Targeted ortholog search in unannotated genome assemblies with fDOG-Assembly

지구상의 생명은 모든 생명체의 세포 안에 발견되는 하나의 코드, 즉 유기체가 어떻게 스스로를 구축하고 기능하는지를 알려주는 일련의 지침서로 기록되어 있습니다. 과학자들은 아주 작은 곤충부터 가장 거대한 포유류에 이르기까지, 수많은 종의 DNA라는 이 코드의 가공되지 않은 글자들을 읽어내는 데 매우 능숙해졌습니다. 그들은 조직 샘히를 채취하여 DNA를 서열화하고, 그 작은 파편들을 이어 붙여 하나의 완전한 게놈을 만들 수 있는데, 이는 본질적으로 해당 종을 위한 유전적 지침의 전체 도서관과 같습니다. 하지만 도서관을 보유하는 것은 전투의 절반에 불al 뿐입니다. 한 종이 무엇인지, 그리고 어떻게 진화했는지를 진정으로 이해하기 위해서 과학자들은 그 도서관의 어느 부분이 단백질을 만들고 생명 과정을 주도하는 실제 작동하는 장(chapter)인 유전자인지를 알아야 합니다. 수천 개의 새로운 게놈이 공공 데이터베이스에 쌓여 있지만, 이 많은 것들 중 상당수는 아직 이 '장'들이 라벨링되거나 식별되지 않은 상태입니다. 이러한 라벨이 없다면, 데이터는 잠긴 책으로 남아 서로 다른 종들이 어떻게 연관되어 있는지 또는 어떻게 기능하는지를 이해하는 데 사용하기 어려우며, 방대한 양의 생물학적 잠재력을 미개척 상태로 남겨두게 됩니다.

한 연구팀은 모든 페이지를 먼저 다 읽을 필요 없이, 이 라벨링되지 않은 유전적 도서관을 여는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 가공되지 않은 주석 없는 DNA 서열 내에서 직접 특정하고 친숙한 유전적 패턴을 찾아내도록 설계된 fDOG-Assembly라는 도구를 만들었습니다. 전통적으로 이러한 패턴을 찾는 과정은 모든 유전자를 먼저 식별해야 하는 고된 과정을 필요로 했는데, 이는 시간이 오래 걸리고 복잡한 유기체의 경우 종종 실패하곤 했습니다. 이 새로운 접근 방식은 그 중간 단계를 완전히 건너뜁니다. 도서관 전체를 지도화하려고 시도하는 대신, 고유한 지문 역할을 하는 특정하고 알려진 서열을 찾습니다. 연구진은 자신들의 도구를 기존 방법들과 비교 테스트했으며, 이 도구가 표준 유전적 마커를 찾는 데 있어 기존 방식만큼 잘 작동할 뿐만 아니라 결정적인 장점이 있다는 것을 발견했습니다. 그것은 바로 모든 생명체에 공통적으로 존재하는 작고 고정된 유전자 목록에 국한되지 않는다는 점입니다. 이 도구는 과학자가 관심을 가지는 어떤 특정 유전자라도 검색할 수 있으며, 심지어 아직 완전히 지도화되지 않은 게놈에서도 가능합니다.

도구가 작동함을 증명하기 위해, 연구진은 쥐와 해파리류의 친척인 말미잘의 게놈에서 5,000개의 인간 유전자를 찾는 데 이 도구를 사용했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 새로운 방식은 완전하게 라벨링된 단백질 목록에 의존하는 기존의 가장 우수한 도구들과 대등한 성공률로 유전자를 찾아냈습니다. 더 중요한 것은, 원래의 유전자 지도가 불완전했기 때문에 기존 방식들이 놓쳤던 유전자들까지도 찾아냈다는 점입니다. 이러한 누락된 조각들을 채움으로써, 이 도구는 생명의 나무 전반에 걸쳐 유전자가 어떻게 공유되는지에 대한 더 완전한 그림을 그릴 수 있도록 돕습니다. 연구진은 이 능력을 토양 속 생물들과 관련된 실제 세계의 미스터리에 적용했습니다. 그들은 176종의 서로 다른 토양 무척추동물의 유전적 도서관을 스캔하며, 특히 박테리아 감염과 싸우는 데 사용되는 강력한 계열의 약물인 베타-락탐 항생제를 만드는 데 책임이 있는 유전자들을 조사했습니다.

이 탐색은 놀라운 발견을 드러냈습니다. 이 항생제들을 만드는 데 필요한 유전자들은 드물거나 고립된 것이 아니라, 흔한 유형의 작은 토양 절지동물인 톡토기들 사이에서 널리 퍼져 있었습니다. 일부 개별 종에서는 연구진이 세파마이신(특정 종류의 베타-락탐 항생제)을 생산하는 데 필요한 지침의 거의 전체 세트를 발견했습니다. 이는 이 작고 흔히 간과되는 생물들이 이러한 생명을 구하는 화합물들의 천연 공장이 될 수 있음을 시사하는데, 이는 그들의 게놈에 적절한 주석이 달려 있지 않아 이전에는 숨겨져 있던 사실입니다. 이 연구가 이 동물들이 현재 대량으로 약물을 생산하고 있다는 것을 입증했다고 주장하는 것은 아니지만, 완전한 유전적 기계 장치의 존재는 그들이 그럴 능력이 있음을 강력하게 암시합니다. 과학자들이 가공되지 않은 유전 데이터 속을 직접 검색할 수 있게 함으로써, 이 새로운 도구는 수년간 선반 위에 놓여 있던 방대한 미개척 게놈 데이터 속에서 숨겨진 생물학적 보물을 찾아낼 수 있는 문을 열어주며, 읽히지 않은 책들을 발견을 위한 활발한 자원으로 탈바꿈시키고 있습니다.