생명에 언어에 새로운 알파벳을 더하다 - 인공 염기쌍을 지닌 박테리아 탄생

 DNA  는 생명의 언어라고 할 수 있습니다. 수정란의 핵안에 들어 있는 DNA 에는 앞으로 이 세포가 닭이나 토끼, 사자 혹은 인간이 되는 정보가 담겨져 있습니다. 그 안에는 수만개의 유전자가 존재하지만 사실 그 기초가 되는 알파벳은 매우 단순합니다.  

 한쌍씩 짝을 이루는 4 개의 염기인 A-T, G-C 가 그것으로 아데닌 (Adenine), 구아닌 (Guanine), 사이토신 (Cytosine), 티민 (Thymine) 라는 4 가지 종류로 구성되어 있습니다. DNA 에 기록된 정보는 RNA 를 거쳐 각각의 단백질에 들어갈 아미노산의 종류와 순서를 정해주는데 이 단백질을 통해서 고유의 생명활동이 일어나게 되죠.  

(익숙한 DNA 의 구조.  

http://en.wikipedia.org/wiki/File:DNA_Structure%2BKey%2BLabelled.pn_NoBB.png  )  

 그런데 여기서 한가지 의문을 지녀볼 수 있습니다. 왜 단지 4 개의 염기만이 존재할까요. 더 많은 종류의 염기는 존재할 수 없는 것일까요 ? 실제로 과학자들은 지구상에 있는 생명체에는 쓰이지 않기는 하지만 실험실에서 ATGC 이외의 다른 형태의 염기도 존재할 수 있다는 것을 이전부터 알고 있었습니다. 왜 하필이면 이 4 개만이 (물론 RNA 까지 포함하면 우라실 (Uracil) 도 추가) 선택되었는지도 흥미로운 주제이지만 과연 인공적인 염기를 가진 생명체가 존재할 수는 없는지 역시 흥미로운 주제라고 할 수 있습니다.  

 스크립 연구소 (The Scripps Research Institute (TSRI)) 의 플로이 롬스버그 (TSRI Associate Professor Floyd E. Romesberg) 와 그의 동료들은 단순한 대장균에 A-T, G-C 외에 3 번째의 염기쌍을 지닌 유전자를 삽입하는데 성공해 이를 네이처에 발표했습니다. 그의 연구팀은 1990 년대 후반부터 새로운 염기쌍을 지닌 유전자가 실제로 단백질을 코딩할 수 있다는 것을 발견하고 연구를 지속해 왔습니다.  

 그런데 사실 말이 쉽지 실제로 A-T, G-C 외에 새로운 인공 염기쌍을 DNA 에 자연스럽게 결합하는 일은 매우 어려운 과제였다고 합니다. DNA 는 두가닥의 고분자가 지퍼처럼 서로 연결되어 있는데 이것이 자연스럽게 두가닥으로 풀렸다가 다시 결합을 해야 합니다. 문제는 인공 염기쌍들이 잘 달라붙지 않거나 다른 염기에 달라 붙는 경우로 이렇게 되면 사실상 기능을 하지 못하는 DNA 가 될 수 밖에 없습니다. 연구팀이 이 문제를 극복하고 실제 살아있는 박테리아에 이를 주입해 기능을 하게 만든 것은 인공 DNA 연구에서 한획을 그을 수 있는 업적이라고 할 수 있습니다.  

(새롭게 추가된 염기쌍.  Expanding the genetic alphabet. Credit: Synthorx )  

 그런데 이렇게 새로운 염기쌍을 넣으면 어떤 장점이 있는 것일까요 ? 연구팀에 의하면 이렇게 3 쌍으로 만들게 되면 현재의 64 코돈 (Codon - 3 개의 염기 정보를 바탕으로 하나의 아미노산을 지정하는 단위) 에 비해 더 많은 216 코돈 (Codon) 이 탄생하게 되어 무려 172 개나 되는 아미노산 (자연적으로는 약 20 개 정도) 을 가진 단백질을 만들 수 있다고 합니다. 이는 새로운 신약이나 신물질 개발, 나노 테크놀로지등에 응용할 수 있는 가능성이 매우 무궁무진 하다는 것이 연구팀의 생각입니다.

