Gap-free near-T2T genome assembly of Digitalis lanata enables complete enzymatic production of digoxigenin

수 세기 동안 의사들은 심부전 환자의 심장이 더 강하게 뛸 수 있도록 돕는 강력한 심장 약물인 디고신(digoxin)에 의존해 왔습니다. 이 약물은 보라색 꽃이 솟아오른 높은 꽃대를 피우는 디기탈리스(foxglove)라고 알려진 식물에서 유래했습니다. 이 약은 수많은 생명을 구해왔지만, 이를 만드는 과정은 어렵고 느립니다. 농부들은 식물을 재배하고, 그것이 성숙하기를 기다린 다음, 그 안에 숨겨진 아주 적은 양의 약물을 추출하기 위해 잎을 수확해야 합니다. 식물은 천천히 자라며, 약물을 생산하는 양은 날씨에 따라 변할 수 있어 공급이 불안정합니다. 과학자들은 디기탈리스 식물이 어떻게 이 복잡한 분자를 무에서 유로 만들어내는지 정확히 이해하여, 만약 그 단계를 지도화할 수 있다면 광활한 식물 밭을 필요로 하지 않고 실험실에서 약을 만들 수 있기를 오랫동안 희망해 왔습니다. 문제는 식물의 유전적 지침이 거대하고 뒤엉킨 DNA 도서관 속에 숨겨져 있었고, 최종 약물을 만드는 구체적인 단계가 수십 년 동안 미스터리로 남아 있었다는 점입니다.

연구진은 디기탈리스 식물의 완전하고 빈틈없는 유전 코드를 작성함으로써 마침내 이 비밀을 풀었습니다. 식물의 전체 설명서를 읽음으로써, 그들은 약물을 만드는 데 책임이 있는 특정 유전자들을 식별할 수 있었습니다. 그들은 식물이 모든 생명체에서 발견되는 단순한 시작 물질을 복잡한 심장 약물로 변형시키기 위해 일련의 효소, 즉 작은 생물학적 기계들을 사용한다는 것을 발견했습니다. 연구진은 이 유전적 지침을 성공적으로 모아 실험실에서 테스트하였고, 처음부터 끝까지 전체 제조 과정을 재현할 수 있음을 증но했습니다. 이 작업은 60년 동안 과학자들을 괴롭혔던 퍼즐을 해결했을 뿐만 아니라, 식물 재배의 한계로부터 벗어나 지속 가능한 방식으로 이 필수적인 약물을 생산할 수 있는 문을 열어주었습니다.

그 여정은 식물 자체인 디기탈리스 라나타(Digitalis lanata)로부터 시작되었습니다. 연구진은 먼저 약물의 구성 성분이 식물 내부의 어디에 저장되어 있는지 살펴보았습니다. 그들은 원료가 식물 곳곳에 존재하지만, 완성된 약물 성분은 주로 잎에 집중되어 있다는 것을 발견했습니다. 이 단서는 약물을 만드는 데 필요한 유전적 기계가 잎에서 활발히 작동할 가능성이 높다는 것을 알려주었습니다. 특정 유전자를 찾기 위해 연구팀은 식물의 전체 게놈, 즉 DNA 지침의 전체 집합을 조립했습니다. 이는 식물의 DNA가 방대하고 읽기 어려운 반복적인 패턴들로 가득 차 있었기에 기념비적인 과업이었습니다. 첨단 시퀀싱 기술을 사용하여, 그들은 식물의 전체 게로임을 빈틈없이 28개의 완전한 염색체로 엮어내는 데 성공했습니다. 이 완벽에 가까운 지도는 사상 처음으로 식물의 유전적 경관을 명확하게 보여주었습니다.

지도를 손에 넣은 연구팀은 제작자 역할을 하는 특정 유전자를 찾기 시작했습니다. 그들은 이 과정이 모든 동물과 식물에서 흔히 발견되는 분자인 콜레스테롤로부터 시작된다는 것을 알고 있었습니다. 식물은 먼저 콜레스테롤 분자의 긴 꼬리를 잘라내어 더 작고 다루기 쉬운 조각으로 만들어야 합니다. 연구진은 이 작업을 수행하는 가위 역할을 하는 두 개의 유전자를 찾아냈습니다. 그런 다음 그들은 경로를 추적하며, 분자에 특정 화학 그룹을 추가하거나 제거하여 단계적으로 분자의 모양을 바꾸는 일련의 다른 유전자들을 식별했습니다. 이 유전자들 중 일부는 화학적 화가처럼 작용하여 분자의 특정 위치에 산소 원자를 추가함으로써 모양과 기능을 변화시킵니다. 연구팀은 이러한 유전자들이 종종 염색체 상에서 서로 가깝게 위치한다는 것을 발견했는데, 이는 이들이 팀으로서 작동하도록 진화했음을 시사합니다.

가장 큰 미스터리 중 하나는 식물이 어떻게 분자의 까다로운 지점에 특정 산소 그룹을 추가하느냐 하는 것이었습니다. 수년 동안 과학자들은 이 단계에 책임이 있는 효소를 찾을 수 없었습니다. 연구진은 새로운 게놈 지도를 사용하여 잎에서 활성화되며 다른 알려진 유전자들과 밀접하게 작동하는 후보 유전자를 찾았습니다. 그들은 실험실에서 이 유전자를 테스트하여, 그것이 정말로 산소 원자를 정확한 위치에 추가하는 특화된 기계임을 확인했습니다. 그러나 그들이 이 기계를 최종 단계의 과정에 사용하려고 했을 때, 기계는 작동하기를 거부했습니다. 이 기계는 초기 단계의 더 단순한 형태의 분자를 다루도록 설계되었으나, 복잡한 최종 형태는 감당할 수 없었던 것입니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 원자 수준에서 단백질의 형태를 밝혀내는 강력한 이미징 기술을 사용하여 기계의 물리적 구조를 살펴보았습니다. 그들은 기계에 분자가 들어갈 수 있는 좁은 주머니가 있으며, 약물의 최종적인 복잡한 형태는 그 안에 들어가기에 너무 덩치가 크다는 것을 보았습니다. 기계의 청사진을 살펴봄으로써, 그들은 입구를 막고 있는 구조의 단일 부분을 식별했습니다. 그 후 그들은 유전자를 약간 수정하여, 단백의 한 구성 요소를 다른 것으로 교체함으로써 주머니를 넓혔습니다. 이 간단한 조정을 통해 기계는 최종의 복잡한 분자를 받아들일 수 있게 되었습니다. 이 공학적으로 개량된 버전을 사용하여, 연구팀은 시험관 안에서 단순한 시작 물질을 최종 약물 성분까지 완전히 변환시키는 전체 반응 사슬을 성공적으로 완수했습니다.

그 결과는 심장 약물의 전구체를 무에서부터 만들어내는 완전한 단계별 레시피입니다. 연구진은 자신들이 발견한 천연 효소와 새로 공학적으로 설계한 버전을 결합함으로써, 디기탈리스 식물을 전혀 건드리지 않고도 약물을 생산할 수 있음을 보여주었습니다. 이 성과는 식물이 취하는 전체 경로를 확인시켜 주며, 이 약물을 제조할 수 있는 새롭고 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. 이제 과학자들은 식물이 자라기를 기다리는 대신, 이 생물학적 기계들을 사용하여 통제된 환경에서 약물을 생산할 수 있습니다. 이 획기적인 성과는 생명을 구하는 약물의 안정적인 공급을 보장하며, 자연의 유전 코드를 이해하는 것이 어떻게 인류 건강을 위한 지속 가능한 해결책으로 이어질 수 있는지를 보여줍니다.