은 유전자 발현-RNA 중합효소(RNA Polymerase)의 핵심 효소에 주목했습니다. 연구자들은 저온전자현미경(Cryo-EM) 기술을 사용하여 단일 원자 너비보다 작은 고해상도 규모로 합성 염기를 읽고 전사할 때 대장균(E. coli)의 RNA 중합효소의 3차원 구조에 대한 동적 스냅샷을 성공적으로 포착했습니다. 실험 데이터에 따르면 이 천연 효소가 합성 염기쌍을 처리할 때 전사 정확도와 효율성이 천연 염기쌍과 매우 유사하다는 것을 보여줍니다.
구조 분석을 통해 RNA 폴리머라제는 이러한 합성 문자를 '이물질'로 거부하지 않고 천연 염기를 인식하는 데 사용되는 것과 거의 동일한 구조적, 화학적 신호 노드를 통해 정확하게 인식하는 것으로 나타났습니다. 또한 연구팀은 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 또 다른 보충 연구에서도 RNA 중합효소가 전통적인 수소 결합력이 부족한 일부 부자연스러운 염기쌍도 정확하게 인식하고 전사할 수 있다는 사실을 발견했는데, 이는 인공 유전자 알파벳의 설계 공간을 크게 확장합니다.
유전자 알파벳을 4개에서 8개로 확장한다는 것은 정보 저장 용량이 기하급수적으로 증가한다는 것을 의미합니다. 원래 세 글자의 조합으로 구성되어 있던 64개의 유전자 코드가 폭발적으로 늘어나 자연에 존재하지 않는 새로운 아미노산과 기능성 단백질을 인공적으로 설계하고 합성하는 것이 가능해진다. 연구진은 이 기술이 이전에 간암세포의 표적 식별 등 분자진단 분야에서 독보적인 장점을 보여준 바 있으며, 이번에는 천연 효소의 전사 메커니즘을 정복해 합성 약물과 첨단 생체재료를 생산하기 위해 숙주 세포 생물반응기를 사용하는 데 대한 기술적 장애물을 완전히 제거할 것이라고 지적했다.
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