유전자 편집의 최근 혁신으로 인해 합성 생물학 분야가 공상 과학 영역으로 진출하기 시작한 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 수십 년 동안 과학자들은 기본 생화학 적 구성 요소와 자연에서 발견 된 것들에서 멀리 떨어진 속성으로 새로운 형태의 삶을 만들 수있는 방법을 재배 해 왔습니다. 특히, 그들은 생명의 비축에서 세포의 기능을 수행하는 단백질의 빌딩 블록 인 아미노산의 수를 확장하기 위해 노력하고 있습니다.
11 월에 한 연구자 그룹이 아직 가장 큰 진전을 발표했습니다. 그러나 그 돌파구는 또한 자연을 전혀 개선하려는 방법과 이유를 반영 할 수있는 기회를 제공했습니다. 그리고 그 성공을 시위 이상으로 바꾸는 데 어떤 어려움이 직면 할 수 있는지에 대한 어려움이 있습니다. 결국 이론적 작업의 오랜 역사는 자연 진화론이 유전자 규범에 정착하여 대부분의 유기체에 정착했음을 암시합니다.
보다 광범위한 코드를 설계하는 자극에는 몇 가지 장기 목표가 있습니다. 더 많은 아미노산을 사용하면 원칙적으로보다 효율적이고 효과적으로 그리고 정확하게 작용하는 약물 또는 산업 효소 역할을 할 수있는 인공 단백질을 합성 할 수 있습니다. 인공 단백질은 또한 자연 단백질의 작동 방식에 대해 더 많은 것을 알려줄 수 있습니다. 구조가 자신의 활동과 기능에 어떻게 알려진 방법을 보여줌으로써.
연구의 다른 응용 프로그램에는 특정 세포에 바이러스 저항성을 부여, 백신 또는 이식에 사용하기 위해, 고온이나 압력을 견딜 수있는 능력과 같은 바람직한 속성이 부여 된 새로운 재료를 제조하는 것이 포함됩니다.
유전자 사전 수정
캘리포니아의 Scripps Research Institute의 리서치 팀은 이제 인공 DNA 기본 쌍을 복제, 전사 및 번역 할 수있는 박테리아 세포를 설계함으로써 이러한 목표를 달성하는 데 가장 가까이 왔습니다. 거의 20 년 동안 과학자들은 게놈의 자연스러운 4 글자 어휘에 두 개의 새로운 맞춤형 문자를 추가하고 셀에 통합하고 확장 된 어휘를 의미있게 만들기 위해 복잡한 일련의 프로세스를 동기화하는 방법을 힘들게 만들었습니다. 결과 단백질은 세포가 일반적으로 사용하지 않는 아미노산을 사용했습니다.
Nature 에 출판 된 작품 , DNA가 암호화하는 아미노산의 수를 늘리기위한 몇 가지 지속적인 노력 중 하나를 나타냅니다. 지구상의 유기체를 가져 가면 DNA와 RNA는 4 개의 뉴클레오티드 염기 또는 문자 (일반적으로 DNA에서 A, T, C 및 G로 약칭되며 RNA에서는 다른 염기, U가 T를 대신합니다). 이 글자는 궁극적으로 단백질을 만드는 방법을 설명하는 알파벳을 구성합니다. 그러나 그 일이 일어나기 위해, 셀은 먼저 유전자 코드 (유전자 코드)를 사용하여 그 의미를 읽고 번역해야합니다.
기본적으로, 세포의 단백질 제작 기계는 코돈이라는 3 글자 단어로 구성된 문장으로서의 DNA 시퀀스를 읽습니다. 코돈은 단백질에 순차적으로 첨가하도록 아미노산을 명명한다. 세포의 폐기시 4 개의 뉴클레오티드 염기가있는 64 개의 코돈이 가능합니다. 1 ~ 6 개의 코돈은 가장 일반적으로 사용되는 20 개의 천연 아미노산 각각을 지정하고 3 개는 세포에 단백질 구축을 중단하도록 지시합니다.
.화학자 인 Floyd Romesberg가 이끄는 Scripps 연구원들이 비공식적으로 X와 Y로 표시된 DNA에 다섯 번째와 여섯 번째 편지를 추가함으로써 이용 가능한 코돈의 수는 216으로 폭발합니다.
Scripps 팀의 성과는 혼자서는 아닙니다. 플로리다의 응용 분자 진화 재단의 화학자 인 Steven Benner와 그의 동료들은 12 글자 유전자 알파벳을 만들었습니다 (새로운베이스 쌍을 살아있는 세포에 넣지는 않았지만). 두 경우 모두, 더 많은 염기를 갖는 것은 비표준 아미노산을 전례없는 형태와 기능을 가진 단백질로 가져 오기 위해 많은 위도를 제공합니다.
