생명공학 Biotechnology
유전자를 다루는 기술로부터 시작된 생명공학 기술은 도저히 풀 수 없을 것 같았던 생명과학계의 수 많은 난제를 해결하는데 혁혁한 공을 세웠다. 대표적인 예가 인슐린이라고 할 수 있다. 화학적으로 합성하기엔 너무 크고 다른 대체 물질을 찾기 어려운 호르몬들은 유전공학적인 방법이 아니고는 일반인에겐 사실상 그림의 떡이 었다. 돼지나 소에서 얻는 방법이 있었는데, 일회 투여량을 얻기 위핸 수백마리의 동물이 필요했고 또 순수하게 분리해내는 과정도 쉽지가 않았다. 잘 못하면 다른 호르몬이나 단백질이 섞여들어가 심각한 합병증을 유발할 수 있기 때문이다. 하지만 현재는 유전공학적인 방법으로 미소량이 존재하는 호르몬들을 다량으로 값싸게 공급할 수 있게 된 것이다. 이 밖에도 아주 다양한 방법으로 활용되어 우리의 건강을 지키고 치료하는데 사용되고 있다. 어쩌면 이런 생명공학적 기술의 발달이 생물의 신비를 풀어낼 수 있는 거의 유일한 해법일 수 있다.
이 곳에는 어떻게 우리 생활에 필요한 물질들을 만들고 연구하는지 생명공학의 기술을 중심으로 한 글들을 모아 소개하였다.
Biotechnology 2025 Topics
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antivirus
biotechnology
genetics cell biology
항바이러스 단백질의 “보물창고”가 강력한 분자 도구로 활용될 수 있다.
“바이러스가 없는 생물은 없다.”는 말이 있습니다. 얼마나 질긴 놈인지 거의 모든 생물에겐 그에 기생하는 바이러스가 있답니다. 그래서 아주 오래 전부터 생물들은 바이러스로부터 자신을 보호하고 피하기 위해 많은 노력을 해왔습니다. 바이러스와 숙주 사이의 투쟁의 역사는 숙주나 바이러스의 유전자에 다 남아 있죠. 예를 들면 박테리아의 제한효소(restriction enzyme)는 자신의 것이 아닌 DNA분자를 분해하는 일종의 방어 효소이고 이 효소의 염기서열 인지 능력을 분자생물학에서 이용한 것입니다. CRISPR도 일종의 방어 기전에서 응용한 기술이죠. 그 밖에도 생물들이 바이러스를 퇴치하기 위해 만들어낸 각종 효소나 생리적, 생화학적 기전들은 분자생물학 기술로 응용되어 왔습니다.
아래에 소개한 글은 박테리아들의 유전체를 머신러닝을 이용해 면역기능을 가진 유전자를 찾아낸 결과에 관한 것입니다. 사실 아직 그 기능을 다 알지는 못하지만 면역유전자에 공통적으로 나타나는 특징, 예를 들면 유전자의 위치(플라스미드에 있거나 다른 항바이러스 유전자들과 비슷한 위치에 모여서 나타남)나 구조적 유사성을 이용하여 면역에 관여할 것이라고 추정되는 유전자들이라고 합니다. 이들 중 실험을 통해 항바이러스 기능을 입증한 것들이 있고 아마도 우리가 모르는 새로운 기전의 항바이러스 유전자들도 나올 것으로 기대하고 있습니다. 이를 이용하면 분자생물학의 새로운 기술로 응용할 수도 있을 것이란 기대도 해봅니다. 본인은 아직 AI에 익숙하지 않아 이런 종류의 논문을 어떻게 평가해야 할지 망설여집니다. 어쩌면 사람이 해야 할, 또는 사람만이 할 수 있을 것이고 생각했던 부분을 머신러닝이라는 기계(?)가 해결해 버리니 말입니다. 뭔가 연구의 중요한 부분을 빼앗긴 기분이 들기도 합니다. 단순히 계산기를 쓰거나 데이터 베이스를 검색하는 것과는 많이 다르다는 느낌이죠. 이런 논문들을 보면서 인간이 못하는 일을 AI로 해결할 수 있다는 건 분명한데, 반대로 AI로는 해결할 수 없는 인간만이 가진 능력은 과연 무얼까? 라는 질문을 하게 됩니다.
박테리아는 그 동안 지금까지는 우리가 몰랐던 분자 무기들의 거대한 무기고를 이용하여 바이러스들과 싸워 왔다.
오늘 Science에 발표된 논문에 따르면 2그룹의 연구진이 머신러닝 알고리즘을 통해 박테리아의 유전체를 살펴보고 바이러스의 침략으로부터 박테리아를 보호하는 단백질들을 발견하였다. 그들은 분석을 통해 수십만개의 잠재적 항바이러스 단백질들을 발견하였고 이는 생물공학적 발명의 원천이 될 것으로 기대된다.
“이건 모든 생화학자들에게 보물창고가 될 것입니다.” 이 연구에 직접 참여하지 않았던 CSIC National Center for Biotechnology in Madrid의 미생물학자인 José Antonio Escudero의 말이다.
이전에 발견되었던 박테리아의 면역체계는 CRISPR-Cas9 또는 DNA-절단효소가 포함된다. 연구자들은 이미 이들을 유용한 유전공학 기술로 활용한 바가 있다.
“이 새로운 종류의 방어 시스템을 응용한 새로운 세대의 분자 기술이 나올 가능성이 있습니다.” Massachusetts Institute of Technology in Cambridge의 미생물학자이자 이 연구의 공동 연구자이기도 한 Michael Laub의 말이다.
단백질 방어체계
“박테리아의 유전체를 보면 아직도 “대부분이 암흑 물질”이죠.” Escudero의 말이다. “어떻게 작용하는지 무엇인지 모르는 것들이 만습니다.”
이전의 연구에서 박테리아는 250가지 이상의 단백질들을 바이러스 방어에 이용해 왔음을 밝혔다. 이번 연구에서 박테리아는 이보다 훨씬 많은 그리고 다양한 면역체계를 갖고 있음을 보여준 것이다. “하지만 우리의 질문은: 얼마나 다양한지 그 크기를 어떻게 예측할 수 있을까?” 였다고 Pasteur Institute in Paris의 미생물학자이자 이 논문의 공동저자이기도한 Aude Bernheim 말했다.
이 연구에서 Bernheim과 그의 동료들은 딥-러닝 모델을 단백질과 유전체 데이터로 학습시켜 항바이러스 시스템을 예측하게 했다. 그들의 목표는 “모든 박테리아의 면역계”를 밝히는 것이었다. 이 분석에 따르면 약 1.5%의 유전자가 항바이러스 면역과 관련된 단백질을 암호화하는 것으로 보인다. 이는 예전에 비해 약 3배에 해당하는 것이며 이중 약 85%의 단백질군은 이전에는 면역과 무관한 것으로 알고 있던 것들이다. 실험은 2 종류의 박테리아 – Escherichia coli, Streptomyces albus – 에서 12가지 박테리아를 공격하는 바이러스인 박테리오파지를 막아내는 항-파지 시스템이 있음을 입증하였다. 이들은 예전에는 항바이러스 시스템과의 관련성이 알려지지 않았던 것이다.
이 논문에서 Laub와 동료들은 DefensePredictor라고 부르는 머신러닝 기구를 만들었다. 이는 17,000개 박테리아 유전체 데이터에서 박테리아의 면역에 관계하는 단백질과 유전자들을 예측하는 것이다. E. coli의 69개 다양한 균주(strain)에서 624개의 면역관련 단백질을 찾아냈고 이중 100 여개는 예전에 알려지지 않았던 것들이다. 실험실 실험을 통해 이들 중 42개의 방어활성을 확인하기도 했다.
이 두 연구에서 같은 결론을 얻을 수 있다: “절대적으로 과소 평가된 면역 체계”라고 Laub는 표현했다. “이 연구자들이 아직도 밝혀져야 할 시스템이 많다는 사실을 알게 해주었다.”고 했다.
이 발견에는 “관련되었을 거라 생각도 못했던 수백개의 유전자가 포함되어 있다.”고 Escudero가 말했다.
면역계의 역사
Laub와 동료들은 연구자들을 위해 DefensePredictor 프로그램을 무상으로 온라인에 공개하였다. Bernheim과 그녀의 동료들도 44,000개 이상의 잠재적 항바이러스 체계를 포함한 DefenseFinder라는 공개 데이터베이스를 만들었다.
연구자들은 이 자료들을 새로 밝혀진 단백질의 항바이러스 활성을 검사하기 위해 사용할 수 있다. Laub는 연구팀과 함께 이 박테리아의 항바이러스 시스템의 작동 기전을 연구하기 시작했다고 한다. “여기서 정말 중요한 질문은 그들이 어떻게 바이러스에 감염되었는지를 아냐는 겁니다. 그리고 어떻게 파지가 증식하는 것을 억제하는 지도요.”라고 첨언했다.
이 면역 체계에 대한 연구는 항바이러스 신약이나 신기술을 개발하는데 도움을 줄 것이다. “그건 아마 생물공학의 새로운 혁명이 될 것입니다.” 라고 Escudero는 말했다.
Laub는 이것이 면역계의 진화 역사에 대한 이해를 도와주기 바란다고 했다. “포유동물의 면역 중 일부가 박테리아에서 그 기원을 찾을 수 있다는 증거들이 나오고 있죠.”라고 설명한다.
“이번 발견은 이번 발견이 무엇을 의미하는지 – 단순히 미생물학뿐 아니라 생물의 영역들을 넘어 면역이라는 것이 어떤 의미가 있는지 – 생각하게 합니다.” Bernheim의 말이다.
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Miryam Naddaf (2026) ‘Treasure trove’ of antiviral proteins could inspire powerful molecular tools. Nature News 02 April 2026. (doi: https://doi.org/10.1038/d41586-026-01011-y )
<본 기사의references>
1. DeWeirdt, P. C., Mahoney, E. M. & Laub, M. T. Science 392, eadv7924 (2026).
2. Mordret, E. et al. Science 392, eadv8275 (2026).
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eye
health biotechnology
physiology
시각장애인들이 망막 삽입장치로 다시 읽을 수 있게 되다.
인간은 다른 포유 동물들에 비해 시각을 통해 많은 정보를 얻지요. 어떤 이유로든 시력을 잃는다면 살아가는데 엄청난 불편함을 느낄 것입니다. 그래서 의학, 생물학, 의공학분야에서 시력을 회복할 수 있는 방법들을 연구하고 있는데 아직은 큰 성과를 내지 못하고 있는 것 같아 안타까웠습니다. 눈과 관련된 여러 가지 질병이 있지만 아래 나오는 노화관련 황반변성이 시력을 잃게 되는 주된 원인이라고 합니다. 요즘 스마트폰과 컴퓨터에 폭 빠져 지내는 사람들이 많은데, 제 경험상으로 자주 눈이 피로할 정도로 오랫동안 스트레스 받으며 컴퓨터 작업을 많이 하는 사람들에게 황반변성이 오는 경우가 많은 것 같습니다. 이 밖에서 흡연, 고혈압, 유전요인, 육식성 식단, 비만 등이 원인으로 꼽힙니다.
황반(macular)은 눈의 망막중에서 각막과 수정체를 통해 빛이 똑바로 들어왔을 때 만나는 중심부위를 말합니다. 가운데 오목한 중심와(fovea)가 있고 그 주위에 집중적으로 광수용세포(photoreceptor cell)들 특히 원추세포가 많이 위치하고 있는 부위입니다. 이 부분이 색상을 판단하고 물체의 자세한 모습을 볼 수 있게 해주는 부위인데 이 부분에 손상이 생기면 황반변성(macular degeneration)이라고 합니다. 특히 나이가 들면서 황반변성이 많이 일어나게 되는데 이를 노화관련 황반변성(AMD)이라고 합니다. 황반 부위에 광수용세포들이 죽은 것이죠. 이런 경우 황반 주변에 망막은 살아 있는 경우가 많은데, 주변에는 주로 막대세포가 있어 색을 감지하지는 못하고 명암에는 잘 반응하지만 뚜렷한 상을 만들지는 못합니다. 아래 글은 황반변성환자의 경우 황반부위의 광수용세포들은 죽었어도 그 위에(안쪽) 있는 시신경들은 살아 있는 경우가 많기 때문에 이들에 인위적인 자극을 주어 시력을 회복시키는 장치를 소개한 것입니다. 예전에는 공상과학에나 나올 법한 얘기였습니다. 아직 개선해야할 부분이 많지만 일부 성공한 것 같군요. 앞으로 줄기세포나 다른 전자 기기 장치의 연구가 성공하여 시각을 잃어 생활이 불편한 사람들에게 세상을 다시 보여주었으면 하는 바람입니다.
전자 안구 삽입장치가 노화에 따른 황반변성(age-related macular degeneration, AMD)으로 시각을 잃은 장애인들의 시각을 회복시켰다.
과학자들은 노화관련 황반변성(AMD)에 의해 시력을 잃은 10여명의 시력회복을 위해 안구 삽입물을 이용했다. 이 삽입장치의 크기는 2mm X 2mm 이며 두께는 불과 30 micrometer (0.03 mm)로 망막의 아래쪽에 이 질환으로 기능을 잃은 시각세포를 대신하여 깔아주었다.
오늘 날자(2025년 10월 20일)로 나온 New England Journal of Medicine의 논문에 따르면 망막이 크게 손상된 중증 AMD환자들 38명을 대상하였다. 이 삽입물을 이식한지 1년 후 80%의 참가자들이 임상학적으로 유의미한 시력회복을 보여주었다.
“망막이 죽어 완전히 맹점이 되었던 곳에 시력이 회복된 겁니다.” 임상실험을 주도했던 독일 University of Bonn의 안과의사인 Frank Holz의 말이다. “환자들은 글자와 단어를 읽을 수 있게 되었고 일상 생활이 가능한 정도가 되었죠.”
이식수술과정에서 몇 차례 사고가 있었으나 시술의 안전성울 광범위하게 살펴본 결과 위험성 보다는 이 장치의 혜택이 크다는 결론을 얻었다. 지난 6월에 이 장치를 보유하고 있는 샌프란시스코 주재 신경기술회사인 Science Corporation은 이 장치를 판매할 수 있도록 허가를 신청한 상태이다.
“내 생각에는 이 연구는 잘 설계되고 분석이 잘 된 흥미롭고도 중요한 연구라고 생각합니다. 이런 것들이 실제라기 보다는 공상과학 소설에 가깝게 느꼈을 시각장애 환자들에게 희망을 주었습니다.” Imperial College London의 안과의사인 Francesco Cordeiro의 말이다.
회복된 시력
AMD는 회복 불가능한 시각장애의 가장 일반적인 원인이다. 여기에는 두 가지 형태가 있다: 건식형(dry AMD)과 습식형(wet AMD)이다. 건식형 AMD는 세계적으로 5백만 명이 영향을 받고 있다. 건식 AMD는 망막의 중앙에 위치한 빛-민감성 세포들이 수 년에 걸쳐 죽어 나간 것이다. 결국 이들은 주변부위의 시야는 남아 있지만 중앙의 고해상도 부위는 볼 수 없다. “그들은 얼굴을 인식하지 못합니다. 읽을 수도 없고. 차를 몰 수도, TV를 볼 수도 없습니다.” Holz의 말이다.
죽은 세포들은 빛을 전기화학적 신호로 바꾸어 다른 종류의 망막세포로 전달하고 결국 뇌의 시각영역으로 신호를 보내는 빛에 민감한 세포(광수용세포: 막대세포, 원추 세포)들이다. 주위의 망막세포들은 AMD에도 불구하고 살 수 있는데, 과학자들은 빛에 반응하여 전기 자극을 생성하는 인공 삽입장치가 이 세포들을 자극하여 다시 볼 수 있도록 만들어낸 것으로 생각하고 있다.
PRIMA(photovoltaic retina implant microarray)라 불리우는 삽입물은 원래는 파리에 근거를 둔 Pixium Vision사에 의해 개발되었고 작년에 Science Corporation사로 넘어왔다. 이 제품은 예전에 제품들처럼 wireless이다. 또한 photovoltaic, 즉, 활성화시키는 광자가 전기적 신호에 필요한 에너지도 공급하는, 방식이다.
이들은 작은 카메라가 달린 안경과 함께 사용되며, 카메라에 잡힌 이미지를 적외선으로 변환하여 망막 삽입물로 전달하는 것이다. 이 시스템은 사용자가 목표물을 확대 축소해서 볼 수 있게 하며 밝기나 대비율을 조절할 수 있다. Holz에 따르면 이를 잘 활용하기 위해서는 몇 개월에 걸친 힘든 훈련이 필요하다고 한다.
이번 연구에서는 38명의 지원자가 5개 유럽국가의 17개 병원에서 시술을 받았고 그 중 32명이 이식한지 일년이 지난 후 32명이 검사를 받았다. 이 중 26명이 임상학적으로 유의한 발전을 보여줬다. – 즉, 평균적으로 시력 테스트 표의 두번째 줄 글씨들까지 읽을 수 있었다. 결국 대부분의 참가자들이 PRIMA를 통해 얻을 수 있는 해상도와 가까운 시력을 회복할 수 있었다.
연구가 끝날 때쯤 대부분의 수혜자들은 PRIMA를 이용해 집에서 글자, 단어, 숫자들을 읽을 수 있었다. 32명 중 22명은 만족도를 중간이상이라고 말했다.
