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유전체 기록물로서 박테리아
작성자 : 우정희 ㅣ 조회수 : 1,915

MIT의 공학자들은 대장균 박테리아의 유전체를 장기적인 기억저장소로 전환시켰다. 이들은 이 안정되고 지울 수 있고 쉽게 회복시킬 수 있는 기억저장소는 환경과 의료감시를 위한 센서와 같은 곳에 적용할 수 있다고 말한다. MIT의 전기공학, 컴퓨터과학 및 생물공학 교수인 티모시 루 (Timothy Lu)는 “매우 오랫동안 정보를 저장할 수 있다. 당신의 장내나 환경박테리아에서 살고 있는 박테리아가 이러한 시스템을 갖고 있다고 상상해보세요. 이 박테리아를 며칠이나 몇 달 동안 넣어놓고 다시 양적인 수준에서 어떤 일이 일어났는가를 볼 수 있을 것"이라고 말했다.

이 새로운 전략은 학술지 <사이언스>지에 발표되었으며, 현재 박테리아 유전체에 기억을 저장하는 방법의 몇 가지 한계를 극복했다고 이 논문의 수석저자인 루는 말했다. 이러한 방법에서는 많은 수의 유전적 규제요소가 필요하고 저장할 수 있는 정보의 양이 제한된다. 초기 시도는 또한 디지털 기억에만 제한되었다. 즉, 이것은 특정한 사건이 일어났는지 여부와 같은 절대적인 기억들 (all-or-nothing memories)을 기록할 수 있다는 뜻이다. 루와 그의 대학원 학생인 파힘 파자드파드 (Fahim Farzadfard)는 얼마나 노출되었는지 그리고 얼마나 오랫동안 지속되었는지와 같은 아날로그 기억을 저장하기 위한 시스템을 만들었다. 이를 위해서 이들은 “유전체 테이프 기록장치”를 만들었다. 이것은 과학자들이 새로운 정보를 박테리아 DNA 염기서열에 써넣는 것이다.

대장균 박테리아에 기억을 저장하도록 프로그램하기 위해서 MIT의 연구자들은 세포를 조작하여 DNA나 특정한 단일가닥 DNA염기서열을 표적으로 삼는 지점에 삽입할 수 있는 재조합효소(recombinase)를 생산하도록 했다. 하지만 이 DNA는 이전에 결정된 입자나 다른 형태의 입력값, 즉 빛과 같은 것이 나타날 때 활성화될 수 있다. 이 DNA를 생산한 후에 이 합성효소는 DNA를 세포의 이전에 프로그램된 유전체 지점에 삽입하게 된다. 루는 “우리는 우리가 보기에 테이프 기록장치라고 생각되는 유전체의 아무 지점을 표적으로 삼았다. 이 신호가 쓰여진 곳을 지시할 수 있기 때문”이라고 말했다.

일단 이 과정을 통해 노출이 기록되면 이 기억은 이 박테리아군의 평생 동안 저장되고 한 세대에서 다른 세대로 전달된다. 이렇게 기록된 정보를 회복하는 몇 가지 방법이 존재한다. 만일 이 DNA가 유전체의 비기능성 부분에 삽입되었다면 이 유전체의 염기서열분석을 통해서 이 기억이 특정한 세포에 저장되었는지 여부를 알게 될 것이다. 예를 들어 이번 연구에서 새로운 DNA염기서열은 항생제 저항성 유전자를 작동하게 하고 이를 통해서 연구자들은 항생제를 세포에 더 사용하고 얼마나 살아남는가를 관찰함으로써 얼마나 많은 세포가 기억염기서열을 갖게 되었는가를 알게 될 것이다.

새로운 DNA 염기서열을 갖고 있는 세포군의 비율을 측정함으로써 연구자들은 얼마나 많이 그리고 얼마나 오랫동안 노출되었는지를 알 수 있다. 이 논문에서 연구자들은 빛을 감지하고 IPTG라고 불리는 젖당 대사물질 (lactose metabolite) 그리고 aTc라 불리는 항생제 파생물을 감지하는 시스템을 사용했다. 하지만 많은 다른 입자나 심지어는 세포에 의해 생산되는 신호에 대한 것을 만들 수 있다고 루는 말했다. 이 정보는 또한 세포를 자극하여 동일한 지점에 DNA의 다른 부분과 결합하게 하여 지울 수 있다. 이러한 과정은 현재 그다지 효율적이지 않다. 하지만 연구자들은 이 방법을 증진시키려고 하고 있다.

캘리포니아 주립대학 샌디에고의 숀 더글러스(Shawn Douglas)는 “이번 연구는 단일 시스템에 여러가지 많은 능력을 결합시킴으로써, 즉 오랫동안 지속되는 아날로그, 다양하게 읽어낼 수 있는 대안을 가진 유전체 저장소이기 때문에 매우 흥미로운 결과이다. 개별 세포를 디지털 저장장치로 처리하는 것보다는 파자드파드와 루는 전체 세포군을 아날로그 ‘하드 드라이브’로 처리하여 저장하고 회수할 수 있는 정보의 양을 증가시켰다”고 말했다.

이러한 형태의 센서를 환경에 적용하는 것은 해양의 이산화탄소 수준과 산도 그리고 오염물질에 대한 감시를 포함한다. 또한 이 박테리아는 잠재적으로 인간의 소화기관에 서식하도록 제작되어 얼마나 많은 당분이나 지방을 섭취하는가 또는 과민성 장 증후군(irritable bowel disease)과 같은 질병으로 인한 염증을 찾아내는데 사용될 수 있다. 이들 조작된 박테리아는 또한 생물학 컴퓨터로도 사용할 수 있다고 루는 말했다. 그는 특히 이미지의 패턴을 찾아내는 것과 같이 많은 병렬처리 (of parallel processing)가 필요한 컴퓨터에 유용할 것이라고 말했다. 그는 “실험관에는 수십억 마리의 박테리아가 있기 때문에 이들을 이용해서 기억을 저장하고 컴퓨터로 사용할 수 있을 것이다. 이를 통해서 병렬처리 컴퓨팅에도 사용될 수 있으며 또한 에너지 효율적이기도 할 것”이라고 말했다.

다른 가능한 분야는 살아 있는 동물의 뇌세포를 조작하거나 인간의 세포를 배양접시에서 배양할 때 적용하여 연구자들은 특정한 질병의 마커가 발현되는지 또는 특정한 시간에 뉴런이 활동을 하는지를 알아볼 수 있을 것이다. 루는 “한 세포 안에서 DNA를 작동시켜 자체적인 작은 기억장치로 작동시킬 수 있다면 정보를 쓰고 빼낼 수 있게 될 것”이라고 루는 말했다. 이번 연구는 국립보건연구원과 해군연구청 (Office of Naval Research) 그리고 국방발전과학연구프로젝트청 (Defense Advanced Research Projects Agency)의 지원으로 이루어졌다.

출처: <ScienceDaily> 2014년 11월 13일
원문참조:
F. Farzadfard, T. K. Lu. Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations. Science, 2014; 346 (6211): 1256272 DOI: 10.1126/science.1256272


출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑


담당자 : 시험연구팀 우정희 선임연구원
TEL : 054-780-3454 E-mail : jhwoo@gimb.or.kr


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