또한,베이스 수를 확장하는 것이 아미노산을 더 많이 얻는 유일한 방법은 아닙니다. Biotech에서 기업가 적 노력으로 유명한 하버드 대학교의 저명한 유전 학자 인 조지 교회는 비정규 아미노산에 대한 중복 코돈을 회수하기위한 노력을 주도하고 있습니다. 그리고 영국의 분자 생물학 의료 연구위원회 연구소의 생화학자인 Jason Chin은 3 개가 아닌 4 글자로 구성된 코돈을 읽는 리보솜 (세포의 단백질 생산 공장)을 만들었습니다.
자연의 뛰어난 코드
천연 유전자 코드 (4 개의 뉴클레오티드 염기, 3 글자 코돈, 20 개의 아미노산)를 정의하는 매개 변수를 사용하여 수십 년 전에 해당 코드가 진화하는 방법과 최적인지 여부에 대해 제기 된 질문으로 돌아갑니다. 6 개의 기지가 4보다 낫습니까? 21 개의 아미노산이 세포에 대해 20보다 더 많은 일을합니까? 25는 어떻습니까? 볼티모어 카운티의 메릴랜드 대학교의 진화 생물 학자 인 스티븐 프리 랜드 (Stephen Freeland)는“이것은 최근까지 볼 수 없었던 질문이었다”고 말했다. 확장 된 코드는 기술적 인 현실이되었으므로 과학자들은 처음으로 실험적으로 그들에게 대답하는 것에 대해 생각할 수 있습니다.
유전자 코드를 연구하는 연구원들은 코돈-아미노산 할당이 결정적으로 무작위가 아니라고 점차 결정했다. 대신에 그들은 자연 선택의 산물 인 것처럼 보이며, 유리한 유전 적 다양성을 생성하고 단백질 합성 과정에서 가장 자주 발생하는 경향이있는 종류의 오류로부터 유기체 세포를 보호하는 데 도움이되도록 최적화되었습니다.
.이 코드는 여러 가지 영리한 방식으로이를 달성합니다. 예를 들어, 동일한 아미노산을 나타내는 코돈은 세포의 번역 기계가 실수 할 가능성이 가장 높은 곳이기 때문에 세 번째 위치에서 뉴클레오티드에 의해서만 다른 경향이 있습니다. (예를 들어, GAG 및 GAA에 의해 지정되는 글루탐산을 섭취하십시오.) 공통적 인 3 글자 중 2 개 중 2 개를 갖는 다른 아미노산에 대한 코돈조차도 주요 화학적 특성을 공유하는 아미노산으로 변환되는 경향이 있습니다. 결과적으로, 일반적인 유전자 오류는 여전히 단백질이 주로 접히고 올바른 기능을 유지합니다.
Freeland의 실험을 포함한 계산 실험은 실제 유전자 코드의 탄력성을 잠재적 대안과 비교했으며, 코돈이 아미노산에 임의로 할당 된 잠재적 대안의 복원력을 비교했습니다. Nature의 유전자 코드는 거의 모든 것을 능가했습니다. Irvine 캘리포니아 대학교의 합성 생물 학자 인 Chang Liu는“우리가 가진 것에 대해“우리가 가진 것을 위해서는 1 백만 코드보다 낫습니다”라고 말했습니다.
그러나 프리 랜드는“유전자 코드는 무작위와는 거리가 멀다”고 말했다. 즉, 20 개의 아미노산의 화학에 의해 가능한 많은 코드 중에서도 국부적으로 최적 일 수 있습니다. 그러나 반드시 전 세계적으로 최고임을 의미하는 것은 아닙니다. Benner는“다윈주의가하는 일은 시퀀스 공간에서 로컬로 검색하는 것입니다. 당신은 효과가있는 일을합니다.”
규칙 변경
기본 쌍 또는 아미노산의 수를 늘리는 능력은 해당 게임의 규칙을 완전히 변경합니다. 기지의 이진 시스템조차도 엄청나게 효율적 이었기 때문에 많은 연구자들은 원시적 세포 수명이 단일 쌍의 염기로 시작되었고, 세포 시스템이 더 복잡하고 정교 해졌고 DNA의 더 높은 정보 밀도가 유리한 후에 만 두 번째 쌍을 진화 시켰다고 주장합니다. 그러나 왜 4시에 멈추나요? "6 ~ 8 개의 기지로 업그레이드하는 것이 이것을 확대 할 것인가?" 프리 랜드가 물었다. “유전자 세그먼트의 길이 당 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 그것이 실제로 무언가를 더 좋고 효율적으로 만들 수 있는지 확인하는 것이 그 결과를 보는 것이 매우 흥미로울 것입니다.”
어떤 사람들은 6 개 (또는 그 이상) 염기가 실제로 덜 최적 일 수 있다고 주장합니다. 돌연변이가 너무 일반적이되어 세포가 손상 제어를하는 데 어려움이있을 수 있습니다. 시뮬레이션은 두 개의 기본 쌍을 사용하는 유기체의 인구가 최적의 복제 정확도를 가질뿐만 아니라 가장 효과적으로 진화하고 최고 수준의 체력에 도달 할 것이라고 제안했습니다.