느린 읽기
하지만 이들의 실질적인 일상생활이 크게 향상된 것인지는 의문이다. 이름 밝히기를 거부한 일부 망막-퇴화관련 연구자들은 Nature에 의문을 제기하기도 했다. 즉, 시력에 관한 고된 훈련과 새로운 의료기구를 받을 때 생기는 강력한 동기부여가 검사 결과를 왜곡했을 가능성이 있다는 것이다. 또한 그들은 만약 삽입장치 없이 안경을 쓰고 훈련과정을 거친 대조군(위약군)과 비교했다면 보다 확실한 결과를 얻었을 것이라고 했다.
Holz 또한 현재의 시스템에 한계가 있다는데 동의했고, 앞으로 더 효율적인 삽입장치를 기대하고 있다고 말했다. “이번 첫 성공을 계기로 더욱 향상될 것입니다.”라고 말했다.
또 한 가지 걱정은 이 삽입장치가 줄 수 있는 최대 선명도다. PRIMA 시스템은 381 픽셀로 각 픽셀이 100 마이크로미터 정도이다. Holz는 대상인들의 “읽는 속도가 빠르지 않았다.”고 인정했다. 그리고 천연색이 아니라 흑백 시각을 제공한다.
Holz에 따르면 이 기구를 처음 개발했던 Stanford University in Palo Alto, California의 물리학자인 Daniel Palinker가 어떻게 색을 보이게 할지 방법을 생각해 두었다고 한다. 차세대 기구는 PRIMA보다 크고 보다 작은 픽셀로 채워 향상된 시각 선명도를 제공할 것이라고 한다. “이제 시작입니다.”라고 말했다.
비록 이 기구는 AMD환자들을 상대로만 시험되었지만, 이는 다른 이유, 예컨대 색소성 망막염(retinitis pigmentosa) 등의 이유로 광세포는 죽고 다른 망막세포들이 살아있는 사람들의 시각을 회복시키는데 도움이 될 것이다.
망막 삽입물은 이 문제만을 위해 개발된 것은 아니다. 다른 연구자들은 광수용세포를 재생하기 위한 줄기세포 치료; 안구유전학 치료, 빛에 반응하는 단백질을 남은 망막세포에서 발현시킴; 그리고 뇌의 시각피질에 삽입하는 경우 등에도 활용하고자 노력하고 있다.
“여기엔 무궁한 가능성이 있습니다. 그리고 다양한 접근법이 있죠.” Holz의 말이다. “마지막엔 무슨 일이 생길지 아무도 모르니까요.”
<이 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Liam Drew, 2025, People with blindness can read again after retinal implant. Nature News 20 Oct. 2025 (doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-03420-x)
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honeybee
biotechnology evolution
genetics
과학자들이 최근 발생한 미국 꿀벌의 집단 폐사의 원인을 찾아냈다.
최근 우리나라에서도 꿀벌들의 집단 폐사가 큰 문제로 대두되고 있습니다. 꿀벌의 대량 폐사는 인류멸망의 원인이 될 수도 있다고 할 정도로 우리는 꿀벌에게 많은 신세를 지고 있습니다. 10여년 전에도 꿀벌의 감소에 대한 대대적인 경고가 있었던 것으로 기억됩니다. 그 후 다소 잠잠하다가 최근 2-3년 사이에 우리나라는 물론 미국에서도 엄청난 대량 폐사가 일어났고 농작물생산에 위협이 될 정도라고 합니다. 또한 이런 대량 폐사는 꿀벌의 유지와 회복에도 지장이 있을 정도라고 하니 걱정입니다. 그 동안 살충제의 남용, 병원체나 기생충, 지구온난화, 서식지 파괴, 영양분 부족, 그 밖에 전자기파 등 환경적 스트레스 증가 등이 대량 폐사의 원인으로 거론되고 있습니다.
이번에 소개할 논문은 벌들의 대량 폐사에 대한 원인을 밝힌 논문입니다. 그 중에서 꿀벌 응애(mite)가 옮기는 deformed wing virus strain A와 B(DWV A, B)가 폐사한 꿀벌에서 비정상적으로 많이 발견되었고 이 바이러스에 의한 감염증이 폐사의 주된 원인으로 지목된 거지요. 실험은 이 바이러스를 감염시켰을 때 나타나는 꿀벌들의 행동변화와 치명률 증가를 통해 입증하였습니다. 그런데 사실 이 바이러스는 항상 치명적인 것은 아니라고 합니다. 오래전부터 벌에서 발견되기도 했고, 우리나라에서는 2009년에 첫 발견되어 논문으로 보고된 바가 있습니다(1). 마치 많은 사람들의 위장에서 발견되는 헬리코박터 파이롤리(Helicobacter pylory)가 항상 위궤양을 일으키지는 않는 것과 같죠. 그렇다면 왜 요즘들어 문제가 되는 걸까요? 아마도 이 바이러스를 옮기는 바로아 응애(varroa mite)가 지난 몇 년동안 살충제 내성이 된 것이 문제인 듯하다. 살충제의 남용은 내성을 키우고 결국 대량 발생을 유발하게되는 전형적인 양상입니다. 또한 지구온난화와 꿀벌들의 영양분 부족이 면역과 건강에 문제를 일으켜 평소에는 대량폐사 까지는 일으키지 않았을 바이러스가 치명적인 결과로 나타난 것일 수도 있습니다. 이제 살충제 내성 응애를 퇴치할 수 있는 살충제를 개발하던지, 적절한 항바이러스제를 개발해야 할 것 같습니다. 이렇게 문제가 해결되었으면 좋겠지만 개발에 걸리는 시간을 생각해보면, 당장에는 꿀벌들의 건강을 돌보고, 응애에 감염된 집단을 분리 제거하고 다른 감염되지 않은 집단을 번식시키는 재래식 방법이 필요할 것 같습니다.
(1) 한국원예학회지 = Korean journal of apiculture, v.24 no.1, 2009년, pp.23 - 30 최용수 등
그림 출처: bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2025.05.28.656706
USDA 연구진이 최근 꿀벌의 폐사 원인으로 살충제-내성 응애(mite)가 옮기는 바이러스를 지목했다.
미국 양봉업자들은 재앙적인 겨울을 보냈다. 면밀한 조사에 따르면 2024년 6월에서 2025년 1월 사이 미국 전체 상업용 꿀벌집단 중 62%가 죽은 것이다. 이는 지난 겨울의 55% 손실을 넘어 역대 최대 손실이다.
U.S. Department of Agriculture(미국 농림부, USDA)의 과학자들은 발빠르게 전례가 없는 폐사의 원인을 조사하기 시작했다. 하지만 트럼프대통령의 연이은 예산 삭감과 해고로 연구가 지연되었고, 이제 6개월이 지나 마침내 범인을 밝히게 되었다.
bioRxiv에 사전 게재된 논문에 따르면 폐사 집단 대부분이 기생성 응애가 퍼뜨리는 바이러스에 감염된 것으로 나타났다. 더욱 위협이되는 것은 연구자들이 조사한 모든 응애가 아미트라즈(amitraz)에 내성이 있었다는 점이다. Amitraz는 인간이 가진 무기 중 응애 살충제(항-응애 약제)로 알려져 있다.
응애 살충제에 대한 내성의 발달을 주목할 필요가 있다고 전문가들은 말한다. 꿀벌은 미국에서 90가지 이상의 작물을 수정시킨다. 이는 200억에서 300억 달러에 이르는 농작물 수확으로 미국의 먹거리를 안정적으로 공급하는데 핵심적인 역할을 한다.
“여기엔 여러 가지 문제가 있습니다.” 꿀벌 폐사를 조사하는 비영리단체의 Project Apis m.의 executive director인 Danielle Downey의 말이다. 많은 요구에도 불구하고 USDA는 Science에 실린 논문에 대해 3주가 지나도록 언급이 없었고, 한 대변인이 “(요구를) 부서에 이관시킬 필요”에 대해 언급한 정도다.
응애 살충제 – 내성인 바로아(varroa) 응애는 양봉 업자들 사이에 몇 년 동안 회자되던 사항이다. 또한 양봉업자들이 응애-내성인 벌을 개발하려는 노력도 있었다. 1980년대 이 기생충은 진화하여 적어도 4가지 종류의 응애 살충제에 내성을 갖게 되었다. 불행하게도 새로운 살충제의 개발은 어려웠고 amitraz가 그나마 가장 효과적인 것으로 알려졌다. 하지만 그 예비논문에 따르면 이것도 곧 뒤안길로 물러날 것이라고 한다.
이 연구에서 발견된 것은 “염려스럽다.”고 이 연구에 직접 관여하지 않았던 The Virginia Polytechnic Institute and State University의 절지동물 살충제 전문가이며 독물학자인 Aaron Gross는 말한다. 비록 응애 살충제인 amitraz는 사람이나 벌에게 무해하다고 알려졌지만 높은 농도에선 벌들을 약화시킬 수 있다고 한다. Amitraz를 잃는 다는 건 양봉업자들에겐 큰 손실이 될 수 있다. 왜냐하면 다른 살충제들은 더 독하거나 효과가 떨어지기 때문이다. “단순히 응애를 없에는 문제가 아니라 벌을 다치지 않게 하는 데에도 신경을 써야 합니다.”
USDA의 연구자들은 죽은 벌들의 사채를 검증하면서 응애를 찾아냈고 이들이 amitraz에 내성이라는 것도 밝혔다. 이 팀을 이끌었던 Jay Evans와 Zachary Lamas는 USDA’s Bee Laboratory in Beltsville, Maryland에 근무하는 벌 연구자들로, 이들은 미국 전역에 폐사한 113개 집단의 사체를 수거하였고 이 외에도 왁스, 화분, 꿀, 그리고 다른 기생충 까지도 모아 연구하였다. 이 시료들을 Beltsville and Baton Rouge, Louisiana에 위치한national bee lab으로 보냈고 여기서 DNA와RNA를 추출하여 바이러스나 박테리아의 유전적 흔적들을 찾아보았다. 이들은 varroa 응애로부터 DNA를 분석하였고 응애 살충제-내성과 관련된 유전자들을 찾고자 하였다.
Keystone Policy Center의 벌 건강 집중연구 연합팀을 이끌고 있는 Matthew Mulica는 응애에서 유래된 바이러스가 이렇게 많은 집단의 치명적인 원인 일 수 있지만 다른 요인들 즉, 살충제에의 노출, 부적절한 영양상태 등이 이 질병에 더욱 취약하게 만들었을 가능성을 지적하였다. 다음 주에 USDA는 죽은 벌들에서 살충제성분이 얼마나 검출되었는지 발표할 예정이다. 하지만 Mulica에 따르면 첫 보고서는 아직도 첫 진단(바이러스 감염설)을 강력히 지지한다. “이 연구의 결과가 나왔고, 우리가 검증해야 할 무언가를 발견했다는 것이 좋은 것입니다.”
응애 살충제는 그 힘을 잃었고 연구자들은 그 바이러스를 직접 공략할 수 있는 방법을 찾기 시작했습니다. 이 응애의 문제는 단일가닥 RNA로 된 바이러스를 옮긴다는 것입니다. 원론적으로는, RNA 간섭이라는 기술로 벌의 면역계를 유도할 수 있고 바이러스로부터 보호할 수 있게 될 것입니다. 하지만 이런 기술이 실험실 밖으로 나와 상용되기 까지는 많은 시간이 필요하다. 그리고 Mulica는 아직 이 바이러스에 대한 항바이러스제가 없다고 첨언하였다.
현재까지는 Project Apis m.과 같은 기관에서 추천하는 것은 varroa 응애를 제어하기 위한 모든 방법을 동원하는 것이다. 이는 amitraz 외 다른 살충제를 돌아가면서 사용하고 기구를 불이나 알코올을 이용하여 소독하고 병든 집단은 분리하여 응애가 다른 곳으로 옮아가지 못하게 하는 것이다.
일부 양봉업자들에겐 이 응애와 이들이 amitraz에 내성이 있다는 소식이 너무 늦게 도착했을 수 있다. 이 출간 예정인 논문은 미국 양봉업자들이 재설치를 하는 시기의 끝자락에 공개되었다. 여름이 시작되고 이후에 새로운 집단으로 바꾸기는 어려울 것이다. 특히 벌집을 제대로 다루지 못했을 경우에 말이다. Downey는 비록 양봉업자들이 올해도 열심히 일했지만 예전에 비해 적은 수의 벌들을 데리고 일해야 할 것이라고 말한다.
꿀벌 집단은 한두 해 어려운 시기를 지나면 회복될 수 있다. 하지만 너무 많은 손실이 생기면 재앙이 되고 이는 양봉업자들이 USDA와 같은 기관의 전폭적인 지원이 필요해질 수 있음을 의미한다. “올바른 방향과 지원책으로 실질적인 노력을 해야 이런 일이 다시 발생하지 않도록 할 수 있습니다.” Downey는 말했다. “이를 위해 USDA와 대학의 실험실들은 핵심 요소가 되겠죠.”
<이 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Thompson J, 2025, Scientists identify culprit behind biggest-ever U.S. honey bee die-off. Science News 30 Jun 2025.
<원 논문>
Zachary L, et al., 2025, Viruses and vectors tied to honey bee colony losses. bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2025.05.28.656706
130
lichen
evolution biotechnology
physiology
UV-C는 거의 모든 생물을 죽인다. - 아주 특이한 생물만 빼고
태양은 각종 전자기파와 입자들을 쏟아 냅니다. 그 중에서 우리 눈에 보이지 않는 짧은 파장의 전자기파를 자외선(UV)라고 부르는데 자외선도 그 파장대에 따라 UV-A (320 ~ 400 nm), UV-B (280 – 320 nm), UV-C (200 – 280 nm) 로 나눌 수 있습니다. 상식적으로도 파장이 짧은 UV-C가 가장 위험하다고 합니다. 이 파장대의 UV-C를 의료제품의 멸균용으로 사용하고 있는 것만 보아도 알 수 있습니다. 그런데 여름철 바닷가에서 우리 피부를 손상시키는 UV-A, B와는 달리 UV-C는 지구를 둘러싸고 있는 오존층에 의해 거의 모두 막히기 때문에 지구 표면에 붙어사는 생물들에겐 도달하지 않는 것으로 알려져 있죠. 하지만 지구를 벗어난다면 얘기가 달라집니다. 지구밖에서는 UV-C가 쏟아질 것이고, 이로 인해 DNA, RNA 등 생체내 주요 분자들이 모두 파괴되어 생물이 살 수 없을 것입니다.
우리는 언젠가 우주를 여행하고 그곳에서 살아갈 날들이 있을 것이라 생각합니다. 그런데 우주는 지구환경과는 전혀 다른 환경이고 이중 UV-C도 큰 문제가 될 것입니다. 여기 소개한 글에 따르면 사막에 사는 지의류(lichen)의 일종인 Clavascidium lacinulatum은 이런 문제를 해결할 수 있는 능력을 가진 생물입니다. 이들이 만들어내는 항산화제들이 UV에 의한 손상을 경감시키기 때문이라고 합니다. 이는 지의류가 탈수에 의한 산화 스트레스를 견디기 위해 만든 물질들이UV-C를 막아주는 데도 역할을 한 것으로 생각됩니다. 지의류는 해조류(algae)와 균류(fungus)의 공생체로 우리 주위에도 암석표면이나 딱딱한 나무껍질 표면에 붙어 자라는 것을 볼 수 있죠. 광합성을 통해 스스로 에너지를 만들 수도 있고 생물계의 화학자라고 할 수 있는 균류가 생존에 필요한 물질들을 만들수 있어 열악한 환경에도 적응해서 살 수 있는 능력으로 유명합니다. 이미 소개된 완보동물(Topic No. 122)과 함께 당장 화성 표면에 옮겨 놔도 살아갈 것 같은 몇 안되는 생물 중에 하나인 것 같습니다.
지의류가 갖고 있는 햇빛 차단제가 우주에서 살아가는 방법을 제시할 수 있다.
사막에 서식하는 지의류(lichen)의 일종인 Clavascidium lacinulatum은 지구상의 생물들이 경험해본 적이 없는 짧은 파장의 자외선에 대해 내재된 차단제를 갖고 있다.
만약 한번이라도 해변이나 수영장에서 열상을 입어본 적이 있는 사람이라면, 자외선으로 지구를 쪼이고 있는 태양을 모를 리 없을 것이다. 하지만 해변에서 선블럭 크림으로 막을 수 있는 UV는 태양에서 오는 가장 나쁜 것은 아니다. 다행히도 지구의 오존층이 UV-C라고 부르는 더 짧은 파장의 UV를 막아준다. UV-C는 강하게 쪼이면 세포를 크게 손상시키기 때문에 병원에서 멸균기로 사용하고 있을 정도다.
사실 UV-C의 강력한 살생효과 때문에 지구 밖의 화성이나 다른 행성에서 생물이 살아 남을 수 있을지 의문을 갖게 만드는 요인이다. 하지만 이번 달 Astrobiology에 발표된 연구에 따르면 해조류와 균류의 공생체인 지의류(lichen)가 자신이 만든 태양차단물질을 이용해 이 UV-C 문제를 해결한 것으로 생각된다. 사실 이런 광선은 지난 진화기간 동안 생물들이 경험해보지 못한 것이다.
