우리 몸에서 나오는 신호를 놓친 경우를 위한 '볼륨 다이얼'

플러그를 뽑은 전기 악기는 작동할 수 있지만 앰프에 연결하면 훨씬 더 좋은 소리가 납니다. 마찬가지로 환경이나 인체에 낮은 농도로 존재하는 독소와 기타 소형 분자는 특수 실험실 기술 없이는 감지할 수 없는 조용한 신호를 방출할 수 있습니다.

이제, 노스웨스턴 과학자들이 음용수의 독소를 측정하기 위해 이미 배치한 감지 플랫폼을 개조하는 데 사용된 "생화학의 멋진 기술" 덕분에 연구자들은 실험실 밖에서 사용할 수 있을 만큼 낮은 농도의 화학 물질을 감지하고 측정할 수 있습니다. 약한 신호를 "높이는" 볼륨 노브와 유사한 회로를 부착함으로써, 연구팀은 이 시스템이 DNA와 RNA와 같은 핵산과 대장균과 같은 박테리아를 인체에서 질병 감지 및 모니터링하는 데 적용될 수 있는 문을 열었습니다.

연구진이 이전에 개발한 세포 없는 센서보다 10배 더 민감한 시스템을 설명하는 연구 결과가 오늘(1월 13일) Nature Chemical Biology 저널에 게재되었습니다.

"자연에서 재활용된 바이오센서는 원칙적으로 다양한 오염 물질과 인간 건강 지표를 감지할 수 있지만, 종종 그대로는 충분히 민감하지 않습니다." 책임 저자이자 노스웨스턴 합성 생물학자인 줄리어스 럭스가 말했습니다. "증폭기처럼 작동하는 유전 회로를 추가함으로써, 이 바이오센서 플랫폼이 환경 및 인간 건강 모니터링에 필요한 민감도 수준을 충족하도록 만들 수 있습니다."

럭스는 노스웨스턴 매코믹 공과대학의 화학 및 생물 공학 교수이며, 합성생물학 센터의 공동 소장입니다.

물을 이용한 임신 테스트'를 설계하다

ROSALIND의 원래 모델은 물 한 방울에서 17가지 다른 오염 물질을 감지할 수 있었고, 오염 물질이 미국 환경 보호청의 기준을 초과하면 녹색으로 빛났습니다. 두 번째 모델은 플랫폼이 오염 물질의 다양한 농도를 계산할 수 있게 했고, "물을 위한 임신 테스트"보다 더 정교한 것을 만들어냈습니다.

럭스와 그의 팀은 세포 없는 합성생물학이라는 접근법을 사용하여 ROSALIND를 만들었습니다. 이는 DNA, RNA, 단백질과 같은 분자 기계를 세포에서 제거한 다음 새로운 작업을 수행하도록 재프로그래밍하는 것입니다.

시스템의 유용한 버그

DNA와 RNA를 다루는 합성 생물학자들은 종종 T7 RNA 중합효소라는 쓸모없는 적과 마주치는데, 럭스는 출력 신호를 펌핑하는 역할을 라디오 배터리에 비유합니다. 대부분의 경우, 이 효소는 시스템의 버그처럼 작용하여, 해서는 안 될 RNA 조각을 먹어치우고 핵산 회로에 엄청난 피해를 입힙니다. 하지만 럭스는 이 효소가 그들에게 유리하게 사용될 수 있을지 궁금했습니다.

럭스는 트랜지스터 라디오의 역사를 이용해 그의 팀이 개발한 감지 플랫폼인 ROSALIND(유명 화학자 로잘린드 프랭클린의 이름을 따서 지은 것으로 "리간드 유도에 의해 활성화되는 RNA 출력 센서"의 약자)의 발전 상황을 설명합니다.

"전자학 101 수업에서 최초의 트랜지스터 라디오를 만들 수 있고, 라디오 신호를 받을 수 있지만, 온갖 문제가 있습니다." 럭스가 말했다. "나무 뒤로 걸어가면 신호를 잃고, 소스에 가까이 다가가면 소리가 커집니다. 그 라디오의 다음 세대에서는 이런 것들을 제어하고 교정하기 위해 전자 회로를 추가했습니다. 이 반복은 기본적으로 라디오에 볼륨 노브를 추가하는 것입니다."

DNA 나노기술의 신호 증폭 트릭을 통해 회로가 입력을 재활용하고 재생할 수 있게 되면서 연구자들은 입력 분자의 신호를 증폭하는 방법을 발견했습니다. 신호가 생성되면 "벌레"가 그것을 먹고 재활용하여 또 다른 신호를 생성합니다. 그 결과 팀은 이전 반복보다 훨씬 낮은 농도에서 항생제와 중금속과 같은 분자를 감지할 수 있었습니다.

"우리는 ROSALIND에서 신호를 증폭하는 새로운 시스템을 만들었습니다." Lucks 연구실의 박사 후보생인 제니 리의 첫 번째 저자가 말했습니다. "생화학의 멋진 트릭 덕분에 실제 바이오센서 단백질을 변경하지 않고도 낮은 수준의 화합물을 감지하도록 시스템을 민감하게 만들 수 있습니다. 이 모든 것은 핵산 '회로'에서 이루어집니다. ROSALIND 3.0은 이제 더 민감해져서 이전에는 작은 분자 화합물만 감지할 수 있었지만 이제는 핵산을 감지할 수 있습니다."

일하는 로잘린드

ROSALIND의 이전 반복은 이미 실제 환경에서 배포되었습니다. 예를 들어 시카고 지역에서 음용수에서 납을 탐지하는 진행 중인 현장 연구에 배포되었습니다. Lucks에 따르면 팀의 "3.0" 모델의 새로운 요소는 이 프로젝트와 다른 프로젝트에 쉽게 적용할 수 있습니다.

"우리는 또한 인간 건강 마커, 식품 품질 마커 및 농업 화합물을 감지하는 ROSALIND를 개발하고 있으며, 이 플랫폼 기술이 어디에 사용될 수 있는지를 개척하고 있습니다." Lucks가 말했습니다. "이 새로운 감작 접근법은 일반적이므로 앞으로 실행 가능한 수준에서 화합물을 감지할 수 있는 센서를 더 빨리 개발할 수 있을 것입니다."

이 작업은 Northwestern의 생명공학 교육 프로그램을 통한 National Institutes of Health 교육 보조금(T32GM008449), National Science Foundation의 Synthesizing Biology Across Scales 교육 프로그램(2021900), Northwestern의 생명공학, 시스템 및 합성 생물학 대학원 클러스터에서 지원되었습니다. 추가 지원은 Army Contracting Command(W52P1J-21-9-3023), Defense Advanced Research Projects Agency(DARPA)(N660012324041) 및 National Science Foundation(2310382)에서 제공되었습니다.

노스웨스턴 스타트업 기업 Stemloop이 ROSALIND 기술을 상용화하고 있습니다. Lucks는 Stemloop에 대한 재정적 이해관계와 제휴 관계를 가지고 있습니다. 노스웨스턴은 Stemloop에 대한 재정적 이해관계(지분, 로열티)를 가지고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250113161116.htm