미생물은 귀중한 제조 도구입니다. 몇몇 생명공학 산업들은 생산 시스템을 위해 대장균을 널리 사용하기 때문에, 과학자들은 그것을 더 생산적으로 만들기 위해 박테리아의 게놈을 오랫동안 사용해 왔습니다. 그러나 박테리아를 감염시키는 바이러스인 박테리오파지에 의한 감염의 위협과 생물체 간의 원하지 않는 유전 물질의 이동은 안전상의 위험과 제품의 결함으로 인해 생산을 중단시킬 수 있기 때문에 큰 피해를 초래합니다.
이것 때문에, 연구원들은 더 나은, 더 안전한 생산 도구를 만들고 합성 유기체의 응용 범위와 상업적 잠재력을 확장하기 위해 대장균을 만지작거리며 수년을 보냈습니다. 이제, 3월 15일 네이처에 발표된 연구에서, 하버드 의과대학의 연구원들은 바이러스 감염에 저항할 수 있지만 변형된 유전자를 야생에서 방출할 수 없어 변형된 유전자 물질을 자연 세포에 통합할 위험을 줄일 수 있다고 보고했습니다.
Ec_Syn61?3-SL이라고 불리는 새로운 대장균 균주를 만들기 위해, 연구팀은 2021년 영국 연구원들에 의해 생성된 합성 박테리아 Syn61?3으로 시작했는데, 이 박테리아는 특정 아미노산에 해당하는 DNA의 3-뉴클레오티드 서열인 코돈의 수를 줄였습니다. 자연적으로 발생하는 64개 세트 대신에, 그것은 세 개의 특정 코돈이 게놈에서 제외되었기 때문에 61개만 가지고 있습니다: 아미노산 세린에 대한 두 개의 인코딩과 단백질 조립을 중지하도록 지시하는 다른 하나의 코드. 게다가, 영국 팀은 또한 박테리아 게놈에서 코돈에 해당하는 tRNA 분자를 제거했습니다. tRNA가 아미노산을 성장하는 단백질 사슬에 통합하는 책임이 있기 때문에, 감소된 코돈 박테리아를 감염시킨 박테리오파지는 세포 기계에 결함이 있고 바이러스 복제를 지속할 수 없다는 것을 알게 될 것이고, 반면 박테리아는 여전히 61개의 코돈 세트를 사용하여 살아가는데 필요한 모든 단백질을 생산할 수 있습니다.
대장균 유전 코드 간소화
하지만, 지구에는 믿을 수 없을 정도로 다양한 박테리오파지가 있습니다. "세균 바이러스는 강 아래, 우리의 신발 위, 우리의 정원 어디에나 있습니다,"라고 새로운 네이처 논문의 공동 저자인 하버드 대학의 연구원 아코스 니게스는 사이언스지에 말합니다. 그래서 하버드의 Neyerges와 동료들은 2021년 변종 바이러스가 다양한 종류의 바이러스를 얼마나 잘 막아낼 수 있는지 테스트하기로 결정했습니다.
연구팀은 다양한 환경 샘플에서 분리된 바이러스로 Syn61?3 균주를 감염시켰고 여전히 감염시킬 수 있는 그룹을 발견했습니다. 그들이 성공적인 바이러스의 유전 물질을 특성화했을 때, 그 팀은 그들이 모두 그들만의 tRNA를 가지고 있다는 것을 발견했고, 이것은 그들이 합성 박테리아의 유전적 한계를 쉽게 극복할 수 있게 해줍니다.
원래의 균주는 여전히 일부 박테리오파지에 대한 민감성을 가지고 있었기 때문에, 연구원들은 합성 대장균이 이러한 박테리오파지에 접근할 수 없도록 하기 위해 바이러스 tRNA와 협력하기로 결정했습니다.
"우리는 바이러스가 이러한 장벽을 잘 극복한다면, 그들의 힘을 이용하여 인공적인 유전자 코드를 확립할 수 있다고 생각했습니다."라고 Nyerges는 말합니다.
성공적인 박테리오파지에도 저항할 수 있는 새로운 버전의 대장균 균주를 만들기 위해, Neyerges와 그의 팀은 박테리아의 게놈 재료 트릭스터 tRNA에 추가했습니다: 이것들은 바이러스의 tRNA에서 파생되었지만, 바이러스 게놈을 읽을 때 세린 대신 류신을 첨가하도록 수정되었습니다. 세린과 류신은 모두 자연에서 발견되지만 조성과 특성이 매우 다릅니다. 그리고 그것은 이 바이러스들이 새로운 Ec_Syn61?3-SL 균주를 감염시킬 때, 박테리아는 그들이 필요로 하는 tRNA를 제공하는 것처럼 보이지만 궁극적으로 기능하지 않는 단백질을 생산한다는 것을 의미합니다. 이 접근법은 합성 박테리아와 모든 박테리오파지 사이에 독특한 유전적 장벽을 만들었습니다. 실험된 바이러스 중 어떤 것도 이 분자 장벽을 극복하고 공학적 세포를 감염시킬 수 없었습니다.
대장균이 악취 벌레로 진화하는 과정
하지만, 포식자 박테리오파지가 없는 박테리아는 주요한 진화적 이점을 가질 것이기 때문에, 연구원들은 누출이 발생할 때 환경에서 번식하는 것을 막기 위해 내장된 안전 조치를 추가했습니다. 이 그룹은 성장에 필수적인 박테리아 단백질 서열에 부자연스러운 아미노산인 비페닐알라닌에 대한 코돈을 삽입하여 새로운 변종을 비페닐알라닌에 의존하게 만들었습니다. 결과적으로, 합성 대장균의 성장은 합성 유전자 정보가 야생으로 탈출하는 것을 막으면서, 부자연스러운 아미노산이 그들에게 공급되는 환경으로 제한된다고 Nyerges는 말합니다.
비록 지구의 생물체 어딘가에서 합성 박테리아를 감염시킬 수 있는 파지의 존재를 배제하는 것은 불가능하지만, "바이러스가 합성 유전 물질에 적응한다는 것은 의심스럽다"고 니어게스는 말합니다.
"이 논문은 생물학적 봉쇄를 향한 추가적인 단계를 추가하여 더 강력하고 독립적인 시스템을 생산했습니다,"라고 이번 연구에 참여하지 않은 루벤 대학의 연구원 롭 라빈은 The Scientist에 말합니다.
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