합성 효모 프로젝트, 50% 인공 DNA로 세포 공개

디자이너 염색체를 통해 게놈 구성 및 진화에 대한 새로운 연구가 가능해졌습니다. 효모 세포를 위해 합성 게놈 만드는 것을 목표로 하는 17년간의 프로젝트가 분수령에 이르렀습니다. 연구자들은 10개의 새로운 논문에서 "모든 효모 염색체의 디자이너 버전을 만들고 그중 거의 절반을 생존하고 번식할 수 있는 세포에 통합했습니다"라고 밝혔습니다. 프로젝트 책임자이자 뉴욕대학교 랑고네 헬스 유전학자인 제프 뵈케는 "이것은 우리가 오랫동안 연구해 온 획기적인 사건입니다"라고 말했습니다. 이번 연구와는 관련이 없는 미국 게놈연구소의 합성생물학자 산자이 바시는 "매우 인상적인 연구 결과입니다"라고 말했습니다.

 

연구자들은 세균의 유전체에서 발견되는 독특한 염기서열인 크리스퍼와 같은 편집 기술을 사용해 효모 및 기타 여러 유기체의 게놈을 조작해 왔습니다. 그러나 처음부터 새로운 버전을 구축하면 유기체의 게놈에 더 큰 변화를 만들고 유기체의 조직, 기능 및 진화를 더 깊이 탐구할 수 있는 길이 열릴 것이란 전망도 나옵니다. 합성 게놈을 개발할 경우 산업, 농업 및 의학에 중요한 많은 유기체를 업그레이드하는 것이 더 쉬워질 수도 있습니다. 예를 들어 효모는 양조장과 포도주 양조장을 계속 운영할 뿐만 아니라 인슐린을 포함한 다양한 화학 물질과 약물을 생산합니다. 뵈케는 "합성 게놈을 사용하면 우리는 더 신속하게 계통을 개선하고 생산 증가에 중요한 유전자를 찾을 수 있습니다"라고 설명했습니다.

 

지금까지 과학자들은 여러 바이러스와 박테리아에 대한 인공 게놈을 생성했지만, 효모는 세포에 핵이 있는 파리, 뱀, 인간과 같은 유기체 그룹인 최초의 진핵생물일 것입니다. 연구진이 사용한 효모 종인 사카로미세스 세레비시아는 16개의 염색체를 가지고 있으며 이는 일반적으로 단일 염색체와 유전자만큼 많은 부분을 가지고 있는 박테리아보다 훨씬 더 큰 도전 과제입니다. 지난 2006년 시작된 합성 효모 게놈 프로젝트는 이 문제를 해결하기 위해 전 세계 12개 이상의 기관의 과학자들과 게놈 조각을 합성하는 데 도움을 준 수백 명의 학부생을 모집했습니다. 연구자들은 한 번에 한 뉴클레오티드 씩 게놈을 재설계하려고 시도하지 않았습니다.

 

이들은 대신 천연 효모 게놈을 수정하여 구조를 단순화하고 안정성을 높이며 연구를 더 쉽게 만드는 수천 가지 변형을 추가했습니다. 연구자들은 게놈의 한 위치에서 다른 위치로 도약해 유전자 서열을 파괴할 수 있는 순회 유전자 뻗기인 트랜스포손을 조각했습니다. 또한 단백질의 일부를 암호화하지 않는 유전자 부분인 많은 인트론을 잘라내어 게놈을 가지치기한 연구팀은 향후 실험에서 새로운 효모 게놈을 더 쉽게 조작할 수 있도록 하기 위해 염색체 부분의 재배열을 촉진할 수 있는 수백 개의 짧은 유전자 서열을 포함시켰습니다.

