질병과 다른 조건들을 치료하기 위한 정교하고 효과적인 약은 신체의 부분이나 그들이 목표로 삼도록 설계된 특정 세포에 도달할 수 없다면 아무 것도 좋지 않습니다. 하지만, 과학자들은 특정 박테리아에서 자연적으로 발견되는 작은 주사기 같은 구조를 사용하여 특정 세포로 작은 단백질을 전달하는 새로운 방법을 발견했습니다. 3월 29일 네이처에 발표된 이 연구는 의학에서 더 나은 약물 전달 시스템으로 이어질 수 있습니다.
"배달은 의학에서 여전히 중요한 병목 현상으로 남아 있습니다."라고 연구의 공동 저자이자 MIT 연구원인 Joseph Kreitz가 말했습니다. "비록 지난 수십 년 동안 많은 강력한 새로운 치료법들이 개발되었지만, 우리는 이러한 치료법들을 신체의 올바른 세포로 들여보내기 위한 깊은 선택의 여지가 필요할 것입니다."
이 연구에서, Kreitz, Broad Institute의 연구원 Feng Zhang, 그리고 그들의 나머지 팀은 이 문제를 해결할 방법을 찾은 작은 미생물에 의존하여 자연으로부터 영감을 얻었습니다. 생존을 위해 숙주 세포에 의존하는 박테리아인 내생균 박테리아는 세포외 수축성 주입 시스템(eCIS)과 같은 도구를 개발했는데, 이는 박테리아가 숙주 세포에 단백질 페이로드를 주입하기 위해 나노 기계와 같은 작은 주사기를 사용합니다. 숙주 세포는, 포토하브두스 심비오티카 박테리아의 경우, 선충의 내장을 덮고 있는 세포들입니다. 새로운 연구에서, Zhang과 그 팀은 다양한 단백질을 사람과 동물의 세포로 표적화하고 전달하기 위해 Photorhabdus의 소위 나노사이링을 재설계했습니다.
목표 배달을 위해 조류에 편승하는 마약
연구원들은 먼저 Photorhabdus virulence 카세트가 숙주 세포에서 비원생 단백질을 전달할 수 있다는 것을 확인했습니다. 그들은 이러한 실험에 Cre-loxP 시스템을 사용했는데, 여기서 숙주 세포의 GFP 발현은 loxP 시퀀스 옆에 있는 STOP 코돈에 의해 방지되었습니다. 크레 재조합효소를 첨가할 때 효소는 loxP 부위를 인식하고 STOP 코돈을 제거했습니다. 따라서, 활성 GFP 발현은 세포로의 성공적인 Cre 전달의 지표로 작용했습니다.
그러나 진정한 과제는 PVC를 사용하여 인간 또는 마우스 세포를 표적으로 삼는 것입니다. PVC가 표적으로 삼는 것으로 알려진 곤충 숙주 세포와는 매우 다른 세포입니다. 이것은 과학자들이 애초에 PVC가 곤충 세포를 어떻게 인식하는지조차 확신하지 못했다는 사실로 인해 더 악화되었습니다. 하지만 알려진 것은 이 PVC가 박테리아에 유전 물질을 주입하기 위해 수축성 꼬리를 사용하는 바이러스인 박테리오파지에 의해 사용되는 구조와 유사하다는 것입니다.
"우리는 PVC가 꼬리 섬유라고 불리는 작은 단백질 필라멘트를 통해 세포를 인식한다고 의심했지만, 처음에는 이 시스템의 표적 특이성을 바꾸기 위해 어떻게 꼬리 섬유를 수정해야 하는지 명확하지 않았습니다,"라고 Kreitz는 말했습니다.
아미노산 서열로부터 단백질의 3D 구조를 예측할 수 있는 강력한 AI 플랫폼인 AlphaFold를 사용하여, 연구팀은 PVC의 꼬리 섬유가 표적 수용체에 어떻게 결합하는지 더 잘 이해하기 위해 모델링할 수 있었습니다. 연구원들은 그런 다음 PVC 꼬리 섬유를 재설계하여 인간 폐 선암 세포의 수용체를 특정하게 인식했습니다. 재설계된 꼬리 섬유를 사용하여, 그들은 시험관에서 이 세포들에 다른 종류의 단백질을 넣을 수 있었습니다. 박테리아의 고유 독성 단백질은 세포를 죽였고, 세포를 녹색으로 변하게 했습니다. 그들은 이제 인간 세포에 단백질을 특별히 그리고 효과적으로 주입할 수 있는 전달 도구를 가지고 있었습니다.
"저는 이 접근법의 프로그램 가능한 특성이 미래에 표적이나 조직 선택성의 향상을 달성하는 데 유용할 것이라고 상상할 수 있습니다," 라고 이 연구에 참여하지 않은 MIT의 연구원 안젤라 쾰러가 사이언스지에 말했습니다.
이제 인공지능이 새로운 단백질을 설계하는 데 사용될 수 있습니다
다음으로, 연구원들은 CRISPR 게놈 편집 구성요소를 체외의 표적 세포에 전달하는 시스템의 능력을 시험했습니다. CRISPR 기술이 치료 연구에 널리 채택되었지만, 표적 전달은 이 분야의 주요 과제로 남아 있습니다. 이 연구에 참여하지 않은 노스 캐롤라이나 주립 대학의 CRISPR과 함께 일하는 연구원 Rodolphe Barrangou는 "우리는 전달 양식의 도구 상자를 계속 확장하고 있습니다; 우리는 게놈 편집 기계, 전달할 분자의 종류, 그리고 이제 우리는 전달 도구 상자 자체를 확장하고 있습니다,"라고 Scientific에 말했습니다.
연구팀은 인간 세포의 게놈을 효과적으로 편집하기 위해 CRISPR 매개 유전자 편집에 관여하는 핵산 분해 효소인 Cas9 단백질을 인간 세포에 주입할 수 있었습니다. 수정된 꼬리 섬유를 가진 PVC는 표적 수용체에 매우 특이적이었는데, 이는 암세포에 대한 잠재적 치료법으로 향후 적용에 활용될 수 있는 핵심 특징입니다.
암과 싸우는 살아있는 마이크로 로봇으로서의 박테리아
우리는 이러한 시스템이 향후 애플리케이션에 제공할 수 있는 가능성에 흥분됩니다.
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