인공 최소 세포: 의학 연구를 위한 충분한 생명 만들기

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  퀀텀런 예측
• 2022 년 12 월 23 일

인사이트 요약

생명의 본질을 탐구하면서 과학자들은 게놈을 줄여 최소한의 세포를 만들어 생명에 필요한 핵심 기능을 밝혀 왔습니다. 이러한 노력으로 인해 불규칙한 세포 모양과 같은 예상치 못한 발견과 과제가 발생하여 유전적 필수 요소에 대한 추가 개선과 이해가 촉발되었습니다. 이 연구는 약물 개발, 질병 연구 및 맞춤형 의학 분야에 잠재적으로 응용할 수 있는 합성 생물학의 발전을 위한 길을 열어줍니다.

인공 최소 셀 컨텍스트

인공 최소 세포 또는 게놈 최소화는 필수 유전자 간의 상호 작용이 중요한 생리적 과정을 일으키는 방법을 이해하기 위한 실용적인 합성 생물학 접근법입니다. 게놈 최소화는 모듈 게놈 세그먼트의 평가 및 조합과 트랜스포존 돌연변이 유발(한 호스트에서 다른 호스트로 유전자를 전달하는 프로세스) 정보에 의존하는 설계-구축-테스트-학습 방법을 사용하여 유전자 삭제를 유도했습니다. 이 방법은 필수 유전자를 찾을 때 편견을 줄이고 과학자들에게 게놈과 그 기능을 변경, 재구성 및 연구할 수 있는 도구를 제공했습니다.

2010년 미국에 기반을 둔 J. Craig Venter Institute(JVCI)의 과학자들은 박테리아 Mycoplasma capricolum의 DNA를 성공적으로 제거하고 다른 박테리아인 Mycoplasma mycoides를 기반으로 컴퓨터 생성 DNA로 교체했다고 발표했습니다. 팀은 새로운 유기체 JCVI-syn1.0 또는 줄여서 'Synthetic'이라는 제목을 붙였습니다. 이 유기체는 컴퓨터 부모로 구성된 지구상 최초의 자기 복제 종입니다. 과학자들이 세포에서 시작하여 생명이 어떻게 작용하는지 이해하는 데 도움을 주기 위해 만들어졌습니다. 

2016년에 팀은 알려진 다른 단순한 생명체보다 유전자 수가 적은 단세포 유기체인 JCVI-syn3.0을 만들었습니다(JVCI-syn473의 1.0개 유전자에 비해 901개 유전자만). 그러나 유기체는 예측할 수 없는 방식으로 행동했습니다. 건강한 세포를 생성하는 대신 자기 복제 중에 이상한 모양의 세포를 생성했습니다. 과학자들은 정상적인 세포 분열을 담당하는 유전자를 포함하여 원래 세포에서 너무 많은 유전자를 제거했음을 깨달았습니다. 

파괴적 영향

가능한 가장 적은 수의 유전자를 가진 건강한 유기체를 찾기로 결정한 매사추세츠 공과대학(MIT)과 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 생물 물리학자들은 3.0년에 JCVI-syn2021 코드를 리믹스했습니다. JCVI-syn3A라는 새로운 변종. 이 새로운 세포는 500개의 유전자만 가지고 있지만 연구원들의 연구 덕분에 일반 세포처럼 행동합니다. 

과학자들은 세포를 더 많이 제거하기 위해 노력하고 있습니다. 2021년 M. mycoides JCVI-syn3B로 알려진 새로운 합성 유기체가 300일 동안 진화하여 다양한 환경에서 돌연변이를 일으킬 수 있음을 보여주었습니다. 생명 공학자들은 또한 보다 유선형의 유기체가 과학자들이 가장 기본적인 수준에서 생명을 연구하고 질병이 어떻게 진행되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 낙관합니다.

2022년 일리노이 대학교 어바나-샴페인, JVCI, 독일 드레스덴 공과대학의 과학자 팀은 JCVI-syn3A의 컴퓨터 모델을 만들었습니다. 이 모델은 실제 아날로그의 성장과 분자 구조를 정확하게 예측할 수 있습니다. 2022년 현재 컴퓨터가 시뮬레이션한 가장 완전한 전체 세포 모델이었습니다.

이러한 시뮬레이션은 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 데이터에는 세포 주기에 따른 신진대사, 성장 및 유전 정보 프로세스가 포함됩니다. 이 분석은 생명의 원리와 아미노산, 뉴클레오티드 및 이온의 능동 수송을 포함하여 세포가 에너지를 소비하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다. 최소 세포 연구가 계속 성장함에 따라 과학자들은 약물 개발, 질병 연구 및 유전 치료법 발견에 사용할 수 있는 더 나은 합성 생물학 시스템을 만들 수 있습니다.

인공 최소 세포의 의미

인공 최소 세포 개발의 더 넓은 의미는 다음과 같습니다. 

• 연구를 위해 간소화되었지만 작동하는 생명 시스템을 만들기 위한 더 많은 글로벌 협력.
• 혈액 세포 및 단백질과 같은 생물학적 구조를 매핑하기 위한 기계 학습 및 컴퓨터 모델링 사용 증가.
• 바디 온 칩 및 라이브 로봇을 포함한 고급 합성 생물학 및 기계-유기체 하이브리드. 그러나 이러한 실험은 일부 과학자로부터 윤리적 불만을 받을 수 있습니다.
• 일부 생명 공학 및 생물 제약 회사는 약물 및 치료법 개발을 신속하게 추적하기 위해 합성 생물학 이니셔티브에 막대한 투자를 하고 있습니다.
• 과학자들이 유전자와 조작 방법에 대해 더 많이 배우면서 유전자 편집의 혁신과 발견이 증가했습니다.
• 윤리적 관행을 보장하고 과학적 진실성과 대중의 신뢰를 모두 보호하기 위해 생명공학 연구에 대한 규정을 강화했습니다.
• 합성 생물학 및 인공 생명체에 초점을 맞춘 새로운 교육 및 훈련 프로그램의 출현으로 차세대 과학자에게 전문 기술을 제공합니다.
• 맞춤형 치료 및 진단을 위해 인공 세포와 합성 생물학을 활용하여 맞춤형 의학으로 의료 전략을 전환합니다.

고려해야 할 질문

• 합성 생물학 분야에서 일한다면 최소 세포의 다른 이점은 무엇입니까?
• 조직과 기관이 합성 생물학을 발전시키기 위해 어떻게 협력할 수 있습니까?