과학자들은 박테리아를 이용하여 자연에서는 발견되지 않는 이국적인 단백질을 만들었습니다

플라톤에 의해 재발행

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자연에는 단백질을 만드는 정해진 레시피가 있습니다.

세 개의 DNA 글자는 아미노산이라고 불리는 20개의 분자로 번역됩니다. 이러한 기본 빌딩 블록은 모든 생명체를 구성하는 어지러운 단백질 배열로 다양하게 연결됩니다. 단백질은 신체 조직을 형성하고, 손상되었을 때 활력을 불어넣고, 기름칠이 잘 된 기계처럼 우리 몸의 내부 작동을 유지하는 복잡한 과정을 지시합니다.

단백질의 구조와 활동을 연구하면 질병을 밝히고, 약물 개발을 촉진할 수 있으며, 뇌에서 작용하는 과정이나 노화와 같은 복잡한 생물학적 과정을 이해하는 데 도움이 됩니다. 단백질은 기후 친화적인 바이오 연료 제조와 같은 비생물학적 맥락에서도 필수적이 되고 있습니다.

그러나 단지 20개의 분자 구성 요소만으로 진화는 본질적으로 단백질이 할 수 있는 일에 제한을 가합니다. 그렇다면 자연의 어휘를 확장할 수 있다면 어떨까요?

자연에서 볼 수 없는 새로운 아미노산을 조작하고 이를 살아있는 세포에 통합함으로써 이국적인 단백질은 더 많은 일을 할 수 있습니다. 예를 들어, 면역치료제와 같은 단백질 기반 약물에 합성 아미노산을 추가하면 구조가 약간 조정되어 체내에서 더 오래 지속되고 더 효과적이다. 새로운 단백질은 또한 플라스틱이나 다른 특성을 지닌 더 쉽게 분해되는 물질을 씹어먹는 새로운 화학 반응의 가능성을 열어줍니다.

하지만 문제가 있습니다. 이국적인 아미노산이 항상 세포의 기계와 호환되는 것은 아닙니다.

새로운 연구 in 자연영국 케임브리지 소재 의학연구위원회 분자생물학 연구소의 합성생물학 전문가인 제이슨 친(Jason Chin) 박사가 이끄는 연구팀은 그 꿈을 좀 더 가까이 가져왔습니다. 새로 개발된 분자 스크린을 사용하여 그들은 4개의 이국적인 아미노산을 찾아 박테리아 세포 내부의 단백질에 삽입했습니다. 인슐린과 기타 단백질 기반 약물을 생산하는 데 산업계에서 가장 선호되는 박테리아는 이국적인 빌딩 블록을 자신의 것으로 쉽게 받아들였습니다.

새로 추가된 모든 구성 요소는 세포의 자연적인 구성 요소와 다릅니다. 즉, 추가된 구성 요소가 세포의 정상적인 기능을 방해하지 않았다는 의미입니다.

이번 연구에 참여하지 않은 캘리포니아 대학교 어바인캠퍼스의 Chang Liu 박사는 “이러한 새로운 종류의 아미노산을 단백질로 변환하는 것은 큰 성과입니다.”라고 말했습니다. 이야기 과학.

합성 교착 상태

생물에 이국적인 아미노산을 첨가하는 것은 악몽입니다.

셀을 도시로 상상해 보세요. 여러 "구역"이 자체 기능을 수행합니다. 살구씨 모양의 핵에는 DNA에 기록된 유전적 청사진이 들어 있습니다. 핵 밖에서는 리보솜이라고 불리는 단백질을 만드는 공장이 휘젓습니다. 한편, RNA 메신저는 단백질로 만들어지기 위해 유전 정보를 오가는 고속 열차처럼 둘 사이를 맴돌고 있습니다.

DNA와 마찬가지로 RNA에도 4개의 분자 문자가 있습니다. 각각의 세 글자 조합은 아미노산을 암호화하는 "단어"를 형성합니다. 리보솜은 각 단어를 읽고 전달 RNA(tRNA) 분자를 사용하여 연관된 아미노산을 공장으로 불러와 결합합니다.

tRNA 분자는 일종의 고도로 특이적인 단백질 "접착제"를 사용하여 특정 아미노산을 선택하도록 맞춤 제작되었습니다. 일단 리보솜으로 이동하면 아미노산은 운반체 분자에서 떨어져 나와 복잡한 단백질 모양으로 말리는 아미노산 끈으로 꿰매어집니다.

분명히 진화는 단백질 제조를 위한 정교한 시스템을 확립했습니다. 당연히 합성 구성 요소를 추가하는 것이 간단하지 않습니다.

1980 년대로 돌아가서 과학자 시험관 내부의 운반체에 합성 아미노산을 부착하는 방법을 찾았습니다. 최근에는 통합 된 정상적인 세포 기능에 영향을 주지 않고 자체 내부 공장을 탈취하여 비천연 아미노산을 박테리아 세포 내부의 단백질로 변환합니다.

