Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

가장 작은 박테리아부터 가장 큰 고래에 이르기까지, 모든 형태의 생명체는 근본적인 비밀을 공유합니다. 바로 주변의 모든 것이 변하는 동안에도 스스로를 동일하게 유지할 수 있는 능력입니다. 이러한 내부적 안정성을 항상성(homeostasis)이라고 부릅니다. 이것이 날씨가 변해도 당신의 몸이 일정한 온도를 유지하거나, 식사 후 혈당 수치가 균형을 이루는 이유입니다. 생명체는 정적인 상태로 머물러 있음으로써 이를 달성하는 것이 아니라, 자신의 내부 상태를 끊임없이 감지하고 미세하고 자동적인 조정을 수행함으로써 이를 달성합니다. 그들은 특정 화학 물질이 너무 높으면 생산을 늦추고, 너무 낮으면 속도를 높이는 방식으로 감지합니다. 이 섬세한 균형 잡기 작업이 생명이 지속될 수 있게 해주는 핵심입니다. 무에서 유를 창조하듯 인공 생명체를 만들려는 과학자들에게, 스스로 이러한 일을 할 수 있는 시스템을 구축하는 것은 가장 어려운 과제 중 하나였습니다. 대부분의 인공 세포는 마치 폐쇄된 방와 같아서, 내부의 재료가 다 소모되면 반응이 멈추고 시스템은 죽게 됩니다. 이들은 외부 세계로부터 신선한 연료를 끌어들이고, 내부에서 일어나는 상황에 따라 그 섭취량을 조절하는 능력이 부족합니다.

서리 대학교(University of Surrey)와 유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 연구진은 정확히 이 일을 수행할 수 있는 아주 작은 인공 세포를 구축했습니다. 그들은 자신의 내부 화학 상태를 감지하고, 활동을 일정하게 유지하기 위해 얼마나 많은 연료를 들여보낼지를 자동으로 조절할 수 있는 미세한 거품을 만들어냈습니다. 최근 연구에서 설명된 이 시스템은 DNA 구조와 효소의 영리한 조합을 사용하여 자기 조절 루프를 생성합니다. 연구진은 단순히 이 현상을 관찰한 것이 아니라, 구성 요소를 직접 만들고 이를 지질 거품 안에 조립한 뒤, 시스템이 16시간 동안 안정적인 상태를 유지하는 것을 관찰했습니다. 이는 그러한 단순한 합성 구조물로서는 놀라울 정도로 긴 시간입니다.

그들이 만든 인공 세포는 거대 단일층 소포(giant unilamellar vesicle)로, 본질적으로 실제 세포의 막과 유사한 단일 층의 지방 분자로 만들어진 크고 속이 빈 구형입니다. 이 거품 안에 연구진은 생물학적 시스템에서 메신저이자 일꾼 역할을 하는 분자인 RNA를 만드는 데 필요한 기계 장치들을 배치했습니다. 또한 RNA를 분해하는 시스템도 추가했습니다. 그러나 결정적인 혁신은 거품의 피부(막)에 있습니다. 연구진은 DNA로 만들어진 아주 작은 튜브 모양의 구조물을 막에 심었습니다. 이 DNA 튜브는 문이나 구멍 역할을 하여 작은 분자들이 통과할 수 있게 합니다. 구체적으로, 이들은 리보뉴클레오티드 삼인산(rNTPs)이 외부 환경으로부터 거품 내부로 흘러 들어올 수 있도록 허용합니다. 이 rNTPs는 세포가 RNA를 만드는 데 필요한 빌딩 블록입니다.