“결과는 아주 흥미롭습니다. 생물은 우리가 생각했던 것보다 더 강하다는 것을 보여준 것이죠.” Pennsylvania State University의 천문생물학자(astrobiologist)인 Christopher House의 말이다.
이 연구는 호기심에서 시작되었다. 2020년 Desert Research Institute (Research Center for the Nevada System of Higher Education)의 우주생물학자인 Henry Sun은 모하비 사막에서 현장 연구를 하면서 사막에서 자라는 검은색의 지의류를 목격하였다. 지의류는 균류가 개체의 형태를 제공하고 해조류가 균류에 붙어 광합성을 통해 에너지를 공급하는 합체형 생명체라고 할 수 있다. Sun은 초록색을 띄는 엽록소를 감싸고 있는 지의류의 검은 색이 햇빛이 쨍쨍한 사막에 적응하기 위한 것이라고 생각했다.
그는 이 사막의 Clavascidium lacinulatumsample을 실험실로 가지고 왔고, 당시 대학원생이며 현재는 NASA의 Goddard Space Flight Center에 근무하는 Teiinder Singh이 여기서 수분을 제거헀다. Singh은 우선 지의류를 완전 탈수시켜 다시 자랄 수 없게 또한 UV 손상을 감출 수 없게 만들었다. 그리곤 이 지의류를 UV 등 밑에 불과 몇 센티미터 거리에 두고 키웠다. 지의류는 겉보기에 괜찮은 듯 보였다.
이에 Singh은 구할 수 있는 가장 강력한 UV-C 램프를 구입하였다. 이는 화성에서 조사받는 선량의 약 20배를 쪼일 수 있는 세기를 갖는다. 이 램프를 가장 UV에 강한 것으로 알려진 박테리아인 Deinococcus radiodurans에 조사를 한 결과 수 분 안에 모두 죽는 것을 볼 수 있었다. “우리 생각에 지의류는 몇 시간 잘해봐야 하루정도 견딜 것으로 예상했죠.” Singh의 말이다. “그런데 이들은 계속 살았어요.”
실험을 시작하고 석달이 지나 Singh은 그의 석사학위 논문을 위해 샘플을 꺼내야 했고 이는 아마도 생물에게 시험된 UV-C중에 가장 많은 양의 조사가 이루어진 것이라 믿는다. 약 절반 가량의 지의류 해조류 세포들이 생존하였다. Sun과 Singh은 이 지의류를 갈아서 배양한 결과 해조류 세포의 약 반 정도가 새로운 싹을 틔었고 2 주 후 콜로니를 형성하여 생식능력이 있음을 보여주었다.
재미있는 점은 이 실험은 온전한 지의류에서만 가능하였다는 점이다. 균류가 없는 해조류의 두꺼운 층을 UV-C 등 밑에 조사시키면 불과 몇 분 만에 죽었다. 즉, 단순히 바깥쪽 세포가 보호역할을 하는 것이 아니란 점이다.
어떻게 지의류가 살아 남을 수 있었는지 알아보기 위해, Sun의 연구진은 University of Nevada의 화학자 Reno를 합류시켰다. 그는 지의류의 2차 대사체 중에 UV- 흡수 물질들을 찾아냈다. 지의류를 비롯한 다른 생물체들은 가믐이나 생명에 위협이 되는 강한 햇빛의 스트레스를 견디기 위해 화합물들을 만들어 낸다. 그런데 오존층은 약 5억년 전에 즉, 첫 지의류가 나오기 전에 만들어진 것으로 따라서 이 물질들이 UV-C를 막기 위해 만들어진 것은 아니라고 생각된다. 그보다는 식물이 증가하면서 증가된 산소와 같은 지구 자체의 환경변화로부터 자신을 보호하기 위해 만들어진 것으로 이해할 수 있다. 산소는 대부분의 생물의 생존에 중요한 역할을 하지만 활성산소가 되면 다른 분자와 반응하여 DNA나 단백질에 손상을 줄 수 있고, UV가 다른 세포성분에 부딪쳤을 때 이런 활성산소가 많이 생성될 수 있다.
그런데 재미있게도 이 분자들이 안쪽에 있는 것이 아니라 C. lacinulatum의 바깥쪽으로 내보내져 효과적인 햇빛 차단제로 사용한다는 것을 알아냈다. 사실 플라스틱 공정에서도 2차 대사체와 똑 같은 빙법으로 UV-내성 물질을 사용하고 있다고 Sun은 말했다.
“기본적으로 우리는 2차 대사체의 역할을 잘 모릅니다.” Bringham Young University에서 지의류를 연구하는 Steven Leavitt의 말이다. 하지만 이 연구에 직접 참여하지 않은 Leavitt은 화합물들의 다양한 쓰임새가 열악한 환경에서 지의류가 살아남게 해준 열쇠라고 생각한다.
이런 강인함은 지구에서만 요긴한 것이 아니다. 지의류는 오래전부터 지구보다 약 40배 강한 우주선이 내리 쪼이는 화성을 비롯한 지구 외 행성에서 살아갈 수 있는 생물로 주목받아 왔다. 국제 우주정거장(international space station)과 같은 일부 실험에서 지의류는 살 뿐 아니라 광합성도 할 수 있음을 보여주었다.
Leavitt에 따르면 “생존과 내성은 성공과 지속성 그리고 생식과는 또 다르다는 것을 기억해야 한다고 했다. 다시 말하자면 지의류가 강력한 우주선에서 살아 남았다는 것이 익숙치 않은 지구 밖 조건에서 수천년 동안 번성할 것임을 의미하지는 않는다는 것이다.
대신 연구자들은 이런 실험이 오존층이 사라질지도 모르는 지구 환경에 대한 시험이 될것이라고 이 연구에 직접 참여하지 않은 University of Colorado Boulder의 식물학자이자 지의류 연구자인 Erin Manzitto-Tripp은 말했다.
그래도 이 UV-내성인 지의류는 우주에서 실험할 또는 우주에서 진화할 생물체를 찾는 생물학적 숙제를 하나 해결했다고 본다. House 말에 따르면 UV-C가 넘쳐나는 행성에서의 삶을 생각해보면 이 연구는 “문제를: “서식이 가능한가?”에서 “가능하긴 한데 어떻게?”라는 질문으로 바꾼 셈이다.
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Hannah Richter, 2025, UV-C light kills nearly everything—except this unusual organism. Science News 27 Jun 2025 (doi: 10.1126/science.ztsett1)
<원 논문>
Singh T et al., 2025, UVC-Intense Exoplanets May Not Be Uninhabitable: Evidence from a Desert Lichen. Astrobiology 25:404-413 (DOI: 10.1089/ast.2024.0137)
122
tardigrade
evolution biotechnology
genetics
완보동물의 단백질이 방사선으로부터 생쥐 세포를 보호한다.
세상에는 이상한 동물들이 많지만 그 중에서 가장 생존력이 좋은 놈을 꼽으라면 늘 1위로 뽑히는 동물이 있습니다. 바로 완보동물(Tardigrades; 또는 곰벌레)이죠. 맨 눈으로 볼 수는 없기 때문에 보통 사람들은 살아있는 놈을 본적은 없을 것입니다. 하지만 이끼 같은 곳에 거의 항상 발견되며 현미경을 통해 보면 그 움직임이나 생김새가 너무 귀여워 한번 보면 잊기 어려운 존재입니다. 이들의 생존력은 물이 거의 없는 환경이나 절대온도 0.05도(섭씨 – 272.95도)에서 섭씨 150도의 범위에서도 살 수 있고, 40,000 Kilopascal의 압력에도 견디며, 우주의 뜨거운 방사선에도 살아 남을 정도죠. 그렇다고 이들이 늙지 않고 영원히 산다는 얘기는 아닙니다. 사실 이들은 불과 수 개월 밖에 살지 못하죠. 하지만 이들을 얼려서 보관하면 30년 이상 살 수 있습니다. 완보동물은 지구 역사에 있었던 5번의 대멸종 시기를 모두 넘긴 아주 오래된 지구의 토착종이라고 할 수 있습니다. 이들의 비상한 생존 능력의 비밀은 이 생물의 유전체 연구를 통해 조금씩 밝혀지고 있습니다(2). 이렇게 밝혀진 사실 중에 완보동물에서만 발견되는 Damage suppressor (Dsup) 유전자에 의해 DNA가 보호된다는 사실을 알게 되었고 사람세포에 이 유전자를 발현시키면 방사선에 잘 견디게 된다는 사실 까지 알아냈죠(2).
아래에 소개한 글은 이런 발견을 이용하여 암의 방사선 치료에 부작용을 최소화 시키기 위한 in vivo 실험의 시도를 소개한 것입니다. mRNA기술이 발전하면서 살아있는 생쥐에게 일시적으로 유전자를 넣어 발현 시키는 방법을 사용했죠. 이는 지난 COVID-19시기에 mRNA 백신이 허용되면서 mRNA를 이용한 실험 기술이 크게 발전한 영향도 있습니다. 그런데 원래 생쥐에게 없던 DNA 결합단백질을 발현 시킨다면 어떻게 될까요? 사실 본인은 Dsup의 DNA 손상 보호 효과보다 원래 없던 DNA결합 단백질을 발현 시켰을 때 어떤 현상이 일어나는지 궁금해지는게 사실입니다.
완보동물의 단백질을 발현하는 생쥐세포는 방사선을 조사 했을 때 DNA 손상을 덜 입었다. 이는 암치료시 건강한 조직을 보호할 수 있을 가능성을 보여준다.
완보동물(Tardigrades) 또는 물곰(곰벌레, water bear)은 현미경으로 볼 수 있는 그리고 믿기 힘든 생존력을 가진 동물이다. 극한 온도나 진공상태에서도 살 수 있다. 또한 이들은 강한 방사선에서도 살아 남을 수 있다. 연구자들은 이 생물이 사람에게 치명적인 수준의 약 1,000배나 강한 방사선에서도 살아 남는다고 보고하였다(1). 어떻게 이 작은 생물은 스스로를 잘 방어해내는 걸까?
해답은 damage-supressing protein(Dsup)이라는 DNA에 결합하는 보호 단백질이 DNA의 가닥이 끊어지는 것을 막기 때문인 것으로 밝혀졌다(2). 연구자들은 완보동물의 놀라운 방사선 내성을 이용하여 방사선 치료를 받는 암 환자들을 도울 방법을 찾고자 했다.
이를 해결하기 위해 Massachusetts Institute of Technology, Brigham and Women’s Hospital과 University of Iowa의 연구진은 Dsup의 mRNA를 나노입자에 넣었다. 이 나노 입자를 생쥐의 구강암세포에 집어 넣었고 이 세포들이 Dsup 단백질을 만들며 방사선 조사에 강하다는 것을 발견하였다. 이 결과들을 Nature Biomedical Engineering 학술지에 방사선 치료시 건강한 조직을 보호하는 방법으로 제시하였다(3).
방사선 치료는 주위의 건강한 조직에 손상을 주고 염증반응을 유발하지만 이를 막을 방법이 없었다. 연구자들이 세운 가설은 이 완보동물의 보호 단백질에 대한 mRNA를 방사선 치료하기 얼마 전에 세포에 넣어주면 DNA의 손상을 막을 것이라고 생각했다. 그리고 몇 시간 후에는 mRNA와 단백질은 유전체에 끼어들기 전에 분해될 것이다.
mRNA의 전달을 극대화 시키기 위해 다양한 폴리머(polymer)와 지질의 성분들을 시험하였고, “우리는 현재까지 알려진 최선의 두 가지 방법을 -폴리머와 지질- 함께 사용하면 더 좋은 mRNA 전달이 가능할 것이라 생각했죠.” University of Minnesota의 약물학자이며 공동 연구자 이기도 한 Ameya Kirtane의 말이다.
우선 처음에는 폴리머-지질 나노입자의 효율성을 알아보기 위해 녹색형광 단백질(GFP) mRNA를 생쥐의 입과 직장에 처리해 보았다. 이들은 약 6시간 뒤에 GFP가 최대로 발현되는 것을 알 수 있었고 96시간 후에는 완전히 없어지는 것을 알았다. 나노입자는 주사된 근처에 남아 있었고 GFP와 Dsup-GFP는 세포 안에서 발현되었다.
다음으로는 Dsup mRNA을 포함한 나노입자가 방사선을 쪼인 입과 대장 암세포에 어떤 영향을 주었는지 평가하였다. 이들은 double-stranded DNA의 손상도를 측정하였고 그 결과 완보동물의 mRNA가 방사선으로부터 세포를 보호한다는 사실을 발견했다.
이 연구진은 Dsup 전달 시스템을 건강한 생쥐에서 조사해 보았다. 발현을 극대화 하기 위해 생쥐의 구강에 주입한 후 6 시간 뒤에 방사선을 조사하였다. Dsup 처치를 받은 생쥐는 DNA 이중나선에 손상이 줄어들었다. 연구진은 의도치 않은 효과들에 대해서도 조사하였으며 억제성 또는 염증성 사이토카인의 양에 변화가 없었다.
이 치료법을 질병 모델에서도 연구하고자, 구강암세포를 생쥐의 턱 한쪽에 주입하였다. 일단 종양이 50mm로 커지면 연구자들은 반대편 턱에 Dsup 처치를 하였다. DNA 손상은 앞과 같은 방법으로 시행하였고 그 결과 앞선 실험과 비슷한 결과를 얻을 수 있었다: 즉, Dsup 처방이 주입한 부위의 방사선에 의한 DNA손상을 현격하게 줄였다. 주목할 점은 이 mRNA 처방은 방사선 치료 전에는 암에 아무런 효과도 보이지 않았다는 점이다. 이는 Dsup-치료는 방사선 치료 중 정상 조직을 보호한다는 새로운 개념을 입증한 셈이다.
“이건 건강한 조직을 보호하기 위한 완전히 새로운 접근법이라고 생각됩니다. 또한 방사선 치료에 부작용을 최소로 줄이는 방법을 제시한 거죠.” University of Iowa의 의사-연구자이며 이 연구의 공동연구자이기도 한 James Byrne의 말이다.
완보동물의 특이한 단백질이 갖는 보호 기능을 이용하여 앞으로 방사선, 화학요법, 그리고 우주 여행 등에서 DNA를 보호하는 방법으로 활용될 수 있을 것이다.
< 이 글은 아래의 가사를 번역한 것입니다,>
Laura Tran, PhD, 2025, TTardigrade Protein Shields Mouse Cells from Radiation. The Scientist, Mar 4, 2025.
<원 기사의references>
(1) Clark-Hachtel CM, et al. The tardigrade Hypsibius exemplaris dramatically upregulates DNA repair pathway genes in response to ionizing radiation. Curr Biol. 2024;34(9):1819-1830.e6.
(2) Hashimoto T, et al. Extremotolerant tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein. Nat Commun. 2016;7(1):12808.
(3) Kirtane AR, et al. Radioprotection of healthy tissue via nanoparticle-delivered mRNA encoding for a damage-suppressor protein found in tardigrades. Nat Biomed Eng. 2025.
116
RNA
aging biotechnology
cell biology physiology
RNA분자가 늙은 생쥐를 다시 젊게 만들 수 있다.
인간의 젊음에 대한 욕망은 아주 오래 전부터 계속되어 왔습니다. 생명과학이 엄청난 속도로 발전하고 있는 요즘 수명 연장과 젊음 유지는 최대의 연구과제가 아닐 수 없겠죠. 지금도 사람의 수명과 젊음을 연장하는 방법을 찾기 위해 수많은 연구실에서 수많은 다른 동물들을 실험 대상으로 연구하고 있을 것입니다.
아래의 글은 자신의 수명과 젊음을 연장하고자 하는 사람들에게 또 다른 희망찬 소식을 전하고 있습니다. 생물학은 워낙 밝혀지지 않은 부분들이 많기 때문에 실험 결과를 예측하기가 참 어렵습니다. 특히 이번에 소개된 논문처럼 아무도 시도해보지 않은 또는 실행하기 어려운 실험을 한 경우 그 결과는 실험 당사자들만이 낼 수 있고, 논문 심사자(reviewer)는 그 실험 결과와 해석이 과학적으로 오류가 없는지 정도만을 평가한 것입니다. 워낙 사회적으로 중요한 이슈라면 빨리 게재하는 것이 중요하기에 사실 그 안에 어떤 진실들이 숨어 있는지 다 알아낼 시간을 줄 수가 없죠. 일단 출판이 되었으니 이제부터 차츰 다른 실험실에서도 재현 실험들이 반복적으로 나오면 진실로 인정되고, 그 기반 위에 또 다른 메커니즘 연구나 응용실험들이 쌓여 올라갈 것입니다. 그 결과는 과연 무엇일지 궁금합니다. 이미 세계의 수 많은 제약회사는 물론 내놓라는 권력자나 부자들이 항노화-RNA실험에 투자하기 시작했을 것 같군요.
microRNA를 주사한 생쥐는 더 오래 살았고 노화의 징조도 적게 나타났다. 하지만 이것이 인간에게도 작동 할지는 아직 알 수 없다.
늙은 생쥐에게 RNA분자를 주사한 결과 노화가 개선됬다.-더 오래 살게 해주었고 털이 다시 나왔으며 육체적, 정신적 능력이 유지되었다.
