DNA로 부호화되는 일종의 명령은 모든 생명체에게 해당되는 일종의 일반적인 규칙일 것이라고 생각되었다. 하지만 학술지 <사이언스>지에 발표된 논문에서 과학자들은 생물체들은 일상적으로 이러한 규칙을 어긴다는 사실을 발견했다. 이번 발견은 합성생명체의 디자인에 중요한 함의를 갖게 된다: 이러한 규칙을 어기는 생명체의 디자인을 통해서 연구자들은 바이러스 감염에 대해서 저항할 수 있는 새로운 생명체를 만들 수 있을 것이다. 이러한 조직을 만드는 것은 또한 의도하지 않은 숙주에 감염을 통해서 합성생명체 형성을 막을 수 있는 방법을 제시할 수 있다. 이러한 규칙에 대한 광범위한 예외현상은 이들의 DNA에서 야생상태로 전달하지 않게 되는 생명체를 조작을 어렵게 한다.
미국 예일대학의 생명공학자인 파렌 아이작스(Farren Isaacs)는 “이번 연구는 유전자 코드의 적응성을 보여주는 것”이라고 말했다. 미국 캘리포니아의 월넛 크리크 (Walnut Creek)의 미국 에너지성 합동유전체 연구소 (US Department of Energy’s Joint Genome Institute)의 에드워드 루빈 (Edward Rubin)은 인간 신체의 17개 지점을 포함한 1,776개의 지점에서 미생물의 RNA와 DNA의 규칙파괴자를 찾는 연구를 수행했다. 이들은 ‘리코딩’ 현상을 찾았다. 이 현상은 미생물이 대부분 생명체가 유전자 코드를 해석하는 방식과 다르게 해석하는 사건이다. 이 연구팀은 특히 어떤 생명체에게 단백질 생산을 중단하도록 명령하는 유전자 염기서열인 코돈 (codons)을 중단하게 하는 신호를 보내는 시점으로 보통은 대신에 단백질을 생산하도록 신호를 보내 다른 아미노산을 부가하여 단백질을 더욱 크게 한다.
이 연구팀은 처음에 어떤 생명체가 전통적인 ‘중단’신호를 사용할 경우에 1,000개 정도의 길이의 염기에서 유전자 코드에 의해서 어떤 단백질을 부호화하는지를 조사했다. 만일 이들 단백질이 비정상적으로 짧다면 연구자들은 이 미생물은 사실 아미노 산으로 ‘중단 코돈’을 해석하는지 여부를 조사했다. 이러한 현상은 31,415개의 샘플에서 나타났으며 일부 환경에서 수집된 염기서열의 10%를 차지하고 있었다. 인간에서 발견된 미생물은 특히 이 리코딩이 일어나기 쉽다는 사실을 발견했다. 샘플 중에서 겨우 10%만이 인간의 몸에서 얻어진 것이지만 리코딩이 이루어진 코돈의 절반 이상은 이러한 지점에서 얻어진 것이다.
루빈은 리코딩이 자연상태에서도 발견되지만 대부분 미생물에 대한 연구가 실험실에서 배양된 상태에서 이루어지기 때문에 이러한 수준에서는 그렇지 않았다. 그는 “우리가 이러한 접근법을 사용하면서 실험실 외부에서 조사했을 때, ‘이것이 규칙인가? 이 규칙은 적용되지 않았다’”고 말했다. 합성생물학자들은 리코딩을 이용해서 생명체가 새로운 특성을 가진 새로운 종류의 아미노산을 만들 수 있도록 한다. 이들은 또한 이를 이용해서 자신들이 조작한 DNA가 다른 생명체와 공유되는 것을 막을 수 있도록 디자인할 수 있는 방법을 찾을 수 있기를 기대하고 있다. 예를 들어 바이러스는 숙주의 세포 메커니즘을 납치하여 자신을 좀 더 복제할 수 있다. 하지만 이러한 복제과정은 바이러스와 숙주가 코드를 다르게 해석하게 될 경우에 좀 더 어려워진다.
과학자들이 자신의 유전자 정보를 자연적인 상태의 미생물과 교환하지 못하는 리코딩된 미생물을 만들수 있게 되면서 리코딩은 잠재적으로 바이오안전분야에서 엄청난 영향을 줄 수 있을 것이라고 지난 6년 동안 대장균 박테리아에서 합성 아미노산이 단백질과 함께 결합하는 코돈을 중단시키는 리코딩 방법을 연구해온 아이작스는 말했다. 하지만 루빈의 연구에서 예를 들어 인간의 입과 같은 일반 환경에서 바이러스에 감염된 박테리아는 양립할 수 없는 코딩을 갖게 된다. 루빈은 “우리가 진짜로 방화벽을 원한다면 우리는 좀 더 주의해야 한다”고 말했다.
하지만 하버드 대학에서 대장균 리코딩 프로젝트를 이끌고 있는 조지 처치(George Church)는 합성 리코딩된 생명체는 새로운 도약을 하는 진화를 이루고 지속적인 진화압력에 노출되지 않기 때문에 자연적인 바이러스가 각기 다르게 리코딩된 생명체에 감염되도록 하는 유전체 납치에 취약하지 않다고 말했다. 처치는 “바이러스가 숙주를 찾지 않는 동안 유전체에 급격한 변화가 일어난다면 변화의 숫자는 지구상에서 알맞는 바이러스군집보다 훨씬 더 클 수 있는 정도로 바뀔 필요가 있다”고 말했다.
출처: <네이처> 2014년 5월 24일 (Nature doi:10.1038/nature.2014.15283)
원문참조:
Ivanova, N. N. et. al. Science 344, 909–913 (2014).
Lajoie, M. J. et al. Science 342, 357–360 (2013).
