유전자편집의 경이로움으로 CRISPR의 급격한 상승과 함께 그 낮은 기원을 잊기 쉽다. 처음에는 박테리아 면역 체계의 특징으로 발견되었다.

박테리아가 더 많은 것을 제공하는 것 같다. 이번 달에는 하버드대학의 유명한 합성생물학자인 조지 처치(George Church) 박사가 이끄는 팀이 또 다른 이상한 박테리아 생물학 조각을 납치했다. 그 결과 이론상 수백만 개의 DNA 염기 서열을 동시에 편집할 수 있는 강력한 도구가 "바코드"로 변경 사항을 추적할 수 있다. 하나의 섬세한 DNA 가닥을 끊지 않고 모두 말이다.

현재 "Retron Library Recombineering (RLR)"이라고하는 이러한 생물학적 도구는 박테리아 세포에서만 테스트되었다. 그러나 CRISPR의 유전자 치료 여정에서 알 수 있듯이, 낮은 생물에서 가장 이상한 발견조차도 우리의 가장 거친 유전자 치료 또는 합성생물학의 꿈을 현실로 만들 수 있다.

조지 처치(George Church)는“이 작업은 다른 유전 시스템에서 RLR을 사용하는 로드맵을 설정하는 데 도움이 되며, 이는 미래의 유전 연구를 위한 많은 흥미로운 가능성을 열어준다.

잠깐, 왜 CRISPR이 부적절할까?

Retrons는 이상하다. 대신 CRISPR부터 시작하겠다.

작동 방식에 이미 익숙할 것이다. RNA의 유형과 단백질의 두 가지 구성 요소가 있다. "블러드 하운드"가이드 RNA는 Cas "가위"단백질을 특정 유전자에 묶는다. 클래식 버전에서 Cas는 유전자를 잘라내어 끈다. 최근의 발전으로 Cas는 특정 유전자 문자를 대체하거나 한 번에 여러 유전자를 잘라낼 수 있다.

절단 및 교체 버전의 경우 유전자가 스스로 치유됨에 따라 종종 템플릿을 찾는다. CRISPR은 세포가 의존하는 주형 유전자를 운반할 수 있다. 이런 식으로 세포는 유전자 사본 편집으로 속여서 결함이 있는 유전 문장을 생물학적으로 문법적인 문장으로 대체한다.

CRISPR의 문제는 DNA 절단이다. 휴대 전화에서 문장을 잘라 본 적이 있다면 잘못된 부분을 잘라내어 이제 의미가 없는 다른 메시지로 다시 붙여 넣고 보내기를 누르라. 이는 CRISPR에서 발생할 수 있는 일과 유사하다. 여러 유전자를 편집해야 할 때 게놈 손상 위험이 높아진다. 이것은 유전자 조작을 사용하여 세포에 새로운 능력을 부여하거나 심지어 완전히 새로운 유기체를 조작하는 합성 생물학에서 큰 문제가 된다.

세포는 영겁의 진화에서 개발된 완고한 생물이므로 단일 유전자를 변경하는 것만으로는 박테리아가 바이오 연료나 약물을 펌핑하는 데 충분하지 않으므로 다중 유전자편집이 필요하다. 대부분의 세포는 또한 빠르게 분열하므로 모든 유전적 땜질이 여러 세대에 걸쳐 유지되어야한다. CRISPR은 종종 둘 다로 어려움을 겪는다. 조지 처치(George Church)팀은 해결책이 있다고 생각한다.

Retrons 만나기

새로운 도구는 RLR이라고하며 첫 번째 "R"은 retrons를 나타낸다. 이 연구팀은 CRISPR과 비슷하지만 박테리아의 면역 체계에 관여할 수 있는 "자연 생물학… 거의 알려지지 않은"널리 퍼져 있지만 완전히 신비한 생물이다.

1984년에 처음 발견된 retrons는 특정 유형의 DNA로 변환될 수 있는 일부 박테리아 세포에서 DNA의 떠 다니는 리본이다. ssDNA라고하는 단일 DNA 사슬이다 (예, 이상하다).

그러나 그것은 유전자편집에 있어서 환상적인 뉴스이다. 우리 세포의 DNA는 분열할 때 감수성이 있는 단일 사슬이 되기 때문이다. retron 스위치 앤 미끼를 위한 완벽한 타이밍.

일반적으로 우리의 DNA는 염색체라고하는 23개 묶음으로 단단히 싸여 있는 이중 나선으로 존재한다. 각 염색체 묶음은 두 개의 사본으로 제공되며 세포가 분열되면 사본이 분리되어 복제된다. 이 기간 동안 두 복사본은 때때로 재조합이라는 과정에서 유전자를 교환한다.

이것은 retrons가 몰래 들어와서 ssDNA 자손을 분할 세포에 대신 삽입할 수 있는 때이다. 박테리아 세포가 약물에 저항성을 갖게 하는 새로운 속임수를 가지고 성공적으로 자신을 삽입하면 세포의 자손이 그 형질을 물려 받게 된다.

세포의 자연적인 기계 때문에 retrons는 절단하지 않고 게놈에 침투할 수 있다. 그리고 그들은 동시에 수백만 개의 분열 세포에서 그것을 할 수 있다.