지난 1월 15일 Cell Metabolism에 게재된 논문에 따르면 이 처치는 노화의 핵심 징후 중 하나인 세포 노화, 즉 분열을 못하게 되는 증세를 개선하여 작동한다. 연구자들은 이 발견이 향후 항노화 약품을 개발하는데 도움이 되길 바라지만 아직은 사람에게 적용하기까지는 많은 것들이 밝혀져야 한다고 한다.
사람은 나이가 들면 세포들도 늙고 사이토카인 같은 화학물질들을 많이 분비하여 염증을 일으키게 된다. 이러면 질병에 대항하거나 회복하는 능력이 떨어지게 되고, 암이나 심혈관계 질환, 당뇨 그리고 인지능력 감소 등과도 연결된다.
이제 과학자들은 노화를 늦출 수 있는 miR-302b라는 분자에 영점을 맞추고 있다. 이 분자는 microRNA에 속한다. miRNA는 단백질 암호는 없지만 면역이나 암세포 억제 등에 관련되어 있다는 사실이 알려져있다. The Chinese Academy of Sciences Institute of Biophysics inBeijing의 생물물리학자인 Guangju Ji와 동료들은 배양 사람세포를 이용하여 인간의 배아줄기세포에서 나온 엑소솜(exosome)-세포 간에 RNA분자 등을 옮겨주는 알갱이-이 늙은 세포의 분열능력을 회복시켜준다는 사실을 입증해 냈다.
그들은 사람으로 치면 60대 70대에 해당하는 20에서 25개월이된 생쥐들을 실험에 사용하였다. 이들에게 정상인 사람의 엑소솜을 주사하였고 이 중 일부에는 세포분열과 관계된 miR-302b를 첨가하여 사용하였다. 대조군에는 식염수만 주사하였다.
시간을 되돌리다.
이런 처치를 받은 생쥐는 대조군에 비해 평균 약 4.5 개월 더 살았다. 이들은 빠졌던 털이 다시 나기 시작하였고 체중도 높게 유지되었으며 회전하는 막대에 더 오래 균형을 잡고있을 수 있었으며 체중을 버티며 매달리는 시간도 늘었다. 이러한 신체건강에 대한 지표의 향상은 처치된 생쥐에게서 시간이 지나면서 더 나타났으며 대조군에서는 더 감소하는 것을 볼 수 있었다.
처치된 생쥐의 경우 염증관련 단백질들의 수치도 감소하였고 수조-수수께끼(water-maze test: 불투명한 물속에서 발판을 기억해 찾아가는 실험)를 더 빨리 해결할 수 있었다. “이런 결과들은 miR-302b의 처리가 수명을 연장했을 뿐 아니라 나이가 들면서 감소하는 육체적, 정신적 능력까지도 향상시킨다는 것을 보여준 것이죠.”라고 Ji는 말했다.
“여기에 희망적인 신호들이 나오긴 했지만 아직 모르는 것이 많습니다. 다만 시작이 좋은 것 같군요.” the University of California Berkley에서 노화를 연구하는 Iran Conboy의 말이다. 그녀는 이 miR-302b가 실제로 항노화효과가 있는지 확인해야하고 사람에게 부작용이 없는지도 확실하게 조사해야 할 것이라고 덧붙였다.
만약 생쥐의 수명이 몇 개월 연장되었다면 “이게 사람에게 어떻게 반영될지 모르겠군요.”라고 그녀는 말했다. “생쥐에게 불과 몇 개월이지만 사람에겐 수 년이 될 테니 암이 발생할 수도 있을 것입니다.”
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Nature 637, 1030-1031 (2025) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00032-3
<원 기사의 참고 논문>
1. Bi, Y. et al. Cell Metab. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.11.013 (2025)
115
proteomics
health biotechnology
cell biology
우리 세포 안에 숨어 있는 ‘암흑 단백질’과 질병
‘암흑 단백질이라고 들어봤는가?’ 흥미를 끄는 질문입니다. 세포안에서 어떤 일이 벌어지고 있는지 궁금해서 세포를 연구해온 본인에겐 아직도 미지의 세계가 있다는 게 다행이란 생각이 듭니다. 생물이 보여주는 엉뚱하고도 기막힌 삶의 방식을 보노라면 산다는 게 수학-물리처럼 이론에 딱 맞아 떨어지긴 어렵겠단 생각이 듭니다. 일찍이 많은 석학들이 생명현상에 궁금증을 갖고 나름 기막힌 통찰력으로 삶을 이해하고 정의하려는 노력을 했던 것 같습니다. 아직 까지는 성공적이지 못하지만 말입니다. 그 뛰어난 석학들이 아직 해결하지 못하는 이유는 우선 아직 발견되지 않은 삶의 방식이나 현상이 있기 때문일 것입니다. 우리가 생물을 잘 모른다고 단적으로 얘기할 수 있는 이유는 아직 해결되지 않는 부분이 있기 때문입니다. 즉, 인간의 질병이나 노화, 죽음 등이 그것입니다. 만약 인간이 생물이 아니었다면 사람들이 생물학을 이렇게까지 연구하지는 않았을 것 같습니다. 딴 나라의 시골에 조그만 웅덩이에 사는 작은 박테리아나 바이러스에까지 신경 쓰지는 않았을 것 같다는 것이죠. 그런데 인간은 생물이고 놀랍게도 초파리나 선충, 심지어는 장속에 사는 대장균까지도 우리와 비슷한 방식으로 살아가고 있다니 놀라운 일이 아닐 수 없습니다. 그래서 다른 생물을 통해 우리 건강, 식량, 환경 문제들을 이해하고 해결해 왔고 지금도 다른 생물들을 통해 인간의 질병이나 행동까지 연구하고 있는 것입니다.
아래의 글은 그 동안 잘 알려지지 않았던 세포내 작은 단백질들(암흑 단백질, dark protein)이 무슨 일을 하는지에 대한 연구를 소개한 글입니다. 이전의 이슈에서도 long-noncoding RNA에서 micro protein들이 합성되고 있고 중요한 역할을 한다는 사실을 소개한적이 있습니다(Topic No. 045, 051). 이젠 lnRNA뿐 아니라 다른 의외의 곳에서 유래된 단백질들도 꽤 많다는 것과 이들의 기능이 무엇일까?라는 질문에 대한 얘기 입니다. 동물 세포에만 있는 현상인지 아니면 모든 세포에 보편적인 현상인지부터가 궁금해지는 군요.
사람의 유전체는 그 동안 간과되었던 수 천 가지의 작은 단백질을 만들 수 있다. 이들이 어떤 일을 하는지 알아보는 연구가 진행 중이다.
2009년 Jonathan Weissman은 실제 세포 안에서 어떤 일이 일어나는지 알아보는 새로운 방법을 찾고 있었다. 특히 분자생물학자로서 언제 어떤 단백질들이 만들어지는지 알고 싶었던 것이다. 그래서 그의 실험실은 단백질 공장이라고 할 수 있는 리보솜에서 직접 만들어지는 단백질을 분석하는 방법을 찾아냈다.
이 방법은 모든 세포에서 리보솜을 분리하여 여기에 붙어 있는 RNA를 염기분석하는데 관여했던 당시 post-doc인 Nicholas Ingolia(현재는 the University of California, Berkely에 근무)에 의해 개발되었다. 이 방법, 즉 리보솜 프로화일링(ribosome profiling)은 세포에서 만들어지는 모든 단백질의 정확한 양을 정확하게 알 수 있는 방법이다.
하지만 Weissman과 다른 이들도 이 방법을 쓰기 시작하면서 놀라운 사실을 발견하게 된다. 그들은 일반적인 유전자에서 나온 단백질만을 만드는 게 아니라 인간 유전체에서 당초 단백질을 만들지 못하는 것으로 알려진 부분에서 나온 것으로 생각되는 ‘암흑 단백질(dark protein)’을 만들어 내고 있다는 것을 발견하였다. “이때가 바로 ‘아!’ 하는 순간이었죠.” Whitehead Institute in Cambridge, Massachusetts에 근무하는 Weissman의 말이다. 이어진 연구에서 그와 다른 실험실에서도 조사한 거의 모든 생물에서 이런 예측 못했던 번역이 일어나고 있음을 발견하게 된다.
15년이 지난 지금도 과학자들은 이 단백질이 왜 만들어지는지 몰라 머리를 긁적이고 있는 셈이다.
암흑 단백질(dark protein)은 짧다-불과 수 십 개 또는 그 이하의 아미노산 길이이다. 그리고 대부분은 다른 생물체에서 유사한 것을 찾을 수 없다. 연구에 따르면 일부는 세포에서 필수적인 역할을 하며 사람의 건강에 영향을 줄 수 있다고 한다. 이들은 특정 암세포에서 많이 존재하며, 일부 회사들은 이 암흑 단백질을 표적 삼아 연구를 진행하고 있다. 하지만 이 신비로운 존재는 그들이 중요한 일을 하는지 또는 세포 안에서 아주 오랫동안 남아 있는지 등은 아직도 불확실하다.
University of Sherbrooke에서 단백질체학(proteomics)을 연구하는 Marie Brunet에 따르면 이 문제는 과학자들이 무엇이 문제인지조차 파악하지 못하고 있다고 한다. “만약 어떤 단백질이 보관함에 없다면 이걸 찾을 생각도 못하는 거죠.”
유전자수의 난제
Brunet은 사람의 유전체에 의해 만들어지는 모든 암흑 단백질을 조사 보고하는 글로벌 작업에 참여했다. 이 작업은 연구자들이 암흑물질에 관심을 갖게 하고, 이를 통해 이 단백질들이 무슨 일을 하는지 하나 하나 밝혀 나갈 수 있게 하는 것이다.
흥미로운 계획이라고 the PrincessMáxima Center for Pediatric Oncology in Utrecht, the Netherlands의 시스템 생물학자이며 이 프로젝트에 참여하고 있는 Sebastiaan van Heesch은 말했다. “여기에 새로운 생물학이 있는 건 분명했죠.”
사람 유전체가 2000년도에 처음 발표된 이후 연구자들은 단백질을 암호화하는 유전자 수가 몇 개 인지 알아내고자 열심히 조사하였다. 전형적인 방법으로 open reading frame(ORF)을 찾는 것이다. 즉, 특정 코돈(3개 염기)들이 단백질을 만들 수 있게 배열된 부분을 찾는 것이다. 유전체 학자들은 다른 단서도 살펴봤는데, 예를 들면 다른 생물들 간에 잘 보전되었는지 충분한 길이인지 등을 근거로 하는 것이다. 이들은 세포 안에서 기능을 가진 단백질이 만들어질 가능성에 대한 판단 기준이라고 할 수 있다.
이 기준에 미달된 많은 ORF들이 단지 생물학자들의 추측에 의해 무시되었다. 예비 유전자들의 명단을 만든 연구집단들, 예를 들면 GENCODE 프로젝트등이 제시한 단백질을 암호화한 유전자는 약 20,000개이다. 이중 약 90%가 실제로 만들어진 단백질 등을 통해 확인된 것이다(실제로는 각 유전자가 엑손을 포함시키는지 여부에 따라 다수의 단백질을 만들 수 있었다.). GENCODE를 비롯한 다른 연구 프로젝트에서도 데이터가 나오는 데로 예상치를 조정하고 있다.
하지만 University of Michigan Medical School in Ann Arbor의 암 생물학자인 John Presneer에 따르면 이런 추산은 부정확하다고 한다. 2001년까지 단백질에 대한 유전자를 모두 찾아 낼 수 있을 것이란 생각은 잘 못 알려진 것이라고 한다. “사람 유전체 프로젝트의 주도자들은 이게 단지 시작에 불과하다는 것을 알았습니다.” Prensner의 말이다.
리보솜에 결과물을 바로 측정할 수 있게 되면서 그 동안 간과되었던 ORF들과 이들이 만들어내는 단백질들의 기능에 대한 관심이 폭발적으로 늘어났다. Prensner, van Heesch 그리고 다른 연구자들이 합동하여 2022년 Nature Biotechnology의 논문에 ‘비-전형(non-canonical) ORF’ 7,000개를 발표하였다. 이들은 당초 단백질을 만들 조건을 충족시키지 못하여 데이터베이스에서 빠져 있던 것들이다. (van Heesch에 따르면 이 숫자도 최소로 잡은 것이라고 한다. 일부 연구에 따르면 사람 유전체에 의해 암호화된 암흑 단백질의 수는 만개가 넘을 것이라고 한다.
대부분의 비전형 ORF는 주로 기존의 전형적인 유전자 부근에 위치한다고 한다. 이중 약 1/3이 long non-coding RNA(lnRNA)의 유전자에서 발견된다-lnRNA는 조절의 역할을 하지 단백질을 만들 것 이라고는 여겨지지 않았었다.
단지 단백질이 만들어진다는 이유만으로 이 단백질이 안정하고 중요한 기능을 갖는 것을 의미하지는 않는다. 리보솜에 의한 비전형 ORF의 번역은 때론 인근 유전자의 발현을 조절하는데 활용되기도 한다. 예를 들면 빨리 분해되는 산물을 생산하게 하여 리보솜을 방해할 수도 있다고 Presner와 다른 이들도 주장한다. 이런 종류의 조절은 단백질 암호화 부위 앞에서 일어난다.
2022년의 논문에 앞서 내놓은 예비논문에서 Prensner, van Heesch 그리고 이 연구단에 가담한 유전체학과 단백질체학 전문가들은 -수십억개 데이터 점에 해당하는- 수많은 단백질체 데이터들을 샅샅이 조사하고 mass spectrometry 등의 방법을 통해 세포내 단백질들을 동정하였다(3). 이들은 약 1,700종의 비전형 ORF에서 나온 단백질조각들을 발견하였다. 이 중 15개는 단백질로 확인하기에 충분한 증거가 있어 정식으로 단백질 유전자로 등록되기도 하였다.
하지만 비전형 ORF가 단백질을 만든다는 확실한 증거는 없다. 문제는 여기서 나올 가능성이 있는 단백질의 크기가 작다는 것이다. 연구자들은 일반적인 단백질들의 크기는 평균 수 백개 아미노산에서 이 보다 긴 경우들이 대부분인데, 이들은 불과 100개 아미노산 보다 짧기 때문에 이들을 마이크로 단백질(micro protein)이라고 부른다. 이들의 작은 크기는 같은 조각을 찾는데 어려움을 준다-이 조각은 실험에서 단백질을 조각내어 만들어지는 것들이며 질량을 비교하여 동정한다. 세포를 깨서 만든 샘플은 긴 단백질의 조각들이 지배적으로 많다. 특히 마이크로 단백질의 양이 적을 경우 어려움이 더하다고 van Heesch는 말한다.
연구자들이 단백질 구조를 추측하는 AI-tool로 유명한 알파폴드(AlphaFold)를 이용하여 암흑단백질들의 구조를 추정해보면, 이 분자들은 잘 접혀진 고유한 단백질들의 구조는 찾기 힘들다. 하지만 Prensner에 따르면 “여기에는 우리가 놓쳤던 정형적인 단백질과 아주 닮은 예들도 분명히 있다.”고 한다. GENCODE와 그 밖에 기구들도 그 동안 간과되었던 단백질들을 다시 명단에 넣고 있다.
the European Molecular Biology Laboratory’s European Bioinformatics Institute in Hinxton, UK 에서 GENCODE 프로젝트에 참여했고 예비논문의 공동 저자이기도한 Jonathan Mudge에 따르면 리보솜 프로파일링을 통해 약 50개 정도의 서열이 밝혀졌고, 사람의 단백질 암호화 유전자로 새로이 등록되었다.
하지만 이들은 조심스럽게 움직이고 있다고 한다. GENCODE와 같은 곳에서 얻은 결과를 이용하는 사람은 생물학자들만이 아니다. 의료인들도 이런 데이터베이스에 의존하고 있으며, 만약 의심스러운 단백질 암호화부위를 다량 첨가해 버리면 유해한 변이를 찾는데 더 복잡하게 만들 가능성도 있다. Mudge는 “우리는 회의적이라기 보다는 그저 조심스러운 겁니다.”라고 말했다.
유전자 편집기술을 이용한 연구
암흑 단백질이 사람 유전체에서 발현될 가능성이 관심을 받을 때 즘에 CRISPR-Cas9 유전자 편집기술도 발전하였다. “갑자기 우리에게 비전형 유전자들을 선택적으로 제거할 수 있는 방법이 생긴겁니다. 이제 이들의 세포내 기능에 대해 질문을 할 수 있게 된거죠. ” Weissman이 말했다.
2022년 Science논문에서 Weissman의 연구 팀은 이를 보여주었다. CRISPR를 이용해 수 천개의 비전형 ORF를 인간의 유도 줄기세포와 암세포주 로부터 제거하여 번역되지 못하게 만들었다. 이 중 수 백 가지 경우에 CRISPR편집이 세포의 생장에 문제를 일으켰고, “많은 경우 마이크로 단백질이 세포에서 중요합니다.”라고 Weissman은 말했다.
이전 연구에서 이들은 왜 그런지 확인할 수 있었는데, 어떤 경우는 비전형 ORF에서 나온 단백질이 같은 mRNA 가닥에서 나온 단백질과 결합하기도 했다. 이는 박테리아에서 같이 조절되는 유전자들이 오페론이라는 단위로 인접하여 붙어 있는 것을 연상시킨다고 Weissman은 말했다. 암흑 단백질의 다양한 기능들을 알 수 있었는데: 그 중 하나가 세포분열주기와 관련된 것이고 다른 하나는 미토콘드리아 생리와 관계된 것이다.
