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[바이오토픽] 실물에 근접한 인공세포 발명: 의사소통과 정족수인식 가능
생명과학 양병찬 (2018-11-21 09:25)

▶ UCSD의 닐 데바라지(화학)와 동료들이 실물대용(實物代用)으로 후다닥 만들어낸 (현미경으로만 볼 수 있는) 세포를, 실물로 착각할 생물학자는 아무도 없을 것이다. 그 인공세포(세포 모조품)들은 인간의 세포를 에워싼 지질막(lipid membrane) 대신, 아크릴산염 중합체(polymerized acrylate)라는 플라스틱으로 코팅되어 있다. 그리고 (DNA를 포함하는) 핵 비슷한 구획(compartment)을 갖고 있지만, 진짜세포의 핵과 똑같은 막(膜)이 없는 데다, 주로 (점토에서 발견되는) 광물질로 구성되어 있다.

그러나 그 인공세포는 획기적인 발명품이다. "그것은 지금껏 어느 누가 제작한 '실제로 작동하는 합성 진핵세포'보다도 실물에 가깝다"라고 미네소타 대학교의 테이트 아다말라(합성생물학)는 논평했다. 진짜세포와 마찬가지로, 그 구형체(sphere)들은 단백질 신호를 이웃에 전달하여 공동체행동(communal behavior)을 촉발한다. 데바라지가 이끄는 연구팀이 최근 출판전 서버 《bioRxiv》에 업로드한 논문에서 밝힌 바에 따르면(참고 1), 인공핵(인공세포의 '핵')은 '세포의 다른 부분'과 의사소통을 하며, RNA를 방출하여 단백질 합성을 유도한다고 한다. 인공핵은 심지어 다른 인공세포가 보내는 신호에 반응할 수도 있다고 한다. "이것은 2018년 합성생물학에서 가장 중요한 논문으로 기록될 것이다"라고 아다말라는 말했다.

합성생물학자들은 '근사(近似)한 인공세포를 만든다'는 '큰 꿈'을 갖고 있다. 그보다 단순한 합성구조체(예: 이미 특정 약물을 체내에서 운반하는 데 사용되는 지방소체 - 일명 리포솜)에 비해, 인공세포는 환경에 더욱 민감하고 더욱 다양한 임무를 수행할 수 있다. 미래에는 인공세포가 약물을 목적지에 더욱 정확하게 전달하고, 암세포를 사냥하고, 독성 화합물을 탐지하며, 진단검사의 정확성을 향상시키게 될 것이다. 상호작용하는 합성세포 무리는 인공조직(artificial tissue)을 형성하고, 환경을 감지하여 그에 적응하는 똑똑한 물질(smart material)을 형성할 수도 있다. 과학자들은 궁극적으로 세포복제품(cell facsimile)을 만들려고 노력하고 있는데, 그 과정에서 '생명이 탄생한 과정'을 알아내고, 생명탄생과 관련된 공학적 도전(engineering challenge) 중 일부를 극복할 수도 있을 것이다.

▶ 세포의 기능 중 일부(예: 단백질 생성, DNA 복제)를 고립적으로 수행하는 것은 불충분하다. "만약 합성물질을 개발할 예정이라면, 개별단위(individual unit)들 간의 협동을 도모할 필요가 있다"라고 데바라지는 말했다. "연구자들은 비교적 작은 분자(예: 당, 과산화수소)의 교환을 통해 서로 의사소통하는 합성세포를 이미 고안해 낸 바 있다. 그러나 인체 내에 존재하는 신호분자(signal molecule) 중 상당수(인슐린과 사이토카인 포함)는 단백질이며, 크기가 훨씬 더 큰 게 일반적이다"라고 그는 덧붙였다.

세포와 좀 더 비슷한 인공세포를 만들기 위해, 데바라지가 이끄는 연구팀은 자연계에서 - 가까이 접근하기는커녕 - 되레 한 발 뒤로 물러섰다. "우리가 이번에 만든 짝퉁세포(pseudocell)는 천연세포와 더욱 비슷하지만, 완전히 인공적인 물질로 구성되어 있다"고 이번 연구의 공저자인 UCSD의 헨리크 니더홀트마이어(합성생물학)는 말했다. 연구팀은 '미세유체로 가득 찬 채널(microscopic fluid-filled channel)'을 가진 실리콘 칩을 이용하여, 원재료(예: DNA, 점토에서 추출한 광물질, 개별 아크릴산 분자)를 포함하는 미세액적(tiny droplet)을 압출(壓出)했다. 그와 동시에, 자외선 및 화학적 처리를 이용하여, 모든 액적 주변에 다공성 막(porous membrane)이 형성되도록 촉진했다. 그러자, 액적 속에 들어있는 광물질과 DNA는 (소트프 콘택트렌즈와 동일한 질감을 갖는) 젤로 응축되어, 일종의 핵(nucleus)을 형성했다.

