하버드 대학의 롱우드 캠퍼스에서 합성 생물학자이자 유전학자인 조지 처치는 바쁜 자신을 발견합니다. 그가 학생들에게 최신 생명공학 프로토타입을 만드는 것을 지도하지 않는다면, 그는 이전의 것들과 함께 새로운 사업 벤처를 탐색하는 것입니다.
처치는 생명공학계의 선구자로 알려져 있습니다. 일부 분야에서, 그는 직접 게놈 시퀀싱과 인간 게놈 프로젝트로 가장 유명할 수 있습니다. 다른 사람들은, 그와 그의 학생들이 인간 세포에서 CRISPR-Cas9 편집의 능력을 증명함으로써 주목을 받았습니다. 하지만 그의 팀이 지금 열심히 노력하고 있는 프로젝트들은 과학계 전반에 다음으로 큰 영향을 미칠 수도 있습니다.
처치는 "우리 실험실은 커브길의 극한점에 앉아 있으며, 우리가 극한점에 있을 때 대부분의 경우, 우리가 가능성의 쓰나미에 추월당하는 것은 불과 2년 밖에 되지 않는다는 것을 발견했습니다,"라고 말했습니다.
이 극단적인 점은 다중 게놈 편집입니다. 오늘날 그의 연구실에는 합성 생물학자들이 주목하는 게놈 전체의 다중 편집을 위한 몇 가지 독특한 사용 사례가 있습니다.
다중 도구 상자
지난 수십 년 동안 유전자 편집은 공상 과학 소설의 한 갈래에서 현실의 중추적인 부분으로 전환되었습니다. 이러한 발전은 CRISPR 기반 기술과 기타 최첨단 혁신 덕분입니다. 노스캐롤라이나 주립 대학의 CRISPR 연구소의 리더인 Rodolphe Barrangou는 Streptococcus thermophilus 게놈에서 CRISPR의 초기 반복 영역을 최초로 발견한 사람 중 한 명입니다. 그의 그룹은 Cas9 효소가 적응 면역의 형태로 이어진다는 것을 깨달았습니다; 그들은 박테리아가 어떻게 바이러스 병원체에 대한 정보를 저장하고, 인식하고, 공유하는지를 보여주었습니다. 크리스퍼는 박테리오파지 내성 박테리아를 선별하기 위한 자연스러운 방법으로 시작했다고 Barrangou가 이메일에서 말했습니다.
Barrangou와 다른 사람들이 그러한 보잘것없는 시작으로부터 발견한 것은 CRISPR 편집을 위한 많은 새로운 기능들로 이어졌는데, 이는 종종 DNA의 한 부분을 함께 잘라내거나 새로운 정보를 삽입하는 RNA에 의해 안내되는 Cas9 효소로 묘사됩니다. 오늘날 CRISPR은 비활성화된 형태의 Cas 단백질을 사용하여 유전자를 활성화하거나 억제하는 것을 포함하여 훨씬 더 많은 것을 할 수 있습니다. 다른 발전은 염기 편집을 포함합니다. 염기 편집은 DNA의 한 가닥에 작은 흠집을 내기 위해 Cas 단백질을 사용하여 한 번에 하나의 염기를 편집합니다.
그러나 유전자 편집에 대한 큰 과제는 여전히 남아 있는데, 과학자들이 여기저기서 한 번의 편집만 할 수 있다는 것입니다. 많은 질병들은 본질적으로 다형성입니다. 그리고 기후 변화와 산업 생물 공학을 다루는 복잡한 문제들은 한 번의 빠른 해결책이나 한 유기체의 한 두 개의 유전자를 조절하는 것으로 해결될 수 없습니다. 수십 년 동안 검색은 복잡한 다유전자 변경을 해결할 수 있는 다중 유전자 편집 기술 또는 도구 모음을 계속해서 찾았습니다.
CRISPR이 유전자 편집 도구로 채택되면서 Church와 그의 학생들은 이미 이 도구와 다른 새로운 생명공학 도구를 확장하는 방법에 시동을 걸고 있었습니다. 다중 편집에서 목표는 게놈에서 두 개 이상의 위치를 동시에 수정하는 것입니다. 수십 개, 수백 개 또는 수천 개의 염기를 편집하는 방법을 고안하는 예비 연구가 멀티플렉싱의 영역에 포함되지만 Church는 다중 유전자 편집의 가장 큰 장벽은 효율성이 아니라 안전이라는 것을 발견했습니다. 처치는 "독특한 시퀀스를 정확하게 편집하고 목표에서 심각하게 벗어난 것이 없는지 확인하는 것은 완전히 다른 일입니다"라고 말했습니다.
표적을 벗어난 효과에는 수정되지 않은 인근 유전자의 부적절한 표현형 발현 또는 다중 편집 후 게놈의 대규모 기능 장애가 포함됩니다. 예를 들어, CRISPR 기술이 박테리아에서 인간에 이르기까지 모든 것을 편집하는 데 유용하고 효율적인 만큼, 게놈에서 반복적으로 절단 기능을 사용하는 것은 특히 치료학에서 유기체에 독성이 될 수 있습니다.
Barrangou는 다중 CRISPR 편집이 생물 설계에 큰 이점을 가지고 있는 많은 응용 프로그램에서 안전하고 완전히 실현 가능할 수 있다고 믿으며, 합성 생물학 커뮤니티가 게놈 편집에서 다음 단계로 도약할 수 있도록 합니다. "합성 생물학의 시대에 '스테로이드에 대한 게놈 편집'을 생각해 보십시오."라고 그는 말했습니다. 생명 공학의 경우, 더 많은 다중 사용 사례가 호기심 많은 장소에서 발생하고 있습니다.
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