암세포에는 특히 암흑 단벡질들이 많다. 소아 신경-암 전문의 이기도한 Prensner는 모든 인간 유전체에 존재하는 비전형 ORF가 일부 암에서 잘못 조절되면서 각종 치료에 대해 다르게 반응했을 가능성을 연구했다. “우리는 왜 암세포가 이들을 만드는지 핵심적인 질문을 한 것입니다.”라고 그는 말했다.
Weissman과 비슷한 실험에서, Prensner는 500개 이상의 비전형 ORF 중 약 10%가 CRISPR에 의해 불활성화되었을 때 세포생장에 문제를 일으켰다. Prensner와 그의 동료들은 유방암 세포주에서 증가된 암흑 단백질들을 밝혔고 이들은 세포분열을 조장하는 것으로 생각되었다.
작년에 출판된 논문에서 Prensner와 van Heesch 그리고 동료들은 치명적인 소아 뇌암(paediatric brain cancer)이 되는 medullablastoma 생성에 관여하는 암흑 단백질들을 밝혀냈다. 한 경우 연구자들은 세포분열이 아주 사나운 medulloblastoma 중에 암흑 단백질-인접한 부위의 전형적 ORF와는 독립적으로-발암유전자인 MYC가 과도하게 활성화된 아주 사납게 분열하는 medulloblastoma의 분열을 유도한다는 것을 보여주기도 했다.
이런 예는 빙산의 일각에 부과하다고 van Heesch는 말한다. 암흑단백질이 정상이거나 병든 세포에서 어떤 일을 하는지 이해하기 위해선 많은 노력이 필요할 것이라고 예상했다. “이 중 어느 하나만 연구해도 3-4년은 걸릴 겁니다. 여기 수 천개가 있어요.” 라고 말하며 “여기엔 발견되지 않은 수 많은 생물학이 있는 셈이죠.”
쓰레기를 버리다
하지만 이는 마치 검불더미에서 밀알을 골라내는 것처럼 어려운 일이다. “우리가 관찰한 수많은 단백질 중 믾은 종류의 단백질들이 안정하지 않고 기능도 없다는 것은 이들이 일종의 쓰레기일 가능성이 있다는 것이다.” Prensner의 말이다. “세포는 어떤 아미노산 서열을 만들고 이를 쓰레기 압착기에 넣어 반대편으로 배출하는 것과 같은 것이다.”
그 반대편에는 인간 백혈구 항원(human leukocyte antigen, HLA)이라고 부르는 면역 감시 시스템이 있어 이 단백질 조각을 세포막 표면에 노출시킬 수 있다. 이 시스템은 면역세포로 하여금 정상 조직을 공격하지 않고 바이러스나 암세포들의 위협을 알아체도록 한다. 세포가 만드는 대부분의 단백질들이 비롯 기능이 없다 해도 이런 방식으로 제시된다.
많은 양의 암흑 단백질들이 이 HLA에 의해 제시된 펩타이드를 분석하면서 밝혀졌다. 사실 연구자들은 이미 이들 대부분이 잘 못 만들어진 것이거나 단순히 번역을 조절하기 위해 만들어진 것이라는 몇몇 단서를 보아왔다고 Columbia University in New York City의 분자 생물학자인 Xuebing Wu는 말했다. 그는 많은 암흑 단백질들이 어떤 정해진 기능을 수행하기엔 너무 빨리 세포내 재활용 시스템으로 들어간다고 생각했다.
2023년도 Nature 논문에 Wu와 그 동료들은 암흑 단백질들이 리보솜에서 쓰레기 더미로 바로 가는 신호를 갖고 있다는 것을 발견하였다.
하지만 암흑 단백질 중 일부를 분해로부터 보호되며 기능을 수행할 가능성이 생기는 세포막으로 보내는 기작도 밝힐 수 있었다. 그리고 올해 발표된 리뷰논문에서 Wu의 연구팀은 기능이 있을 것 같은 약 1,000개의 암흑 단백질을 밝힐 수 있었다. 세포는 문제가 될 수 있는 암흑 단백질을 제거하는 것과 이들의 기능을 방해하지 않는 사이에 균형을 유지해야 한다고 그는 말한다.
비록 대부분의 암흑 단백질의 기능이 분명히 규명되지는 않았지만 과학자들은 이들의 존재가 중요하다고 한다. 이들의 존재가 면역계에서 조각의 형태로만 발견된다는 점에서 면역계에서의 역할을 생각해 볼 수 있다고 van Heesch가 주장했다. 리보솜은 에너지가 많이 필요한 소기관이다. 이런 단백질들의 생산하는데 드는 비용은 “상당하다.”고 본다. “왜 세포들은 이런 쓰레기를 계속 만들까요?” 그는 묻는다.
암흑 단백질들은 세포 안에서 과연 무슨 일을 하는 걸까? 제약회사들은 이들을 약품의 유력한 표적으로 삼기 시작하고 있다. 영국의EnaraBio in Oxford와 프랑스 파리의 Mnemo Therapeutics를 포함한 몇몇 생명공학회사들은 암세포에서 HLA와 결합된 ‘암흑 단백질’을 표적으로 하는 면역-세포 치료를 개발하고 있다. 올해 중국에서는 암흑 단백질체(dark proteome)를 표적으로 한 임상 실험이 시행될 예정이다. 이번 시도는 생쥐에서 고무적인 결과를 보인 것과 같이, 일부 유방암 세포에서 만들어지는 암흑 단백질체에 대한 면역세포의 변화를 유도하는 백신이 과연 치료 효과를 높일 수 있을지 알아보는 것이다.
Prensner가 고문으로 있는 ProFound Therapeutics in Cambridge, Massachusetts는 제약계의 거인 Pfizer와 이 암흑 단벡질을 표적으로한 비만치료제를 찾고 있다.
하지만 과학자들은 단지 생물학적인 면에 흥미를 보이고 있다. 일부 과학자들은 암흑 단백질을 진화에서 발생하는 유전적 변혁의 모래상자(sandbox)로 여기고 있다. “우리는 어쩌면 새로운 단백질의 탄생을 보고 있는 건지 모릅니다.” Weissman의 말이다.
2024년도에 Nature Cardiovascular Research에 발표된 논문에 따르면 van Heesch와 그 동료들은 영장류와 인간을 비롯한 다양한 영장류 계통에서 출현한 일군의 암흑 단백질들을 발견하였다. 이들은 심장에서 기능을 할 것으로 여겨지는데 여기에는 대가가 따른다. 이들 암흑 단백질들은 잘 보전되는 유전자 들에 비해 심장병 환자의 경우 잘 못 발현되는 경우가 많다. 일반 발생과정에 이들이 발현되면 특히 어린 아이에서 암으로 발전한다고 Prensner는 말했다.
암흑 단백질체를 밝힌 과학자들은 이들이 세포에서 하는 일이 어딘 가에 딱 맞아 떨어지는 것이 아닐 수 있다고 한다. 또한 답은 지저분하고 다른 생물현상으로 통합될 수도 있다고 한다. 하지만 Prensner와 van Heesch 그리고 뜻을 같이 하는 이들의 생각은 그저 이 단백질에 관심을 갖자는 것이다. – 이들을 어디로 분류하는지에 더는 신경 쓰지 말고, “우리가 주장하고자 하는 것은 이들을 더도 말고 상자에 넣자는 것입니다.”라고 van Heesch는 말한다.
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Ewen Callaway, 2025, ‘Dark proteins’ hiding in our cells could hold clues to cnacer and other diseases. Nature Feature 29 January 2025.
<원문의 참고문헌>
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Biotechnology 2024 Topics
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biotechnology health
genetics
CRISPR로 크고 당도 높은 토마토를 만들다
당대사와 관련된 단 2개의 유전자를 제거한 결과 훨씬 맛있는 토마토가 되었다.
토마토의 두개 유전자를 변형시킨 결과 훨씬 달콤한 토마토를 만들 수 있었다. 이들 유전자를 제거한 결과 토마토의 포도당과 과당 함량을 일반 대량 생산되는 것들에 비해 약 30% 이상 증가시킬 수 있었고 이를 Nature 지에 발표하였다.
더 좋은 것은 이 토마토는 현재 시판되는 것들에 비해 무게가 비슷하지만 더 많은 수확을 할 수 있다는 점이다. 이번 발견은 토마토 시장에 큰 영향을 주는 것은 물론이고 식물들이 어떻게 당을 만들고 저장하는지 이해하는데 중요한 정보를 제공해준 것이라고 저자들은 설명한다.
“이 분야에 위대하고 의미 있는 연구일 뿐 아니라 그 이상입니다.”이 연구에 직접 참여하지 않은 French National Institute of Agricultural Research in Paris의 과일학자인 Christophe Rothan의 말이다. 이 연구는 “야생에 존재하는 조상종을 재배종으로 바꾸면서 잃어버렸던 다양한 유전자들을 현재의 재배종을 개선하는데 이용할 가능성을 열어준 것입니다.”라고 말을 이었다.
특별한 기원
매년 세계적으로 1억8천6백만 톤 이상의 토마토가 생산되며 이는 토마토를 세상에서 가장 유용한 작물임을 알게해준다. 다른 작물들과 마찬가지로 토마토도 작물화 되면서 인간이 좋아하는 방향으로 선택된 형질을 갖게 되었다. 예를들면 작물화된 토마토는 야생의 조상형에 비해 약 100배 크기의 토마토가 된 것이다.
하지만 이렇게 큰 크기로 자라는 데에는 대가를 치뤄야 했다. 크기가 커질수록 옛날에 집에서 키우던 토마토의 맛을 내는데 필요한 당 성분의 비중이 적어진 것이다. 슈퍼마켓의 토마토는 “물 같은 맛”이라고 베이징의 chinese Academy of Agricultural Sciences의 식물학자인 Jinzhe Zhang은 말한다. “이것들은 맛이 없어요.”
이 문제를 해결하고자 Zhang과 동료들은 작물용 개량종 토마토(Solanum lycoperisicum)와 훨씬 단맛을 가진 재래종의 유전체를 비교해 보았다. 이들은 당의 생산에 관여하는 효소(Sucrose Synthase 3)의 활성을 조절하는 단백질(SICPK27과 26)을 암호화한 2개 유전자의 발현 조절 부위에서 차이를 발견하였다. 즉, 개량종에서는 SICPK27과 26의 발현이 억제되어 있던 것이다. 여기에 착안하여 CRISPR-Cas9 유전자 편집기술을 이용하여 이 두 유전자를 불활성화 시켰는데 그 결과 일반 농사를 통해 얻은 토마토에 비해 당도가 훨씬 높은 토마토가 생산된 것을 발견하였다.
이 토마토는 소비자들을 행복하게 만들 뿐 아니라 토마토 페이스트와 같이 탈수과정이 포함된 관련 식재료를 만드는데 시간과 에너지, 돈을 아낄 수 있게 할 것이라고 University of California Davis에서 은퇴한 식물생화학자인 Ann Powell은 말했다.
이 발견은 다른 과일에도 적용될 가능성이 있다: 이 유전자는 전체 식물체에서 발견되기 때문이다. 또한 오랫동안 식물학자들이 연구에 어려움을 겪어온 당 대사과정을 알게하는 부분이 있기 때문이기도 하다고 Powell은 설명하였다.
<이 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Max Kozlov, 2024, CRISPR builds a big tomato that’s actually sweet. Nature News, 13 November 2024. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-03722-6
<원 인용 논문>
1. Zhang, J. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08186-2 (2024).
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biotechnology
cell biology
핵으로의 로켓배송
딱딱한 부위를 풀어주는 돌연변이는 핵으로의 이동속도를 폭발적으로 올려준다.
핵의 경계면에 있는 출입구는 언제나 붐빈다. 유전자 산물은 핵에서 시작하여 mRNA의 형태로 세포질로 이동하고, 거기서 단백질 합성의 주형으로 활동한다. 이들 중 많은 것들, 예를 들면 전사인자들이 다시 핵으로 돌아 들어간다. 핵막을 통과하기 위해서는 핵공복합체(nuclear pore complex, NPC)를 통과해야 한다. 이 단백질 복합체는 핵의 출입문 역할을 하며 핵위치신호(nuclear localization signal, NLS: 이 아미노산 서열을 가진 단백질들은 핵으로 이동한다.)를 가진 단백질 들만을 선택하여 들여보낸다.
최근에 Nature Physics에 발표된 논문에 따르면, 이 NLS 서열 가까이에 유연한 부위를 넣어주면 핵으로 들어가는 속도가 높아진다고 한다. 이 유연한 단백질을 본떠서 생물리학자들은 훨씬 더 빠른 속도로 핵으로 들어가는 단백질을 디자인했다.
“사람들은 어떻게 치료나 진단 분야뿐 아니라 순수 연구를 위해 핵으로 들여보내는 방법을 연구하기도 합니다. 이는 효율성을 높이는 등 생각보다 중요한 작업일 수 있죠.” 이 연구에 직접 참여하지 않았던 Rockefeller University의 세포생물학자인 Michael Rout의 말이다.
예전에 과학자들은 특정 분자가 핵의 경계를 넘도록 하는 NPC의 형태변화를 발견하였다. 하지만 이동하는 단백질 그 자체의 구조변화가 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 알려진 바가 적었다. “운반되는 단백질은 장례식장의 시신처럼 보였다.-그들이 이 과정에 주인공이긴 하지만 능동적인 역할을하지는 못한다.” Rout의 말이다.
단백질의 모습과 움직임 사이에 관계를 연구하기 위해, Francis Crick Institute의 생물물리학자인 Sergi Garcia-Manyes과 학생들은 단백질이 핵으로 들어가는 시간을 재는 시스템을 개발했다. 그의 연구진은 항체단백질(Ig)을 재료로 선택했다. Ig의 두 가지 돌연변이를 주어 하나는 유연하게 하나는 단단하게 만들었다. 하지만 Ig에는 NLS이 없으니 NLS표식을 달아주는 것도 잊지 않았다. 이 돌연변이 단백질에 형광단백질을 연결하면 실시간으로 단백질의 이동을 볼 수 있다. 이제 연구자들은 이 재조합 단백질의 이동 속도를 측정할 준비가 되었고, 실험 결과 유연한 구도의 Ig domain이 단단한 구조보다 핵으로 들어가는데 걸리는 시간이 짧게 걸리는 것을 알 수 있었다.
Garcia-Manyes와 그의 연구진은 유연성이 NLS의 접근성에 영향을 주어 속도가 빨라진 것인지 알아보았다. 이 실험을 위해서는 정상 Ig유전자의 양끝에 유연성이 높은 R16단백질의 유전자를 붙여 실험하였다. 이렇게 유연한 부위를 NLS로부터 서로 다른 위치에 있도록 만든 두 단백질의 이동 속도를 비교한 것이다. 그 결과 유연한 부위가 NLS에 가까울수록 핵으로 빨리 들어가도록 만든다는 사실을 알았다.
Garcia-Manyes와 그의 동료들은 이렇게 유입 속도를 빠르게 만드는 것이 어디에 사용될 수 있는지 기능을 알아보았다. “우리 생각에는 단백질 자체의 성질을 유용하게 만들기 보다는 좀더 인공적인 것-예를 들면 분자를 설계하는 것-을 하기로 했습니다.” 이들은 단백질이 꺽이는 부분에서 흔히 발견되는 글라이신(Glycin, G), 세린(Serine, S) 다량체(GS)를 개발했다. GS하나는 거의 영향을 주지 않았고 25쌍 이상의 길이는 도리어 속도를 늦추었다. 2~4쌍 정도가 NPC를 통한 이동을 촉진하는 것으로 나타났다.
이 합성된 표식은 이동 속도를 약 2배 증가 시켰다. 하지만 변수가 있다. ”유연한 단백질의 경우는 거의 영향을 안 주었고, 아주 딱딱한 구조의 단백질에는 아주 강한 영향을 미쳤어요.” King’s College London의 생물리학자이자 동공 저자인 Rafael Tapia-Rojo의 말이다.
생물물리학자들은 실제로 자연계에서 그들의 이동을 돕기 위해 유연한 부위를 진화시킨 경우가 있는지 알고 싶었다. 예를 들면 핵단백질인 myocardin-related transcription factor A는 유연한 부위(부정형 not fixed structure)를 많이 가지고 있고 이것이 핵으로의 이동을 돕는 것일 수 있다. “다른 이동 단백질들의 위치 결정 신호 주위에 이런 유연한 구조를 갖는지 알아보는 것은 흥미운 일입니다.” Rout의 말이다.
앞으로의 실험에서 이런 단백질의 유연성이 핵 밖으로 나갈 때나 미토콘드리아 같은 세포내 소기관으로 단백질이 이동할 때 어떤 영향을 미치는지 알아볼 예정이다. “이는 특정 세포내 기관으로의 단백질 이동을 제어하는 기술로 발전할 수 있을 것입니다.”라고 Garcia-Manyes는 말했다.
