살아있는 세포가 수행하는 일부 기능을 모방하도록 조작된 합성 세포는 생명 공학 및 의학 분야의 응용 가능성을 보여줍니다. 그러나 가장 작은 생물학적 세포조차도 매우 복잡하며 살아있는 인공 세포의 구성은 수많은 장애물에 직면합니다. 연구원들은 슐만 연구소 Johns Hopkins University의 연구팀은 최근 이러한 과제 중 하나인 세포 경계를 넘어 물질과 정보의 교환을 향해 진전을 이루었습니다.
글쓰기 과학의 발전, 연구원 – 악시멘티예프 그룹 University of Illinois Urbana-Champaign에서 조작된 DNA 나노채널을 통해 전례 없는 거리에 걸쳐 작은 분자의 누출 없는 수송을 시연합니다. 미래에 그들의 작업은 인공 세포의 구성에 도움이 될 수 있으며 살아있는 조직의 연구와 조작에도 도움이 될 수 있습니다.
다세포 유기체 내의 세포는 집단적 생존을 보장하기 위해 물질을 교환하고 통신해야 합니다. 각 세포는 많은 생물학적 분자가 통과할 수 없는 지질막으로 둘러싸여 있기 때문에 진화는 이 장벽을 통과할 수 있는 메커니즘을 생성했습니다. 신호 수용체, 수송체 및 기공은 정보를 중계하고 세포와 외부 사이의 분자 통과를 허용하는 반면, 간극 접합과 같은 세포 접촉은 인접한 세포의 내부를 직접 연결하고 작은 분자의 세포 간 확산을 가능하게 합니다.
인공 시스템에서 이러한 과정을 모방하기 위해 연구원들은 막의 단백질 기공을 통해 통신할 수 있는 서로 옆에 위치한 합성 세포를 개발했습니다. "그러나 세포가 더 먼 거리에서 통신하고 물질을 교환할 수 있는 합성 세포 시스템을 개발하는 것은 여전히 어려운 일입니다."
생물학에서 세포 간 의사소통을 촉진하는 단백질 구조는 아미노산에서 "상향식"으로 구축됩니다. 즉, 서열에 인코딩된 정보가 구조로 변환됩니다. 또 다른 생물학적 거대 분자인 DNA는 주로 세포의 정보 저장에 사용됩니다. 그러나 합성의 용이성과 높은 수준의 구조를 형성할 수 있는 가능성으로 인해 DNA 나노기술 분야는 약 30년 전에 첫 번째 개념 증명을 훨씬 넘어섰습니다. 이후 과학자들은 DNA 종이접기라고 하는 노력으로 격자, 튜브, 기하학적 몸체, 웃는 얼굴의 예술적인 렌더링을 포함하여 DNA로부터 훨씬 더 정교한 2D 및 3D 구조를 조립했습니다.
그들의 연구에서 Schulman Lab 연구원들은 세포와 같은 소포의 막을 연결하고 분자가 교차할 수 있는 작은 구멍을 만드는 DNA 종이접기 나노공을 조작된 자가 조립 DNA 나노튜브와 결합했습니다. 염료 분자의 소낭으로의 플럭스를 정량화함으로써 그들은 짧은 나노기공이 염료에 대해 막을 투과성으로 만든다는 것을 보여주었습니다. 그들은 또한 이 수송 속도가 확산과 일치한다는 것을 확인했으며 특별히 설계된 DNA 캡이 모공을 막아 염료가 들어가는 것을 막을 수 있음을 발견했습니다.
그런 다음 팀은 이 작업을 중간 길이가 700nm이고 최대 길이가 2μm 이상인 DNA 나노튜브로 확장했습니다. 다시, 실험은 염료 유입이 DNA 구조물의 존재 하에서 강화되고 캡이 침투를 저지할 수 있음을 보여주었습니다. 그 의미는 "작은 분자는 누출 없이 튜브를 통과할 수 있으며 단백질과 같은 큰 분자도 이러한 나노튜브를 통해 수송될 수 있을 것으로 기대한다"고 Li는 말합니다.
Aksimentiev 그룹의 구성원은 나노포어-염료 시스템의 브라운 역학 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 이들은 임계값 크기 미만의 분자의 경우 DNA 튜브의 측벽을 통한 누출이 유입을 지배하는 반면 더 큰 분자의 경우 종단 간 확산이 선호되는 메커니즘임을 보여줍니다.
Li는 이러한 시뮬레이션이 두 가지 방식으로 실험을 보완한다고 설명합니다. 예를 들어 "DNA 나노 구조의 자기 조립 동역학을 시뮬레이션"하여 "연구자들이 특정 기능을 가진 나노 규모 구조를 설계하는 데 도움이 되는 설계 도구로 사용할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. 물리적 프로세스에 대한 추가 통찰력”.
DIY DNA 디자인
연구를 공동 주도한 Rebecca Schulman은 파이프에 비유합니다. “이 연구는 자기 조립을 위한 이러한 쉬운 기술을 사용하여 누출되지 않는 나노튜브를 만드는 것이 실현 가능하다는 것을 매우 강력하게 시사합니다. 여기서 우리는 용액에서 분자를 혼합하고 원하는 구조를 형성하게 합니다. 우리의 경우 배관과 같은 것을 형성하기 위해 이러한 튜브를 다른 끝점에 연결할 수도 있습니다.”
연구실은 이러한 나노튜브의 적용을 위한 야심찬 계획을 가지고 있습니다. "향후 개발에는 두 개 이상의 인공 세포를 DNA 나노튜브와 연결하고 그들 사이의 분자 수송을 보여주는 것이 포함됩니다. 우리는 잠재적으로 한 세포에서 신호 분자의 수송이 다른 세포에서 유전자 발현을 활성화/비활성화할 수 있음을 보여줄 수 있습니다.”라고 Li는 말합니다. 물리 세계. 팀은 또한 "세포 신호 행동을 연구하거나 약물 전달 전략을 개발하기 위해 포유류 세포에 대한 신호 분자 또는 치료제의 전달을 제어하기 위해 나노튜브를 사용"하기를 희망합니다.
