처음부터 조립한 합성 세포가 처음으로 성장·분열함

• 생명 기원을 실험실에서 재현하려는 합성생물학 연구가 성장·DNA 복제·분열을 한 시스템에 묶는 단계까지 도달함
• 이번 세포는 살아 있는 세포로 보기는 어렵고, 리보솜과 영양분을 외부에서 공급받아야 하며 방어·폐기물 처리 체계도 부족함
• Kate Adamala 연구팀은 DNA 복제 시스템, 단백질 생산 효소 묶음, 공급용 리포솜, 분열 유도 막 단백질을 결합해 spudcell을 만들었고 연구는 아직 동료심사 전임
• 유전자를 인위적으로 바꾼 세포는 더 크게 자라거나 더 많은 딸세포를 만들 수 있었지만, 무작위 돌연변이 기반 자연선택은 아직 구현되지 않음
• 연구팀은 데이터와 방법을 공개하고 비영리 단체 Biotic을 통해 도구를 배포하려 하며, 장기적으로 신소재·의약품·생명 기원 연구에 활용될 수 있음

비생물 재료에서 나온 세포 주기

• 생물학자들은 비생물 구성요소를 하나씩 세포 같은 막 안에 넣어, 분자 주머니가 생명과 비슷한 행동을 보이는지 확인함
• 실험실에서 만든 합성 세포는 기본 세포 주기의 핵심 단계를 함께 수행함
  • 성장
  • DNA 복제
  • 분열
• Jack Szostak은 생물학적 구성요소로 인공 세포를 조립하려는 시도 중 이만큼 진전된 사례를 알지 못한다고 평가함
• 다만 이 세포는 어떤 정의로도 살아 있는 세포는 아님
  • 지속적인 먹이 공급이 필요함
  • 단백질 생산 장치인 리보솜을 외부에서 받아야 함
  • 방어 체계와 좋은 폐기물 제거 시스템이 없음
• Sijbren Otto는 죽은 구성요소로 살아 있는 것을 만드는 목표에 크게 가까워졌지만, 아직 완전히 도달한 것은 아니라고 봄

spudcell 설계와 조립 방식

• Kate Adamala가 이끄는 University of Minnesota 연구팀은 새 연구에서 모든 분자 부품을 실험실에서 만든 시스템으로 합성 세포를 구성함
• 연구는 아직 동료심사 전임
• Adamala는 2016년 연구실을 시작할 때, 자체 유전체를 사용해 완전한 세포 분열 주기를 거치는 합성 세포를 구상함
• 설계 기준은 알려진 모든 세포가 공유하는 기본 기능이었음
  • 성장함
  • DNA를 복제함
  • 분열함
  • 진화함
  • DNA를 RNA로 전사하고 단백질을 만들어 세포 작동에 필요한 일을 수행함
  • 지질막 안에 필요한 재료를 모아 둠
• 연구팀은 합성 세포에 유전체를 만들고, 그 기능을 수행할 재료를 함께 공급해야 했음

DNA 복제와 공급 리포솜

• 세포 몸체 역할은 단순한 지질막으로 둘러싸인 빈 주머니인 리포솜이 맡음
• 연구팀은 먼저 DNA를 복제하고 딸세포로 전달하는 가장 기본적인 시스템을 구축함
  • Hannes Mutschler와 Christophe Danelon이 개척한 DNA 복제 시스템을 채택함
  • DNA를 읽고 단백질을 만들 수 있게 하는 상용 36개 효소 묶음과 함께 작동하도록 조정함
• 유전자 교체와 분자 농도 조정을 반복해 정보 전달 시스템과 단백질 생산 시스템이 함께 돌아가도록 최적화함
• 합성 유전체는 매우 작아, 음식과 에너지를 처리하는 대사 유전자나 세포가 필요로 하는 여러 복잡한 분자를 거의 담지 않음
• 부족한 재료는 별도의 공급 리포솜에 넣음
  • 당
  • 지질
  • 효소
  • tRNA
  • 리보솜
• 공급 리포솜이 합성 세포와 만나면 막이 융합해 내부 물질을 방출하도록, 연구팀은 세포막 단백질을 변형해 지질 거품을 끌어당기게 만듦
• 여러 조정 뒤 세포는 성장하고 DNA를 복제하기 시작함

