어린 시절의 홈 비디오는 마음이 따뜻해지거나, 재미있거나, 완전히 창피할 수 있다. 그러나 테이프에는 귀중한 자원이 포함되어 있다. 어린이가 세상을 탐색하는 방법을 배우는 동안의 여정의 단편이다. 물론, 사진은 첫 번째 생일이나 자전거에서 처음 넘어지는 모습도 담을 수 있지만 영화라기보다는 시간 속의 단일 스냅샷이다.

 

과학자들은 DNA "캠코더"를 세포에 삽입하여 역사를 기록하려고 오랫동안 노력해 왔다. 아이들과 마찬가지로 세포는 환경과 상호 작용하면서 성장하고 다양화하며 성숙한다. 이러한 변화는 세포의 유전자 활동에 내재되어 있으며, 시간이 지남에 따라 이를 재구성함으로써 과학자들은 세포의 현재 상태를 추론할 수 있다. 예를 들어 세포가 암으로 변하고 있을까?

 

브리티시 컬럼비아 대학의 Nozomu Yachie 박사와 동료들은 이 기술이 "치료 전략으로 바꿀 수 있는 발달 및 암 생물학에 대한 지식을 심화시킬 것"이라고 말했다.

 

문제는 지금까지 기록 과정은 단일 스냅샷으로만 구성되어 있으며 세포가 파괴되어 성장을 추적할 수 없다.

 

이제 UCSF Gladstone Institute의 Seth Shipman박사가 이끄는 팀은 Retro-Cascorder라는 생물학적 기록 장치를 설계했다. 구식 캠코더처럼 한 번에 며칠 동안 세포의 유전자 발현 이력을 DNA "테이프"에 캡처할 수 있다. CRISPR 덕분에 이러한 "테이프"는 나중에 읽을 수 있는 세포의 게놈에 통합된다.

 

결과 데이터는 정확히 미국에서 가장 재미있는 홈 비디오가 아니다. 오히려 여러 생물학적 신호를 문서화하고 시간순으로 깔끔하게 저장하는 원장에 가깝다.

 

“분자 데이터를 수집하는 이 새로운 방법은 우리에게 세포에 대한 전례 없는 창을 제공한다.”라고 Shipman이 말했다. 세포의 발달 이력(예: 일반적인 줄기 세포에서 어떻게 다양화)을 도청하는 것 외에도 Retro-Cascorder를 추가하면 정상 세포를 살아있는 바이오센서로 전환할 수 있다. 오염, 바이러스 또는 기타 오염 물질을 모니터링하는 동시에 신뢰할 수 있는 데이터 저장 장치로서의 DNA의 능력을 테스트한다.

 

DNA 테이프의 부상

 

세포의 역사를 추적하는 이유는 무엇일까?

 

세포를 어린 시절이라고 상상해보자. 수정란에서 시작하여 자라서 피부 세포나 신경 세포 등으로 외형을 바꾸고 생식 세포의 경우 유전 정보를 아이들에게 전달한다. 세포의 삶의 여정은 유전학만으로 결정되지 않는다. 오히려 유전적 지시가 수행되는 방식은 세포 이웃과 외부 세계, 즉 식단, 운동, 스트레스 및 인간 숙주가 경험하는 모든 것과의 상호 작용에 달려 있다.

 

이러한 본성과 양육 자극은 세포가 특정 패턴의 유전자를 활성화하도록 촉발한다. 이 과정을 유전자 발현이라고 한다. 우리의 모든 세포에는 동일한 유전자 세트가 있다. 그것들을 다르게 만드는 것은 어떤 것이 켜져 있거나 꺼져 있다는 것이다. 유전자 발현은 매우 강력하다. 이는 세포의 정체성, 기능, 그리고 궁극적으로 생명을 지배하는 생물학적 과정을 변화시킬 수 있다.

 

그들의 내면을 들여다보는 것도 좋을 것이다.

 

한 가지 방법은 스냅샷 접근 방식이다. "omics" 기술을 사용하여(즉, 유전자 발현, 대사 또는 기타 상태에 대해 수백만 개의 세포를 동시에 분석) 특정 시간에 세포 그룹의 고해상도 스냅샷을 얻을 수 있다. 강력하지만 이 프로세스는 샘플을 파괴한다. 그 이유는 RNAseq라고 불리는 방법인 세포 내에 저장된 유전자 발현 정보를 읽을 때 분자에 접근하고 추출하기 위해 세포의 거품이 많은 지방 봉투를 분해해야 하기 때문이다. 제임스 웹 망원경이 우주의 어느 지점이든 가리킨다고 상상해 보라. 망원경이 보이는 모든 것을 지워버릴 것이라는 사실을 알고 있다.

 

DNA 테이프는 다른 접근 방식을 취한다. 비디오 편집기처럼 그들은 DNA 문자로 구성된 바코드로 세포의 이벤트에 "태그"를 지정한다. Shipman은 DNA를 저장 장치로 사용하는 데 낯선 사람이 아니다. 2017년 하버드의 합성 생물학자인 조지 처치(George Church) 박사와 연구팀은 CRISPR을 사용하여 디지털 영화를 살아있는 박테리아의 게놈으로 인코딩했다.

 

DNA 일기

 

새로운 연구는 비교적 단순한 목표를 가지고 있었다. 모션 트립 카메라처럼 특정 유전자가 켜질 때마다 기록을 시작하는 것이다.