박테리아를 넘어서 이전에 Chin과 동료들은 해킹된 tRNA 그리고 tRNA 합성효소라고 불리는 그에 상응하는 "접착제"는 쥐의 뇌 세포에 이국적인 단백질을 추가합니다.

세포의 단백질 생성 기계를 파손하지 않고 재배선하려면 섬세한 균형이 필요합니다. 세포는 새로운 아미노산을 잡아 리보솜으로 끌어들이기 위해 변형된 tRNA 운반체가 필요합니다. 그런 다음 리보솜은 합성 아미노산을 자신의 것으로 인식하고 이를 기능성 단백질로 연결해야 합니다. 어느 한 단계라도 실패하면 공학적 생물학적 시스템은 실패하게 됩니다.

유전자 코드 확장

새로운 연구는 첫 번째 단계, 즉 이국적인 아미노산에 대한 더 나은 운반체를 설계하는 데 중점을 두었습니다.

연구팀은 먼저 "접착제" 단백질의 유전자를 돌연변이시켜 수백만 개의 잠재적인 대체 버전을 생성했습니다. 이러한 각 변종은 잠재적으로 이국적인 건물 블록을 잡을 수 있습니다.

분야를 좁히기 위해 그들은 아미노산 운반체인 tRNA 분자로 눈을 돌렸습니다. 각 tRNA 운반체에는 낚시 바늘처럼 돌연변이된 "접착제" 단백질에 부착된 약간의 유전 코드가 태그되어 있습니다. 그 노력으로 수백만 개의 잠재적인 구조 중에서 8개의 유망한 쌍을 발견했습니다. 또 다른 화면에서는 천연 단백질과 매우 다른 유형을 포함하여 여러 유형의 인공 단백질 빌딩 블록을 붙잡을 수 있는 "접착제" 단백질 그룹에 초점을 맞췄습니다.

그런 다음 팀은 이러한 단백질을 암호화하는 유전자를 삽입했습니다. 대장균 합성 생물학 레시피를 테스트하는 데 가장 선호되는 박테리아 세포입니다.

전체적으로 8개의 "접착제" 단백질이 박테리아의 천연 단백질 제조 기계에 이국적인 아미노산을 성공적으로 적재했습니다. 많은 합성 빌딩 블록은 일반적으로 천연 리보솜과 호환되지 않는 이상한 백본 구조를 가지고 있습니다. 그러나 조작된 tRNA와 "접착제" 단백질의 도움으로 리보솜은 4개의 이국적인 아미노산을 새로운 단백질에 통합했습니다.

그 결과는 새로운 유형의 물질을 만들기 위한 "유전 코드의 화학적 범위를 확장"한다고 연구진은 논문에서 설명했습니다.

완전히 새로운 세계

과학자들은 이미 수백 가지의 이국적인 아미노산을 발견했습니다. AlphaFold 또는 RoseTTAFold와 같은 AI 모델과 그 변형은 훨씬 더 많이 생성될 가능성이 높습니다. 일치하는 운반체와 "접착제" 단백질을 찾는 것은 항상 장애물이었습니다.

새로운 연구는 특이한 특성을 지닌 새로운 디자이너 단백질에 대한 검색 속도를 높이는 방법을 확립했습니다. 현재 이 방법은 4개의 합성 아미노산만 통합할 수 있습니다. 그러나 과학자들은 이미 그 용도를 구상하고 있습니다.

이러한 이국적인 아미노산으로 만들어진 단백질 약물은 천연 아미노산과 모양이 다르기 때문에 신체 내부에서 부패되는 것을 방지합니다. 즉, 지속 시간이 길어지고 여러 번 복용할 필요성이 줄어듭니다. 유사한 시스템은 단백질과 유사하게 개별 구성 요소를 함께 연결하는 생분해성 플라스틱과 같은 새로운 재료를 대량 생산할 수 있습니다.

현재 이 기술은 예측할 수 없는 이국적인 아미노산에 대한 리보솜의 내성에 의존하고 있습니다. 다음으로, 팀은 이상한 아미노산과 그 운반체에 더 잘 견딜 수 있도록 리보솜 자체를 수정하려고 합니다. 그들은 또한 살아있는 조직의 기능을 강화할 수 있는 합성 아미노산으로 완전히 만들어진 단백질 유사 물질을 만드는 방법도 모색하고 있습니다.

"단백질을 암호화하는 것과 같은 방식으로 확장된 빌딩 블록 세트를 암호화할 수 있다면 세포를 신약부터 재료까지 모든 것에 대한 암호화된 폴리머 합성을 위한 살아있는 공장으로 바꿀 수 있습니다." 말했다 이전 인터뷰에서 친. “매우 흥미로운 분야입니다.”

이미지 신용 : 국립 알레르기 및 전염병 연구소, 국립 보건원