스스로의 RNA 유전체를 포함할 수 있는 설계된 단백질 조립체의 진화

베이커 선생은 지구 정복이 꿈인가 보다. 이제 심지어 바이러스의 프로토타입을 만드는 데까지 성공! 짤막하게 초록을 번역하고 조립체가 어떻게 조립되는지 보여주는 그림 1B를 첨부한다.

스스로의 RNA 유전체를 포함할 수 있는 설계된 단백질 조립체의 진화

https://doi.org/10.1038/nature25157

초록

복잡한 생화학 환경 속에서 진화하기 위해 겪는 어려움으로는 유전자형과 표현형을 연결하는 문제와 유전 물질을 보호하는 문제가 있는데, 생체 시스템들은 핵산을 단단히 포장함으로써 이 문제들을 우아하게 풀어낸다. 가장 간단한 예로서, 바이러스는 껍질 단백질(capsid)로 자신들의 유전체를 싼다. 비록 자연에 존재하는 이러한 시스템을 변형하여 친화성(tropism)을 바꾸거나 특정 단백질 및 펩타이드를 만들게 하는 연구들이 진행되기는 했으나, 모듈성을 포기하고 효율성을 추구해 온 수십억 년의 진화로 인해 바이러스 껍질 단백질을 고친다는 것은 쉽지 않다. 바이러스에서 기인하지 않은 단백질로 만들어진 합성 시스템은, 바이러스와 연관된 안전상의 위험 및 조작의 어려움을 피하는 한편, 약물 전달 및 다른 생체의학 응용 분야에 필요한 성질을 진화시키는 '빈 서판'을 제공할 수 있다. 이 연구에서 우리는 20면체 단백질 조립체이자 내부 막이 양전하를 띠어 자신의 전체 mRNA 유전체를 포장할 수 있는 핵 껍질 단백질(nucleocapsid)을 계산으로 설계하고 합성하였다. 우리는 이 핵 껍질 단백질이 바이러스와 유사한 성질을 진화로 얻을 수 있는지 확인하기 위해 대장균을 발현 숙주로 삼아 다양한 개체군을 만들었다. 몇 세대 진화를 시키자, 유전체 포장 효율(133배 이상), 혈액 속의 안정성(주사 후 6시간 뒤에 포장된 RNA가 살아남은 비율이 3.7% 미만에서 71%로), 체내(in vivo) 순환 시간(5분 미만에서 약 4.5 시간으로)이 눈에 띄게 향상되었다. 진화의 결과로 만들어진 합성 핵 껍질 단백질은 11개의 20면체 조립체 당 하나 꼴로 전체 RNA 유전체를 포함하는데, 이 비율은 재조합 아데노 부속 바이러스(adeno-associated virus) 벡터의 최고 기록과 유사하다. 이 결과는 단백질 조립체가 바이러스와 유사한 유전체 포장 및 보호 능력을 획득할 수 있는 단순한 진화 경로가 존재함을 보여준다. 그간 약물 전달 및 백신에의 응용을 위해 더 안전하고 효율적으로 바이러스를 조작하기 위한 '하향성' 접근법에 많은 노력을 들여 왔지만, 계산을 통해 합성 나노물질을 설계하고 진화를 통해 그들을 최적화할 수 있는 기법의 개발로 이제 프로그램성과 조작성에 많은 장점이 있는, 이에 보완적인 '상향성' 접근법이 가능해졌다.