"먹고, 자라고, 번식하는" 인공 세포

이 세포는 먹고, 자라고, DNA를 복제하고 분열합니다. 이웃 세포들과 자원을 놓고 경쟁하고, 결국 승리합니다. 인간의 게놈보다 3만 배나 작지만 게놈을 가지고 있습니다. 과학자들은 이 세포 내의 모든 원자, 모든 분자, 모든 화학반응을 알고 있을 정도로 비밀이 없습니다.

이 모든 것은 자연 유기체가 아니라  무생물 구성 요소로 조립된 세포입니다.

 

겉모습이 감자와 비슷하다고 해서 '스퍼드셀(SpudCell)', 즉  '감자 세포'라고 이름 붙여졌습니다.  그리고 이것은 아마도 최근 수십 년 동안 합성 생물학에서 가장 중요한 진전일 것입니다.

"저는 모든 구성 요소의 목록을 알고 있습니다."

지금까지 합성 세포는 하향식 방식으로 만들어졌습니다. 살아있는 박테리아에서 "불필요한" 유전자를 제거하고 필요한 최소한의 유전자만 남기는 방식이었죠. 그렇게 해서 2016년에는 원래 1,000개의 유전자 대신 473개의 유전자를 가진 박테리아를 얻었습니다.

미네소타 대학교의 케이트 아다말라 연구팀은 다른 접근 방식을 택했습니다. 그들은  마치 레고 블록처럼 개별 분자부터 시작해서 세포를  밑바닥부터 만들어냈습니다.

"저는 세포에 있는 모든 성분 목록을 알고 있습니다. 어떤 화학 물질, 어떤 분자가 어떤 농도로 존재하는지 정확히 알고 있죠."라고 아다말라는말합니다.  "완전히 정의된 시스템이기 때문에 설계할 수 있습니다."

그들은 대장균에서 가져온 유전자 36개와 박테리오파지 바이러스에서 가져온 유전자 2개, 그리고 현미경으로 관찰했을 때 세포를 빛나게 하는 해파리에서 가져온 유전자 1개를 사용했습니다.  이 유전자들을 조립하여 9만 개의 염기쌍으로 이루어진 게놈을 만들었습니다. 참고로 인간의 게놈은 약  30억 개입니다. 생물학자들은 이전에는 생명 유지에 최소 11만 3천 개의 염기쌍이 필요하다고 생각했지만, 스퍼드셀은 이 기록마저 깼습니다.

게놈은 단일 염색체가 아닌  7개의 플라스미드 (원형 DNA 분자)로 나뉘어 있습니다. 이는 의도적인 설계로, 레고 블록처럼 각기 다른 세포 기능을  독립적으로  "프로그래밍" 할 수 있도록 하기 위함입니다.그런 다음 그들은 이 모든 것을 리포솜(자연적으로 막을 형성하는 작은 지질 방울)에 담았습니다. 여기에 단백질, 효소, DNA 구성 요소를 추가했습니다. 이 방울 중 일부는 우연히 적절한 유전자 세트를 포착하여 스퍼드셀이 되었습니다.

캡슐화된 게놈과 활성 단백질 발현을 포함하는 스퍼드셀(SpudCell) 리포솜의 초고해상도 이미지입니다. 스퍼드셀은 무생물 구성 요소로 만들어졌으며 완전한 세포 주기를 거칠 수 있는 최초의 합성 세포 시스템입니다

 

스퍼드셀의 기능은 다음 과 같습니다.

 

이 시스템은 완전한 세포 주기를 거칠 수 있습니다. 다른 리포솜 유사 소포와 융합하여 막 지질, 리보솜, 효소 및 "구성 물질"을 공급받아 영양분을 섭취합니다. 성장하고,  DNA DNA를 복제하고,  분열합니다. 이 모든 과정은 자연 세포에서 분열을 조절하는 내부 골격인 세포골격 없이 이루어집니다. 이전에는 이것이 합성 생물학의 주요 병목 현상 중 하나였습니다. 스퍼드셀에서는 단백질이 막에 축적되어 기계적 스트레스를 유발하고 막을 파괴합니다.  연구진은 "각 스퍼드셀은 살아있는 세포의 외막을 복제하는 리포솜으로 구성되어 있다 "고 설명합니다. 한 실험에서 연구팀은 성장을 가속화하는 유전자 변형을 도입했습니다. 단 5세대 만에 가속 변이체가 원래 변이체를 능가했습니다. 이는 자연선택이 완전히 합성된 시스템에서도 작용하고 있음을 시사합니다. 즉, 세포들이 자원을 놓고 경쟁하고 가장 적합한 세포가 승리하는 것입니다.

 

무생물 화학 성분으로만 구성된 합성 세포인 스퍼드셀(SpudCell)이 분열하는 모습을 형광 현미경으로 관찰한 사진  입니다

 

"생명은 엄격하게 정의된 상태가 아닙니다."

스퍼드셀은 살아있는 것일까요? 제작자들은 스스로 "아니요"라고 답합니다. 아다말라는 "스퍼드셀은 살아있지 않다고 생각합니다. 제 생각에 생명은 좀 더 견고해야 하기 때문입니다."라고 말합니다. "스퍼드셀은 성장하고 번식하지만, 상상할 수 없을 정도로 허약한 시스템입니다. 저는 스퍼드셀을 좋아하고, 아름답다고 생각하지만, 이것은 단지 시작일 뿐입니다."

 

스퍼드셀에 부족한 것은 다음과 같습니다.