세포골격 대신 택한 분열 우회로

• 이전 연구들은 합성 세포를 먹이고 성장시키며 DNA를 복제하는 방법을 일부 구현했지만, 세포 분열은 더 어려운 문제로 남아 있었음
• 일반적인 세포는 구조적 지지를 제공하는 단백질 섬유 네트워크인 세포골격을 재조직해 DNA를 반으로 나누고 세포를 쪼갬
• Adamala는 세포골격을 쓰지 않고 다른 접근을 택함
  • Reinhard Lipowsky의 논문에서 막에 단백질 태그를 붙여 다른 단백질을 모으고, 막을 물리적으로 구부려 세포 분열을 유도하는 메커니즘을 참고함
  • 세포막 단백질을 조정해 프로토셀에서 시험함
  • 여러 번의 시도 끝에 분열이 작동함
• Job Boekhoven은 이 연구가 해당 분열 메커니즘을 잘 보여준 큰 성과라고 봄
• John Glass는 DNA 복제, 공급 리포솜, 분열 유도 단백질을 결합하고 함께 작동하도록 최적화한 일이 합성 세포 분야와 생물학 전반의 분기점이 될 수 있다고 평가함
• Michael Lynch는 이를 합성생물학의 tour de force라고 보면서도, 세포가 아직 자립적이지 않기 때문에 과장해서는 안 된다고 경고함

spudcell의 선택 실험과 남은 진화 과제

• 연구팀 내부에서는 이 합성 세포를 처음에 Adamala cells라고 불렀지만, Adamala가 다른 이름을 원해 농담처럼 감자를 제안했고 학생들이 spudcells라고 부르기 시작함
• 각 세포는 매우 작고, 유전체도 박테리아 유전체보다 훨씬 작음
• 현미경으로 보면 특별한 형태가 아니라 단순한 덩어리처럼 보임
• 연구팀은 세포가 성장하고 분열한 뒤, 진화에 더 가까운 단계로 갈 수 있는지 확인하기 위해 합성 세포의 DNA를 조작함
  • 일부 세포가 더 크게 자라거나 더 빨리 분열하도록 유전적 변이를 만듦
  • 더 크게 자란 세포는 더 많은 딸세포를 만들었고 집단 안에서 늘어나기 시작함
  • 해당 특성이 집단 내에서 선택되는 첫 단계가 나타남
• 하지만 이는 자연선택의 명확한 구현은 아님
  • 유전적 변이가 무작위 DNA 돌연변이가 아니라 연구팀의 인위적 조작으로 생김
  • DNA 가닥을 만드는 효소가 너무 정확해 의미 있는 돌연변이를 충분히 만들지 않음
  • 연구팀은 유전체 무결성과 세포 기능을 잃지 않을 정도로만 오류가 있는 효소를 찾아야 함
• Boekhoven은 명확한 진화 과정의 입증이 아직 빠져 있으며, 이것이 다음 큰 단계가 될 것이라고 봄
• 다른 유형의 합성 세포에서는 적응 진화가 보였지만, 그 세포들은 처음부터 만든 것이 아니라 최소 유전자만 남긴 박테리아였음

살아 있는 세포와의 거리

• 합성 세포는 많은 원재료를 외부에서 공급받아야 한다는 한계를 가짐
• Szostak은 세포가 자연 세포처럼 자체 리보솜을 만들 수 없다는 점이 성장과 지속적 번식 가능성을 제한한다고 봄
• 자체 리보솜, 단백질, RNA를 만들 수 있다면 기존 박테리아 같은 생물 세포에 훨씬 가까워짐
• Adamala는 복제 시스템을 개선하려면 세포골격을 추가하는 방법도 찾아야 한다고 봄
  • 현재 세포는 분열을 돕는 분자를 끌어모으는 데 많은 에너지와 시간을 낭비함
• 현대의 살아 있는 세포와 비교하면 이번 합성 세포는 매우 원시적임
  • Adamala는 현대 세포를 Boeing 787 Dreamliner에 비유함
  • 이번 세포는 100피트 날아가는 Wright flyer에 비유됨

Biotic 공개와 장기 활용

• Adamala와 합성생물학자들은 새 결과와 함께 비영리 단체 Biotic 설립을 발표함
• Biotic은 합성생물학 도구를 전 세계 연구자에게 제공하는 데 쓰일 예정임
• 연구팀은 다른 합성생물학자들이 세포를 만들고 개선할 수 있도록 데이터와 방법을 공개함
• 장기적으로 이 작업은 수십 년 뒤 다음과 같은 응용에 쓰일 수 있음
  • 화석연료 없이 플라스틱 만들기
  • 비료 만들기
  • 약물 만들기
• spudcell은 지구 생명이 시작될 때 사용했을 훨씬 단순한 분자와는 다르지만, 비생물 재료에서 합성 세포 시스템을 만든 일은 생명의 기원과 생명 유지 조건을 실험실에서 탐구하는 데 한 걸음 더 가까워지게 함