 

Retro-Cascorder를 설계하기 위해 팀은 수수께끼의 유전 요소인 retrons로 눈을 돌렸다. 이들은 박테리아의 면역 체계의 일부를 형성한다는 것을 깨닫기 전에 수십 년 동안 과학자들을 당황하게 했던 박테리아 DNA의 작은 덩어리이다. 2021년에 연구 공동 저자인 처치(Church)는 박테리아의 기이한 특성에서 수백만 개의 DNA 변이를 스크리닝하고 동시에 그 효과를 따를 수 있는 유전자 편집 도구로 레트로톤을 변형했다. 결정적으로, 그들은 레트로톤이 특정 유전적 변화를 시간에 따라 기록하는 태그로 사용될 수 있다는 것을 깨달았다.

 

여기에서 팀은 패키지를 표시하기 위해 일련의 바코드를 인쇄하는 것과 같이 특정 DNA 태그를 생성하기 위해 레트로론을 엔지니어링하는 것으로 시작했다. 태그는 신호등처럼 세포가 유전자를 켤 수 있도록 하는 DNA 프로모터와 연결되어 있다.

 

유전자가 켜지면 레트로톤은 활동을 인증하는 고유한 바코드를 자동으로 생성한다. 이는 다단계 프로세스이다. 원래 DNA에 인코딩된 태그는 먼저 세포에 의해 RNA로 전사된 다음 레트로톤에 의해 DNA "영수증"으로 다시 작성된다.

 

식당 금전 등록기를 생각해 보라. 그것은 하나의 영수증으로 특정 시간에 하나의 주문을 인쇄하는 것과 같다.

 

기술이 예상대로 작동하는지 확인한 후 팀은 레트로톤 기반 태그를 사용하여 세포의 "동영상"을 만드는 것으로 전환했다. 전통적인 의미의 비디오가 아니다. 팀은 재생을 위해 약 24시간 동안 녹화 세션이 끝날 때 여전히 바코드를 분석해야 했으며, 이로 인해 세포가 파괴되었다.

 

한 번의 스냅샷으로 유전자 발현 변화를 추적하는 것은 비교적 간단하다. 하루 종일 같은 변화를 추적하는 것은 훨씬 더 어렵다. 레코더를 위한 일종의 "메모리"를 구축하기 위해 팀은 CRISPR-Cas로 눈을 돌렸다. 여기에서 CRISPR 어레이는 일기장 역할을 하는 반면 레트로톤은 일일 항목과 같다. 레트로톤에 의해 생성된 DNA 영수증은 CRISPR 어레이에 통합된다. 카세트 테이프와 마찬가지로 이벤트를 구분하는 데 도움이 되도록 검은색 화면과 같이 데이터와 스페이서가 뒤따른다. 새로운 정보가 추가되면 이전 스페이서가 가장 가까운 항목에서 더 멀리 이동하여 이벤트의 타임라인을 해독할 수 있다.

 

CRISPR을 사용하여 유전 데이터를 기록할 수 있는 능력을 가진 세포는 "세포 이벤트를 DNA 테이프에 점진적으로 기록할 수 있다"라고 Yachie는 말했다.

 

개념 증명에서 팀은 유전 공학을 통해 실험실에서 가장 좋아하는 박테리아인 대장균(Escherichia coli)에 Retro-Cascorder를 도입했다. 새로운 구조를 통합하는 것은 벌레에게 쉬운 일이었고, 세포에 스트레스나 독성이 거의 없음을 시사하기 때문에 과학자들에게는 좋은 신호였다.

 

그런 다음 Walkman에서 "기록"을 클릭하는 것과 같은 화학 물질을 사용하여 DNA 프로모터 중 하나 또는 둘 모두를 켠다. 48시간 동안 시스템은 예상대로 CRISPR 어레이에 유전자 발현 변화를 기록했다. CRISPR 어레이의 순서를 더 자세히 조사한 후(즉, 나중에 다시 읽어서) 세포의 이력이 예상대로 진행되었음을 발견했다.

 

당신의 전체 역사

 

새로운 DNA 테이프는 시간이 지남에 따라 영화의 작은 조각을 녹음하는 것과 같다. 그런데 이상하게 수정했다. Retro-Cascorder는 유전자 활성화 순서를 말할 수 있지만 두 개의 인접한 이벤트 사이의 시간 경과를 정확히 찾아낼 수는 없다. 홈 비디오에서처럼 댄스 리허설과 저녁 식사를 함께 하는 클립이 같은 날에 있을 수 있다. 또는 몇 년 떨어져 있다.

 

그러나 이전 시도와 비교할 때 테이프는 더 나은 신호, 더 긴 녹음 시간 및 더 나은 재생을 통해 기술적 도약이다.

 

Shipman은 "아직 완벽한 시스템은 아니지만 한 번에 하나의 이벤트만 측정할 수 있는 기존 방법보다 여전히 나을 것이라고 생각한다."라고 말했다.

 

완벽한 셀룰러 다큐멘터리 제작자를 위한 경쟁이 시작되었으며 대부분은 CRISPR을 그 중심에 두고 있다. Yachie에게 한 가지 방법은 good-ole'-CRISPR을 기본 편집기 또는 CRISPR 프라임으로 대체하는 것이다. 유전자의 기록된 발현을 다시 읽는 생물학적 "VCR"도 잠재적으로 더 나은 컴퓨팅 능력으로 구동되는 업그레이드가 필요하다.

 

DNA 기록 장치가 더 완벽해지면 생명을 위태롭게 하지 않고도 미니 뇌 및 기타 오르가노이드의 발달 궤적을 추적하고 암세포가 진화함에 따라 연구하고 세포의 환경 오염 물질을 모니터링하는 데 도움이 될 수 있다.

 

이미지 출처: Immo Wegmann / Unsplash