삶의 필수 기능 중 많은 부분이 반드시 그 모습 일 필요는 없습니다. 기회는 진화에서 중요한 역할을하며, 단순히 이전에 개발 된 것이 무엇이든 충분히 좋았 기 때문에 결코 탐구 된 적이없는 대안 경로가 항상 있습니다. 이 아이디어의 한 가지 예는 우리의 DNA가 전달하는 정보를 단백질을 구성하는 특정 아미노산 서열로 변환하는 유전 코드입니다. 잠재적 인 아미노산은 수십 가지가 있으며 그 중 많은 것이 자발적으로 형성 될 수 있지만 대부분의 생명체는 그중 20 개에 기반한 유전 암호를 사용합니다.

지난 20 년 동안 연구자들은 이런 식일 필요가 없다는 것을 보여주었습니다. 박테리아에 적절한 효소와 대체 아미노산을 공급하면 사용할 수 있습니다. 그러나 박테리아는 유전자 코드의 모든 구멍이 이미 사용되고 있기 때문에 효소와 아미노산을 매우 효율적으로 사용하지 않습니다.

새로운 연구에서 연구자들은 박테리아의 유전 코드를 조정하여 새로운 구멍을 열 수있었습니다. 그런 다음 그들은 그 구멍을 비 천연 아미노산으로 채워 박테리아가 자연에 존재하지 않을 단백질을 생산하도록했습니다. 재 프로그래밍의 부작용? 바이러스는 변형 된 박테리아에서 번식 할 수 없습니다.

번역 중 손실

유전자 코드는 번역을 처리하며, 그 동안 DNA에 암호화 된 정보가 기능성 단백질로 변환됩니다. 이 과정의 핵심은 전달 RNA (또는 RNA)라고하는 작은 RNA 분자 그룹입니다. 전사 된 RNA는 DNA가 전달하는 정보와 염기 쌍을 이룰 수있는 3 개의 염기로 이루어진 작은 조각을 포함합니다. RNA는 또한 특정 효소에 의해 촉매되는 과정에서 특정 아미노산에 화학적으로 부착 될 수 있습니다.

이 조합 (특정 아미노산과 쌍을 이루는 세 개의 특정 염기)은 번역의 핵심입니다. 즉, DNA 염기를 특정 아미노산에 일치시키는 것입니다.

3 개의 염기와 4 개의 가능한 염기 (A, T, C 및 G)의 코돈은 코돈이라고하는 3 개의 염기의 64 가지 가능한 조합을 생성합니다. 이러한 코돈 중 3 개는 단백질 코딩 서열의 끝에 도달 할 때 번역 신호를 꺼야합니다. 이것은 단지 20 개의 아미노산에 대해 61 개의 코돈을 남깁니다. 결과적으로 일부 아미노산은 2 개, 4 개 또는 6 개의 서로 다른 코돈으로 암호화됩니다.

코드의 이러한 중복성은 영국 케임브리지에있는 연구팀이 목표로 삼은 것입니다. 몇 년 전 연구원들은 전체 편집 대장균 게놈 일부 중복 코돈도 해제됩니다. 연구자들은 전체 게놈에서 더 이상 상태가 없도록 3 개의 정지 코돈 중 하나의 모든 상태를 다른 코돈 중 하나로 편집했습니다. 무언가에 사용하는 대신 코돈을 편집하여 재정의했습니다.

연구진은 아미노산 세린에 대한 코돈으로 유사한 실험을 수행했습니다. 6 개의 코돈이 “세린”이라고 말하는 대신 연구자들은 그들이 표적으로 삼은 두 개의 각 상태를 다른 세린 코돈으로 변경하여 총 4 개로 만 수정했습니다.

(간단하게 들릴 수 있지만 작은 게놈도 대장균 수백만 개의 염기쌍에 걸쳐 수천 개의 코돈이 분포되어 있습니다. 유전자 코드를 편집하는 것은 그 자체로 인상적인 기술적 업적입니다.)

변화에 관대 한

박테리아는 3 개의 변형 된 코돈을 사용하지 않았지만 여전히 사용할 수 있습니다. 코돈을 사용하는 데 필요한 모든 조각 (캐리어 RNA, 아미노산을 결합하는 효소 등)은 여전히 ​​존재했습니다. 완전히 명확하지 않은 이유로, 변형 된 박테리아는 특별히 건강하지 않았으며 편집되지 않은 출처보다 더 느리게 성장했습니다.

연구를 계속하기 위해 연구자들은 변형 된 유전자 코드를 더 잘 전달할 수있는 균주를 개발했습니다. 그들은 박테리아를 돌연변이 체에 노출시킨 다음 샘플이 잘 자라는시기를 결정하고 샘플에 신선한 음식을 계속 공급하는 자동화 시스템을 사용하여 많은 샘플을 성장 시켰습니다. (빠르게 성장하는 박테리아는 흐려져 식별이 가능합니다.) 몇 차례의 스파이크 후에 거의 정상적인 성장이 회복되었습니다.

