부분적으로 합성된 이끼가 디자이너 게놈을 통해 식물의 길을 열다

부분적으로 합성된 이끼가 디자이너 게놈을 통해 식물의 길을 열다

타임 스탬프 : 8 년 2024 월 4 일 오후 20:XNUMX
부분적으로 합성된 이끼는 디자이너 게놈 PlatoBlockchain 데이터 인텔리전스를 통해 식물을 위한 길을 열었습니다. 수직 검색. 일체 포함.

합성생물학은 이미 생명을 다시 쓰고 있습니다.

2023년 말, 과학자들은 밝혀진 효모 세포 유전자 청사진의 절반이 인공 DNA로 대체되었습니다. 그것은 "유역"의 순간이었습니다. 18년에 걸친 프로젝트 모든 효모 염색체의 대체 버전을 디자인합니다. 7개 반의 합성 염색체를 가지고 있음에도 불구하고 세포는 번식하고 번성했습니다.

새로운 연구 우리를 디자이너 공장으로 진화의 사다리 위로 올려줍니다.

SynMoss라는 프로젝트를 위해 중국의 한 팀은 일종의 이끼에서 단일 염색체의 일부를 재설계했습니다. 그 결과 부분 합성 식물은 정상적으로 자라며 포자를 생성하여 부분적으로 인공 염색체를 보유하는 다중 세포를 가진 최초의 생물 중 하나가 되었습니다.

식물 염색체의 맞춤 변화는 합성 효모에 비해 상대적으로 작습니다. 그러나 이는 더 높은 수준의 유기체에서 게놈을 완전히 재설계하는 방향으로 나아가는 단계입니다.

과의 인터뷰에서 과학, 런던 임페리얼 칼리지의 합성 생물학자 톰 엘리스 박사는 이것이 “합성 게놈이 미생물만을 위한 것이라고 생각하는 사람들에게 경각심을 불러일으키는 신호”라고 말했습니다.

삶의 업그레이드

삶을 다시 쓰려는 노력은 단지 과학적 호기심을 충족시키기 위한 것이 아닙니다.

DNA를 조작하면 진화의 역사를 해독하고 염색체를 안정적으로 유지하거나 질병을 일으키는 DNA의 중요한 부분을 찾아내는 데 도움이 될 수 있습니다. 실험은 또한 DNA의 "암흑물질"을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 게놈 전체에 흩어져 있는 단백질을 암호화하지 않는 신비한 서열은 오랫동안 과학자들을 당황하게 했습니다. 그것은 유용한 것인가, 아니면 단지 진화의 잔재에 불과한 것인가?

합성 유기체는 또한 생명체를 조작하는 것을 더 쉽게 만듭니다. 예를 들어 박테리아와 효모는 이미 맥주를 양조하고 인슐린과 같은 생명을 구하는 약물을 펌핑하는 데 사용됩니다. 게놈의 일부를 추가, 전환 또는 삭제함으로써 이러한 세포에 새로운 기능을 부여하는 것이 가능합니다.

최근 한 연구에서예를 들어, 연구자들은 자연에서는 볼 수 없는 아미노산 빌딩 블록을 사용하여 단백질을 합성하도록 박테리아를 재프로그래밍했습니다. 또 다른 연구에 따르면 한 팀은 박테리아를 플라스틱 폐기물을 유용한 물질로 재활용하는 플라스틱을 쪼개는 터미네이터로 전환했습니다.

인상적이기는 하지만 박테리아는 인간과 달리 세포로 구성되어 있습니다. 박테리아의 유전 물질은 떠다니기 때문에 잠재적으로 재배선이 더 쉽습니다.

XNUMXD덴탈의 합성 효모 프로젝트 획기적인 일이었습니다. 박테리아와 달리 효모는 진핵 세포입니다. 식물, 동물, 인간 모두가 이 범주에 속합니다. 우리의 DNA는 핵이라고 불리는 견과류 모양의 거품 내부에 보호되어 있어 합성 생물학자들이 조정하기가 더 어렵습니다.

그리고 진핵생물의 경우, 식물은 성장과 번식을 조정하는 여러 세포 유형을 포함하고 있기 때문에 단일 세포 유기체인 효모보다 조작하기가 더 어렵습니다. 염색체 변화는 각 세포의 기능에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 결과적으로 식물의 건강에 영향을 미칩니다.

연구팀은 논문에서 “다세포 유기체의 게놈 합성은 미지의 영역으로 남아있다”고 적었습니다.

천천히, 차분하게

완전히 새로운 게놈을 처음부터 구축하는 대신 팀은 기존 이끼 게놈을 수정했습니다.

이 녹색 털은 실험실에서 광범위하게 연구되었습니다. 초기 분석 이끼 게놈에는 35,000개의 잠재적 유전자가 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 식물로서는 매우 복잡한 일입니다. 염색체 26개 모두의 서열이 완전히 밝혀졌습니다.

이러한 이유로 이 식물은 "진화 발달 및 세포 생물학 연구에서 널리 사용되는 모델"이라고 팀은 썼습니다.