<이 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Kamal Nahas, PhD. 2024, Fast tracking protein delivery into the nucleus. The Scientist Aug 12, 2024
<원 기사의 참고문헌>
1. Lu J, et al. Types of nuclear localization signals and mechanisms of protein import into the nucleus. Cell Commun Signal. 2021;19(1):60.
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4. Hakhverdyan Z, et al. Dissecting the structural dynamics of the nuclear pore complex. Mol Cell. 2021;81(1):153-165.e7.
5. Van Rosmalen M, et al. Tuning the flexibility of glycine-serine linkers to allow rational design of multidomain proteins. Biochemistry. 2017;56(50):6565-6574.
6. Infante E, et al. The mechanical stability of proteins regulates their translocation rate into the cell nucleus. Nat Phys. 2019;15(9):973-981.
082
biotechnology
cell biology
세포막 표면 RNA가 호중구(neutrophil)의 이동을 돕는다
새 연구에 따르면 세포막에 결합된 RNA분자가 호중구(neutropil)의 이동에 관여함을 확인하였다.
RNA는 세포 안에 머무는 일종의 집돌이 정도로 알려져 있다. 그래서 몇몇 종류의 세포에서 세포막 표면에 RNA분자가 발견되었을 때, 연구자들은 “무슨 목적이 있는 걸까?” 하고 의문을 가졌다. 최근의 연구가 그 목적 중 하나를 밝힌 것이다: 면역세포를 염증반응 지역으로 이동시키는 것이다.
지난달 Cell지에 발표된 논문에서, Yale University의 유전학자인 Jun Lu가 이끄는 연구팀의 약물학자인 Dianqing Wu는 어떻게 세포막 표면의 RNA가 호중구(neutrophil)를 혈관 내벽세포에 붙여 조직으로 빠져나가게 하는지 설명하였다(1). 이 분자를 제거하면 면역세포가 염증반응 지역으로 빠져나가는데 실패하였고, 이는 잠재적 위협에 대해 면역시스템이 어떻게 반응하는지를 보여준 것이다.
이 연구에 직접 관여하지 않았지만 glycoRNA의 존재를 밝혔던(3) Stanford University의 생화학자인 Carolyn Bertozzi에 따르면, 오랫동안 미스터리로 남았던 세포막 RNA가 지속적으로 관심을 갖고 연구하던 이들에게 마침내 보상을 주었다고 한다. “저는 이들이 (세포막 RNA를) 호중구의 작용을 매개하는 물질로 생각했다는 게 정말 흥미로웠습니다.”
세포막 표면의 RNA는 사람의 면역세포에서 처음 탐지된 2020년에야 알려지기 시작했다(2). 그 다음해에 Bertozzi의 연구팀은 암세포와 줄기세포에서 당사슬에 결합된 형태로 표면에 산재한 RNA를 발견하였다. 당단백질(glycoprotein), 당지질(glycoliid)과 마찬가지로 당RNA(glycoRNA)라고 이름 붙여진 이 새로운 분자는 면역 수용체에 붙어있어서 면역반응에서의 역할이 예상되었다.
Lu가 처음 이 논문을 접했을 때, 그의 반응은 비판적이었다. 즉, 그는 노출된 RNA분자는 어찌 되었든 혈액내 존재하는 RNA 분해 효소(RNase)에 의해 분해될 것이라고 생각한 것이다.
“이게 과연 가능 할까? 라고 고민했죠. 당시 처음 온 박사 후 연구원에게 2달 동안 이게 사실이 아님을 밝히고 그 뒤에 다른 주제로 넘어가라고 얘기할 정도였어요.”
그의 연구팀은 biotin로 표지된 당사슬에 결합하는 분자를 이용하여 호중구의 막 표면에 있는 모든 glycoprotein과 glycolipid, 그리고 아마도 glycoRNA까지 모두 표지를 달았다. 이렇게 표지된 세포에 세포막을 파괴하지 않고 일반 체내 농도보다 훨씬 고농도의 RNase를 처리한 후, 이 세포부터 RNA를 분리하였다. 만약 이 효소처리에 의해 RNA에 따라 나오는 biotin표식이 줄어들었다면, 세포 표면의 당사슬에 RNA분자가 붙어 있다는 증거가 될 것이다. 놀랍게도 표식은 없어 졌고 이는 glycoRNA가 세포 표면에 노출되어 있다는 것을 의미한다.
만약 glycoRNA가 glycoprotein이나 glycolipid와 비슷한 역할을 한다면, 아마도 면역세포의가 염증반응부위로 이동하는 것을 도울 것이다. 이를 입증하기 위해 호중구를 붉게 염색한 후 RNase를 이용하여 그들 막표면의 glycoRNA를 제거하였다. 또 다른 그룹은 녹색으로 염색한 후 표면 RNA를 제거하지 않았다. 이렇게 염색된 두 가지 호중구를 복부 염증이 있는 생쥐에 주사하였다. 그 결과 glycoRNA가 없는 세포들은 염증 부위에 도착할 확률이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
조직에 침투하기 위해서는 우선 바깥쪽 세포에 결합하고, 이 후 몇 겹의 세포층을 통과해야 한다. Lu는 glycoRNA가 이 두 단계에 모두 관여하는지 궁금했고, 이를 위해 호중구를 배양중인 내피세포층의 한쪽에 위치시키고 반대편에 이들의 주화성물질을 넣어 보았다. GlycoRNA가 없는 호중구는 잘 결합하지 못했고 세포층을 통한 이동도 감소하였다. 이들은 내피세포층의 장벽이 없을 때는 정상적으로 이동하는 것으로 미루어 glycoRNA가 세포의 이동성에는 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다.
어떻게 glycoRNA가 내벽세포에 결합하는 것을 돕는지 알아보기 위해, 연구자들은 이 분자의 당과 RNA부분을 나누어 비교해보았다. 즉, 같은 세포배양 시스템에서 glycan을 과량 처리할 경우 면역세포의 내벽세포층을 통한 이동이 억제되었다. 반면 RNA를 과량 처리했을 때는 효과가 없었다. 이 발견은 - 다른 당결합 분자들과 마찬가지로 – glycoRNA의 당사슬 부위가 단단한 결합에 관여하고 RNA는 당사슬을 막표면에 가깝게 접근시키는 효과만을 갖는 다는 것을 나타낸다.
이 경우 RNA가 단순 구조물로서의 역할을 한다면 RNA의 염기서열은 중요치 않을 것이라고 설명한다. “염기서열의 기능에 대한 숨은 비밀이 있을 수 있겠죠.” Lu는 말한다. “이건 빙산의 일각에 불과 합니다.”
연구자들은 glycoRNA의 RNA가 내부에서 왔는지 또는 다른 죽은 세포에서 방출된 외부RNA에서 왔는지 알아보고자 하였다. 이를 위해 또 붉은 색과 초록색 2 가지 염색을 통해 호중구를 각각 염색하였고, 초록색으로 염색된 호중구에서만 glycoRNA를 화학적으로 표지하였다. 이 세포들을 섞어서 사흘 동안 배양하였고, 연구진은 오직 초록 세포에서만 표식을 발견할 수 있었다. 이는 RNA가 외부에서 들여온 것이 아니라 집안에서 만들어졌다는 것을 말한다.
GlycoRNA의 RNA를 분석해보면 라이보솜 RNA, transfer RNA, small nuclear RNA 등임을 알 수 있고 이는 비암호화 RNA의 재활용일 가능성을 제시한다. 이들 RNA들이 세포막으로 가는 규칙이나 어떻게 완전히 분해되지 않고 남아 있는지 등은 아직 분명치 않다.
Yale의 연구진들에겐 앞으로 계속 추궁해야 할 질문들이 있다. 각종 질병과 관련하여 glycoRNA에 변화가 있는지 연구할 계획이다. 하지만 이들을 실시간으로 분석할 기술이 없기에 어려움이 있을 것으로 예상된다. “여러 질문을 던지기 이전에 방법론적인 개선이 필요합니다.” Wu의 말이다.
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Holly Barker, PhD, 2024, Cell surface RNA helps neutropils get around. The Scientist Apr 2, 2024.
<원 기사의references>
1. Zhang N, et al. Cell surface RNAs control neutrophil recruitment. Cell. 2024;187:846-860.
2. Huang N, et al. Natural display of nuclear-encoded RNA on the cell surface and its impact on cell interactions. Genome Biol. 2020;21,225.
3. Flynn RA, et al. Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells. Cell. 2021;184, 3109-3123.e22.
079
biotechnology
physiology
단일가닥 DNA분자, DNA aptamer를 이용한 코카인, 헤로인, 펜타닐 분자의 검출
DNA 앱타머를 이용한 코카인, 헤로인, 그리고 펜타닐의 검출법-다른 약품과 섞여 있을 때도 가능하다.
North Carolina State University의 연구자들은 고성능 DNA aptamer를 이용한 코카인(cocain)과 다른 아편계 약물(opioid)에 대한 새로운 검출법을 개발했다. 이 검출기는 약품에 선택적이며 적은 양의 펜타닐(fentanyl), 헤로인(heroin), 그리고 코카인이 다른 약물과 섞여 있어도 감지할 수 있다. 이 검출기의 용도는 건강 관련업 종사자는 물론 법집행인 들에게도 매우 유용할 것이다.
“이 작업은 건강관련업이나 법집행부처에서 요구하는 개선된 검출법을 제공해줄 것입니다.”NC State의 화학과 부교수이며 이를 발표한 논문 2편의 공저자 이기도 한 Yi Xiao의 말이다.
“예를 들면 법집행기관에서 검출에 사용하고 있는 방법은 100년 가까이 오래된 화학반응을 통해 이루어지며 이는 선택성이 떨어져 그들이 확인하고자 하는 화합물이 아닐 수도 있다는 겁니다.” Xiao가 말을 이었다.
“그리고 현재 사용중인 코카인에 대한 aptamer는 선택적이지도 민감하지도 않아 혈액과 같은 생체조직에서 임상수준의 양을 검출할 수가 없슴니다. 하지만 우리가 개발한 검출기는 혈액내 코카인을 nanomolar 수준(이는 마이크로몰의 1/1000에 해당하는 농도이다)에서 검출할 수 있다는 거죠.”
각각 Journal of the American Chemical Society(JACS)와 JACS au에서 볼 수 있는 두 연구 결과에서, Xiao는 코카인, 헤로인, 코데인(codein), 펜타닐 그리고 다른 불법 약품들에 대한 aptamer-기반 검출기를 개발해 냈다.
앱타머(Aptamer)는 짧은 단일 가닥의 DNA 또는 RNA사슬로 특정 분자와 선택적으로 높은 친화력으로 결합한다. 즉, 다른 분자와는 결합하지 않는다는 것을 의미한다. 이 연구자들은 흥미를 갖는 물질을 임의로 만들어진 DNA 서열에 붙여보는 것으로 이 연구를 시작했다. 이렇게 어떤 aptamer가 이들 분자에 결합하는지 알아봤다.
“우리는 이 과정을 ‘bio-panning’이라고 불렀어요 왜냐하면 이건 강에서 금을 찾기 위해 강바닥 침전물을 후라이팬을 이용해 체질 하는 것과 비슷했기 때문이죠.” NC Satae의 대학원생이며 논문의 공동저자인 Obtin Alkhamis의 말이다. “일단 결합한 것과 결합하지 않은 것을 분리하면, 선택적으로 원하는 분자에만 결합하는지 확인하기 위해 그 aptamer를 다른 방해가 되는 분자들과 결합하는지 아주 심할 정도로 조사한 겁니다.”
그리고 이렇게 선택된 aptamer를 약물 복합체, 알약 그리고 혈액 등에 결합하는지 검사했다. 혹시 다른 약물이나 단백질등에 결합하는지 확인해본 것이다.
Xiao의 연구진은 혈청내 10 nanomolar (약 30 nanogram/mL의 농도) 수준의 cocaine을 검출하는데 성공하였다. 이는 예전에 50% 혈청액 속에 최저 10 micromolar 농도의 코카인을 검출할 수 있었던 과거의 aptamer보다 1000배 정도 민감한 것이다.
이에 더해 University of California Santa Barbara의 협력팀은 이 aptamer를 전극에 삽입할 수 있었고 이를 이용해 쥐의 혈액내 (정맥) 약물 농도를 10초 간격으로 실시간으로 측정할 수 있었다. 이는 남용 약물의 약물학적 측정이 가능하게 된 최초의 연구라고 할 수 있다.
아편-특이적 aptamer는 발색반응에 활용되어 용액내 헤로인, 옥시코돈(oxycodone) 등을 0.5 micromolar농도까지 측정할 수 있었다. 발색반응 정량은 표적 물질에 결합하면 색이 바뀌는 것이다. 이 정량법은 아편계물질이 복잡한 화학매질(알약이나 의약품 복합물 등)에 있어도 수 초 안에 검출할 수 있다.
비교하자면, 법조계에서 사용하는 “Marquis test”는 다른 화합과 섞여 있는 경우 아편을 검출할 수 없다.
이 연구자들은 이 aptamer가 건강분야나 법조계에 유용하게 활용될 것이라고 믿는다.
“이 aptamer들은 대량 생산이 가능합니다. 또한 보관 기간도 길고, 화학적 변형도 용이하여 개발중인 검출기에 쉽게 적용시킬 수 있습니다.” Xiao의 말이다. “이 물질들은 시험용지에 묻힐 수도 있어 현장에서 일하는 경찰들이나 가정에서나 또는 의사들이 환자에 대해서도 사용이 가능하게 만들 수 있죠.”
“임상 수준에서의 검출이 가능하기 때문에 응급실에서 환자가 어떤 약물을 복용 또는 투약했는지 피 한 방울로 알 수 있습니다. 예전에는 혈액을 채취하고 실험실에 보내야 가능했던 일이죠.” Alkhamis의 말이다. “사용 가능성에 정말 흥분됩니다.”
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
DNA aptamer drug sensors can instantly detect cocaine, heroin and fentanyl—even when combined with other drugs (2024, March 4) retrieved 8 March 2024 from https://medicalxpress.com/news/2024-03-dna-aptamer-drug-sensors-instantly.html
<원 기사의 refences>
More information: Obtin Alkhamis et al, High-Affinity Aptamers for In Vitro and In Vivo Cocaine Sensing, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c11350
Juan Canoura et al, Developing Aptamer-Based Colorimetric Opioid Tests, JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.3c00801
072
evolution biotechnology
genetics
식물은 우주에서 어떻게 자신의 DNA를 지킬까?
Dorothy Shippen과 Borja Barbero는 국제 우주 정거장에서 애기장대풀(아라비돕시스, Arabidopsis thaliana)를 키우며 우주비행이 텔로미어에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. NASA는 쌍둥이 우주비행사 Scott과 Mark Kelly에 관한 연구를 통해 생물학적인 변화를 비교하여 2019년 발표하였다. Scott은 국제 우주 정거장(International Space Station, ISS)에서 일년간 보냈고 Mark는 지구에 머물렀다. 여러 차이 중에서, Scott의 텔로미어(telomere)가 우주 정거장에서는 길어졌다가 다시 지구로 돌아와서는 짧아진 것을 발견했다.
Texas A&M University에서 식물의 telomere를 연구하던 생물학자인 Dorothy Shippen는 여기에 흥미를 느꼈다. Telomere는 환경에 따라 변하며 스트레스 환경에서 생물의 생존에 영향을 준다. 식물의 환경 스트레스에 대한 회복력은 미래에 우주에서나 현재 지구에서 농작물들이 겪는 어려움을 해결하는데 필수적인 요소라고 할 수 있다. 비록 여러 차례 식물들이 우주비행을 했지만 이들의 telomere에 대해서는 최근까지 알려진 것이 없었다. Shippen과 박사후 연구원인 Borja Barbero Barcenilla는 ISS에서 자란 애기장대풀(Arabidopsis thaliana)의 telomere를 연구하여 최근에 Nature Communications에 논문을 게재하였다. 이에 따르면 사람에서와 마찬가지로 우주선에서의 발아는 A. thaliana의 텔로미어를 합성하는 telomerase의 활성을 증가시켰다. 하지만 우주 비행사와는 달리 이 ISS 식물은 텔로미어의 길이가 늘어나지는 않았다.
Q: 우주선에서의 식물 telomere에 대해서는 어떻게 연구를 시작하게 되었나요?
Shippen: 쌍둥이 실험이 정말 개기가 되었어요, 하지만 우리에겐 우주로 식물을 보낼 방법이 없었죠. 호기심에서 NASA에 연락을 해서 혹시 우리가 telomere를 분석할 만한 식물 표본이 없는 지 물어봤죠. 마침 Ohio University에서 중력이 식물에 미치는 영향을 연구하던 Sara Wyatt와 그녀의 연구팀이 비행을 거친 샘플의 잉여분을 갖고 있었습니다. 우리는 Wyatt와 NASA에서 쌍둥이 연구를 주관했던 Colorado State University의 방사선 암 생물학자인 Susan Bailey와 함께 연구를 하게 되었죠. 우린 잉여 샘플을 분석하여 데이타를 얻었고 이후 귀환하는 샘플의 일부를 얻기도 했어요.
Q: ISS 시료를 얻는데 특이 할만한 어려운 점이 있었나요?
