Synthetic genetic circuits that count developmental cues in plant roots

식물은 정적인 물체가 아닙니다. 식물은 물과 영양분을 찾기 위해 지하 네트워크를 끊임없이 재형성하는 역동적인 탐험가입니다. 이를 위해 식물은 뿌리를 반복적으로 분지하며 성장하여, 일차, 이차, 삼차 뿌리로 이루어진 복잡한 체계를 만듭니다. 오랫동안 과학자들은 이러한 분지가 어떻게 형성되는지는 이해하고 있었지만, 한 가지 좌절스러운 한계에 직면해 있었습니다. 일단 분지가 자라나면, 그것은 다른 어떤 분지와도 똑같이 보이고 똑같이 행동한다는 점이었습니다. 첫 번째 세대의 분지와 두 번째 세대의 분지를 구별할 방법이 없었으며, 이들에게 서로 다른 지침을 내릴 방법도 없었습니다. 연구자가 식물의 뿌리 행동을 바꾸고 싶다면, 특정 분지만을 목표로 할 수 없어 전체 시스템을 한꺼번에 바꿔야만 했습니다. 이러한 정밀함의 부족은 서로 다른 분지가 각기 다른 목적을 수행하는지 이해하거나, 더 효율적인 뿌리 체계를 갖춘 식물을 설계하는 것을 어렵게 만들었습니다.

스탠퍼드 대학교의 연구팀은 식물 뿌리에 일종의 기억력을 부여함으로써 이 문제를 해결하는 도구를 구축했습니다. 그들은 뿌리가 몇 번 분지했는지를 추적하는 카운터 역할을 하는 합성 유전 회로를 만들었습니다. 새로운 뿌리 분지가 시작될 때마다 DNA의 한 구간을 뒤집는 생물학적 스위치를 사용함으로써, 과학자들은 분지의 이력에 따라 식물의 유전자가 다르게 작동하게 만들 수 있었습니다. 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana)를 사용하여, 일차 뿌리는 하나의 색을 유지하고, 이차 분지는 파란색으로, 삼차 분지는 노란색으로 빛나게 만들었습니다. 이 성과는 해부학적으로 동일한 뿌리들을 구별하고 이들을 개별적으로 제어하는 것이 가능하다는 것을 보여주며, 맞춤 설계된 뿌리 구조를 가진 식물을 공학적으로 설계할 수 있는 길을 열어주었습니다.

연구진은 먼저 근본적인 과제인 '새로운 뿌리 분지가 시작되는 정확한 순간을 어떻게 감지할 것인가'를 해결하는 것부터 시작했습니다. 자연에서 뿌리 분지는 주 뿌리의 끝에 있는 특정 세포 집단이 분열하고 성장하라는 신호를 받을 때 시작됩니다. 연구팀은 이 짧은 시간 동안에만 활성화되는 유전적 트리거가 필요했습니다. 그들은 개발 중인 뿌리 끝에서만 켜지는 유전자 조절 부위인 프로모터를 선택했습니다. 프로모터는 유전자의 불을 켜는 스위치와 같은 역할을 합니다. 그들은 이 스위치를 리콤비네이스(recombinase)라고 불리는 커다란 단백질에 연결했습니다. 이 단백질은 분자 가위이자 풀 역할을 하여, 특정 DNA 구간을 자르고 뒤집습니다. 일단 뒤집히면, 세포가 분열하고 성장하더라도 DNA는 영구적으로 그 새로운 위치에 머물게 됩니다. 이는 해당 사건에 대한 영구적인 기록을 생성합니다.

