효소는 인공 DNA와 실제 DNA를 구분할 수 없습니다

유전 알파벳은 모든 DNA를 구성하는 생화학적 구성 요소인 4개의 뉴클레오티드를 가리키는 단 4개의 문자로 구성됩니다. 과학자들은 실험실에서 새로운 뉴클레오티드를 생성하여 이 알파벳에 더 많은 문자를 추가하는 것이 가능한지 오랫동안 궁금해했지만, 이 혁신의 유용성은 세포가 실제로 인공 뉴클레오티드를 인식하고 사용하여 단백질을 만들 수 있는지 여부에 달려 있습니다.

이제 캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 Skaggs 약학 및 제약 과학 대학의 연구원들은 인공 DNA의 잠재력을 여는 데 한 걸음 더 다가섰습니다. 연구진은 단백질 합성에 관여하는 가장 중요한 효소 중 하나인 RNA 폴리머라제가 천연 염기쌍과 똑같은 방식으로 인공 염기쌍을 인식하고 전사할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

2023년 12월 12일에 발표된 연구 결과 네이처커뮤니케이션즈맞춤형 단백질을 설계함으로써 과학자들이 새로운 의약품을 만드는 데 도움을 줄 수 있습니다.

UC 샌디에고 Skaggs 약학 및 약학대학의 교수이자 수석 저자인 Dong Wang 박사는 “단지 4개의 뉴클레오티드로 지구상의 생명체가 얼마나 다양한지를 고려할 때, 더 추가할 수 있다면 어떤 일이 일어날 수 있는지에 대한 가능성이 매력적입니다.”라고 말했습니다. . “유전 코드를 확장하면 실험실에서 합성할 수 있는 분자의 범위가 크게 다양해지고 디자이너 단백질을 치료제로 접근하는 방식에 혁명이 일어날 수 있습니다.”

Wang은 응용 분자 진화 재단의 Steven A. Benner 박사 및 Salk 생물학 연구소의 Dmitry Lyumkis 박사와 함께 연구를 공동 주도했습니다.

DNA를 구성하는 4개의 뉴클레오티드는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)이라고 합니다. DNA 분자에서 뉴클레오티드는 1953년 DNA의 이중나선 구조를 발견한 과학자들의 이름을 딴 왓슨과 크릭 기하학이라는 독특한 분자 기하학으로 염기쌍을 형성합니다. 이 왓슨과 크릭 쌍은 항상 동일한 구성으로 형성됩니다. AT 그리고 CG. DNA의 이중나선 구조는 왓슨과 크릭의 염기쌍이 많이 모이면 형성됩니다.

Wang은 “이것은 생물학적 정보를 인코딩하는 데 매우 효과적인 시스템이므로 전사 및 번역에서 심각한 실수가 상대적으로 드물다”고 말했습니다. “우리도 배웠듯이, 동일한 기하학적 구조를 나타내는 합성 염기쌍을 사용하여 이 시스템을 활용할 수 있을 것입니다.”

이번 연구에서는 두 개의 새로운 염기쌍을 통합한 AEGIS(Artificially Expanded Genetic Information System)라는 표준 유전자 알파벳의 새 버전을 사용했습니다. 원래 Benner가 개발한 AEGIS는 외계 생명체가 어떻게 발전할 수 있었는지 이해하기 위해 NASA가 지원하는 계획으로 시작되었습니다.

박테리아에서 RNA 폴리머라제 효소를 분리하고 합성 염기쌍과의 상호작용을 테스트함으로써 그들은 AEGIS의 합성 염기쌍이 천연 염기쌍의 왓슨과 크릭 기하학과 유사한 기하학적 구조를 형성한다는 것을 발견했습니다. 결과적으로 DNA를 전사하는 효소는 이러한 합성 염기쌍과 자연에서 발견되는 염기쌍 간의 차이를 구분할 수 없습니다.

“생물학에서는 구조가 기능을 결정합니다”라고 Wang은 말했습니다. “표준 염기쌍과 유사한 구조를 준수함으로써 우리의 합성 염기쌍은 레이더 아래로 빠져들어 일반적인 전사 과정에 통합될 수 있습니다.”

합성생물학의 가능성을 확장하는 것 외에도 이번 발견은 왓슨과 크릭의 원래 발견으로 거슬러 올라가는 가설도 뒷받침합니다. 호변이성체 가설이라고 불리는 이 가설은 표준 4개의 뉴클레오티드가 호변이성화, 즉 동일한 구성을 가진 여러 구조적 변형 사이에서 진동하는 뉴클레오티드의 경향으로 인해 불일치 쌍을 형성할 수 있다고 말합니다. 이 현상은 점 돌연변이, 즉 DNA 서열에서 하나의 염기쌍에만 영향을 미치는 유전적 돌연변이의 원인 중 하나로 생각됩니다.

“호변이성화는 일반적으로 예상되지 않는 뉴클레오티드가 쌍으로 함께 모이는 것을 허용합니다”라고 Wang은 말했습니다. “복제 및 번역 과정에서 잘못된 쌍의 호변이성체가 관찰되었지만 여기서 우리는 호변이성체가 전사 중에도 발생한다는 최초의 직접적인 구조적 증거를 제공합니다.”

다음으로 연구자들은 여기서 관찰한 효과가 합성 염기쌍과 세포 효소의 다른 조합에서도 일관되는지 여부를 테스트하는 데 관심이 있습니다.

Wang은 “우리는 확장된 알파벳 전사의 분자 기반을 다룰 수 있도록 Steve 및 Dmitry와 함께 다학제적 협력 팀을 구성하게 되어 기쁘게 생각합니다”라고 말했습니다. “여기에서 테스트한 것 외에도 새로운 문자에 대한 다른 가능성이 많이 있을 수 있지만, 어디까지 도달할 수 있는지 알아내기 위해 더 많은 작업을 수행해야 합니다.”

공동 저자로는 UC San Diego의 오준택, Jun Xu 및 Jenny Chong, Salk 생물 과학 연구소의 Zelin Shan, 응용 분자 진화 재단의 Shuichi Hoshika가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231213212519.htm