이 설계의 탁월함은 세포가 이 흐름을 어떻게 제어하느냐에 있습니다. DNA 구멍은 영구적으로 열려 있는 것이 아니라 차단될 수 있습니다. 연구진은 세포가 RNA를 만들 때, 차단제 역할을 하는 특정 유형의 RNA 가닥도 함께 생산하도록 프로그래밍했습니다. 세포가 더 많은 RNA를 생산함에 따라, 이 차단 가닥들이 축적되어 DNA 구멍을 물리적으로 막아 새로운 rNTPs의 유입을 중단시킵니다. 이는 음성 피드백 루프를 형성합니다. 즉, 세포가 더 많이 일할수록 스스로의 연료 공급을 더 많이 차단하게 됩니다. 하지만 시스템이 계속 닫힌 상태로 머물도록 설계된 것은 아닙니다. 거품 내부에서는 RNase라고 불리는 효소가 RNA 차단제를 천천히 갉아먹습니다. 차단제가 분해됨에 따라 구멍이 다시 열리고, 신선한 rNTPs가 유입되어 순환이 다시 시작됩니다. 이 연속적인 개방, 폐쇄, 재개방의 순환을 통해 세포는 외부의 연료가 얼마나 많이 가용하든 상관없이 일정하고 일정한 수준의 RNA 생산을 유지할 수 있습니다.

이 시스템이 작동함을 증명하기 위해, 연구진은 먼저 DNA 구멍 자체를 테스트했습니다. 그들은 거품에 빨간색 염료를 채우고 녹색 염료가 있는 용액에 넣었습니다. 구멍이 열려 있을 때 빨간색 염료가 밖으로 새어 나오고 녹색 염료가 안으로 흘러 들어왔으며, 이를 통해 구멍이 기능적임을 확인했습니다. 그다음, 차단 가닥을 추가하여 이 흐로를 멈출 수 있음을 보여줌으로써 문을 효과적으로 닫는 데 성공했습니다. 이어서, 구멍이 충분한 rNTPs를 들여보내 내부 기계 장치가 RNA를 만들 수 있도록 할 수 있음을 입증했습니다. 새로 만들어진 RNA에 결합할 때만 빛을 내는 형광 태그를 추가했을 때, 구멍이 열린 거품은 밝게 빛난 반면, 구로가 막힌 거품은 어둡게 유지되었습니다.

최종적이고 가장 중요한 테스트는 전체 시스템이 항상성을 유지할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 완전히 조립된 세포를 rNTPs가 포함된 용액에 넣고 시간이 지남에 따라 관찰했습니다. 구멍이 영구적으로 열려 있는 세포에서는 자원이 고갈되거나 혼란 상태에 빠질 때까지 RNA 생산이 계속 증가했습니다. 구멍이 영구적으로 닫혀 있는 세포에서는 RNA 생산이 거의 즉시 중단되었습니다. 그러나 자기 조절 DNA 구멍이 있는 세포에서는 RNA 수치가 특정 지점까지 상승한 후, 16시간 동안 일정하고 안정적으로 유지되었습니다. 시스템은 RNA가 분해되는 속도에 맞춰 연료의 흐름을 자동으로 조절하여 완벽한 균형을 만들어냈습니다.

연구진은 또한 이 균형을 조절할 수 있다는 점도 보여주었습니다. "임계값" 역할을 하는 특정 DNA 가닥을 추가함으로써, RNA 차단제가 구멍에 도달하기 전에 일부를 포획할 수 있었습니다. 이는 구멍이 더 오래 열려 있게 하여 더 많은 연료가 들어오게 하고, 결과적으로 더 높은 일정 수준의 RNA 생산을 가능하게 했습니다. 전체 시스템을 다시 만들지 않고도 목표 활동 수준을 설정할 수 있는 이러한 능력은 높은 수준의 제어력을 시사합니다. 이 연구는 수송, 유전자 발현, 그리고 분해를 하나의 피드백 루프로 결합함으로써, 변화하는 세상 속에서 내부적 안정성을 유지하는 살아있는 유기체처럼 행동하는 합성 세포를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이 작업은 인간의 개입 없이도 장기간 작동할 수 있는 더 복잡하고 적응력이 뛰어난 재료 및 인공 세포를 구축하기 위한 청사진을 제공합니다.