최초의 컴퓨터 게놈은 합성 생명체로 이어질 수 있다

과학자들이 연구하는 모든 생명체의 DNA 서열은 미국 국립생물공학정보센터(NCBI)가 소유한 데이터베이스에 저장되어 있습니다. 1월 2.0일, 이 데이터베이스에 "Caulobacter ethensis-2.0"이라는 새로운 항목이 추가되었습니다. 이는 스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich, 스위스 연방공과대학) 과학자들이 개발한 세계 최초의 완전 컴퓨터 모델링 및 합성 생명체 게놈입니다. C. ethensis-XNUMX 게놈이 큰 DNA 분자 형태로 성공적으로 확보되었지만, 해당 생명체는 아직 존재하지 않는다는 점을 강조해야 합니다.

이 연구는 실험 시스템 생물학 교수인 비트 크리스텐과 그의 동생이자 화학자인 마티아스 크리스텐이 수행했습니다. 카울로박터 에텐시스-2.0(Caulobacter ethensis-XNUMX)이라는 이름의 이 새로운 유전체는 전 세계 담수에서 발견되는 무해한 박테리아인 카울로박터 크레센투스(Caulobacter crescentus)의 천연 유전자를 정제하고 최적화하여 만들어졌습니다.  

10여 년 전, 유전학자 크레이그 벤터가 이끄는 연구팀은 최초의 "합성" 박테리아를 개발했습니다. 연구진은 마이코플라스마 마이코이데스(Mycoplasma mycoides) 유전체의 복제본을 합성하여 숙주 세포에 이식했습니다. 그 결과, 숙주 세포는 완전히 생존하고 자가 번식 능력을 유지하는 것으로 나타났습니다.

새로운 연구는 크루거의 연구를 기반으로 합니다. 이전에 과학자들은 실제 생물 DNA의 디지털 모델을 만들고 이를 기반으로 분자를 합성했지만, 이번 프로젝트는 더 나아가 원래 DNA 코드를 사용합니다. 과학자들은 DNA 코드를 합성하고 기능을 시험하기 전에 상당한 수정 작업을 거쳤습니다.

연구진은 4000개의 유전자를 포함하는 C. crescentus의 원래 유전체를 사용했습니다. 다른 모든 생명체와 마찬가지로 이 유전자들은 대부분 아무런 정보도 담고 있지 않아 "정크 DNA"라고 불립니다. 이 유전자들을 분석한 결과, 실험실에서 이 박테리아를 생존시키는 데는 약 680개의 유전자만 필요하다는 결론을 내렸습니다.

"정크 DNA"를 제거하고 C. crescentus의 최소 유전체를 얻은 후, 연구팀은 연구를 계속했습니다. 생명체의 DNA는 내재된 중복성을 특징으로 하는데, 이는 동일한 단백질의 합성이 사슬의 여러 위치에 있는 서로 다른 유전자에 의해 암호화된다는 것을 의미합니다. 연구진은 중복된 코드를 제거하기 위한 최적화 과정에서 1만 개의 DNA 문자 중 6분의 800 이상을 대체했습니다.

"저희 알고리즘을 사용하여 유전체를 완전히 재구성하여 원래의 DNA 염기서열과 더 이상 닮지 않은 새로운 DNA 염기서열을 만들었습니다."라고 이 연구의 공동 주저자인 비트 크리스텐은 말합니다. "하지만 단백질 합성 수준에서의 생물학적 기능은 변하지 않았습니다."

생성된 사슬이 살아있는 세포에서 제대로 작동하는지 확인하기 위해, 연구진은 천연 카울로박터 유전체와 DNA에 인공 유전체 부분을 모두 가진 박테리아 균주를 배양했습니다. 과학자들은 개별 천연 유전자를 비활성화하고 인공 유전자가 동일한 생물학적 역할을 수행하는지 시험했습니다. 그 결과는 매우 인상적이었습니다. 580개의 인공 유전자 중 약 680개가 기능을 발휘했습니다.

크리스틴은 "이러한 지식을 바탕으로 알고리즘을 개선하고 새로운 버전의 게놈 3.0을 개발할 수 있을 것입니다."라고 말했습니다. "가까운 미래에 완전히 합성된 게놈을 가진 살아있는 박테리아 세포를 만들 수 있을 것으로 믿습니다."

첫 번째 단계에서 이러한 연구는 유전학자들이 DNA 이해 분야와 DNA에서 개별 유전자의 역할에 대한 지식의 정확성을 확인하는 데 도움이 될 것입니다. 사슬 합성 과정에서 오류가 발생하면 새로운 유전체를 가진 생물이 죽거나 결함이 발생하기 때문입니다. 미래에는 미리 정해진 기능을 수행하는 합성 미생물이 등장할 것입니다. 인공 바이러스는 자연계와 싸울 수 있게 되고, 특수 박테리아는 비타민이나 약물을 생산할 것입니다.

해당 연구는 PNAS 저널에 게재되었습니다.

출처 : 3dnews.ru