생명에 대한 청사진: 완전히 기능하는 합성 세포

과학에서 가장 근본적인 질문 중 하나는 생명이 없는 분자가 어떻게 모여서 살아있는 세포를 형성할 수 있는가이다. 그로닝겐 대학교 생화학 교수인 베르트 풀먼은 20년 동안 이 문제를 해결하기 위해 노력해 왔다. 그는 생명을 재구성하여 생명을 이해하고자 한다. 그는 합성 세포의 구성 요소로 사용할 수 있는 생물학적 시스템의 단순화된 인공 버전을 구축하고 있다.

그의 연구는 Nature Nanotechnology와 Nature Communications에 게재된 두 편의 새로운 논문에서 자세히 설명되었다. 첫 번째 논문에서 그는 합성 세포 간의 이 반응 생성물의 에너지 변환 및 교차 공급 시스템을 설명하는 반면, 두 번째 논문에서는 세포에서 영양소를 농축하고 변환하는 시스템을 설명한다.

합성 세포와 에너지 변환

네덜란드의 여섯 연구 기관이 BaSyc(합성 세포 구축) 컨소시엄에서 협력하여 합성 세포에 필요한 요소를 구축하고 있다. 풀먼의 그룹은 에너지 변환에 대해 연구해 왔다. 그가 복제하고자 하는 실제 동등물은 세포의 "에너지 공장"인 미토콘드리아이다. 이들은 분자 ADP를 사용하여 세포가 기능하는 데 필요한 표준 "연료"인 ATP를 생성한다. ATP가 다시 ADP로 변환되면 에너지가 방출되어 다른 프로세스를 구동하는 데 사용된다.

이 이미지는 미토콘드리아에서 ATP를 생산하는 것을 보여준다. 여기에는 100개 이상의 단백질이 필요하고, 합성 소포는 5개의 단백질만으로 ATP를 생산한다. 출처 풀먼 흐로닝언 대학교 연구실

인공 에너지 공장

"미토콘드리아의 수백 가지 구성 요소 대신, 우리의 에너지 변환 시스템은 단 5가지를 사용한다." 풀먼이 말했다. "우리는 가능한 한 단순화하려고 했다." 진화가 기능적 시스템을 만드는 데 큰 역할을 했기 때문에 이상하게 들릴 수 있다. "하지만 진화는 일방 통행로이며 기존 구성 요소를 기반으로 하기 때문에 종종 결과가 매우 복잡해진다."라고 풀먼이 설명한다. 반면 인공 복제품은 특정 결과를 염두에 두고 설계할 수 있다.

5가지 성분은 ADP와 주변 유체의 아미노산 아르기닌을 흡수할 수 있는 작은 세포와 같은 주머니인 소포에 배치되었다. 아르기닌은 "연소"(탈아민화)되어 소포에서 분비되는 ATP를 생성하는 에너지를 제공한다. "물론, 단순화에는 비용이 따른다. 우리는 아르기닌만 에너지원으로 사용할 수 있는 반면, 세포는 아미노산, 지방, 당과 같은 모든 종류의 분자를 사용한다."

생물학적 시스템은 합성 세포를 만드는 데 사용되는 단순화된 인공 시스템의 예이다. 출처: Beeld Willy Arisky via Pexels

다음으로, 풀먼 그룹은 분비된 ATP를 흡수하여 에너지 소모 반응을 구동하는 데 사용할 수 있는 두 번째 소포를 설계했다. 에너지는 ATP를 다시 ADP로 전환하여 공급되고, ADP는 분비되어 첫 번째 소포에 흡수되어 루프를 닫는다.

이러한 ATP 생산 및 사용 주기는 모든 살아있는 세포의 신진대사의 기초이며 성장, 세포 분열, 단백질 합성, DNA 복제 등과 같은 에너지 소모 반응을 위한 "기계"를 구동한다.

인공 펌핑 ​​시스템

풀먼이 만든 두 번째 모듈은 약간 달랐다. 화학적 과정으로 인해 내부가 음전하를 형성하고, 그렇게 함으로써 전자 회로와 유사한 전기적 전위를 형성하는 소포이다. 전기적 전위는 전하 이동을 소포 내부의 영양소 축적과 결합하는 데 사용되며, 이는 수송체에 의해 수행된다.

소포의 막에 있는 이 단백질은 물레방아와 약간 비슷하게 작동한다. 양전하를 띤 양성자는 소포 외부에서 음전하를 띤 내부로 "흐른다". 이 흐름은 수송체를 구동하는데, 이 경우 당 분자인 락토오스를 수입한다. 다시 말하지만, 이는 살아있는 세포에서 매우 흔한 과정으로, 풀먼과 그의 팀이 단 두 가지 성분으로 모방한 많은 성분이 필요하다.

우리 근육의 세포도 ATP에 의해 구동된다. 출처: Victor Freitas

그가 이 시스템을 설명하는 논문을 제출했을 때, 한 심사자는 세포가 이러한 영양소를 사용하여 유용한 구성 요소를 생산하기 때문에 운반되는 락토오스로 무언가를 할 수 없겠느냐고 물었다. 풀먼은 도전을 받아들여 시스템에 효소 세 개를 더 추가했는데, 이는 설탕을 산화시키고 보조 효소 NADH를 생산할 수 있게 했다. 풀먼은 "이 보조 분자는 모든 세포의 적절한 기능에 필수적인 역할을 한다."라고 설명한다. "그리고 NADH 생산을 추가함으로써 시스템을 확장하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다."

완전히 기능하는 합성 세포를 향해

생명의 두 가지 핵심 특징을 단순화한 합성 동등물을 갖는 것은 매력적이지만, 자율적으로 성장하고 분열하는 합성 세포를 형성하려면 훨씬 더 많은 단계가 통합되어야 한다. 풀먼은 "우리가 취하고자 하는 다음 단계는 동료들이 만든 합성 세포 분열 시스템에 대사 에너지 생산 시스템을 추가하는 것이다."라고 말한다.

BaSyc 프로그램은 마지막 해에 접어들고 있으며, 새로운 프로그램에 대한 자금이 최근에 확보되었다. 풀먼이 주요 과학자 중 한 명인 네덜란드 그룹의 대규모 컨소시엄은 무생물 모듈에서 생명을 창조하기 위해 4,000만 유로를 받았다. 이 EVOLF 프로젝트는 앞으로 10년 동안 진행될 예정이며, 얼마나 많은 무생물 모듈이 모여서 살아있는 세포를 만들 수 있는지 알아내는 것을 목표로 한다. 풀먼은 "궁극적으로 이것은 우리에게 생명에 대한 청사진을 제공할 것이다. 현재 생물학에서 부족한 것이다."라고 결론지었다. "이것은 결국 온갖 종류의 응용 프로그램을 가질 수 있지만, 또한 우리가 생명이 무엇인지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이다."