Formation of cell-mimics containing artificial nuclei capable of gene expression

Formation of cell-mimics containing artificial nuclei capable of gene expression
Microfluidic production of double emulsion droplets encapsulating a pre-hydrogel in a photocurable middle layer, and schematic of subsequent processing steps. IA: Inner aqueous, MO: middle organic, OA: Outer aqueous phase.

그 결과, 새로운 의사소통 능력을 가진 세포복제품이 탄생했다. 몇 가지 실험을 수행하기 위해, 연구팀은 먼저 인공세포의 핵에 녹색형광단백질(GFP)을 코딩하는 DNA를 장착했다. 다음으로, 인공세포 중 일부에는 덫(GFP 분자를 포획하는 끈끈한 DNA 신장부)을 장착했다. 마지막으로, 효소와 (단백질 합성에 필요한) 기타 필수품(예: 리보솜)의 혼합물을 인공세포 주변의 유체에 첨가했다. 그러자 놀라운 일이 일어났다. 분자기구(molecular machinery)들이 다공성 막을 통과하여, 핵 속에 있는 유전정보를 읽은 다음, GFP 합성을 유도하는 게 아닌가!

다음으로, 연구팀은 (GFP를 생성하도록 설계된) 송신자 세포(sender cell)와 (표지자를 스스로 만들 수는 없지만, DNA 덫을 이용하여 GFP를 포획할 수 있는) 수신자 세포(receiver cell)를 혼합했다. 그랬더니 2시간 후, 송신자에 인접한 수신자는 파란색으로 빛남으로써 '이웃에서 발신한 GFP 메시지를 수신했다'는 사실을 암시했다. 그와 비슷한 실험에서, 연구팀은 독특한 인공세포를 하나 만들었다. 그 세포는 특별한 단백질 신호를 방출했는데, 신호의 내용은 '수신자 세포의 GFP 합성 스위치를 켜는 것'이었다. 실험 결과, 그 세포들은 - 진짜세포와 마찬가지로 - 인근의 인공세포들과 의사소통을 통해 단백질 생성을 유도하는 것으로 나타났다.


In a mix of artificial cells, one kind (purple) makes and releases a fluorescent protein, which is received and trapped within a second kind (gray), turning those mimics green.

또한 인공세포는 정족수인식(quorum sensing)이라는 속성도 나타냈다. 정족수인식이란, 세포의 수가 충분히 많아졌을 때 세포의 행동이 바뀌는 현상을 말한다. 연구팀은 상이한 밀도의 인공세포를 포함한 용액을 이용하여 정족수인식을 테스트했는데, 모든 인공세포들은 GFP 합성 활성화제(activator)를 분비하며, 자극을 받으면 GFP를 생성할 수 있었다. 테스트 결과, 용액 속에 소량의 합성세포만 존재할 경우 거의 모든 세포들이 묵묵부답이었다. 그러나 임계밀도(threshold density)에 도달하자, 거의 모든 세포들이 빛을 발하는 것으로 나타났다. "그렇다면, 그 세포들은 GFP 생성을 시작하기 전에, 주변 환경에서 특정한 최소량(a certain minimal amount)의 활성화 단백질을 흡수할 필요가 있는 게 분명하다"라고 데바라지는 말했다.

인공세포들은 생명력이 강해, 냉장고 속에 2년간 보관해도 손상되지 않고 버티는 것으로 나타났다. 이러한 내구성은 환경센서(environmental sensor)로 사용되기에 안성맞춤이어서, UCSD의 연구팀이 생각하고 있는 인공세포의 용도 중 하나로 손꼽힌다. 또한 연구팀은 인공세포에 '증식 및 분열 능력'을 장착하는 방안을 검토하고 있다.

"나는 UCSD 팀이 만든 인공세포에 깊은 인상을 받았다. 비생물학적 구성요소를 사용한다는 개념은 매우 강력하다"고 임페리얼 칼리지 런던(ICL)의 유발 엘라니(생명공학)는 말했다. "그러나 만약 '다른 연구자들이 개발하고 있는 인공세포'를 구성하는 천연요소와 양립하지 않을 경우, 인공요소는 인공세포의 응용을 방해하는 아킬레스건이 될 수 있다"라고 그는 지적했다.

※ 참고문헌
1. https://www.biorxiv.org/content/early/2018/10/16/352666

※ 출처: Science https://www.sciencemag.org/news/2018/11/biologists-create-most-lifelike-artificial-cells-yet

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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