"우리는 retrons가 외부에서 세포 안으로 강제로 들어가는 것보다 우리가 편집하고자 하는 세포 내에서 ssDNA를 생산할 수 있는 능력을 제공해야한다고 생각했다. 둘 다 매우 강력한 특성이었던 천연 DNA를 손상시키지 않고 말이다."고 연구 저자인 Daniel Goodman 박사는 말했다.

RTR 제작

CRISPR과 유사하게 RTR에는 돌연변이 (미끼)를 포함하는 유전자 조각과 RT 및 SSAP (역전사 효소 및 단일 가닥 어닐링 단백질)의 두 가지 단백질이 있다. 그것은 retron을 ssDNA로 변환하고 분열 세포에 삽입되도록 한다.

아직 함께 있는가?

왕좌의 게임처럼 많은 플레이어가 있다. 그래서 더 명확하게 하기 위해서: retrons는 우리가 삽입하고자 하는 유전자 코드를 가지고 있다. RT는 이를 ssDNA라고하는보다 호환성 있는 형태로 만든다. SSAP는 분열하면서 DNA에 붙인다. 기본적으로 트로이 목마는 세포를 침범하고 효소 마술사의 도움을 받아 DNA를 변경하여 세포에 자신을 삽입하는 스파이를 쏟아낸다.

두 단백질은 당에 새로운 것이다. 이전에 과학자들은 유전자 편집을 위해 retrons를 사용하려고 시도했지만 효율성이 극도로 낮았다. 감염된 모든 박테리아 세포의 약 0.1%이다. 두 명의 신인은 DNA 변화를 수정하는 박테리아의 자연적인 "경보 시스템"을 조용히 하여 새로운 DNA 비트를 무시하고 편집 내용을 다음 세대로 전달하도록 허용했다. 또 다른 트릭은 ssDNA를 정상적으로 파괴하는 단백질을 암호화하는 두 개의 유전자를 중성화 하는 것이었다.

한 테스트에서 연구팀은 박테리아 세포의 90% 이상이 새로운 retrons 염기 서열을 DNA로 쉽게 받아들인다는 것을 발견했다. 그들은 다음으로 커졌다. CRISPR에 비해 retrons는 시퀀스가 ​​바코드 역할을 할 수 있다는 점에서 다리가 있다. 즉, 여러 유전자편집 실험을 한 번에 수행하고 바코드를 시퀀싱하여 어떤 세포가 retron으로 편집되었는지 파악할 수 있다.

개념 증명 테스트에서 팀은 항생제 내성에 대한 시퀀스를 포함하는 retrons으로 일부 박테리아 세포를 폭파했다. 항생제로 처리한 박테리아 풀에서 retrons DNA 문자만을 시퀀싱함으로써, 그들은 retrons이 있는 세포 (약물에 대한 새로운 초강력을 제공함)가 다른 세포보다 훨씬 높은 부분에 남아 있음을 발견했다.

또 다른 테스트에서 팀은 한 번에 사용할 수 있는 retrons 수를 결정하려고 했다. 그들은 항균제에 내성이 있는 또 다른 박테리아 균주를 가져와 수천만 개의 retrons 라이브러리를 구축하기 위해 게놈을 잘랐다. 그런 다음 그들은 이 덩어리들을 플라스미드라고 불리는 DNA의 훌라후프에 꽂아서 박테리아 세포에 떠다녔다. 이전과 마찬가지로 살아남은 바코드의 시퀀싱을 통해 항균력을 부여한 retrons을 쉽게 찾을 수 있었다.

하지만 왜?

그게 방법이다. 하지만 그 이유는 무엇일까?

목표는 간단하다. 세포를 손상시키지 않고 한 번에 수백만 개의 세포에 영향을 줄 수 있는 CRISPR에 대한 또 다른 솔루션을 찾는 것이다. 즉, 유전자편집을 여러 세대에 걸쳐 빅데이터 시대로 가져가는 것이다.

CRISPR에 비해 새로운 RLR 도구는 "편집"도구 외에 "가이드"도구가 필요하지 않기 때문에 더 간단하다. retron은 기본적으로 투 인원이다. 여러 유전자를 물리적으로 절단하지 않고도 한 번에 여러 유전자에 영향을 미칠 수 있다는 것은 합성 생물학을 위한 흥미로운 도구가 된다. 이 도구는 강력한 성능을 발휘한다. "일회성"CRISPR 정신 대신 세포가 분열하면서 세대를 거쳐 지속된다.

즉, RTR은 경쟁이 있다. 분열하는 세포에서 가장 잘 작동하기 때문에 분열을 거부하는 세포 (예: 뉴런)에서는 강력하지 않을 수 있다. 또 다른 예로, 최근 CRISPR 로의 업그레이드는 후성 유전학을 통해 유전자를 자르지 않고 켜거나 끌 수 있게 했다.

그러나 RLR은 확장성을 제공한다. 조지 처치(George Church)는 "RLR을 사용하여 풀링된 바코드화 된 돌연변이 라이브러리를 분석할 수 있기 때문에 수백만 개의 실험을 동시에 수행할 수 있어 게놈 전반에 걸친 돌연변이의 영향과 이러한 돌연변이가 서로 상호 작용할 수 있는 방법을 관찰할 수 있다."고 말했다.