합성생물학: 성장과 분열이 가능한 최초의 실험실 제작 세포

연구진은 비생물성 부품으로 만든 합성 세포를 성공적으로 구축했으며, 이 세포는 성장하고 DNA를 복제하며 분열할 수 있습니다. 생물학적 정의상 "생명"은 아니지만, "스퍼드셀(spudcells)"이라는 별명을 가진 이 합성 세포는 세포 주기의 기본 기능을 생물학적 분자를 이용해 처음부터 설계할 수 있다는 개념 증명을 제공합니다.

처음부터 세포 주기 설계하기

미네소타 대학교의 Kate Adamala 교수가 이끄는 연구팀은 여러 개별 생물학적 시스템을 지질막(리포솜) 안에 통합했습니다. 이 과정에서 세 가지 주요 기술적 난관을 극복해야 했습니다: DNA 복제, 영양소 획득, 그리고 물리적 분열.

DNA 복제와 단백질 합성

팀은 Hannes Mutschler와 Christophe Danelon이 개발한 DNA 복제 시스템을 활용하고, 이를 36가지 효소가 포함된 상용 키트와 호환되도록 최적화했습니다. 이를 통해 합성 세포는 자신의 DNA를 읽고 단백질을 합성할 수 있게 되었으며, 세포 작업을 수행하는 데 필요한 유전 기계가 제공되었습니다.

막 융합을 통한 영양소 획득

합성 유전체에 대사 유전자가 없었기 때문에 세포는 스스로 음식이나 에너지를 처리할 수 없었습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 설탕, 지질, 효소, 전이 RNA(tRNA), 리보솜이 들어 있는 별도의 리포솜을 "공급 팩"으로 만들었습니다. 팀은 막 단백질을 변형시켜 이러한 지방 방울을 끌어당기게 했으며, 이들이 합성 세포와 융합하면서 내용물이 내부로 방출되었습니다.

세포골격 없이 세포 분열 달성하기

세포 분열은 자연 세포가 복잡한 세포골격에 의존하기 때문에 합성생물학에서 오래된 병목 현상이었습니다. Adamala 팀은 Reinhard Lipowsky가 발견한 메커니즘을 적용해 이를 우회했습니다. 특정 단백질 태그를 세포막에 부착하면 다른 단백질들이 주변에 모여 막을 물리적으로 구부려 세포가 딸 세포로 나뉘게 만들었습니다.

현재 한계와 진화로 가는 길

분열이 가능해졌음에도 불구하고 스퍼드셀은 자가 지속적인 유기체가 아닙니다. 살아남고 기능을 수행하려면 지속적인 외부 리보솜 및 영양소 공급이 필요합니다.

자연 선택의 도전 과제

연구진은 세포 집단에 유전적 변이를 만들어 진화를 유도하려 시도했습니다. 더 크게 성장한 세포가 더 많은 딸 세포를 만들고 인구가 늘어나는 현상을 관찰했지만, 이는 변이가 인위적으로 도입된 것이므로 진정한 자연 선택이라고 할 수 없습니다. 현재 사용 중인 DNA 폴리머레이스 효소는 정확도가 너무 높아, 진정한 진화를 위해서는 무작위 돌연변이를 적절한 비율로 도입해 유전체의 완전성을 해치지 않는 효소가 필요합니다.

구조적·대사적 격차

전문가들은 이 세포가 진정한 생물학적 유기체에 가까워지려면 자체적으로 리보솜과 단백질을 생성할 수 있어야 한다고 지적합니다. 또한 현재의 분열 방식은 자연 세포골격에 비해 에너지 효율이 낮습니다.

넓은 파급 효과와 오픈 사이언스

이 성과는 기존 박테리아를 단순히 축소하는 단계에서부터 기능적 시스템을 처음부터 구축하는 단계로 합성생물학을 이동시킨 "전환점"으로 평가됩니다. 잠재적 응용 분야로는 지속 가능한 바이오연료, 새로운 약물 전달 시스템, 그리고 탄소 중립 소재의 제작 등이 있습니다.

진전을 가속화하기 위해 연구진은 Biotic이라는 공익 비영리 연구 조직을 설립했다고 발표했습니다. Biotic은 스퍼드셀을 만들 때 사용된 데이터, 방법, 도구들을 전 세계 연구 커뮤니티에 공개하여 이러한 바이오기술이 책임감 있고 투명하게 개발되도록 하는 것을 목표로 합니다.

커뮤니티 관점 및 비판

과학 커뮤니티와 관찰자들 사이의 논의는 프로젝트 진행에 대한 흥분과 논란을 동시에 보여줍니다:

• 방법론적 새로움: 댓글 작성자들은 세포골격을 우회하고 막 굽힘 단백질을 활용한 결정이 가장 혁신적인 기술적 기여라고 언급했습니다.
• 학술적 절차: 일부 동료 연구자들은 결과 전파 방식에 우려를 표했습니다. 커뮤니티 토론에 인용된 보고서에 따르면, 원고가 사전 인쇄 서버에 업로드되거나 동료 검토를 받기 전에 언론인에게 임베고(embargo) 상태로 전달됐으며, 이는 "비정상적인 방식"이라고 일부가 평가했습니다.
• 생명의 정의: 비평가 중 일부는 이 존재가 외부 기계 없이는 살아남을 수 없기 때문에 "세포"라는 명칭이 잘못되었다고 주장하는 반면, 다른 이들은 완전 자율적인 단세포 유기체를 만들기 위한 필수적인 첫 단계라고 보고 있습니다.