그 시점에서 연구자들은 RNA 전달 유전자와 3 개의 변형 된 코돈이 기능하도록하는 효소를 삭제했습니다. 이러한 변경으로 코돈이 더 이상 사용되지 않는 것이 아니라 더 이상 사용할 수 없게되었습니다.

다시 말하지만,이 문제는 박테리아 성장을 늦추지 만, 그 이유는 분명하지 않습니다. 삭제 된 유전자 중 일부가 다른 기능을 가지고 있거나 연구자들이 편집 중에 놓친 코돈 인스턴스가있었습니다. 그럼에도 불구하고 그들은 박테리아를 다시 돌연변이시키고 많은 성장이 회복 된 균주를 선택했습니다. 모든 것이 끝날 무렵 과학자들은 자연적으로 자라는 것보다 약 절반 정도 자라는 균주를 가졌습니다. 대장균. 또한 완전히 사용되지 않은 세 개의 코드가 있습니다.

(예를 들어, 연구원들은이 과정에서 어떤 돌연변이가 발생했는지 확인하기 위해이 최종 균주의 게놈 서열도 얻었습니다. 많은 차이점이 확인되었지만 수정 된 유전자 코드를 사용하여 성장하는 능력과는 분명한 관련이 없었습니다. 그는 이후 몇 명의 대학원생에게이 미스터리를 발견하도록 의뢰했습니다.)

새 코드는 누구입니까?

연구진은 사용하지 않은 세 개의 코돈이 손상되었는지 확인하기 위해 이들을 바이러스로 감염 시켰습니다. 이러한 바이러스에 의해 암호화 된 단백질에는 일반적으로 사용되지 않은 코돈이 포함되므로이 방법은 코돈 사용이 실제로 제거되었는지 여부를 테스트합니다.

박테리아가 테스트를 통과했습니다. 5 개의 서로 다른 바이러스의 혼합물이 동시에 배양 물에 버려 졌을 때에도 코돈에서 어떤 바이러스도 성장할 수 없습니다. 이 균주에서 이러한 코돈은 단순히 사용할 수 없다는 것이 분명했습니다.

그것이 연구자들이 애초에 원했던 것입니다 (항 바이러스 박테리아를 만들기 위해 착수하지 않았다고 말하는 것이 공정합니다). 이제 그들은 지구상의 생명체가 일반적으로 사용하지 않는 세 개의 아미노산 코돈을 사용할 수 있습니다.

연구진은 박테리아에 일부 비 천연 아미노산과 함께 RNA를 전달하여 스 플라이 싱을 수행하는 효소에 부착하는 유전자를 제공했습니다. 그런 다음 그들은 재정의 한 코돈을 사용해서 만 번역 할 수있는 비 박테리아 단백질 유전자를 삽입하기 시작했습니다. 연구진은 그 단백질이 만들어졌고 그것이 이러한 비 천연 아미노산을 포함하고 있음을 확인했습니다. 그들은 심지어 세 가지 다른 합성 아미노산을 포함하는 버전을 만들어 실제로 유전 암호를 확장했음을 보여주었습니다.

연구원들은 또한 세 가지 합성 아미노산의 다른 세트를 사용하는 균주를 만들 수있었습니다. 따라서 다양한 종류의 균주를 형성 할 수 있으며, 각 균주는 서로 다른 합성 아미노산 세트를 사용하도록되어 있습니다.

흥미로운 고분자 화학

저자는 실용적인 것을 보여주지 않았지만 잠재적 인 용도가 많이 있습니다. 합성 아미노산은 20 개의 천연 그룹과의 가능하거나 효과적인 반응을 촉매 할 수 없습니다. 우리는 반드시 새로운 아미노산을 포함하는 효소를 설계 할 필요는 없습니다. 또는 확장 된 유전자 코드를 사용하여 균주에서 기능을 개발할 수 있습니다.

흥미로운 고분자 화학에 대한 잠재력도 있습니다. 대부분의 폴리머를 구성하는 화학 반응에서 우리는 일반적으로 한 가지 유형의 폴리머 빌딩 서브 유닛 만 사용합니다. 왜냐하면 일어나는 일과 관련된 것을 제어 할 수 없기 때문입니다. 그러나 단백질을 사용하면 아미노산 배열을 지정할 수 있으므로 각 하위 단위의 배열을 완벽하게 제어하여 폴리머 사슬을 만들 수 있습니다. 확장 된 유전 암호를 통해 분자 수준에서 고분자 형성을 제어 할 수 있습니다.

과학, 2021 년. DOI : 10.1126 / 과학. abg3029 (DOI 정보).