Barbero: 많은 문제가 있었죠. 추가로 샘플을 보내야 했는데, 접시마다 18개의 A. Thaliana개체가 심어진 배양접시가 60개나 되었어요. 이는 3, 4일 안에 준비하기엔 엄청 많은 거였죠. 저는 Wyatt의 실험실에 박사후 연구원이며 현재는 NASA에서 일하는 공동 저자인 Alexander Meyers를 도와 일했습니다. 일단 샘플이 지구에 도착하면, 우리는 잽싸게 줄기와 뿌리를 분리하고자 했어요. 왜냐하면 다른 조직은 다르게 반응했을 테니까요. 약한 중력 때문에 아무렇게나 막 자랐고; 뒤엉켜 있었어요. 이건 워낙 귀한 샘플이라 자르기가 겁났었죠. 냉동고에서 꺼내자마자 바로 잘랐습니다. 우린 Meyers를 Texas A&M으로 초대해서 우리의 해부를 도와달라고 했죠. 어려운 만큼 즐거웠던 시간입니다. 냉동고에서 샘플을 꺼내 실험을 준비하면서 생각했어요. “이것들은 우주에 있던 거네!”라며 싸한 느낌이 왔죠. 모든 실험은 놀라웠고 독특한 기회였어요. 이때는 이런 설레임과 망치지 말아야지 하는 다짐이 공존하던 때 입니다. 이 샘플 밖에는 없었기 때문이죠.
Q: 결과 중에 놀라운 것이 있었나요?
Barbero: 우린 telomere의 길이를 살펴봤고, 그 길이가 변하지 않았다는 것을 알곤 고민에 빠졌죠. 하지만 이건 예상보다 더 재미있는 결과였습니다. 왜냐하면 우주에서 날았던 모든 생물들의 telomere는 대부분 길어졌는데 식물은 아니었던 거죠. Shippen: 예전에 C. elegans를 우주에 보낸 적이 있었어요, 그리고 이들의 telomere가 사람처럼 길어졌죠. 사람의 telomere는 환경 변화나 생리적 변화에 따라 매우 유동적인 모습을 보여주곤 합니다. 식물을 여러 스트레스 상황에 두어도 대부분 telomere의 길이가 변치 않는 것을 볼 수 있었고 우주선에서 어떤 결과가 나올지는 사실 예측할 수가 없었죠. 길이가 변하지 않았다는 것은 아주 놀라운 일은 아니었지만 우리가 놀란 건 telomerase의 유도 정도 였습니다.
Q: Telomere의 길이 변화 없이 telomerase의 활성 증가가 일어난 것이 왜 놀랄 일이죠?
Shippen: 이는 telomere의 길이와 telomerase 활성이 서로 연결되어 있지 않다 것을 말합니다. 사람의 경우는 아주 상관관계가 높기 때문에 예상을 못한 거죠. 우린 스트레스 상황에서 telomerase의 활성 증가에 대해 좀더 넓게 생각하기 시작했습니다. 우리는 실험실에서 할 수 있는 여러 종류의 스트레스에 대해 A. Thaliana의 telomerase에 생기는 변화를 알아보는 보충 실험을 수행했고, 우린 역시 telomerase의 증가를 관찰했어요. 이 결과로 우리는 telomerase의 다른 역할에 대해 생각해보게 되었어요. 이는 이 분야에서 아직 논란이 되고 있는 가설입니다. 많은 과학자들이 telomerase의 telomere 합성 외의 기능에 대해 확신을 갖지 못하고 있는 상황이죠. 하지만 우리의 경우처럼 telomere의 길이 변화가 없이 급격한 효소 활성이 증가한다는 것은 이해하기가 어렵습니다.
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Donna MacNeil, PhD., How plants protect their DNA in space. The Scientist Jan 24, 2024.
<원문 references>
1. Garrett-Bakelman FE, et al. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a yearlong human spaceflight. Science. 2019;364(6436):eaau8650..
2. Barcenilla BB, et al. Arabidopsis telomerase takes off by uncoupling enzyme activity from telomere length maintenance in space. Nat Commun. 2023;14(1):7854.
069
cancer biotechnology
cell biology
암 면역치료를 돕는 미생물 치료법
생명공학적으로 만들어진 박테리아(bioengineered bacteria)를 CAR T cell이 암을 공격할 수 있도록 종양에 침투시킨다.
1890년 의사였던 William Coley는 어떤 암환자가 비슷한 시기에 박테리아에 감염된 뒤 자연 치유되었다는 사실을 알고 암 환자에게 박테리아를 주사하는시술을 했다. 그는 면역 활성화와 항암 작용을 처음 연관 지은 과학자였고 이로 인해 그에게 “면역치료의 아버지”라는 칭호가 주어진다. 임상에서의 몇 차례 성공이 있었으나 안전문제와 방사선치료의 발전으로 Coley’s toxin이라고 불리던 이 박테리아 묘약은 자취를 감추게 된다.
지난 수 십 년간 면역학, 미생물학, 그리고 합성생물학(synthetic biology)의 발전으로 암 치료에 생명공학적으로 변형된 박테리아(bioengineeredbacteria)의 사용에 대한 관심 다시금 커지고 있다. 최근 Science지에 발표된 논문에 따르면 이 bioengineered bacteria는 종양에서 군집을 형성하여, 유전자조작이 된 T 세포를 종양으로 유도하도록 설계되었다. 이 참신한 치료법은 단순히 bioengineered bacteria가 치료가 어려운 고형 종양(solid tumor)에 접근을 용이하게 하여 기존의 면역 치료를 도왔을 뿐 아니라, 살아있는 약재의 다양한 가능성을 보여주었다.
종양의 미세 환경은 쉽지 않은 생태계라고 할 수 있다. 하지만 “박테리아들은 이런 것에 신경 쓰지 않고 오직 신체의 면역시스템을 피해 살아갈 수 있는 환경이 절실하죠.” Columbia University의 합성 생물학자인 Tal Danino의 말이다.
고형 종양의 내부는 저산소 지역으로 가장 면역 감시가 적게 이루어지는 곳으로 박테리아에겐 좋은 집이 될 수 있다. 하지만 박테리아들은 아직 건강한 기관에서도 자리를 잡기 때문에 박테리아의 유전자를 조작하여 병 독성 또는 독성을 낮추는 방법을 모색해야 한다. 이렇게 약화된 박테리아는 생쥐나 사람에서 더 안전하다는 것이 입증되었으나 종양내 군집형성 능력이나 종양치료에 효과가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이에 종양 표적화와 선택성을 개선하기 위한 합성생물학적 해결책을 찾게 되었다.
Jeff Hasty와 Omar Din과 함께 Postdoc으로 일하던 Danino는 박테리아가 일정한 밀도 이상으로 자라면 쿼럼(quorum)현상(2023-06-17, 박테리아의 군체밀도 감지 참고)에 의해 동시에 용해(lysis)되도록 만드는 작은 유전자 고리를 개발하고 있었다. 이렇게 용해가 일어나면 세포내 유전자 산물들이 모두 쏟아져 나오게 된다. 몇몇 박테리아가 용해되지 않지만 다음 번 번식기에는 용해가 일어난다. “일종의 불완전한 시스템인데 도리어 이게 이 시스템의 아름다운 점이라고 할 수 있습니다.” Danino 연구팀의 대학원생이며 논문의 공동저자인 Rosa Vincent의 말이다. “이는 주기적인 전달 방법이라고 할 수 있죠.”
Danino는 이 진동성 유전자고리를 이용하여 의생물학적 문제를 해결하는데 흥미를 느껴 박테리아를 이용한 암 치료에 집중하게 된다. 박테리아는 이미종양에 들어가려는 성향이 있기에 그는 박테리아가 진단 또는 치료물질을 만들도록 생명공학적인 조작만 하면 되었다. 이는 마치 트로이 목마와 같은 것이다.
“박테리아를 이용해 특정 부위를 표지 한다는 것은 항원 이질성(antigen heterogeneity)에 따른 문제를 해결하는데 굉장히 좋은 해결책이 될 수 있어요.”Stanford University의 생명공학자인 Rogelio Hernández-López의 말이다. 고형 종양을 chimeric antigen receptor(CAR) T 세포와 같은 항원-표적치료로치료하기 어려운 이유 중 하나가 종양의 표면에 노출된 암 특이적 항원이 아주 적다는 것이다. 더구나 종양-관련 항원은 환자나 암의 종류에 따라 다르며,마치 의사들이 움직이는 과녁을 쏴야 하는 것처럼 돌연변이를 통해 표적치료를 피할 수도 있다.
“만약 적절한 항원이 없다면 우리가 어떻게 좋은 CAR를 만들 수 있겠어요.” CAR T cell의 논리-지향적 접근법에 참여했던 Vincent가 말을 이었다. 이런 문제는 그녀가 Danino의 박테리아에 대한 생명공학적 변형 작업에 참여하도록 만들었다.
트로이 목마를 만들기 위해, 연구자들은 Danino의 쿼럼 감지 용해회로를 갖는 대장균 Nissle 1917 품종(strain)에 생명공학적 변형을 시도했다. 일단 일정수준의 쿼럼에 도달하면 이들은 합성 항원을 분비하기 시작한다. 특수하게 초록형광단백질(green fluorescence protein, GFP)을 placental growth factor의헤파린 결합영역(Heparin binding domain, HBD)과 결합시킨 것이다. 잘 결합하는 HBD가 종양의 독특한 콜라겐과 다당류에 부착하고 GFP 깃발이 종양에 심어지는 것이다. 비록 이 분자가 건강한 조직에서도 발견되지만 이들은 종양에 훨씬 많다. “이 종양에 선택적인 박테리아에 전적으로 의존하는 겁니다.” Vincent의 말이다.
대부분의 FDA 승인을 받은 CART cell 치료법은 cluster of differentiation19(CD19)이라는 종양 항원을 표적으로 삼는다. 하지만 Vincent는 GFP 항원을 표적으로 하는 CAR을 디자인한 것이다. “우리는 종양을 푸른 색으로 칠하고 T 세포로 하여금 푸른색을 감지하도록 만든 겁니다.” 라고 말했다. “CAR의 아름다운 점은 모듈로 되어 있다는 점입니다. 그래서 항원결합분위를 다른 것으로 완전히 대체할 수 있다는 거죠.” 라고 Vincent는 말했다.
이들이 이 미생물 기반 CAR 시스템(probiotic CAR system)을 실험실에서 인간 암세포에 처리하면, GFP가 없는 시스템에 비해 특이성이나 세포독성이높게 나타난 것을 보았다. 이어진 실험실 연구에서 이들의 시스템은 이제 배양기 밖에서 시행에 옮길 준비가 되었음을 보여준다.
Probiotic CAR 프랫폼을 시험하는 첫 생체 실험으로, 사람의 종양조직을 피부아래 심은 면역결핍 생쥐를 이용했다. Engineered Bacteria를 직접 종양에주사한 후 quorum-related release가 일어나 GFP가 engineered CAR T cell을 주사하기 전에 발현되도록 48시간을 기다린다. 이렇게 시행된 engineeredprobiotic CAR system은 종양의 발달을 막았고 flow cytometry를 이용한 분석에서 T 세포의 활성이 증가한 것을 알 수 있었다.
연구자들은 부분적인 시스템은 부분적인 반응을 일으킨다는 것을 알아냈다. 즉, 빈(GFP가 없는) 박테리아를 주사해도, engineered CAR이 일부 작동하여일부 T 세포가 종양부위에서 활성화된 것이다. “제가 이 시스템에서 좋아하는 점은 T 세포가 정말 강하게 박테리아에 반응한다는 것입니다.” Vincent의 말이다. “이런 사실이 이들 박테리아 사용을 선호하게 만드는 겁니다. 이들이 탑재물을 내놓을 수도 있지만 이들은 선천적으로 (면역을) 자극할 능력이 있어차갑던 종양을 뜨겁게 만들 수 있죠.”
CAR T 세포의 증식과 지속성을 증가시키기 위해 환자는 혈액내 T 세포를 죽이는 림프구 제거(lymphodepletion)를 거쳐야 한다. 하지만 면역치료의 장기적인 목적은 온전한 면역체계에 적용하는 것이다. “아마도 우리는 전체 종양을 제거하기 위해 어느 한 항원에 대한 면역력 보다는 전체 면역 시스템의 도움이 필요할 것입니다.” 라고 Vincent는 말했다.
이들의 시스템을 온전한 면역 체계 안에서 실험해 보기 위해, Vincent와 그녀의 동료들은 쥐의 뒤쪽 양측면에 생쥐-유래 종양세포를 주사하였고 그중 하나에 engineered bacteria를 주사하였다. 이후 몇일 뒤에 다시 두 차례 CAR T 세포를 처리하였다(이는 T 세포가 소모되는 것을 방지하기 위해 잉여의CAR T 세포를 넣어주는 것이다). 이 연구자들이 바란 것은 이들의 시스템이 다른 반대편의 종양도 인식할 수 있을 정도로 충분한 염증반응을 유발하기를기대한 것이다. 그리고 그 결과로 처리한 종양과 함께 처리하지 않은 종양도 감소하는 것을 발견했을 때 흥분하지 않을 수 없었다.
피하주사 실험은 다음 실험을 준비하게 된다: 정맥주사를 통해 probiotic CAR system을 넣는 것이다. 이를 위해 사람의 암세포를 면역을 약화시킨 생쥐의젖선 지방질에 이식하고 이어 probiotic CAR 치료를 조금 변형하여 주입한 것이다. CAR T세포가 종양에 더 잘 가도록 만들기 위해 engineered bacteria가면역세포를 유도하는(주화성, chemotaxis) 사람 chemokine ligand 16(CXCL16)을 같이 분비하도록 만든 것이다. 이렇게 CAR T 세포가 종양을 향해 이동하도록 농도 기울기를 형성시킨다. 이 주화성 chemokine의 첨가는 종양의 성장을 억제한다는 면에서 일반적인 probiotic CAR system의 효과를 훨씬 능가하도록 시스템을 보강하였다. 이에 더해 다른 기관들을 분석한 결과 박테리아와 GFP의 발현은 종양부위에 국한되어 나타났다.
이런 실험을 사람에게 시도하기 전에 연구자들은 우선적으로 engineered bacteria가 계속 자라지 못하게 유전적으로 종결시켜야 한다. 이 실험에서는 야생형 대장균을 사용했지만 사람의 경우는 생쥐에 비해 gram negative 균의 독성에 더 민감하다. “이제 실험실의 주 관심은 어떻게 적합한 박테리아 품종을만드느냐에 있습니다.” 라고 Vincent가 말했다.
“이는 두 가지 별개의 생명공학적 시스템들이 상호 보완하여 시너지효과를 보여준 예라고 할 수 있습니다.” Hernández-López의 말이다. “(Danino는) 오랜기간 동안 박테리아 용해 회로를 발전 시켜왔고 이것이 다른 접근법과 합해지는 걸 본다는 건 기쁜 일입니다.”
Danino는 박테리아를 보면, 종양에 치료약을 전달하는 다양한 플랫폼과 그 밖에 다른 가능성까지 보게 된다. CAR T 효율을 높이기 위한 종양 미세환경재구성을 넘어서, 이 engineered bacteria가 PET나 MRI, 초음파, 그리고 약물전달을 위한 나노입자에 대해서도 도움을 줄 수 있을 것이라고 본다. “우리는다른 연구자들이 그들이 개발한 특정물질이나 다른 암 관련 물질들을 전달해 줄 수 있는 플랫폼을 만든다는 게 정말 흥미롭습니다.” Danino의 말이다.
“미생물에 대한 생명공학 기술들이 천천히 T 세포 분야의 기술들과 만나는 과정이고, 다음에 어떤 일들이 일어날지 기대되기도 합니다.” 라고 Hernández-López가 말했다.
<이 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Danielle Gerhard, PhD, Bugs as drugs to boost cancer therapy. The Scientist Jan. 18, 2024
<원 논문>
Vincent RL, et al. Probiotic-guided CAR-T cells for solid tumor targeting. Science. 2023;382(6667):211-218.
068
biotechnology
genetics
새로운 AI가 단일세포의 유전자발현을 예측한다.
인공지능 도구(artificial intelligence tool)인 scGPT가 세포의 종류를 알아내고, 유전자들의 결손 시 나타날 결과를 예측하며 특정 유전자들 간에 상호작용을 잡아낼 수 있다.
과학자들은 질병을 연구하기 위해 전체 세포집단의 유전자 발현을 연구한다. 예를 들면, 암과 관련된 약 개발을 위한 단백질 표적을 찾고 알츠하이머병의 초기 진단을 위한 혈액내 바이오 마커를 찾기 위해 RNA 염기서열분석(시퀀싱, sequencing)을 실시한다.
최근에 과학자들은 단일 세포 RNA 시퀀싱(single cell RNA sequencing, scRNA-seq)을 통해 단일 세포들 간에 유전자 발현에 어떤 차이가 나는지도 알 수 있다. 과학자들은 특히 scRNA-seq의 데이타를 머신 러닝 프로그램을 이용해 시작부터 특정한 일들을 수행하는 데까지 활용하고 있다.