 

대부분의 경우 연구자들은 기존 염색체에 유전자를 남겼습니다. 그러나 해당 프로젝트의 국제 책임자이자 합성생물학자인 맨체스터 대학의 이지 패트릭 차이가 이끄는 연구팀은 효모의 275개 운반 리보핵산 유전자를 수용할 새로운 17번째 염색체를 만들었습니다. 그들은 단백질의 구성 요소인 아미노산을 운반하는 리보핵산 분자를 암호화했습니다. 차이는 "운반 리보핵산은 단백질 합성에 필수적이지만, 그 유전자는 게놈에 많은 문제를 일으킵니다"라고 말했습니다. 이어 그는 "운반 리보핵산은 파손을 일으킬 수 있는 유전자 손상 핫스팟이기 때문"이라고 이유를 설명했습니다. 이러한 파괴적인 유전자를 하나의 염색체에서 분리함으로써 길들이기를 바란 연구원들은 과학 학술지에 "효모 세포가 비록 변형되지 않은 세포보다 느리긴 하지만 생존하고 성장할 수 있다는 것을 발견했다"라고 보고했습니다. 임페리얼 칼리지 런던의 합성생물학자인 폴 프리몬트는 이 연구를 역작이라 호평했습니다.

 

서로 다른 효모 균주에서 별도의 팀은 각 합성 염색체를 조립, 한 팀을 이끌고 있는 베이징게놈연구소 리서치의 생물학자 웨 션은 "우리는 모든 염색체가 처음부터 동일한 설계 원칙에 따라 성공적으로 구성될 수 있음을 증명했습니다"라고 이야기했습니다. 그러나 연구자들은 염색체를 동일한 효모 세포에 통합하고 그것이 건강한지 여부를 판단해야 했습니다.

 

뵈케의 팀은 서로 다른 합성 염색체를 갖고 있는 세포들을 반복적으로 교배시켜 결국 6개의 전체 크기 합성 염색체와 다른 염색체의 단편을 포함하지만, 여분의 운반 리보핵산 염색체는 포함하지 않는 효모를 생산했습니다. 일부 유해한 게놈 결함으로 인해 이 효모가 정상보다 느리게 성장했다는 걸 확인한 연구진은 이를 수정한 후 "해당 균주는 변경되지 않은 세포만큼 빠르게 성장했다"라고 두 번째 논문에서 보고했습니다. 비슷한 교배 접근법을 사용한 이들은 또 다른 합성 염색체를 추가하여 총 염색체 수를 7.5로 만들었으며, 이 세포에서는 유전자의 50% 이상이 합성됐습니다. 뵈케는 "절반 이상 왔습니다"라고 말했습니다.

 

발표된 또 다른 논문에서 이 프로젝트의 과학자들은 재생된 염색체를 가진 세포를 사용하여 특정 구조 변화의 효과를 테스트했습니다. 뵈케의 연구팀은 "세포 분열에 필수적인 염색체 팔 사이의 접합부인 동원체를 움직이면 동원체에 인접한 유전자의 작은 부분이 염색체를 안정적으로 유지하는 데 도움이 된다는 사실이 밝혀졌습니다"라고 과학 학술지에 보고했습니다. 이들은 염색체를 핵 내에서 재배치하면 염색체를 경계 근처에 가두는 것이 유전자 침묵을 초래한다는 사실도 함께 밝혀냈습니다.

 

서던 캘리포니아 대학의 합성 유전체 학자인 이안 에런라이크는 "이번 결과는 DNA 요소가 어떻게 결합하여 기능적 게놈을 생성하는지에 대한 규칙을 발견할 수 있는 멋진 시스템을 제공합니다"라고 평가했습니다. 과학자들은 현재 남은 염색체를 효모 세포에 통합하고 발생하는 모든 게놈 문제를 해결하기 위해 노력하고 있으며, 이들은 "기술적인 형태의 생물학을 넘어 생명을 만들어 생명을 이해하는 방향으로 나아가고 있습니다"라고 말했습니다. 뵈케는 완전히 합성된 게놈을 가진 효모가 약 1년 안에 데뷔할 것으로 기대했습니다.