MIT, 세포 프로그래밍 혁신: 유전자 발현 정밀 제어 시스템 개발 성공¶
원제목: MIT Researchers Create Breakthrough System to Precisely Control Synthetic Gene Expression
핵심 요약
- MIT 연구진이 유전자 발현 수준을 정밀하게 조절할 수 있는 혁신적인 시스템 'DIAL'을 개발했음을 알립니다.
- 이 시스템은 DNA 조작을 통해 유전자 발현량을 마음대로 조절하며, 세포 내 단백질 생산량을 균일하게 유지할 수 있게 합니다.
- DIAL 시스템은 유전자 치료, 재생 의학, 세포 재프로그래밍 등 다양한 분야에 획기적인 발전 가능성을 제시합니다.
상세 내용¶
매사추세츠 공과대학교(MIT)의 엔지니어들이 살아있는 세포 내 유전자 발현 수준을 정밀하게 제어할 수 있는 혁신적인 방법을 개발했습니다. Nature Biotechnology에 발표된 이 최첨단 기술은 유전자 치료 및 세포 재프로그래밍 분야에서 오랫동안 해결되지 않았던 과제, 즉 세포 집단 전체에 걸쳐 균일하고 조절 가능한 단백질 생산을 달성하는 데 중요한 기여를 합니다. 이 획기적인 접근 방식은 프로그래머블 프로모터 편집 기술을 활용하여 유전자 발현 '설정값'을 정한 후 이를 다시 조정할 수 있게 하여, 세포 기계에 대한 전례 없는 수준의 제어를 가능하게 합니다.
수십 년 동안 합성 유전자 회로는 세포를 재프로그래밍하여 새로운 정체성이나 기능을 갖도록 유도하는 유전자를 도입함으로써, 예를 들어 피부 세포를 신경 세포로 변환하거나 멘델병과 같은 질병 치료용 단백질을 생산하는 등 큰 가능성을 제시해 왔습니다. 그러나 생물학적 변이와 유전자 회로 전달의 불일치로 인해 이러한 회로가 발현하는 단백질의 양을 미세 조정하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었습니다. 기존의 바이러스 벡터는 종종 세포에 불균등하게 전달되어 유전자 복제 수의 다양성과 예측 불가능한 단백질 출력을 초래했습니다. 개별 세포 간의 변이 또한 일관되고 원하는 세포 반응을 유도하는 능력을 더욱 복잡하게 만들었습니다. MIt의 새로운 시스템인 DIAL(Dynamic, Intervenable, Adjustable Levels)은 유전자 회로 자체 내 DNA 서열의 물리적 구성을 독창적으로 조작함으로써 이러한 장애물을 극복합니다. 핵심 혁신은 전사를 시작하는 DNA 영역인 프로모터와 그것이 조절하는 유전자 사이의 거리를 조절하는 데 있습니다. 다양한 길이의 DNA 스페이서 서열을 삽입함으로써 연구자들은 유전자 발현 수준을 효과적으로 높이거나 낮출 수 있습니다. 긴 스페이서는 전사 기계의 모집을 방해하여 유전자 발현을 감소시키고, 거리를 단축하면 발현을 향상시킵니다.
DIAL을 진정으로 차별화하는 것은 프로그래머블성입니다. 스페이서는 재조합효소라고 불리는 특수 효소에 의해 인식되고 제거되는 재조합 부위를 전략적으로 배치하여 설계됩니다. 세포에 적용될 때, 이 재조합효소는 스페이서의 일부를 순차적으로 제거하여 효과적으로 '프로모터를 유전자에 더 가깝게' 가져오고 '꺼짐' 상태에서 낮은, 중간 또는 높은 발현 수준으로 점진적으로 발현을 증가시킵니다. 이 모듈식 시스템은 동적 제어를 가능하게 하여, 전달 후에도 유전자 발현을 조정할 수 있으며, 이는 합성 생물학에서 이전에 달성할 수 없었던 정밀도와 적응성을 제공합니다.
MIt 연구원들은 마우스와 인간 세포 모두에서 형광 단백질을 정의된 수준으로 균일하게 발현하도록 DIAL의 다재다능함을 입증했습니다. 이 시스템은 뛰어난 안정성과 재현성을 보여 전체 세포 집단에 걸쳐 일관된 단백질 수준을 생산했습니다. 유전자 발현을 제어하려는 이전 시도는 DIAL이 견고하고 모듈화된 설계를 통해 효과적으로 억제하는 유전자 흡수 및 단백질 합성의 세포 간 변이라는 본질적인 생물학적 잡음으로 인해 종종 실패했습니다. 이 시스템은 신경 과학, 면역학, 세포 치료 등 광범위한 응용 분야에서 질병의 근본 원인을 해결하고 새로운 치료법을 개발하는 데 중요한 발판이 될 것으로 기대됩니다.
편집자 노트¶
MIT에서 개발한 'DIAL' 시스템에 대한 이번 발표는 합성 생물학 분야에 있어 매우 주목할 만한 발전입니다. 기존의 유전자 전달 및 발현 조절 기술은 세포 간 편차가 커서 원하는 효과를 일정하게 얻기 어렵다는 한계가 있었습니다. 하지만 DIAL은 프로모터와 유전자 사이의 DNA 거리를 조절하는 혁신적인 방식을 통해 이러한 문제를 해결했습니다. 이는 마치 라디오의 볼륨을 섬세하게 조절하는 것과 같이, 세포 내에서 특정 단백질이 얼마나 많이, 언제 만들어질지를 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 것을 의미합니다.
이 기술이 우리 일상생활에 직접적으로 와닿는 것은 아직 먼 미래일 수 있습니다. 하지만 생각해 보세요. 유전자 치료를 통해 특정 질병을 치료할 때, 원하는 단백질이 정확히 필요한 양만큼만 생산된다면 부작용은 줄고 치료 효과는 극대화될 것입니다. 또한, 손상된 세포를 건강한 세포로 바꾸는 재생 의학 분야에서는 이 기술을 통해 훨씬 더 효율적이고 안정적인 세포 전환이 가능해질 수 있습니다. 예를 들어, 파킨슨병 환자의 뇌에 신경 세포를 이식하는 경우, 이식된 세포가 제대로 기능하도록 유전자 발현을 정밀하게 조절하는 것이 중요해집니다. DIAL은 이러한 정밀 제어를 가능하게 함으로써 미래 의학의 새로운 지평을 열 가능성을 보여줍니다.