단순화된 삶의 형태를 창조하다

과학에서 가장 근본적인 질문 중 하나는 생명이 없는 분자들이 어떻게 모여서 살아있는 세포를 형성할 수 있을까 하는 것입니다. 그로닝겐 대학교 생화학 교수인 베르트 풀먼은 20년 이상 이 문제에 대해 연구해 왔습니다. 그는 생명을 재구성하여 생명을 이해하고자 합니다. 그는 합성 세포의 구성 요소로 사용할 수 있는 생물학적 시스템의 단순화된 인공 버전을 구축하고 있습니다. 풀먼은 최근 Nature Nanotechnology 와 Nature Communications 에 두 편의 논문을 발표했습니다 . 첫 번째 논문에서 그는 합성 세포 간의 이 반응에서 생성된 에너지 변환 및 교차 공급 시스템을 설명하고, 두 번째 논문에서는 세포에서 영양소를 농축하고 변환하는 시스템을 설명합니다.

여섯 개의 네덜란드 연구 기관이 BaSyc( Building a Synthetic Cell ) 컨소시엄에서 협력하여 합성 세포에 필요한 요소를 구축하고 있습니다. Poolman의 그룹은 에너지 변환에 대해 연구해 왔습니다. 그가 복제하고자 하는 실제 동등물은 세포의 '에너지 공장'인 미토콘드리아입니다. 이들은 분자 ADP를 사용하여 세포가 기능하는 데 필요한 표준 '연료'인 ATP를 생성합니다. ATP가 다시 ADP로 변환되면 에너지가 방출되어 다른 프로세스를 구동하는 데 사용됩니다.

인공 에너지 공장

'미토콘드리아의 수백 가지 구성 요소 대신, 우리의 에너지 변환 시스템은 단 5가지를 사용합니다.' 풀먼은 말합니다. '우리는 가능한 한 단순화하려고 했습니다.' 진화가 기능적 시스템을 만드는 데 큰 역할을 했기 때문에 이상하게 들릴 수 있습니다. '하지만 진화는 일방 통행로이며 기존 구성 요소를 기반으로 하기 때문에 종종 결과가 매우 복잡해집니다.' 풀먼은 설명합니다. 반면 인공 복제품은 특정 결과를 염두에 두고 설계할 수 있습니다.

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

다음으로, Poolman 그룹은 분비된 ATP를 흡수하여 에너지 소모 반응을 구동하는 데 사용할 수 있는 두 번째 소포를 설계했습니다. 에너지는 ATP를 다시 ADP로 전환하여 공급되며, ADP는 분비되어 첫 번째 소포에 흡수되어 루프를 닫습니다. 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 구동합니다.

인공 펌핑 ​​시스템

Poolman이 만든 두 번째 모듈은 약간 달랐습니다. 화학적 과정으로 인해 내부가 음전하를 형성하고, 그렇게 하면서 전자 회로와 유사한 전기적 전위를 형성하는 소포입니다. 전기적 전위는 전하 이동을 소포 내부의 영양소 축적과 결합하는 데 사용되며, 이는 수송체에 의해 수행됩니다. 소포 막의 이러한 단백질은 물레방아와 약간 비슷하게 작동합니다. 양전하를 띤 양성자는 소포 외부에서 음전하를 띤 내부로 '흐릅니다'. 이 흐름은 수송체를 구동하는데, 이 경우 수송체는 당 분자인 락토오스를 수입합니다. 다시 말하지만, 이는 살아있는 세포에서 매우 흔한 과정으로, Poolman과 그의 팀이 단 두 가지 구성 요소로 모방한 많은 구성 요소가 필요합니다.

그가 이 시스템을 설명하는 논문을 제출했을 때, 한 심사자는 세포가 이러한 영양소를 사용하여 유용한 구성 요소를 생산하기 때문에 운반되는 락토오스로 무언가를 할 수 없겠느냐고 물었습니다. 풀먼은 도전을 받아들여 시스템에 효소 세 개를 더 추가했고, 이는 설탕을 산화시키고 보조 효소 NADH를 생산할 수 있게 했습니다. 풀먼은 '이 헬퍼 분자는 모든 세포의 적절한 기능에 필수적인 역할을 합니다.'라고 설명합니다. '그리고 NADH 생산을 추가함으로써 시스템을 확장하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다.'

하지만 합성 세포는 어떨까?

생명의 두 가지 핵심적 특징을 단순화한 합성적 등가물을 갖는 것은 매력적이지만, 자율적으로 성장하고 분열하는 합성 세포를 형성하기 위해서는 훨씬 더 많은 단계가 통합되어야 합니다. '우리가 취하고자 하는 다음 단계는 동료들이 만든 합성 세포 분열 시스템에 우리의 대사 에너지 생산 시스템을 추가하는 것입니다.' 풀먼이 말합니다.

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

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241021123151.htm