배경

모든 생명체는 디옥시리보핵산(DNA)에 저장된 설계도를 따라 단백질을 합성하며 살아간다. 이 과정에서 단 20종의 아미노산만이 쓰이는 것으로 알려졌다. 과학계는 자연계에 존재하지 않는 비천연 아미노산(Non-Canonical Amino Acid, ncAA)을 단백질에 결합해 새로운 의약품이나 신소재를 제작하려는 유전암호 확장(Genetic Code Expansion, GCE) 기술을 주목하는 추세다. 기존 유전암호 확장 기법은 살아있는 대장균의 유전체를 인위적으로 교정하는 방식을 취했다. 유전체를 직접 편집하는 작업은 많은 시간이 소요되며, 세포 생존력을 떨어뜨리는 한계가 지적된다. 세포막이 없는 환경에서 단백질을 생산하는 세포 외 단백질 합성(Cell-Free Protein Synthesis, CFPS) 기술이 대안으로 부상했으나 이 역시 맞춤형 transfer RNA(tRNA)를 수작업으로 제작해야 하므로 속도가 더딘 편이다.

핵심 발견

미국 하버드 의대 및 위스 연구소의 펠릭스 래드퍼드(Felix Radford) 연구원과 조지 처치(George Church) 교수 공동 연구팀은 유전암호 재설계 과정을 대폭 단축하는 자동화 플랫폼인 에이전텍스(Automated Genetic tRNA Expansion, AGENTEX)를 구축했다. 해당 플랫폼은 액체 흡입 분주 로봇을 기반으로 작동하며, 유전자 주형 정제부터 단백질 번역 반응에 이르는 전 과정을 스스로 수행한다. 연구팀은 리보솜이 tRNA의 꼬리 부분에 해당하는 3글자 염기서열인 CCA 서열만을 인식한다는 기존 생물학계의 통념을 깨는 데 초점을 맞춘다. tSCAN이라는 분석 도구로 탐색한 결과, CCA 서열 외에 CGA 등 다른 염기서열을 꼬리에 붙인 비표준 tRNA도 단백질 합성에 무리 없이 활용될 수 있음이 증명됐다. 연구팀은 변형된 리보솜 대단위체(ribosomal large subunit, LSU)와 비표준 tRNA를 결합하여 천연 아미노산의 범위를 넘어서는 단백질 공장을 구성하는 구조를 제시하는 데 힘쓰고 있다. 실제 실험에서 에이전텍스 플랫폼은 34종의 서로 다른 아미노아실 tRNA 합성효소를 조합해 34개의 코돈을 재지정하는 단백질 합성을 성공적으로 마무리한 것으로 나타났다. 이는 유전 정보 번역 체계를 살아있는 유전체 수정 없이 시험관 내에서 제어하는 경로를 제시한 셈이다.

의미와 전망

이번 연구는 유전체 설계도를 다시 쓰는 작업을 세포 생존 여부와 무관하게 시험관 내에서 처리할 수 있는 기반을 닦았다. 디지털 유전자 설계가 실제 단백질 물리적 합성으로 이어지는 주기가 일 단위에서 시간 단위로 비약적으로 단축될 전망이다. 특히 약리학적 활성이 뛰어난 펩타이드 의약품이나 물리적 안정성이 높은 신소재 개발 연구가 한층 탄력을 받을 것으로 예측된다. 연구진이 자동화 실험 방법과 소프트웨어를 공개 소스 저장소에 배포했기에 학계의 후속 연구 역시 빠르게 확산할 태세다. 다만 세포 외 시스템 특성상 단백질의 최종 생산 수율이 살아있는 세포를 이용할 때보다 부족하다는 점은 한계로 꼽힌다. 아울러 34개 이상의 서로 다른 코돈을 혼선 없이 번역하기 위해 번역 정확도를 한층 끌어올리는 기술적 보완이 뒤따라야 할 상황이다.