자급자족 세포?

위: Julie Trolle과 Jef Boeke는 합성 생물학 방법을 사용하여 포유류 세포가 필수 아미노산을 생성할 수 있도록 합니다. 줄리 트롤 제공

학생들이 유전학자인 Jef Boeke에게 다가가 자신들이 멋진 새로운 발견을 했다고 주장할 때마다 그의 첫 번째 반응은 항상 "접시를 보여주세요"입니다. Boeke는 NYU Langone Health의 시스템 유전학 연구소(Institute for Systems Genetics) 창립 이사이며, 그의 연구실에서 대부분의 연구는 미생물에 중점을 두고 있습니다. 현미경으로 학생들의 세포를 직접 관찰하면 흥미로운 발견으로 이어질 수 있는 세부 사항을 찾아내는 데 도움이 됩니다. 따라서 NYU Grossman School of Medicine 박사과정 학생 Julie Trolle이 2017년에 유전자 조작 중국 햄스터 난소(CHO) 세포 사진을 그에게 보냈을 때, 그는 그들을 직접 볼 필요가 있다는 것을 알았습니다. 그가 본 것은 5억년 전에 동물에게서 사라졌던 아미노산 합성 경로의 부활이었습니다.

전체적으로 20개의 아미노산이 모든 생명체에서 수천 개의 서로 다른 단백질을 구성합니다. 하지만 동물은 그중 11개만 만들 수 있습니다. 그들은 주변 환경에서 다른 필수 아미노산을 가져와야 합니다. 그들은 일반적으로 20가지 아미노산을 모두 만드는 식물을 섭취하거나 식물을 섭취한 동물을 먹음으로써 이를 수행합니다. 대부분의 식물과 미생물이 20가지 경로 모두를 갖고 있다는 점을 감안할 때 누락된 9가지 경로는 동물 진화에 대한 의문을 제기합니다. 언제, 왜 이러한 경로가 사라졌습니까? 그러면 동물이 어떻게든 아미노산을 다시 생산할 수 있을까요? Trolle은 이 두 번째 질문을 해결하기 위해 합성 생물학과 공학을 사용하는 데 특히 관심이 있었고 그렇게 함으로써 잠재적으로 다양한 의료 및 산업 문제에 대한 해결책을 위한 토대를 마련했습니다.

조작된 세포를 만드는 것은 쉽지 않았다고 그녀는 말했다. 이러한 합성 경로를 가진 동물 조상은 적어도 5억년 전에 살았습니다. 확실히 아미노산을 만드는 데 필요한 효소 사이의 상호 작용은 트롤의 배양 접시에 있는 CHO 세포에서와 마찬가지로 그 조상에서도 동일하지 않았습니다.

그녀는 또 다른 필수 아미노산인 이소류신과 화학적으로 유사하기 때문에 발린에 집중하기로 결정했습니다. 발린을 생산할 수 있는 세포는 이소류신도 생산할 수 있으며 잠재적으로 단일 아미노산 생산 경로를 조작하는 것보다 이것이 더 효율적이라고 그녀는 말했습니다.

그녀는 일반적으로 동물 세포에서 생성되지 않는 효소를 코딩하는 박테리아 유전자를 업계 표준 CHO 세포에 도입하는 것부터 시작했습니다. 그녀는 세포가 주변 환경에 있는 생화학적 화합물을 발린과 이소류신으로 전환할 수 있기를 바랐습니다. 트롤은 자신이 변형한 세포와 ​​대조 세포 그룹을 아미노산 중 하나 또는 둘 다 부족한 배지에 넣어 생존 여부를 확인했습니다.

그녀가 실망스럽게도 세포는 배양 배지에 이소류신이 없으면 잘 생존하지 못했습니다. 그녀가 경로를 아무리 조정해도 세포는 아미노산을 전혀 만들지 않았음을 나타냅니다. 그러나 트롤의 세포는 발린이 없는 배지에서도 계속해서 잘 생존했습니다.

일반 세포와 유전자 변형 세포 사이의 결과 차이는 "설득력 그 이상"이라고 Boeke는 말했습니다. 유전자 변형 세포는 대조 세포보다 더 잘 생존했는데, 이는 필수 아미노산을 스스로 생산했음을 의미합니다.

Trolle은 배양 배지의 발린 수준을 측정하여 세포가 포도당과 피루브산을 공급할 때 발린을 합성하는지 확인했습니다. Boeke는 "놀라운 성공이었습니다."라고 말했습니다. "우리는 너무 흥분했어요." 그러나 팀이 2021년 출판을 위해 결과를 제출했을 때 검토자들은 회의적이었습니다. 트롤의 세포에서 발린 생산은 20일부터 줄어들기 시작했고, 40일이 지나면 훨씬 더 심해졌습니다. 검토자들은 CHO 세포가 일관된 속도로 발린을 생산할 수 있어야 한다고 지적했습니다.

Boeke와 다른 연구원들의 도움으로 Trolle은 성공하지 못한 채 다양한 조정을 시도했습니다. 그러나 마침내 그녀는 획기적인 발전을 이루었습니다. 그녀는 경로의 문제가 세포에 의해 만들어진 중간 화합물의 축적이라는 것을 발견했습니다. 이를 바로잡기 위해 Trolle은 중간체를 다음 생성물로 전환시키는 효소를 코딩하는 유전자의 추가 사본을 추가하려고 했습니다.