Dual-Chassis Strategy for Bridging Adaptive Evolution and Rational Design for Synthetic Biology

당신은 초효율적인 맞춤형 자동차 엔진을 만들려고 노력 중이라고 상상해 보십시오. 당신은 까다로운 문제에 직면했습니다. 엔진을 테스트하고 미세 조정하기에 가장 좋은 장소는 부품을 쉽게 교체할 수 있고 기계가 실수를 통해 배울 수 있는 거칠고 지저istic한 작업실입니다. 하지만 완성된 엔진을 주행하기에 가장 좋은 장소는 아무것도 변경될 수 없고, 엔진이 수리 없이 매번 완벽하게 작동해야만 하는 깨끗하고 보안이 철저한 전시장입니다.

이 논문은 박테리아라는 아주 작은 살아있는 기계를 다루는 과학자들을 위해 이 문제를 해결하는 DUET(Dual-Chassis Strategy, 이중 샤시 전략)이라는 새로운 전략을 설명합니다.

문제: 두 가지 서로 다른 필요성

합성 생물학의 세계에서 과학자들은 단순하고 제어하기 쉬운(마치 유선형 엔진처럼) 박테리아를 만들고자 합니다.

• 합리적 설계 (Rational Design, 설계도): 단순하고 효율적인 박테리아를 만들기 위해 과학자들은 불필요한 유전자를 제거합니다. 이것은 자동차를 핵심 요소만 남기고 해체하는 것과 같습니다. 하지만 해체된 자동차는 취약합니다. 만약 더 잘 달리도록 "훈련"시키려 한다면, 백업 시스템이 없기 때문에 종종 고장이 나버립니다.
• 적응 진화 (Adaptive Evolution, 훈련): 박테리아를 특정 작업에 더 능숙하게 만들기 위해, 과학자들은 실험실에서 자연스럽게 진화하도록 내버려 두며 돌연변이가 일어나고 적응하게 합니다. 이것은 박테리아가 복잡하고 놀 수 있는 여분의 부품(중복성)이 많을 때 가장 잘 작동합니다.

불일치의 원인은 무엇일까요? 설계를 위한 "완벽한" 박테리아는 진화하기에는 너무 취약하며, 진화를 위한 "완벽한" 박테리아는 깔끔하게 설계된 제품이라 하기에는 너무 복잡합니다.

해결책: "테스트 트랙"과 "전시장"

DUET 전략은 두 가지 다른 유형의 박테리아(샤시)를 사용하여 두 세계의 장점을 모두 취합니다:

1. "테스트 트랙" (Acinetobacter baylyi ADP1): 이것은 거칠고 진화 가능한 호스트입니다. 마치 테스트 트랙 위의 경주용 자동차와 같습니다. 생존하고, 돌연변이를 일으키고, 학습하는 데 필요한 모든 여분의 부품을 갖추고 있습니다.
2. "전시장" (ISx): 이것은 게놈이 안정화되고 유선형화된 호스트입니다. 마치 전시장 안의 최종 제품과 같습니다. 깨끗하고 단순하며 안정적이지만, 스스로는 쉽게 적응할 수 없습니다.

그들이 수행한 방법: 베타-케토아디페이트(Beta-Ketoadipate) 경로

연구진은 이 아이디어를 박테리아 내부의 특정 생물학적 "도로"인 베타-케토아디페이트 경로를 사용하여 테스트했습니다. 이것을 방향족 화합물(자연에서 발견되는 화학 물질)을 처리하는 공장 조립 라인이라고 생각하십시오.

그들이 따른 단계별 과정은 다음과 같습니다:

• 1단계: 설계도 (합리적 설계): "테스트 트랙" 박테리아에서, 그들은 먼저 오래되고 지저분한 조립 라인을 해체했습니다. 그들은 불필요한 가지들을 제거하고, 동일한 작업을 수행하기 위한 완전히 새롭고 최소한의 합성 경로를 구축했습니다. 그것은 깔끔하고 효율적인 설계였지만, 아직 완벽하게 작동하지는 않았습니다.
• 2단계: 훈련 (적응 진화): 그들은 "테스트 트랙" 박테리아가 이 새로운 최소 경로 위를 달리도록 내버려 두었습니다. 이 박테리아는 진화에 능숙하기 때문에, 자연스럽게 돌연변이를 일으켜 새로운 경로가 효율적으로 작동하는 방법을 "터득"했습니다. 그것은 빠르고 매끄럽게 달리는 법을 배웠습니다.
• 3단계: 역설계된 수정 (Reverse-Engineered Fix): 과학자들은 훈련된 박테리아를 관찰하여 무엇이 변했는지 확인했습니다. 그들은 새로운 라인이 효율적으로 작동하게 만든 구체적인 돌연변이(미세한 조정)를 찾아냈습니다.
• 4단계: 인계 (배포): 이것이 마법 같은 부분입니다. 그들은 새롭고 최소화된 조립 라인과 그것을 작동하게 만든 구체적인 미세 조정값을 그대로 가져와서 "전시장" 박테리아로 옮겼습니다.

결과

"전시장" 박테리아는 보통 스스로 학습하기에는 너무 단순하지만, 옮겨진 새로운 유선형 경로를 즉시 완벽하게 가동하기 시작했습니다. 더 이상의 훈련이나 적응이 필요하지 않았습니다. 그것은 그냥 작동했습니다.

큰 그림

이 논문은 이 DUET 전략이 과학자들에게 다음과 같은 능력을 준다고 주장합니다:

1. 복잡하고 적응 가능한 환경에서 단순하고 효율적인 설계를 구축한다.
2. 자연이 그 설계가 견고해지도록 "훈련"하게 한다.
3. 최종적으로 완성된 설계를 깨끗하고 안정적인 환경으로 옮겨 신뢰할 수 있게 사용할 수 있다.

이는 당신이 단순한 설계와 견고하게 진화된 시스템 사이에서 하나를 선택할 필요가 없음을 증명합니다. 프로세스의 각 단계에서 서로 다른 두 개의 "집"을 사용함으로써 두 가지를 모두 가질 수 있습니다.