유전자 코드를 통해 박테리아가 바이러스 공격을 방어할 수 있다?

두 그룹의 연구원들은 박테리아의 유전 코드를 부분적으로 다시 작성함으로써 복제를 위해 미생물의 유전 기계를 가로채야 하는 침입 바이러스를 저지할 수 있음을 발견했습니다. 오늘 사이언스 (Science )와 7월에 게시된 사전 인쇄본에 설명된 이 전략은 바이러스 공격으로부터 약물을 생산하는 박테리아를 보호하고 잠재적으로 위험한 유전자가 유전자 변형 유기체에서 탈출하는 것을 막을 수 있습니다.

연구에 참여하지 않은 매니토바 대학의 합성 생물학자인 Ned Budisa는 "이것은 앞으로의 중요한 단계입니다."라고 말했습니다. "두 작품 모두 큰 기술적 가능성이 있습니다."

거의 모든 생물은 동일한 유전자 코드에 의존합니다. 코돈이라고 하는 3개의 DNA 뉴클레오타이드의 다양한 서열은 세포에 어떤 아미노산이 단백질의 어느 위치에 설치되는지 알려줍니다. 소위 전달 RNA 또는 tRNA는 코돈을 읽고 지시에 따라 행동합니다. 각 유형의 tRNA는 올바른 코돈을 인식할 때만 성장하는 단백질 가닥에 추가하는 특정 아미노산을 운반합니다. 세포는 또한 단백질 생성을 멈출 때를 알려주는 세 종류의 정지 코돈을 가지고 있습니다.

유기체는 이 유전 프로그래밍 언어를 공유하기 때문에 다른 유기체로부터 유전자를 획득함으로써 새로운 능력을 얻을 수 있습니다. 공통 언어는 또한 연구자들이 인간 유전자를 박테리아에 삽입하여 세포가 인슐린과 같은 약물을 제조하도록 유도할 수 있도록 합니다. 그러나 보편적인 유전자 코드는 세포를 바이러스 및 플라스미드와 같은 침입자, 즉 박테리아 내부에서 재생산하고 유전자를 전달할 수 있는 DNA 조각과 같은 침입자에 취약하게 만듭니다.

수년 동안 연구자들은 이 트래픽을 차단하려고 노력했습니다. 2013년에 하버드 의과대학의 합성생물학자인 조지 처치(George Church)와 동료들은 유전적으로 대장균( Escherichia coli )을 변형시켜 정지 코돈 중 하나를 다른 버전으로 대체했습니다. 팀은 박테리아의 tRNA를 수정하여 침입하는 바이러스의 게놈에서 원래의 정지 코돈을 읽을 때 바이러스 단백질을 손상하는 부적절한 아미노산을 설치하도록 했습니다. 변형된 미생물은 자기 단백질을 안전하게 합성할 수 있었지만 여러 종류의 바이러스와 플라스미드에 내성이 있었습니다.

작년에 케임브리지 대학의 합성 생물학자인 Jason Chin과 그의 팀은 한 걸음 더 나아갔습니다. 그들은 E. coli에서 동일한 정지 코돈을 교환했지만 또 다른 보호 계층을 추가했습니다. 그들은 미생물 게놈의 아미노산 세린에 대한 두 개의 코돈을 두 개의 다른 세린 코돈으로 대체했습니다. 그런 다음 그들은 원래의 세린 코돈을 인식할 tRNA를 삭제했습니다. Syn 61 Δ3으로 명명된 이 변형된 박테리아 균주는 침입자에서 발견되는 두 개의 세린 코돈을 읽을 수 없어 박테리아 감염 바이러스를 무시하는 데 도움이 되었습니다.

그래도 Syn 61 Δ3은 무적이 아닙니다. Church와 그의 박사후연구원인 KAOS Nyerges가 이끄는 팀은 돼지 분뇨와 닭장을 포함하여 다양한 출처에서 분리된 12가지 유형의 바이러스에 취약하다는 것을 보여주었습니다. 그래서 Chin과 동료들은 새로운 보호 기능을 추가했습니다. 그들은 외부인의 세린 코돈에 반응하여 프롤린과 알라닌을 포함한 잘못된 아미노산을 전달함으로써 바이러스 단백질을 적극적으로 파괴하는 tRNA를 고안했습니다.

이 그룹은 개선된 Syn 61 Δ3을 케임브리지의 캠 강에서 잡은 한 쌍의 바이러스에 노출해 테스트했습니다. 둘 다 원래의 Syn 61 Δ3을 죽이고 업그레이드된 버전은 남겨 두었다고 과학자들은 이번 주 Science 지에 보고합니다. 그들은 또한 개선된 Syn 61 Δ3 세포가 변형된 유전자 코드를 사용하도록 조작된 플라스미드를 교환할 수 있지만 다른 박테리아와 플라스미드를 공유할 수 없음을 보여주었습니다. "우리는 표준 유전 코드를 읽지 않고 다른 유기체가 읽을 수 없는 형태로 유전 정보를 쓰는 생명체를 만들었습니다."라고 Chin은 말합니다.

Church's와 Nyerges's 팀은 유사한 전략을 따랐습니다. 연구자들은 Syn 61 Δ3에 세린 대신 류신을 삽입하여 침입한 바이러스에 의해 운반된 세린 코돈 중 2개를 오독하는 변형된 tRNA를 부여했습니다. 원래의 Syn 61 Δ3과 비교하여 변경된 미생물은 과학자들이 환경 샘플에서 추출한 12가지 바이러스에 대해 더 내성을 갖게 되었다고 팀은 7월에 밝혔습니다. 이 논문은 "모든 유기체가 모든 바이러스에 저항하도록 만드는 방법을 한 단계로 보여줍니다"라고 Church는 말합니다. (팀은 또한 미생물이 자연에서 발생하지 않는 아미노산이 필요하고 탈출할 경우 생존할 수 없음을 확인했습니다)

이러한 기록은 박테리아를 사용하여 약물이나 기타 제품을 생산하는 공장에서 바이러스 발생을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그리고 유전적으로 변형된 유기체를 기록함으로써 연구자들은 다른 유기체가 그들의 DNA를 획득하는 것을 막을 수 있습니다. 이 박테리아는 또한 생물학자들이 유전자 코드 자체의 진화를 연구하는 데 도움이 될 수 있다고 캘리포니아 대학(UC Irvine)의 합성 생물학자인 Chang Liu는 말합니다. 이제 연구자들은 "유전암호가 왜 그런 것인지 물을 수 있습니다."

Church는 바이러스가 미생물의 게놈에 200,000개 이상의 변화를 수반하기 때문에 이러한 방어를 우회하기 위한 전략을 발전시킬 가능성은 작다고 말합니다. 그리고 스탠퍼드 대학의 합성 생물학자인 드루 엔디(Drew Endy)는 연구원들이 박테리아의 바이러스 내성을 테스트한 엄밀함에 대해 공로를 인정받을 자격이 있다고 말했습니다. "그들이 여기서 한 가장 아름다운 일 중 하나는 바이러스를 찾기 위해 야생으로 나간 것입니다."라고 그는 말합니다.

그런데도 그와 다른 사람들은 벌레가 다른 생물과 유전적으로 차단되어 있는지 확신하지 못합니다. "우리는 여전히 매우 조심해야 합니다."라고 Budisa는 말합니다. “불 속에 손을 넣고 '완벽한 방화벽이다'라고 말할 수는 없습니다.”라고 End는 동의합니다. 그는 “인간의 독창성과 자연 생물다양성 사이의 군비 경쟁”이라며 “우리는 경쟁이 얼마나 오래갈지 모른다”고 말했다.