 연구팀은 짧은 DNA 의 가닥인 플라스미드 (Plasmid) 에 새로운 염기쌍을 삽입했습니다. 그것은 d5SICS 와 dNaM 라는 자연계에는 존재하지 않는 염기쌍 (unnatural base pairs (UBPs)) 입니다. 이 분자들이 선택된 이유는 PCR 을 통해 쉽게 증폭이 가능하며 DNA 에 삽입되어 정상적으로 전사 (transcription : DNA 를 바탕으로 RNA 를 만드는 과정) 가 일어나기 때문입니다.  

 그런데 이렇게 새로운 염기쌍을 가진 DNA 를 가진 생명체가 위험하지는 않을까요 ? 여기에 대해서 연구팀은 통제 되지 않는 위험한 박테리아가 실험실 밖으로 퍼지는 것을 막기 위한 안전장치를 해놓았습니다.  

 새로운 DNA 염기쌍을 지닌 대장균이 증식하기 위해서는 본래는 존재하지 않는 d5SICS 와 dNaM 이 필요합니다. 자연계의 생물체 가운데 이 물질을 합성하는 능력이 있는 생물체가 없기 때문에 자연적인 염기와는 다르게 이 물질은 외부에서 계속 공급해주어야 합니다. 그리고 이 물질이 세포 내부로 들어가게 돕는 물질도 필요합니다. 

 다시 말해 공급이 없으면 새로운 염기쌍을 지닌 유전자는 기능을 하지 못하게 됩니다. 플라스미드가 삽입된 대장균은 본래 정상적인 DNA 도 가지고 있어서 살아가는데는 지장이 없겠지만 필요 없어진 추가 유전자들은 시간이 지나면서 버리게 되어 결국 정상 대장균으로 돌아오게 됩니다. (아래 그림 참조) 

(How to expand the genetic alphabet. / 클릭하면 원본 Credit: Synthorx )    

 사실 개인적으로 생명의 역사의 초기에서 ATGC 라는 분자 4 개가 유전 정보를 전달하기 위해 선택된 것은 우연이 아닐 가능성이 높다고 생각합니다. 이것이 가장 효율적인 방식이었기 때문에 자연 선택에 의해 선택되었을 가능성이 높겠죠. 현재 다른 방식을 지닌 생명체가 지구상에 존재하지 않는다는 것이 그 증거라고 할 수 있습니다. ATGC 만으로도 필요한 단백질을 합성해서 생존에 문제가 없다면 그 이상 가지는 것은 쓸데없는 낭비이자 생존에 불리한 요소일지 모릅니다. 

 하지만 이것과는 별개로 특수한 신물질 합성과 생산을 위해 인공적인 염기쌍을 추가한다는 아이디어는 꽤 그럴듯해 보입니다. 향후 안전성 이슈와 비용등의 문제를 해결한다면 신물질 개발, 나노 기술, 신약 개발에 도움이 될 가능성도 있어 보입니다. 개인적으로 한가지 더 흥미가 가는 부분은 왜 ATGC 가 최후의 승자가 되었는지에 대한 새로운 정보를 제공할 가능성입니다. 과연 어떻게 응용이 가능할지 궁금하네요.  

 참고  

http://phys.org/news/2014-05-scientists-transmits-added-letters-dna.html

Journal Reference:

1. Denis A. Malyshev, Kirandeep Dhami, Thomas Lavergne, Tingjian Chen, Nan Dai, Jeremy M. Foster, Ivan R. Correa, Floyd E. Romesberg. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet. Nature, 2014; DOI:10.1038/nature13314