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- 비표준 아미노산에 대한 구성 지침을 이전보다 쉽게 ​​생성할 수 있는 접근 방식 개발
- 합성 아미노산도 암호화할 수 있도록 DNA를 변경
- 미생물학적 방법(예:의약품)을 사용해 자연에서 발생하지 않는 맞춤형 생체분자 생산가능
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인공 아미노산에 대한 확장된 유전암호
4개의 DNA 염기로 구성된 코돈을 통해 세포는 합성 아미노산을 단백질에 통합할 수 있다.

생명 알파벳 확장:
연구자들은 합성 아미노산도 암호화할 수 있도록 DNA를 변경했다. 자연에서 발생하지 않는 이러한 단백질 구성 요소는 DNA 문자 3개가 아닌 4개로 표시되지만, 실험에서 알 수 있듯이 여전히 세포에서 올바르게 읽고 구현될 수 있다. 이는 팀이 "Nature Biotechnology"에서 보고한 바와 같이 미생물학적으로 의학 및 기술을 위한 새로운 단백질을 생산할 수 있는 기회를 열어준다. 

▲ DNA가 합성, 비자연적으로 발생하는 아미노산을 건축 지침에 포함시키려면 어떻게 해야 할까? pixabay

DNA에는 생명체를 구성하는 모든 단백질에 대한 건축 지침이 들어 있다. 이 생명 코드는 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T) 및 시토신(C) 염기를 가진 4개의 뉴클레오티드로 구성된 서로 다른 서열로 구성된다. 이들 DNA 문자 중 3개는 코돈을 형성하며, 이는 20개의 아미노산 중 어떤 아미노산이 다음 단백질에 통합되어야 하는지 세포의 단백질 공장에 알려준다. 전송 RNA(tRNA)는 각 코돈과 일치하는 아미노산을 전달한다.

가능한 단백질의 다양성을 높이기 위해 연구자들은 20가지 표준 아미노산 외에 인공 아미노산을 추가로 도입하려고 노력하고 있다. 이전 실험에서는 이 목적을 위해 유전자 코드를 두 글자로 확장하는 것이 이미 가능했다. 다른 접근법에서는 tRNA를 재프로그램하여 표준 아미노산 대신 합성 아미노산을 생성하려고 시도했다. 그러나 이를 위해서는 게놈의 광범위한 변화가 필요하다.

세 글자 대신 네 글자

캘리포니아 라호야에 있는 스크립스 연구소(Scripps Research Institute)의 Alan Costello가 이끄는 팀은 이제 비표준 아미노산에 대한 구성 지침을 이전보다 쉽게 ​​생성할 수 있는 접근 방식을 개발했다. 연구자들은 박테리아에서 영감을 얻었다. 일부 빠르게 돌연변이를 일으키는 박테리아는 일반적인 3문자 삼중 코돈 외에 드물게 4문자 코돈도 사용한다.

Costello와 그의 팀은 "4중-코돈은 255개의 비표준 아미노산과 정지-코돈을 암호화할 수 있기 때문에 다양화의 기회를 제공한다"고 설명했다. 4중-코돈은 아직 자연적으로 결정된 의미를 갖고 있지 않기 때문에, 새로운 4중플릿에 다른 비표준 아미노산을 할당하는 맞춤형 tRNA를 만들 수 있다.

▲ 생명 코드: 일반적으로 세 개의 DNA 염기가 하나의 아미노산을 암호화한다. © Mouagip/공개 도메인

세포가 새로운 코드를 이해할까?

그러나 어떻게 세포의 번역 장치가 3 대신 4중-코돈을 읽도록 만들 수 있을까? 박테리아는 표적 번식을 통해 이러한 조립 지침을 이해하고 구현하는 방법을 배울 수 있다는 것이 밝혀졌다. 연구진은 “우리는 특히 자주 사용되는 삼중-코돈이 바로 뒤에 있을 때 사중-코돈이 우선적으로 판독된다는 사실을 발견했다”고 말했다.

이 지식을 이용해 Costello와 그의 동료들은 원하는 위치에 4개의 코돈이 포함되도록 단일 유전자의 서열을 변경할 수 있었다. 다음 삼중항 중 거의 사용되지 않는 삼중항이 있는 경우, 연구자들은 이를 동일한 아미노산을 코딩하는 보다 일반적인 변이체로 대체했다. 그런 다음 팀은 변형된 유전자를 대장균 박테리아에 도입하여 세포 기계가 조립 지침을 구현할 수 있는지 테스트했다.

▲ 여러 인공 아미노산을 포함하는 펩타이드의 두 가지 예는 여기에 색상으로 표시되어 있다. © Scripps Research

박테리아는 자연에서는 발생하지 않는 펩타이드를 생산한다.

결과:
실제로 장내 세균은 조작된 유전 코드를 기반으로 배양 배지에 첨가된 인공 아미노산을 처리하고 이를 단백질로 통합하기 시작했다. 이를 통해 연구팀은 각각 최대 3개의 비표준 아미노산을 포함하는 100개 이상의 새로운 고리형 펩타이드를 생성했다. “우리의 최적화된 조립 지침은 여러 가지 새로운 비표준 아미노산을 단백질에 효율적으로 통합하는 것을 촉진한다”고 과학자들은 보고했다.

연구원들에 따르면, 이전 접근법에 비해 이 방법은 세포의 전체 게놈이 아닌 각 표적 유전자만 변경하면 되기 때문에 사용하기가 더 쉽다고 한다. "이 개념의 장점은 사려 깊은 유전적 설계만 필요하기 때문에 다양한 작업 흐름에 매우 쉽게 통합될 수 있다는 것이다"고 연구에 참여하지 않았지만 리치몬드에 있는 버지니아 커먼웰스 대학의 매튜 하트만(Matthew Hartman)은 첨부 논평에서 썼다.

생명공학 및 의학 분야의 응용

이 방법을 사용하면 미생물학적 방법(예: 의약품)을 사용해 자연에서 발생하지 않는 맞춤형 생체분자를 생산할 수 있다. Costello의 동료인 Ahmed Badran은 “고리형 펩타이드는 자연에서 발견할 수 있는 작은 생체 활성 분자를 연상시킨다”고 말했다. "단백질 합성의 프로그래밍 가능성과 이 접근법으로 접근할 수 있는 빌딩 블록의 다양성을 활용함으로써 우리는 자연에서 발생하지 않는 작은 분자를 생성하고 약물 발견에 흥미로운 응용 분야를 열 수 있다.”

Badran은 “우리의 목표는 생명공학 및 신약 발견 응용을 위한 맞춤형 기능을 갖춘 단백질을 개발하는 것이다. 이 새로운 방법을 사용하여 비표준 아미노산을 단백질에 통합할 수 있는 가능성은 우리의 목표를 더 가깝게 만든다"고 말했다.
(Nature Biotechnology, 2024, doi: 10.1038/s41587-024-02385-y)
출처: Scripps Research Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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