1.8: 합성생물학

합성생물학은 생물학과 공학을 결합하여 생물학적 실체, 유기체 또는 경로를 생성하거나 재설계하는 분야입니다. 이 아이디어는 새로운 화합물을 합성하기 위해 잘 알려진 반응을 사용하는 화학의 화학 합성과 유사합니다. 최종 목표는 새로운 생물학적 약물 분자를 만드는 것부터 유기체를 변형하여 폐기물을 분해할 수 있도록 하는 것까지 다양할 수 있습니다. 이 비디오는 합성 생물학의 기본 원리와 생물학적 모듈을 구성하는 데 사용되는 몇 가지 기술에 대해 설명합니다. 마지막으로, 우리는 이 진화하는 분야의 몇 가지 실제 응용 프로그램을 제시합니다.

이 새로운 분야의 주요 목표는 생물학과 생명 공학을 새로운 분자와 유기체를 만드는 도구로 사용하는 것입니다. 전기 엔지니어가 개별 전기 부품에서 기능 회로를 만드는 것과 마찬가지로 합성 생물학의 핵심 목표는 개별 세포 구성 요소를 사용하여 처음부터 프로그래밍 가능한 미생물을 만드는 것입니다. 그러나 이것은 주로 생물학적 과정에 대한 이해가 부족하기 때문에 현재로서는 여전히 달성 가능하지 않습니다. 이 목표는 차세대 DNA 염기서열 분석과 같은 최근의 발전으로 더욱 달성 가능해졌습니다. DNA 염기서열분석을 사용하여 연구자들은 특정 바람직한 형질을 가진 유기체에서 DNA 염기서열 특이적 유전자의 기능을 식별할 수 있습니다. 그런 다음, 정확한 DNA 염기서열을 대량으로 합성한 다음 형질주입을 사용하여 세포를 유전적으로 변형하는 데 사용할 수 있습니다. Transfection은 DNA 또는 RNA와 같은 유전 물질을 포유류 세포에 삽입하는 과정입니다. 박테리아 세포에 수행할 때 이 기술을 형질전환이라고 합니다. 이 과정에서 DNA는 종종 양전하를 띤 운반체 분자와 복합체를 띠거나 폴리에틸렌이민과 같은 양전하를 띤 리포좀 또는 고분자 입자 내에 응축됩니다. 양전하를 띤 복합체는 음전하를 띤 세포막에 부착된 다음 세포내이입(endocytosis)을 통해 세포로 들어가는데, 이는 분자가 엔도솜(endosome)이라고 하는 막으로 결합된 소포를 통해 세포로 들어가는 과정입니다. 일단 세포 안으로 들어가면, 유전 물질은 엔도솜을 떠나 결국 핵으로 들어가고, 여기서 세포의 기계는 mRNA를 만든 다음 단백질을 만들 수 있습니다. 지금까지 합성생물학의 기초를 소개했으니, 이제 실험실에서 일반적으로 사용되는 몇 가지 형질주입 기술에 대해 알아보겠습니다.

전기천공법(Electroporation)은 전극을 사용하여 세포막에 작은 기공을 만들어 DNA가 통과할 수 있도록 하는 기술입니다. 먼저, 48웰 플레이트의 각 웰 바닥은 250마이크로리터의 항체와 칼슘과 마그네슘으로 완충액으로 코팅됩니다. 그런 다음 플레이트를 37도에서 배양합니다. 다음으로, RNA를 형질주입(transfection)을 위해 준비한다. 1마이크로리터의 RNA 원액을 각각의 개별 transfection을 위해 microcentifuge 튜브에 분주하며, 튜브는 얼음 위에 남아 있습니다. 그런 다음 항체 코팅된 플레이트를 세포 배지를 추가하기 전에 완충액으로 세척합니다. 세포는 조직 배양 웰의 바닥에서 분리되어 원심분리기 튜브에 모이고 펠릿화되고 재현탁됩니다. 세포를 계수하고 생존력을 평가합니다. 그런 다음, 소량의 세포가 RNA의 각 분취액에 추가됩니다. 그런 다음 RNA의 세포를 피펫 전극 팁에 로드하고 전해 버퍼를 유리 큐벳에 추가합니다. 큐벳은 홀더 내부에 배치되고 피펫 전극은 큐벳에 배치됩니다. 셀은 약 1500볼트의 펄스 전압을 사용하여 전기천공됩니다. 전기천공법이 완료된 후, 세포는 배양 플레이트에서 세포 배양 배지와 혼합되어 사용 또는 보관됩니다.

또 다른 기술은 열을 사용하여 세포막에 구멍을 만드는 열 충격 방법입니다. 먼저, 적절한 배지와 한천을 준비하고 멸균합니다. 그런 다음 항생제가 함유 된 냉각 된 한천을 플레이트에 붓고 실온으로 냉각시킵니다. 다음으로, 수조를 섭씨 42도로 설정하고 화학적으로 유능한 세포를 얼음 위에서 해동합니다. 1-5마이크로리터의 마이크로리터당 1나노그램의 저온 플라스미드를 해동된 세포에 첨가하고 부드럽게 혼합합니다. 그런 다음 세포와 혈장 혼합물을 30분 동안 얼음으로 되돌립니다. 얼음에서 이 배양 후, 세포 혼합물을 수조에 넣어 30초 동안 열 충격을 가합니다. 그런 다음 세포와 플라스미드 혼합물을 즉시 얼음 위에 놓고 새로운 배지를 추가합니다. 그런 다음 세포 혼합물을 섭씨 37도의 진탕 인큐베이터에 1시간 동안 넣어 세포가 회복할 수 있도록 합니다. 다음으로, 배양된 박테리아 20-200마이크로리터를 플레이트에 첨가한 다음 퍼뜨려 한천 플레이트에서 세포를 배양합니다. 그런 다음 플레이트를 밤새 배양합니다. 다음 날, 한천 플레이트는 세포가 플라스미드를 흡수했음을 나타내는 콜로니 성장을 가져야 합니다. 이 군체는 이제 추가 실험에 사용할 수 있습니다.

지금까지 몇 가지 일반적인 transfection 및 transformation 방법을 소개했으므로 이제 이 새로운 분야의 몇 가지 응용 분야를 살펴보겠습니다. 유전자 조작 박테리아는 기름 잔류물을 분해하는 것과 같은 환경 정화에 사용될 수 있습니다. 합성 생물학 기술을 사용하여 특정 환경 오염 물질을 분해하도록 맞춤형 유기체를 설계할 수 있습니다. 이로 인해 일반적인 노동 집약적인 청소 방법보다 청소 비용이 낮을 수 있습니다. 암과 같은 특정 질병을 진단하고 치료하기 위해 합성으로 구성된 분자 규모의 생물학적 시스템을 만들 수도 있습니다. 이러한 유기체는 암세포의 특징적인 신호나 항체에 반응하도록 생성될 수 있습니다. 또한 프로그래밍된 표적화를 통해 감염된 세포를 치료하는 데 도움이 될 수 있습니다.

여러분은 방금 Jove의 Introduction to Synthetic Biology를 시청했습니다. 이제 이 새로운 분야의 목표와 현재 세계 문제에 대처하기 위해 유기체를 강화하고 궁극적으로 만드는 데 사용되는 몇 가지 기술에 대해 잘 알고 있을 것입니다. 시청해 주셔서 감사합니다.