이끼 유전자는 환경 변화, 특히 햇빛으로 인한 DNA 손상을 복구하는 변화에 쉽게 적응합니다. 생물학자들이 선호하는 또 다른 모델인 탈레 유채과 같은 다른 식물에 비해 이끼는 큰 DNA 변화를 견디고 더 빨리 재생하는 능력이 내장되어 있습니다. 게놈을 다시 작성할 때 두 가지 측면 모두 "필수"라고 팀은 설명했습니다.

또 다른 특혜? 이끼는 단일 세포에서 완전한 식물로 자랄 수 있습니다. 단 하나의 세포에서 유전자나 염색체를 변경하면 전체 유기체를 잠재적으로 변경할 수 있기 때문에 이 능력은 합성 생물학자들에게는 꿈의 시나리오입니다.

우리의 염색체와 마찬가지로 식물 염색체는 두 개의 팔이 교차된 "X" 모양입니다. 이 연구를 위해 팀은 식물에서 가장 짧은 염색체 팔인 18번 염색체를 다시 쓰기로 결정했습니다. 이는 여전히 거대한 프로젝트였습니다. 이전에는 가장 큰 대체 문자가 약 5,000개의 DNA 문자였습니다. 새로운 연구에서는 68,000개 이상의 글자를 대체해야 했습니다.

천연 DNA 서열을 "재설계된 대형 합성 단편으로 대체하는 것은 엄청난 기술적 과제를 제시했다"고 팀은 썼습니다.

그들은 분할 정복 전략을 취했습니다. 그들은 먼저 중간 크기의 합성 DNA 덩어리를 설계한 후 이를 염색체 팔의 단일 DNA "메가 덩어리"로 결합했습니다.

새로 디자인된 염색체에는 몇 가지 주목할 만한 변화가 있었습니다. 트랜스포존, 즉 "점핑 유전자"가 제거되었습니다. 이러한 DNA 블록은 게놈 주위를 이동하며 과학자들은 이것이 정상적인 생물학적 기능에 필수적인지 아니면 질병에 기여하는지 여전히 논쟁 중입니다. 연구팀은 또한 염색체에 DNA "태그"를 추가하여 합성임을 표시하고 특정 단백질의 제조를 조절하는 방법을 변경했습니다.

전반적으로 이러한 변화로 인해 염색체 크기가 거의 56% 감소했습니다. 연구팀은 디자이너 염색체를 이끼 세포에 삽입한 후 이를 성체 식물로 키웠습니다.

반합성 꽃

심하게 편집된 게놈에도 불구하고 합성 이끼는 놀랍게도 정상이었습니다. 식물은 여러 가지 가지가 있는 잎이 많은 덤불로 쉽게 자라며 결국 포자를 생성했습니다. 모든 생식 구조는 야생에서 발견되는 것과 유사하여 반합성 식물이 정상적인 수명 주기를 갖고 잠재적으로 번식할 수 있음을 시사합니다.

식물은 또한 염도가 높은 환경에 대한 회복력을 유지했는데, 이는 자연 식물에서도 볼 수 있는 유용한 적응입니다.

그러나 합성 이끼에는 예상치 못한 후성유전학적 특성이 있었습니다. 후성유전학(Epigenetics)은 세포가 유전자를 켜거나 끄는 방법에 대한 과학입니다. 염색체의 합성 부분은 천연 이끼와 비교하여 후생유전학적 프로필이 다르며, 평소보다 더 많은 활성화된 유전자를 가지고 있습니다. 팀에 따르면 이는 잠재적으로 해로울 수 있습니다.

이끼는 또한 트랜스포존을 포함한 DNA의 "암흑 물질"에 대한 잠재적인 통찰력을 제공했습니다. 이러한 점핑 유전자를 삭제해도 부분적으로 합성된 식물에는 해를 끼치지 않는 것으로 보이며 이는 식물의 건강에 필수적이지 않을 수 있음을 시사합니다.

보다 실질적으로 결과는 다음과 같습니다. 생명공학 노력을 강화하다 이끼를 사용하여 심장병 퇴치, 상처 치료 또는 뇌졸중 치료를 포함한 광범위한 치료 단백질을 생산합니다. 이끼는 이미 의료용 의약품을 합성하는 데 사용됩니다. 부분적으로 설계된 게놈은 신진 대사를 변경하고 감염에 대한 회복력을 높이며 수확량을 늘릴 수 있습니다.

다음 단계는 18번 염색체의 짧은 팔 전체를 합성 서열로 대체하는 것입니다. 그들은 10년 이내에 전체 합성 이끼 게놈을 생성하는 것을 목표로 하고 있습니다.

야심찬 목표입니다. 18년이 걸린 효모 게놈과 전 세계적인 협력을 통해 절반을 다시 쓴 것과 비교하면 이끼 게놈은 40배 더 크다. 그러나 점점 더 효율적이고 저렴한 DNA 판독 및 합성 기술을 사용하면 목표를 달성할 수 없습니다.

유사한 기술은 박테리아와 효모를 넘어 식물에서 동물에 이르기까지 유기체의 염색체를 재설계하는 다른 프로젝트에 영감을 줄 수도 있습니다.

이미지 신용 : 파이렉스 / 위키미디어 공용

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