Bo Wang은 University of Toronto의 생물학자이자 컴퓨터 생물학자로 single cell generative pretrained transformer(scGPT)라고 부르는새로운 AI 도구를 만들었다. 이 모델은 scRNA-seq의 데이타를 미세하게 조정하여 다양한 일들을 수행할 수 있다. 여기에는 특정한 유전자를 조작했을 때 나타날 영향을 예측하거나 데이터들을 합해서 알기 어려운 세포의 종류를 감정해내는 것 등이 포함된다.
scGPT는 기초가 되는 AI 도구이다. 이 핵심 모델을 이용하여 새로 구축하고 변형하여 하위 작업들을 수행할 수 있기 때문이다. 날로 인기 상승중인 대화형 AI, ChatGPT와 같은 방식으로 작동한다. ChatGPT는 답을 문장으로 내놓는 반면 scGPT는 세포수준에서의 유전자 발현을 예측한다.
Wang에 따르면 하나의 기초 모델을 플렛폼으로 사용하는 것은 서로 다른 분석 결과를 비교할 때 여러 모델을 이용한 것에 비해 잘못될위험이 적기 때문에 유리하다고 한다. 각 컴퓨터 분석에서는 같은 데이터라도 생성된 구조에 따라 다른 가설을 만들기 때문에 정확치못한 결론에 다다를 수 있다.
최근의 출판전 논문에서, Wang의 연구진은 기존의 방법들에 비해 scGPT가 scRNA-seq을 잘 분석 한다는 것을 보여주었다. 그들은 최초 4일간 혈액과 골수 세포에서 얻은 일천삼십만개의 scRNA-seq 데이터를 입력하여 scGPT를 학습 시켰다. 여기에는 50개 이상의 세포 종류가 포함되어 있다. 이는 AI가 세포 안에서 또는 세포 간에 유전자 발현이 어떻게 근본적으로 연결되었는 지를 배울 수 있게 했다.
주어진 세포에서 모든 유전자가 발현되고 있는 것은 아니기 때문에 각 세포는 20,000개 유전자 중 수 천개에 대한 정보를 제공한다. 이들을 종합한 결과 유전체 내의 거의 모든 유전자에 대한 정보를 갖게 되었다. 이 연구진은 예전에 얻은 사람의 면역세포에서 얻은 10가지 서로 다른 scRNA-seq 데이터 덩어리를 통합해서 기초 모델을 세밀하게 조정할 수 있었다. 각 데이터의 일부를 이용하여 학습시켜 서로 다른 데이터에서 보다 일반화된 집단으로 같은 세포를 분류할 수 있도록 하였다. scGPT는 각 데이터군 간에 비생물학적인 요인에 의한 차이도 적용하도록 배웠다. 예를 들면 시행된 날자, 세포를 수획한 방법 등이다. 데이터군 통합(batch integration)으로 알려진 이 방식으로 데이터 베이스를 모아 거의 모든 세포 종류에 대해 다량의 데이터를 모을 수 있고, 이를 이용해 건강하거나 아플 때 관여하는 희귀한 세포들을 감지하고 밝힐 수 있게 해줄 것이다.
연구자들은 이렇게 미세조정된 scGPT와 가장 많이 사용되는 3 가지 방법이 합쳐져 감춰두었던 데이터를 얼마나 잘 다루는지 알아보았다. scGPT는 각기 다른 데이터 집단에서 표준 모델보다 약 5% 더 효율적으로 세포종류를 분류하였고 많이 이용되는 방법과 유사한 정도로 비생물학적인 영향을 고쳐낼 수 있었다.
연구진은 또 다른 잘 다듬어진 scGPT인, GEARS라고 부르는 표준 모델과 비교하여 80여개 유전자를 변동시켰을 때 단독 또는 쌍으로다른 유전자에 미치는 영향을 얼마나 잘 예측하는지 비교하였다. 각 유전자 조작에 따라 가장 영향을 많이 받는 20개 유전자들에 집중하였고, Wang과 동료들은 scGPT가 가장 앞선다는 것을 발견하였다.
“이런 진전이 정말 생물학적 지식을 더해주는 걸까요? 새로운 가설을 세우는데 유용할까요?” 이 연구에 직접 관여하지 않았던 네덜란드의 Leiden University Medical Center의 컴퓨터 생물학자인 Ahmed Mahfouz의 질문이다.
이런 발견은 분명해 보이지만 Mahfouz는 여기에는 수백만가지의 변수가 있고 훈련에는 엄청나게 많은 데이터가 필요하다고 조심스럽게 언급했다. 결과적으로 이들은 엄청난 양의 에너지를 소모해야하고 엄청난 양의 탄소 산물이 남기게 될 것이다. 이런 고에너지 요구량과 연구자들이 세밀한 조정을 위해 머신러닝과 친숙 해져야 한다는 점을 고려할 때, 세포생물학자 들에게 scGPT가 얼마나 사용될지는 의문이다.
그럼에도 불구하고 “미세조정은 아주 효울적입니다.” Wang의 말이다. “예를 들어 10,000 에서 20,000개의 세포에 대한 데이터를 처리하는 데는 약 5 내지 10분 정도 걸립니다.” 이들은 scGPT를 사용자들이 보다 쉽게 접근할 수 있게 만들기를 원한다. “우리는 모든 사람이 이용할 수 있는 code와 모델을 만들었고 교육용 web site를 만들기 위해 정말 열심히 일하고 있습니다. 이를 통해 수많은 사용법 교육과 이를 이용해 풀 수 있는 작업들에 대한 실질적인 예를 제공할 것입니다.”라고 말했다.
Wang의 연구팀은 계속 scGPT에 대한 작업을 계속할 예정이다. 이 모델의 첫 시도는 골수와 면역세포를 분석하는데 유용한 반면, 이팀이 최근에 발표한 scGPT 업그레이드 모델은 3천3백만 세포의 세포를 이용해 훈련이 이루어졌다. 여기에는 뇌, 혈액, 췌장, 폐, 심장,신장, 암 그리고 장의 세포들이 포함된다.
최근에는 scGPT와 비슷한 기초가 될 모델들이 발표되었고 어떤 것이 연구에 많이 활용될지 곧 알게 될 것이다. Mahfouz는 멀지 않은미래에 scGPT와 같은 모델들이 생물학의 중요한 질문들에 답을 줄 것이라고 예측하며, 이는 오직 시간이 입증해 줄 것이다. “지금은 흥미로운 시기입니다. 올해가 끝날 때쯤이면 지금과는 사뭇 다른 그림을 보게 될 것입니다.”
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Carissa Wong, PhD., A new AI tool predicts gene expression in a single cell. The Scientist Aug 21, 2023.
065
biotechnology
genetics
유전자 편집: prime editing의 시대가 온다.
Prime Editing 기술은 2019년에 발표된 이후 빛의 속도로 발전하고 있다. 과연 어떤 일들을 해 낼 수 있을까?
CRISPR는 아마도 현존하는 가장 인기있는 유전자 편집 기술일 것이다. 하지만 분명해보이는CRISPR의 성공에도 불구하고 이 과정에서 생기는 DNA의double-stranded break가 원치 않는 위험한 편집으로 이어지지 않을까 걱정되는 부분이 있다. 이와 함께 방법에 따라서는 염기편집에 필요한 단일 염기의치환에 비해 큰 변화를 필요로 하는 경우가 있다. 프라임 에디팅(Prime Editing)은 DNA분자의 두 가닥 모두를 자르지 않고도 단일 염기 수준의 정확도로표적을 편집할 수 있어 새로운 해결책이 될 수 있다.
이 기술의 고안자인 Andrew Anzalone과 David Liu가 2019년에 처음 발표한 이후, 이들은 다음 세대의 기술로 발전시켰고 회사를 만들어 처음으로 임상전 결과들을 내기 시작했다. 이제 prime editing은 마지막 목표, 즉 치료의 길로 향해 가는 셈이다.
Prime Editing은 어떻게 작동할까?
Prime editing은 prime editing guide RNA(pegRNA)와 Cas9 효소와 역전사효소(reverse transcriptase)를 결합시킨 단백질로 구성되어 있다. Prime editing에 사용된 CAS9은 원래 가지고 있던 두개의 nuclease(DNA분해효소) 부위 중 하나를 불활성화 시켜 ‘nickase’, 즉 한 가닥 만을 잘라 nick(잘린 부위를 말함)을 만든다. 따라서 pegRNA가 한쪽 DNA에 결합하면 CAS9에 의해 잘린 가닥의 일부가 밖으로 삐져나온다(flap).
pegRNA의 다른 한쪽 끝은 주형의 역할을 한다: 일부는 삐져나온 부분과 상보적이고 나머지 부위는 편집된 염기서열을 지니고 있다. 삐져나온 부위와pegRNA일부가 결합한 후 역전사효소에 의해 pegRNA를 주형으로 원하는 DNA염기서열이 만들어진다. 이렇게 만들어진 조각은 다시 원래의 DNA분자에 끼어들어간다. 상보적인 가닥의 2번째 nick의 도움으로 원래의 가닥은 제거되고, DNA 손상회복 기전에 의해 다른 가닥도 원하는 염기서열로 바뀌게 된다.
Broad Institute에서 Liu의 실험실에서 일하는 동안, Anzalone은 실험관에서의 유전자 편집에는 성공했다. 하지만 인간 세포에서의 첫 실험은 실패했다. 그는 아마도 flap(삐져나온 부위)와 결합하는 pegRNA의 길이에 문제가 있었다고 생각했다. 다음 실험에서 그는 시험관에서 사용한 것에 비해 단 한 개의 염기를 더 붙여 실험하게 되었다. “그 단 하나가 백그라운드 편집 확률보다 높게 나오게 한 것 같았죠.”라고 말했다. 마침내 2019년에 그는 유전자 편집에 있어 믿을 만한 기술을 확보하게 되었다. 그는 좀더 긴 결합서열을 이용해 실험을 반복했고, “그때 저는 실험실에 있었어요 – 아마 수요일이었던 것 같습니다. – 내가 있던 Broad Institute에는 몇 명의 사람들이 더 있었습니다. 그들은 내 어깨 너머로 데이터를 분석하는 과정과 마침내 유전자 편집 성공률(%)이 한자릿 수를 보이기 시작한 걸 보았죠. 아주 흥분된 하루였습니다.”라고 말했다. Nature에 게재된 이 논문을 심사했던 University of California, Berkeley의 생물공학자인 Fyodor Urnov는 “제가 무엇보다 놀란 것은 이것이 대표하는 주제의 놀라운 확장성입니다.”라고 말했다. 이어 “우리가 자연으로부터 무언가를 원한다면 자연과 싸울게 아니라, 협동해야 하는 겁니다.”라고 말했다.
Twin prime: 차세대의 prime editor
최초의 prime editing은 단일 염기 치환에서 십여 개 염기의 삽입이나 제거에 이르는 비교적 작은 돌연변이에 집중되었고, 질병과 관련된 긴 서열을 고치기는 불가능했다. 결국 Anzalone, Liu 그리고 동료들은 twin prime editing을 들고나오게 된다. Twin prime editing이란 이름은 수학의 twin prime conjecture에서 따온 이름으로 소수(prime number)가 무한한 것처럼 소수의 쌍, 즉 17과 19처럼 p, p+2의 관계를 갖는 수도 무한하다는 추측이다. Anzalone의 동료중 수학을 전공하는 친구가 있었고, “재미있는 생각인 것 같아요.”라고 말했다.
Twin prime editing을 위해서 Anzalone과 Liu는 2개의 pegRNA를 이용했다. 가운데가 겹치는 2개의 삐져나오는 부위(flap)를 만들어 각각 다른 pegRNA에의해 반반씩 만들어지도록 하여 보다 큰 DNA부위를 편집하는 것이다. 하지만 이 twin prime editing 방법을 써도 100 bp이상의 긴 DNA 조각을 넣는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해 이들은 중간에 또 다른 부위를 삽입했다:특정부위 재조합효소(site-specific recombinase)이다. 자연계에서 이 효소는 DNA의 특정 부위를 인식하여 자르고 큰 조각을 붙인 뒤 다시 연결한다.Anzalone과 Liu의 연구팀에겐 이런 능력을 가진 효소를 twin prime editing의 삽입 능력을 향상시키는데 사용하는 것이 완벽해 보였다.
이들은 이 효소의 자리 인식에 twin prime editing을 사용하기로 하였다. Anzalone과 Liu가 함께 설립하고 현재 Anzalone이 일하고 있는 Prime Medicine사는 이 prime assisted site specific integrase gene editing을 bulked-up twin prime editing system PASSIGE라고 이름 붙였다. “이것으로 유전자 크기의 조합이 가능해졌습니다.” Anzalone의 말이다.
Anzalone과 Liu는 PASSIGE를 이용해서 작거나, 중간 또는 큰 수준의 편집이 가능한 prime editing의 도구를 만들어낸 것이다. 다음 단계는 분명해 보인다. 어떻게 이를 이용해 새로운 유전자 치료법을 개발해 내는가 하는 것이다.
Prime editing의 전망
여러 prime editing system이 있지만 치료를 위한 prime editing의 개발은 다른 유전체 편집에 비해 어려울 수 있다. “이는 원조 CRISPR-Cas9 system이나RNA를 사용한 표적부위의 염기 편집처럼 간단하지는 않습니다.” Anzalone의 말이다. “Prime editing에서 guide sequence에 대한 다양한 조작과 변형을주어 편집 효율에 있어 정말 큰 차이를 만들어냈습니다.”
편집 효율을 높이는 것에 어려움이 있긴 하지만 이걸 이유로 몇몇 질환들에 대한 Prime Medicine을 멈추게 할 수는 없었다. 그들은 ex vivo 프로그램에서만성 육아종병(chronic granulomatous diseases, CGD; 식세포의 기능이 떨어져 지속적인 감염증이 나타나는 면역결핍질환으로 유전병으로 알려져 있다.)을 치료하는데 가장 앞서 나가고 있다. “우리는 굉장히 믿을 만한 전임상 결과들을 갖고 있습니다.” Anzalone이 말했다.
Anzalone은 아직 시작에 불과하다고 생각한다. “점돌연변이를 교정하는 것을 넘어서, 반복부위 확장(repeated region expansion)으로 인한 질병, 예를 들면 허딩턴병(Huntington’s disease)이나 프리드리히형 실조증(Friedreich’s ataxia)에 대해 질병유발 반복부위를 제거하여 환자들에게 유효한 영향을 줄 수있다고 생각합니다.” 그는 또한 암을 제거하는 CAR-T 세포를 만들 수도 있다고 한다. “아직 우리의 진행 계획에 올라와 있지도 않지만 말이죠.”
Urnov는 이 과정이 매우 흥미롭고 Prime Medicine을 환자에게 빨리 적용해보는 것이 급선무라고 한다. “prime editing이 해야할 일은 그들이 제시한 계획에 따라 이 기술을 이용하여 본보기로 한 두가지 질환에 대한 발전을 강행해야 할 필요가 있습니다.”라고 말했다.
그는 Anzalone과 그의 연구팀이 환자를 도울 어떤 변환작업을 하는 대신 기술적 완성에 집중하는 것을 보고 싶지는 않다고 했다. “임상에 적용할 때까지기술의 잠재력과 안전을 위해 최적화 할 수 있다는 생각은 이 분야에서는 옳은 태도가 아닙니다.”라고 말한다. 그의 의견에 따르면 만약 제한 기준에 맞고환자들에 관해서도 투명하다면 그것으로 충분하다는 것이다. “prime editing의 적용을 기다릴 이유는 없다고 생각해요.”
Anzalone은 Prime Medicine이 두 가지 목표를 모두 이루기를 바라고 있다. 그는 prime editing의 혜택을 최대한으로 끌어올리는 방법으로 소위 “marchingup the chromosome (염색체 행진)”이라고 부르는 방법을 생각한다. 즉, 가장 보편적인 환자 집단에 하나의 돌연변이를 넣고 결과에 따라 각기 다른pegRNA를 이용해 2번, 3번 시도를 계속하는 것이다. 다른 하나는 “long flap” system을 이용해 환자집단에서 볼 수 있는 특정한 엑손의 모든 돌연변이를한번에 대치하는 것이다. “하나의 치료제가 한 환자가 아니라 많은 수의 환자를 치료하는 거죠.”라고 말한다.
이런 희망사항들이 결실을 맺기 까지는 많은 시간이 필요할 것이다. 그 동안 그는 그들이 개발한 기술을 더욱 발전시킬 것이다. 하지만 이런 과정에서 새로운 기술이 선호되고 전략화되기가 얼마나 어려운지 보여주기도 한다. 어느 질병을 택할 것인가? 누가 최초로 시도할 것인가? 이런 질문들은 쉽게 답할수 없는 것들이다.
“새로운 생명과학기술의 경우는 (목표에 도달하기 위해서) 얼마나 많은 것들을 해야하는지 파악하는 것입니다.” Anzalone은 말한다. “이곳의 모든 사람들은 (이 모든 것들이) 어떻게 될지 보고 싶죠. 만약 우리가 그런 위치에 갈 수 없다면 창피한 일이 될 겁니다.”라며 말을 맺었다.
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Ida Emilie Steinmark, PhD., Prime editing comes of age. The Scientist Sep 8, 2023
<References>
1. Kosicki M, et al. Repair of double-strand breaks induced by CRISPR-Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements. Nat Biotechnol.2018;36(8):765-771.
2. Anzalone AV, et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature. 2019;576(7785):149-157.
3. Anzalone AV, et al. Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing. Nat Biotechnol.2022;40(5):731-740.
4. Zhao Z, et al. Prime editing: advances and therapeutic applications. Trends Biotechnol. 2023.