Genome-wide engineering for synthetic auxotrophy biocontainment in yeast

우리가 살아있는 세포를 프로그래밍하여 기름 유출을 정화하거나 생명을 구하는 의약품을 제조하는 것과 같은 놀라운 과업을 수행하게 할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 합성 생물학이 약속하는 미래입니다. 그러나 이렇게 설계된 미생물을 개방된 환경에 방출하는 것은 상당한 위험을 수반합니다. 만약 이들이 탈출하여 증식하고, 자연 생태계를 교란하거나 새로운 형질을 야생 친척 종에게 전달한다면 어떻게 될까요? 이를 방지하기 위해 과학자들은 이 유기체들이 매우 특정한 통제된 조건 하에서만 생존할 수 있도록 보장하는 일종의 유전적 안전 스위치인 '생물학적 봉쇄(biocontainment)' 시스템을 개발하고 있습니다. 한 가지 유망한 전략은 미생물이 자연계에는 존재하지 않는 희귀한 구성 요분에 의존하도록 만드는 것입니다. 만약 미생물이 실험실을 떠나 야생으로 들어간다면, 이 미생물은 누락된 성분을 찾을 수 없으므로 단순히 생존할 수 없게 됩니다.

하지만 문제는 이 안전 스위치를 유기체의 기능을 저하시키지 않으면서도 얼마나 견고하게 만드느냐 하는 것입니다. 만약 안전 기제가 미생물을 느리게 만든다면, 미생물은 실험실 내에서도 경쟁하는 데 어려움을 겪을 것이며, 더 나아가 더 빨리 성장하기 위해 안전 스위치를 우회하는 방법을 진화시킬 수도 있습니다. 맨체스터 대학교, 바게닝겐 대학교, 그리고 인스크립타(Inscripta Inc.)의 연구진은 산업계에서 널리 사용되는 흔한 단세포 균류인 효모를 이용해 이 퍼즐을 해결하고자 했습니다. 그들은 특정 비천연 아미노산이 있어야만 살 수 있지만, 해당 아미노산이 제공될 때는 일반 효모만큼 빠르게 성장하는 효모 균주를 만드는 것을 목표로 삼았습니다.

이를 달성하기 위해 연구진은 '유전 암호 확장(genetic code expansion)'이라는 기술을 사용했습니다. 모든 생명체에서 DNA 지침은 코돈이라고 불리는 세 글자 단위로 읽히며, 이는 세포에 어떤 아미노산을 추가할지를 알려줍니다. 보통 '정지(stop)' 신호라고 불리는 코돈 중 하나는 세포에 단백질 구축을 멈추라고 지시합니다. 연구팀은 이 정지 신호를 특정 비천연 아미노산이 있을 때만 작동하는 새로운 지침으로 교체했습니다. 그들은 이 수정된 지침을 필수 유전자, 즉 이 유전자가 제대로 작동하지 않으면 효모가 죽게 되는 매우 중요한 유전자에 삽ular했습니다. 비천연 아미노산이 존재하는 환경에서 효모의 기제는 정지 신호를 무시하고 완전하고 기능적인 단백질을 만들어냅니다. 반면, 아미노산이 없으면 기제는 조기에 멈추어 부서지고 쓸모없는 단백질을 만들게 되며, 결국 효모는 사멸합니다.

어려움은 이 정지 신호를 정확히 어디에 배치하느냐에 달려 있습니다. 만약 잘못된 위치에 배치된다면, 아미노산이 있음에도 효모가 죽거나, 혹은 부서진 단백질이 충분히 제 역할을 하여 아미노산 없이도 생존할 수도 있습니다. 완벽한 위치를 찾기 위해 연구진은 단순히 추측하지 않고, 수천 가지의 가능성을 동시에 테스트했습니다. 그들은 각 세포가 서로 다른 위치에 정지 신호가 배치된 서로 다른 버전의 필수 유전자를 가진 거대한 효모 라이브러리를 만들었습니다. 그들은 고속 로봇 시스템을 사용하여 거의 400개의 서로 다른 필수 단백질에 걸쳐 이러한 변화를 적용했습니다.

연구팀은 이 수천 개의 효모 변이체를 비천연 아미노산이 있는 조건과 없는 조건 두 가지에서 배양했습니다. 각 환경에서 어떤 유전적 버전이 생존하고 어떤 버전이 사라지는지를 추적함으로써, 가장 효과적인 안전 스위치를 식별할 수 있었습니다. 그들은 스위치의 성공 여부가 단순히 세포가 보통 만드는 단백질의 양보다는, 변화가 일어난 특정 위치와 주변의 유전적 서열에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다. 흥 nghiệm스럽게도, 그들은 유전 메시지(RNA 스플라이싱)를 처리하는 과정에 관여하는 유전자들이 이러한 유형의 안전 스위치에 특히 좋은 후보라는 것을 발견했습니다.

많은 개별적인 스위치를 찾아냈지만, 단독으로는 완벽한 것이 없었습니다. 어떤 것은 효모의 성장을 너무 방해했고, 어떤 것은 충분히 엄격하지 않아 아미노산 없이도 몇몇 불량 세포들이 살아남을 수 있게 했습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 여러 개의 스위치를 결합했습니다. 그들은 단일 필수 유전자, 특히 PRP5라고 불리는 유전자에 두 개의 정지 신호를 배치하는 것이 훨씬 더 엄격한 안전 장벽을 만든다는 것을 발견했습니다. 이 이중 스위치 균주는 아미노산 없이 생존할 수 있는 확률이 10만 개 중 약 2개 정도로 매우 낮아, 안전 시스템을 탈출하기가 매우 어려웠습니다.

안전을 더욱 강화하기 위해, 연구진은 이 아미노산 의존성을 완전히 다른 두 번째 안전 시스템과 결합했습니다. 이 두 번째 시스템은 특정 호르몬이 있어야만 유지되는 단백질에 의존합니다. 이 아미노산 요구 조건과 단백질 안정성 스위치를 결합함으로써, 연구진은 믿을 수 없을 정도로 높은 수준의 보안을 갖춘 효모 균주를 만들어냈습니다. 테스트 결과, 이 이중 잠금 효로가 야생에서 살아남기 위해 탈출할 확률은 거의 감지할 수 없을 정도로 낮았으며, 100억 개 중 1개 미만으로 추정되었습니다. 놀랍게도, 이러한 극단적인 안전성은 성능의 저하를 초반하지 않았습니다. 실험실 내에서 필요한 성분이 제공될 때, 이 초강력 안전 효모는 일반적인 야생 효모만큼 빠르고 건강하게 성장했습니다.

이 연구는 유전적 변화를 배치할 위치를 신중하게 선택하고 다양한 안전 기제를 층층이 쌓음으로써, 기능 저하 없이 매우 엄격한 안전 시스템을 갖춘 진핵 세포(효모나 인간 세포와 같은 복잡한 세포)를 구축하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 연구진은 유전적 변화를 배치할 위치를 정밀하게 선택하고 다양한 안전 메커니즘을 결합함으로써, 차세대 생물학적 봉쇄의 토대를 마련했습니다. 이 접근 방식은 만약 설계된 미생물이 실험실을 떠나게 되더라도, 그들이 결코 생존할 수 없음을 확신하며 공공 환경에서 설계된 미생물을 사용할 수 있는 길을 열어줍니다.