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지금까지 이런 게놈은 없었다…컴퓨터로 디자인한 인공게놈 첫 탄생

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2019년 04월 02일 05:00 프린트하기

마이크로튜브 안에는 이번에 합성한 카울로박터 에텐시스 2.0의 게놈이 들어 있다. 스위스 취리히 연방공과대, 조너선 베네츠 제공
마이크로튜브 안에는 이번에 합성한 카울로박터 에텐시스 2.0의 게놈이 들어 있다. 스위스 취리히 연방공과대, 조너선 베네츠 제공

스위스 과학자들이 세계 최초로 컴퓨터 알고리즘을 이용해 세상에 없던 새로운 게놈(유전체)을 탄생시키는데 성공했다. 

 

비트 크리스튼 스위스 취리히 연방공과대 실험시스템생물학과 교수와 마티아스 크리스튼 화학과 교수팀은 컴퓨터로 디자인한 인공게놈 ‘카울로박터 에텐시스 2.0’를 개발했다고 국제학술지 미국립과학원회보(PNAS)에 1일 공개했다.  

 

게놈은 한 생명체가 가지고 있는 모든 유전정보를 말한다.  크레이그 벤터 미국 크레이그벤터연구소장 연구팀은 2010년 세계 최초로 인공 세균을 합성하는 데 성공했다. 하지만 이때는 실제 세균(마이코플라스마 마이코이데스)의 전체 게놈을 인공적으로 합성하거나, 생존하는 데 필요한 유전자만 합성해 만들었다. 세상에 존재하지 않는 유전체를 만든 것은 이번이 처음이다.

 

연구팀은 전 세계 민물에 널리 퍼져 있는 비병원성 세균인 카울로박터 크레센투스(Caulobacter crescentus)에 주목했다. 이 세균은 유전자 4000개를 가지고 있는데 이 중 680개가 생존에 꼭 필요하다. 이 최소한의 게놈만을 가진 세균이 실험실에서 생존하는 실험에 성공한 바 있다. 

 

연구팀은 전세계 민물에서 살고 있는 비병원성 세균인 카울로박터 크레센투스를 이용했다. 사진은 이 세균을 전자현미경으로 관찰한 것. 스위스 취리히연방공과대 제공
연구팀은 전세계 민물에서 살고 있는 비병원성 세균인 카울로박터 크레센투스를 이용했다. 사진은 이 세균을 전자현미경으로 관찰한 것. 스위스 취리히연방공과대 제공

연구팀은 이 세균이 갖고 있는 최소한의 게놈을 토대로 새로운 게놈을 합성시켰다. 이때 연구팀은 자체 개발한 컴퓨터 알고리즘을 이용해 기존의 유전자를 새롭게 바꾸었다. DNA 염기서열 수준에서 생명체가 중복으로 갖고 있는 부분을 빼는 등 간소화시키고 생물학적 기능이 크게 달라지지 않도록 최소한으로 편집했다. 이렇게 염기서열을 단순화시킨 덕분에 합성하기가 훨씬 수월했다. 

 

이후 연구팀은 게놈 전체를 한 번에 합성하는 대신, 부분부분 236개 조각으로 나눠 합성했다. 그리고 합성한 조각들을 한 데 이어서 하나의 게놈으로 완성했다. 마티아스 크리스틴 교수는 “게놈 조각을 합성하는 일도 쉽지만은 않았다”며 “DNA 사슬이 스스로 엉키면서 고리나 매듭을 형성하거나, DNA 분자끼리 서로 들러붙으려는 경향이 있기 때문”이라고 밝혔다. 

 

그 결과 원래 세균이 갖고 있던 DNA 염기서열 80만 개 중 6분의 1 이상이 새로운 것으로 바뀌었다. 비트 크리스틴 교수는 "카울로박터 크레센투스와는 전혀 다른 게놈이지만, 최소한 편집한 덕분에 유전자가 발현됐을 때 생물학적인 기능은 똑같다“고 말했다.

 

연구팀은 실제로 이 게놈을 가진 생명체가 탄생했을 때 생존할 수 있는지 알아보기 위해 추가 실험을 했다. 카울로박터 크레센투스의 게놈에, 이번에 합성한 카울로박터 에텐시스 2.0의 유전자(인공 유전자)들을 끼워 넣은 뒤 카울로박터 크레센투스의 유전자들이 발현하지 못하도록 차단한 것이다. 그 결과 인공 유전자 680개 중에 580개가 정상적으로 작동했다. 

 

비트 크리스틴 교수는 ”추가 연구를 통해 카울로박터 에텐시스 2.0의 게놈을 가진 인공 세균을 만들 예정“이라며 ”비타민 등 약물이나 DNA 백신을 친환경적으로 대량생산하는 데 쓸 수 있을 것“이라고 기대했다. 그는 ”하지만 합성생명체인 만큼 이 기술을 악용하지 않도록 학계에서 심오한 토론이 필요하다“고 강조했다. 

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