물리학 자 Richard Feynman이 1988 년에 죽었을 때, 그는“내가 만들 수없는 것, 이해할 수 없다”라는 블랙 보드에 메모를 남겼습니다. Feynman은 과학적 이해의 본질을 반영했을지 모르지만 정서는 또한 합성 생물학의 정신을 반영합니다. 그 과학 분야는 생물학적 과정을 해체하고 정확하게 조작하여 우리의 이해를 테스트하는 것입니다.
버클리 캘리포니아 대학의 합성 식물 생물학자인 Patrick Shih는“합성 생물학의 모든 사람들은 그 인용문을 좋아합니다. “중앙 교리입니다.”
식물에서의 새로운 작품은 합성 생물학의 가장 야심 찬 목표를 실현하는 데 중요한 발전을 보여줍니다. 지난 달 Science 에 발표 된 연구 식물 뿌리에 일종의 유전자 회로를 만들어 실제로 성장하는 방법을 프로그래밍합니다. 바이오 엔지니어 인 Jennifer Brophy가 이끄는 Stanford University 연구원과 식물 시스템 생물 학자 인 José Dinneny는 두 식물 종의 뿌리 시스템이 더 측면 또는 수평으로 자랐는지, 뿌리가 얼마나 많이 분리되었는지 여부를 제어하기 위해 유전자 툴킷을 개발했습니다. 그들의 연구는 식물 성장의 유전자 모델을 확인하고 처음으로 복잡한 유기체의 특정 조직에서 시간이 지남에 따라 유전자 활동의 기능적 패턴을 프로그래밍 할 수 있음을 처음으로 보여줍니다.
새로운 유전자 툴킷은 미래의 실험에서 다른 합성 생물 학자들에게 매우 유용해야합니다. 그러나 연구원 실험의 결과는 Brophy와 그녀의 동료들이 희망만큼 간단하지 않았으며, 디지털 논리 문을 지저분한 생활 시스템에 적용하는 데 어려움을 겪었습니다.
재배치 뿌리 성장
합성 생물 학자들은 약 20 년 동안 유전자 제어 시스템을 박테리아와 배양 복잡한 세포에 삽입 해 왔지만, 기술적 인 문제로 인해 식물과 같은 복잡한 다세포 유기체로이를 수행하기가 훨씬 어려워졌습니다. 따라서 생물학적 회로를 건설하기 위해 브로피, Dinneny와 동료들은 변형 된 바이러스 조각과 식물에서 종양을 유발하는 박테리아를 포함하여 분자 도구를 조립하고 정제했습니다. 합성 생물 학자들은 종종 특정 유기체와 실험에 대한 일회성으로 필요한 기술과 유전 적 요소를 만듭니다. 그러나 Stanford 팀은 필요에 따라 다른 유기체에 적응할 수있는 일반 목적 툴킷을 조립하는 데 더 관심이있었습니다.
.이 사용자 정의 가능한 툴킷을 사용하여 연구원들은 유전자 회로를 특정 유기체에 맞게 조정했습니다. 이 경우, 그들은 두 가지 인기있는 모델 유기체 - Arabidopsis thaliana 를 사용했습니다. , 겨자 식물의 친척, Nicotiana Benthamiana , 담배 사촌.
연구원들은 ON/OFF 스위치와 같이 뿌리 성장에 관련된 다양한 표적 유전자에 결합하여 활성화하는 합성 프로모터 요소를 만들었습니다. 그런 다음 프로그램 가능한 회로에서 부울 로직 게이트와 같이 이러한 제어 요소를 서로 연결했습니다. 대조군을 통해 연구원들은 식물 자체의 단백질을 모집하여 뿌리 성장을 유도하거나 억제 할 수있었습니다.
그들은 식물이 뿌리 머리의 거대한 거미줄 웹에서 단일 긴 수돗물에 이르기까지 광범위한 프로그래밍 된 뿌리 변형을 표현하게 만들었습니다. 그들의 목표는 특정한 원하는 결과를 생성하기보다는 유연한 제어를 보여주는 것이 었습니다. 새로운 연구에 관여하지 않은 프랑스 국립 농업, 식품 및 환경 연구소의 연구원 인 올리비에 마틴 (Olivier Martin)은“개념 증명입니다.