.그러나 Romesberg에 따르면, 그 주장은 경고와 함께 제공됩니다. Romesberg에 따르면, 코드가 진화했을 때 수십억 년 전에 존재했던 선택적 압력에 대한 지식이 없다면 - 환경이 얼마나 빠르게 변화했는지 또는 경쟁이 어떻게 보이는지에 대한 명확한 그림없이 돌연변이 율에 대한 판단을하는 것은 불가능합니다. 코돈을 구성하는 데 가장 좋은 수의 문자인지 여부에도 동일한 일반적인 주장이 적용될 수 있습니다. "문제를 이해하지 못하면 문제에 대해 이론화하기가 매우 어렵습니다."그는 이메일로 썼습니다.
궁극적으로, 논쟁은 관찰 된 아미노산의 수 (대부분의 유기체에서 20 개, 일부 유기체 코드는 21 또는 22에 대한 일부 유기체)가 최적인지 여부에 달려있다. 프리 랜드는 최소한 20 명은“충분하다”고 말했다. 그 숫자는 모든 살아있는 유기체의 출현을 가능하게했으며 모든 극단적 인 환경에 대한 적응이 길을 잃었습니다. 자연적으로 발생하는 20 개의 아미노산은 이상적으로 광범위한 소수성, 크기 및 전기 음성 값에 걸쳐 균일하고 균등하게 퍼집니다.
그러나 팔레트에 더 많은 색상을 추가하면 무엇이든 향상됩니까? 어떤 사람들은 20, 21 또는 22를 갖는 것이 "골드 락"시나리오이며, 그들의 특성은 이미 단백질이 환상적으로 다양하게되어 효율적으로 진화 할 수있을 정도로 충분히 확산되어 있습니다.
.다른 사람들은 동의하지 않으며 곧 그들이 곧 도착하기를 희망한다는 증거를지지하고 있습니다. Benner에 따르면, 우리의 DNA의 뉴클레오티드는 가능한 한 안정적이지 않으며, 첨가물이 잘 선택되면 넓은 알파벳을 갖는 것이 긍정적 인 영향을 미칠 수 있습니다.
.Liu는“오랜 진화 시간 규모에서는 추가 아미노산을 갖는 것이 유리하여 호스트가 새로운 방식으로 적응할 수있게 될 것”이라고 Liu는 말했다. "하지만 예측하기 어려운 완전히 새로운 화학이 될 것입니다."
프리 랜드는 증거에 따르면 생명은 소수의 소수의 아미노산으로 시작되어 점차 재고를 확대했다고한다는 점을 지적했다. "20 개의 아미노산에 대한 마법은 없다"고 그는 말했다. “하지만 그 이상으로 어떤 이점이 있는지는 분명하지 않습니다. 나는 그것이 더 최적화 될 수 없다고 말하는 것이 아닙니다. 그것은 이미 충분하다는 것입니다.”
많은 연구자들이 규칙을 효과적으로 "냉동"으로 묘사하기 때문에 유전자 코드의 주요 혁신도 유지하기가 어려울 수 있습니다. Benner는 유기체가 3 글자 코돈으로 번성하기 시작하면 해당 시스템에서 벗어난 모든 것이 경쟁하기가 어려워 졌다고 말했다.
자연의 헤드 스타트 극복
현재, 확장 된 합성 유전자 코드는 경쟁 방식에서 많은 것을 제공하지 않습니다. 그들은 자연적인 것보다 덜 최적입니다. Romesberg의 반합성 유기체는 덜 효율적으로 복제하고 더 큰 돌연변이를 경험합니다. 인공 X-Y 염기 쌍이 상대적으로 빠르게 자연스럽게 돌연변이하는 경향이 있기 때문에 그들의 코돈은 안정적이지 않습니다. Romesberg의 실험실은 이러한 문제를 극복하는 방법을 연구하고 있습니다. "자연은 그것을 알아낼 시간이 훨씬 더 많았습니다."
게다가, 비정규 아미노산을 통합하기 위해 수행되는 실험이 이론적 연구가 아니라 탐색적이고 응용 분야에 맞춰진다는 점을 감안할 때, 최적화가 반드시 목표 일 필요는 없다. 실제로 교회는 그와 그의 동료들이 실험실에서 번창하기에 충분히 강력하기를 원하지만, 탈출 할 경우 치명적인 돌연변이의 확률을 높이기 위해 세포의 새로운 유전자 코드가“약간 더 부서지기”를 원할 것이라고 말했다.
즉, 기술이 Romesberg, Benner 및 Church가 설계 한 유전자 코드의 안정성과 정밀성을 보장하는 데 도움이되면 아미노산이 더 좋을지 여부를 테스트 할 수 있습니다. 당분간 그들은 막 시작했습니다. Freeland가 말한 것처럼,“우리는 지금 Wild West에 있습니다. 우리는 그렇지 않습니까?”
수정 :Stephen Freeland의 사진의 캡션은 1 월 3 일에 수정되어 그의 기관의 전체 이름이 볼티모어 카운티의 메릴랜드 대학교라는 것을 반영했습니다.
이 기사는 Theatlantic.com에서 재 인쇄되었습니다.
