한빛사논문
POSTECH
Abstract
논문소개전체 설명
합성생물학의 주요 지향점 중 하나는 세포 내에 인공적인 유전자 회로를 설계하여 질병 진단이나 유용 화합물 생산 등 특정 기능을 수행하도록 세포를 프로그래밍하는 것입니다. 기존에는 주로 단백질 기반으로 회로를 설계했으나, 이는 세포에 큰 대사 부담을 주거나 반응 속도가 느리다는 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 차세대 조절 인자인 RNA가 주목받기 시작했으나, 기존 기술들은 주로 이미 만들어진 유전자 설계도를 단백질로 조립할지 여부만 결정하는 번역(translation) 단계 조절에 머물러 있었습니다. 따라서 복잡한 생체 신호를 통합 처리하거나 유전자 제어용 RNA처럼 단백질 합성이 필요 없는 결과물을 정밀하게 제어하기 위해서는, 번역 단계의 계산 결과가 곧바로 유전자 생산 공정 전체를 제어하는 전사(transcription) 단계로 연결되는 새로운 공학적 가교가 절실했습니다.
이에 세포 내 단백질 조립 기계인 리보솜의 움직임을 유전자 생산 공정의 스위치로 활용하는 ‘번역-전사 전환(TTC, Translation-to-Transcription Converter)’ 기술을 핵심으로 하는 RATEX(Ribosome-Assisted Transcriptional EXpression controller) 플랫폼을 고안했습니다. 이 장치는 특정 신호가 들어오면 리보솜이 유전자의 특정 길목에서 멈춰 서게 설계되었는데, 이렇게 멈춰 선 리보솜이 전사 종결을 방해하는 일종의 물리적 차폐 기능을 수행하여 유전자 전사 공정이 끝까지 완료되도록 유도합니다.
이러한 설계는 번역 단계에서 검증된 풍부한 논리 스위치들을 '레고 블록'처럼 조합하여 전사 과정을 직접 제어하게 함으로써, 기존 유전자 회로의 확장성 한계를 효과적으로 해결합니다. RATEX 플랫폼은 기존 RNA 조절 장치들을 능가하는 최대 1,492배의 유전자 조절 능력을 확보했으며, 입력과 출력이 모두 RNA인 구조를 통해 RNA 기반의 다단계 회로 구성을 가능케 했습니다. 또한 RNA 신호뿐만 아니라 아미노산, 비타민 등 다양한 대사물질 및 소분자 정보를 하나의 회로에서 동시에 계산할 수 있는 하이브리드 연산 체계를 성공적으로 구현함으로써, 유전적 공간 활용도를 극대화하여 복잡한 논리 연산을 효율적으로 수행할 수 있음을 입증했습니다. 나아가 유전자 제어용 RNA나 상변이 RNA를 직접 생산·조절함으로써, 세포의 형태를 변형시키거나 세포 내부에 인공적인 구획을 만드는 등 정밀한 세포 프로그래밍이 가능함을 확인하였습니다.
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