뿌리 시스템의 성장에 대한 통제는 농업, 특히 가뭄에 시달리는 지역에서는 혁명적 일 수 있으며, 기후 변화가 진행되는 동안 삶이 더 심해질 수 있습니다. 농작물은 얕은 뿌리 시스템을 재배하여 빠르게 무겁지만 드물게 비가 내리거나 뿌리를 똑바로 보내고 이웃 공간의 침해를 피하기 위해 긴밀하게 포장하도록 프로그램 될 수 있습니다.
.응용 프로그램은 농업에만 국한되지 않습니다. 마틴은 식물이“자연 화학자”라고 말했다. "그들은 엄청나게 다양한 화합물을 생산합니다." 합성 생물학을 통한 그 능력을 활용하면 연구원들이 대규모로 새로운 의약품을 생산할 수 있습니다.
싸움 불일치
그러나 합성 식물 생물학의 과일은 아직 농민 시장이나 약국 선반에 도달 할 준비가되지 않았습니다. 스탠포드 실험의 대부분의 식물이 그들의 프로그래밍에 따라 행동했지만, 그들의 유전자 발현은 연구원들이 기대했던 것만 큼 흑백이 아니었다. Brophy는“부울이나 디지털이라고 부르지 않아도 '꺼짐'상태가 완전히 꺼져 있고 'on'상태는 상대적이기 때문에 힘든 일입니다.
뿌리에서,“오프”상태는 완전한 뿌리 캡으로 표시되어, 뿌리 덩굴손 끝에 세포 층이 추가로 성장을 방지했습니다. "온"상태는 단순히 뿌리 또는 뿌리의 존재에 의해 정의되었습니다. 그러나 연구원들은“꺼짐”상태의 일부 뿌리는 부분적인 뿌리 캡 만 개발했으며, 특정 지점 후에 성장을 막을만큼 충분하지만 그것을 막기에는 충분하지 않다는 것을 관찰했습니다. 이 비정상적인 표현은 팀이 Nicotiana 에 개발 된 논리 게이트를 적용했을 때 가장 자주 나타납니다. Arabidopsis 식물; 그들은 툴킷이 Arabidopsis를 조정 한 후 사라지는 경향이있었습니다. 유전자.
이런 종류의 부분 발현은 합성 생물학이 직면 한 문제에 추가되지만, Shih는 또한 이점이있을 수 있다고 말했다. 동물의 부분 유전자 발현이 종종 덜 명백하고 더 치명적이기 때문에 식물보다 실험 시험을 더 쉽게 할 수있다.
.연구에 참여하지 않은 캐나다 앨버타 대학교의 시스템 생물 학자 인 데방 메타 (Devang Mehta)는 Brophy와 Dinneny의 연구를 유기체 합성 생물학에서“큰 발전”이라고 부릅니다. 그러나 그는 다음 단계가 얼마나 어려운지를 과소 평가해서는 안된다고 경고합니다.
Mehta는“특히 부울 논리와 같은 것은 환경 변수를 실제로 제어 할 수있는 포함 된 환경에서 매우 유용합니다. "이것은 자연 환경에서하기가 훨씬 어렵습니다."
이는 식물과 다른 생물이 컴퓨터가 아닌 방식으로 환경에 반응하기 때문에 신뢰할 수있는 유전자 회로로 프로그래밍하는 데 어려움을 겪기 때문입니다. 브로피는 이들을 계산기와 대조하여 매번 2 + 2가 4와 같습니다. "추울 때 2 플러스 2가 3과 너무 밝았을 때 5와 같으면 문제가 될 것"이라고 그녀는 말했다. 현장에서 자라는 옥수수 나 밀과 같은 작물에 부울 유전자 회로를 구현하려면 합성 생물 학자들은 날씨를 조절하는 방법을 고안하거나 더 현실적으로 식물이 열, 추위 및 비에 강하게 반응하는 것을 방지해야합니다.
Shih는“이것은 분야가 매우 선행해야한다는 중요한 제한입니다. 그는 Brophy와 Dinneny의 작품을이 도전을 해결하기위한 예비 로드맵으로 본다. "이제 우리는 어떤 [도구]가 작동하고 어떤 도구가 작동하지 않는지 알 수 있습니다."
편집자 참고 :HHMI-Simons 교수 학자로서 Dinneny는 Simons Foundation으로부터 자금을 받았으며 도 지원합니다. Quanta ,이 편집자 독립적 인 과학 저널리즘 잡지
