[Issue] 합성생물학 관련 - 진정한 미니멀세포의 탄생? JCVI-syn3.0+126

1. 합성생물학과 게놈 최소화 (Genome minimization)

 1) 합성생물학

 - 합성생물학: 자연계에 존재하지 않던 생물 시스템을 설계 및 제작하는 분야 (Genome design) + 자연계 생물 시스템을 재설계/제작하는 분야 / 생명체의 합성 및 응용에 중점을 두고 있음 [4,5, 그림 1]

 - 응용 예시: 오염물 제거용 미생물 (bioremediation), 베타카로틴 생산능 쌀 (biofortification), 장미유 생산능 효모 (eco-friendly & sustainable substitute) [추가적인 자료는 위키자료에 잘 정리되어 있음]

 - 생명현상의 수학적 해석을 통한 원칙의 이해를 하는 biomatics와는 지향점이 약간 다름 [4]

 - Genome design vs. Genome editing: 기존의 생명정보를 수정/변경하는 CRISPR 등 genome editing 유전공학적 접근과도 약간 다름 [5]

 - 2000년 미국화학회에서 Eric Kool이 합성생물학이라는 용어 처음 사용 (합성을 통해 만든 비자연적 유기물질이 생체 내에서 기능하도록 하는 연구로 정의) [4]

 - 인간 게놈 프로젝트에서의 성공으로 스타덤에 오른 Craig Venter의 연구팀(JCVI)이 2010년 최초의 minimal cell JCVI-sync1.0을 만들었다고 발표 [6]하면서 전세계적 주목을 받기 시작

 2) 게놈 최소화

 - 생명체의 게놈 상에서 필수적인 요소들이 무엇인지 가려내어 이들만으로 게놈을 재구성하는 작업 / 합성생물학에서 많이 사용하는 전략이자 지향점

 - 생명체를 가장 기본적인 상태로 환원시키고, 궁극적으로 무에서 생명을 설계한다는 목표

그림1. 게놈을 재설계/제작하는 합성생물학

2. JCVI-syn3A

- 위에서 소개한 JCVI-sync1.0의 업그레이드 버전으로, 1.0에 비해 더 작은 유전체의 크기를 가지면서 증식 및 분열이 정상적으로 기능하는 개체 생성 [2, 3, 7]

 2.1. 관련 연구 주요 이정표

- 1995년: Mycoplasma genitalium (가장 작은 유전체를 가진 것으로 알려진 생명체) 게놈 시퀀싱, 470개 유전자 매핑, 유전자 하나씩 전부 불활성화(..)하면서 기능 유지 여부 확인, 375개 필수유전자목록 작성 [8]

- 2008년: Mycoplasma genitalium에서 추려낸 375개 필수유전자만으로 minimal genome 합성 (+ 자기들 작품이라고 표시할 비기능적 워터마크 추가 끼워넣음)

- 2010년: Mycoplasma mycoides로 바꾸고 해당 유전체 합성 및 타 세균에 이식 -> JCVI-syn1.0 탄생 / 이에 버락 오바마 생명윤리심사 제도 도입 + 바티칸에서 '생명 창조' 관련 주장 문제 삼음

- 2016년: Mycoplasma mycoides 유전체 8개로 나눠서 믹스&매치로 생존가능 조합 확인 -> non-CDS but essential DNA의 존재 확인 -> 531,000개 염기, 473개 유전자를 가진 JCVI-syn3.0 설계 및 합성 -> 단백질 생성, DNA 복제, 세포막 형성 등을 모두 수행

- 2021년: JCVI-syn3.0이 가지던 pleomorphic (비정상적 분열)의 문제 해결에 필요한 7개의 유전자 밝혀내고, 증명 -> JCVI-syn3.0+126 탄생

 

 2.2. JCVI-syn3.0+126 from JCVI-syn3.0

- Reverse genetics approach 활용

- JCVI-syn3.0만들때 사용했던 수많은 substrain들(믹스&매치에 활용했던 것들)의 정상 분열 기능 여부 확인 -> RGD1~8 중 RGD6라는 개체만 같은 문제 가지는 것 확인 -> 문제가 해당 genomic region인 것 확인

- 해당 부분의 76개 유전자 중 19개만 가진 JCVI-syn3A가 JCVI-syn1.0처럼 동일한 morphology인 것 확인

- 이후 19개 중에서 또 여러 조합 실험해보면서 최종적으로 7개의 유전자가 morphology 유지에 필수적인 것 확인 -> JCVI-syn3.0+126 탄생 (그림 2).

그림 2. JCVI-syn3.0+126의 탄생 by reverse genetics approach [7]

 

3. 마치며

- Gene KI/KO 하나하는 것도 막상 쉽지 않을 때가 많은데, 이미 이쪽팀은 Mycoplasma 관련해서는 자유자재로 갖고노는 수준인 것 같음

- 이런 approach가 가능했던 것은 다양한 파생 샘플들에 대한 정확한 기록과 안정적인 보관이 있었기에 가능했을 것이기에 실험의 기록과 샘플 보관의 중요성을 다시 한 번 깨달음

- 이 미친 trial&error의 결정체를 통해 인류를 또 한 번 진일보시켜준 개척자들에게 존경의 마음, 오늘도 거인의 키는 한 층 더 커져가고 있다.

References

[1] 양병찬, [바이오토픽] 미니멀세포(minimal cell)를 만든 크레이그 벤터, 2016.

[2] 양병찬, [바이오토픽] 진정한 미니멀세포(minimal cell) 탄생, 2021.

[3] 이현경, 자손 낳는 인공생명체 세계 첫 탄생, 동아사이언스, 2021.

[4] 위키백과, 합성생물학.

[5] National Human Genome Research Institute, Synthetic Biology, NIH, www.genome.gov/about-genomics/policy-issues/Synthetic-Biology

[6] Gibson, D. G., Glass, J. I., Lartigue, C., Noskov, V. N., Chuang, R. Y., Algire, M. A., ... & Venter, J. C. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. science, 329(5987), 52-56.

[7] Pelletier, J. F., Sun, L., Wise, K. S., Assad-Garcia, N., Karas, B. J., Deerinck, T. J., ... & Strychalski, E. A. (2021). Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell. Cell.

[8] Fraser, C. M., Gocayne, J. D., White, O., Adams, M. D., Clayton, R. A., Fleischmann, R. D., ... & Venter, J. C. (1995). The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science, 270(5235), 397-404.

 

Copyright 2021. komok’s sight All Rights Reserved.