이 개념을 테스트하기 위해, 과학자들은 먼저 DNA를 뒤집어 녹색 형광 단백질을 켜는 간단한 스위치를 만들었습니다. 이 시스템을 식물에 도입했을 때 녹색 빛은 새로운 분지에서만 나타났으며, 이는 스위치가 뿌리가 자라기 시작할 때 정확하게 작동했음을 확인시켜 주었습니다. 그러나 단순한 온-오프(on-off) 스위치만으로는 여러 번의 분지를 셀 수 없었습니다. 연구진은 일련의 사건을 기록하여 첫 번째 분지와 두 번째 분지를, 그리고 두 번째와 세 번째를 구별할 수 있는 시스템이 필요했습니다. 그들은 단계별로 작동하는 더 복잡한 회로를 설계했습니다. 뿌리 분지 신호가 처음 나타나면, 첫 번째 리콤비네이스가 DNA를 뒤집어 파란색 형광 단백질을 켜고 다음 회로 부분을 준비합니다. 두 번째 신호가 나타나면, 다른 리콤비네이스가 두 번째 DNA 구간을 뒤집어 노란색 형광 단백질을 켭니다.

초기 설계된 카운팅 회로에는 결함이 있었습니다. 뿌리 분지를 시작하는 신호가 약 이틀 동안 지속되기 때문에, 첫 번째 신호가 때때로 회로의 첫 번째 단계와 두 번째 단계를 동시에 트리거할 만큼 강력했습니다. 이로 인해 이차 뿌리는 파란색이어야 함에도 불구하고 노란색으로 빛나는 경우가 발생하여 계산에 혼선을 주었습니다. 연구진은 식물의 발달 속도가 유전 회로의 속도와 일치하지 않는다는 점을 깨달았습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 지연 메커니즘을 도입했습니다. 그들은 문지기 역할을 하는 세 번째 단백질을 추가했습니다. 이 문지기는 첫 번째 분지가 완전히 성숙하여 초기 성장 구역에서 벗어난 후에야 문을 엽니다. 이는 두 번째 카운팅 과정이 완전히 새로운 별개의 분지가 시작될 때까지 일어나지 않도록 보장합니다.

개선된 설계로 결과는 명확했습니다. 연구진은 새로운 회로를 가진 식물을 키우고 현미경으로 뿌리를 관찰했습니다. 분지되지 않은 일차 뿌리에서는 형광이 나타나지 않았습니다. 한 번 분지한 이차 뿌리에서는 세포들이 파란색으로 빛났습니다. 두 번 분지한 삼차 뿌리에서는 세포들이 파란색과 노란색 모두로 빛났습니다. 연구팀은 개별 뿌리 끝에서 DNA를 추출하고 유전 코드를 시퀀싱하여 이러한 시각적 결과를 검증했습니다. DNA 분석 결과, 유전적 뒤집힘이 예측한 대로 정확히 일어났음을 확인했습니다. 즉, 이차 뿌리에서는 첫 번째 뒤집힘이 존재했고, 삼차 뿌리에서는 두 번째 뒤집힘이 존재했습니다. 가장 성능이 좋은 버전의 회로에서는 거의 모든 삼차 뿌리가 올바른 노란색 신호를 보였으며, 이차 뿌리에서의 오류율도 크게 감소했습니다.

이 연구는 식물이 어떻게 성장하는지 연구하는 강력한 새로운 방법을 제공합니다. 이전에는 과학자들이 이차 뿌리가 삼차 뿌리와 다른 역할을 하는지 쉽게 테스트할 수 없었습니다. 이제 그들은 이 카운팅 시스템을 사용하여 특정 종류의 분지에서만 특정 유전자를 켜거나 끌 수 있습니다. 예를 들어, 삼차 분지에서만 뿌리털을 제거하여 해당 분지가 다른 분지들과 다르게 물을 흡수하는 책임을 지고 있는지 확인할 수 있습니다. 외형이 아닌 성장 이력을 바탕으로 분지를 구별하는 능력은 이전에는 불가능했던 수준의 제어를 가능하게 합니다. 연구진은 이와 동일한 논리가 세포 분열이나 동물이 복잡한 구조를 발달시키는 방식과 같은 생물학의 다른 반복적인 과정에도 적용될 수 있다고 제안합니다. 반복되는 신호를 고유한 유전 코드로 변환함으로써, 이 시스템은 식물 성장의 이력을 읽을 수 있는 지침서로 바꾸어 놓으며, 과학자들이 정밀하게 식물의 미래 발달을 다시 쓸 수 있게 해줍니다.