리보솜: 스퍼드셀은 단백질을 생산하는 공장인 리보솜을 스스로 만들 수 없습니다. 연구자들은 세포에 기성 리보솜을 지속적으로 공급해야 하는데, 이 리보솜은 시간이 지남에 따라 분해됩니다.

끝없는 분열: 리보솜 문제와 불균등한 DNA 분포로 인해 스퍼드셀은 5~10세대 정도만 생존한 후 기능을 멈춥니다.

자연 진화: 스퍼드셀은 자연적으로 돌연변이를 생성하지 않으며, 연구자들이 인위적으로 도입해야 합니다.

저자들이 논문을 제출한 권위 있는 학술지인 셀(Cell)의 한 심사위원은 이를  "진정한 생물학이 아니다 "라고 평했습니다. 이러한 이유로 논문은 게재가 거부되었습니다. 190페이지 분량의 이 논문 초고는 현재 아다말라가 설립한 비영리 단체인 바이오틱 연구소(Biotic Institute) 웹사이트에서만 볼 수 있습니다.

이 연구에 참여하지 않은 크레이그 벤터 연구소(Craig Venter Institute)의 합성 세포 연구 책임자인 존 글래스는 다음과 같이 말했습니다.  "'살아있다'는 것은 정확하게 정의된 상태가 아닙니다. 미국 대법원 판사 포터 스튜어트가 포르노에 대해 말했듯이, '보면 알 수 있다'는 것입니다. 생명도 거의 마찬가지입니다."

 

9만 염기쌍의 게놈을 가진 합성 세포의 세포 주기가 선택적 복제를 거치는 모습입니다  .

 

"마치 라이트 형제의 비행기 같아요."

아다말라는 스퍼드셀을 라이트 형제와 그들의 첫 비행기에 비유합니다. 현대의 살아있는 세포가 제트 여객기라면, 스퍼드셀은  단 몇 분 동안만 날았지만 비행의 가능성을 증명한 "연약한 나무와 면으로 만든 원시 비행기"와 같습니다.

"우리는 이전에는 생물학에서만 가능했던 것을 화학에서 보여주었습니다. 바로 완전한 세포 행동 양식이죠."라고 아다말라는 말합니다. "  이는 성장과 번식과 같은 생명의 가장 기본적인 기능들이 신비롭고 마법 같은 불꽃을 필요로 하지 않는다는 것을 증명합니다. "

"이것은 제가 지금까지 해본 연구 중 가장 흥미로운 연구입니다."라고 그녀는 덧붙입니다.

"우리는 세포를 설계할 수 있습니다."

스퍼드셀은 그 자체로 목적이 아닙니다. 다양한 생물학적 "공장"을 조립할 수 있는 "새시", 즉 플랫폼입니다.

"이것은 우리가 완전히 이해된 구성 요소로부터 세포를 만들어낼 수 있다는 것을 증명합니다."라고 아다말라는 설명합니다 . "이 세포 들은 성장하고 번식합니다. 스퍼드셀(SpudCell)은 자연 생물학의 가능성을 확장하고, 자연이 만들어낼 수 없는 것을 창조하며, 동시에 자연 생물학의 작동 원리를 이해하는 데 도움을 줄 플랫폼입니다."

이 세포들은 잠재적으로 의약품, 석유화학 물질이 없는 연료, 무독성 플라스틱을 생산하도록 프로그래밍될 수 있습니다. 아다말라의 설명에 따르면, 처음부터 만들어진 세포는  산업 화학으로는 불가능한 분자 변환을 수행할 수 있습니다.

 

프로젝트는 오픈 소스로 공개되었습니다. 아다말라는  전 세계 연구자들이 이 연구에 참여하고 스퍼드셀을 개선할 수 있도록  비영리 단체인 바이오틱 연구소(Biotic Institute)를 설립했습니다. "이 연구는 단지 시작일 뿐입니다."라고 그녀는 말합니다. "이 기술의 잠재력을 완전히 실현하고, 지속 가능하고 실용적으로 만들기 위해서는 국제적인 공동의 노력이 필요합니다."

 

지질 염색제로 붉은색 막을 가진 스퍼드셀  .

 

다음 단계는 무엇일까요?

연구팀의 다음 계획은 다음과 같습니다.
 

1. 스퍼드셀이 스스로 리보솜을 만들도록 가르치기.
2. 세포 분열 중 유전자 전달의 안정성을 보장하기 위해 현재 7개의 플라스미드가 딸세포들 사이에 무작위로 분배되며, 여러 차례 분열 후에는 대부분의 세포에서 적어도 하나의 플라스미드가 사라집니다.
3. 단백질을 끊임없이 보충해야 하는 의존도를 줄이기.

이러한 문제들이 해결된다면, 스퍼드셀(SpudCell) 세포주는 무한히 존재하며 독립적으로 진화할 수 있을 것입니다. 그러면 "생명이란 무엇인가?"라는 질문은 더 이상 철학적인 질문이 아니라 공학적인 질문이 될 것입니다. 현재로서는 시험관에서 만들어진 세포가 언제 단순한 "시스템"을 넘어 생명이 될 것인가라는 질문이 여전히 남아 있습니다. 그리고 그 경계를 누가 정할 것인가 하는 문제도 남았습니다.
   

이 연구는 아직 동료 심사를 거치지 않았지만, Biotic 웹사이트(biotic.org)에서 사전 공개본을 확인할 수 있습니다.

세포 영상:  www.youtube.com/watch?v=wpWdCpF69p4