암의 눈에 안 보이는 비밀은 부분적으로 신비한 분자 역사에 의존한다세포가 점차 그 역할이 알려짐에 따라 DNA변화의 회오리 바람은 점차 축적된다. 여러 개의 상호 연결된 전등 스위치를 뒤집는 것처럼, 세포는 한 번 유익한 성질이 악의로 변할 때까지 점차적으로 내부 분자 작동을 변화시킨다. 이 불길한 변화가 언제, 어떻게, 어떻게 발생하는지는 여전히 알려져 있지 않으며, 암은 종종 너무 늦을 때 추악한 얼굴을 키운다.

 

그러나 처음부터 그러한 변화를 포착 할 수 있는 방법이 있다면 어떨까?

 

이번 달에 MIT의 한 팀은 DNA의 계산 능력을 활용하여 미니 컴퓨터로 변환했다. 도미노(DOMINO)라고 불리는 이 기술은 실리콘과 유사하게 세포가 생명 이벤트를 DNA의 단일 문자로 읽고 쓸 수 있게 한다. 대량의 게놈 정보 덩어리를 방해하는 이전 세대의 셀룰러 레코더와 달리 도미노(DOMINO) "비트"수준에서 데이터를 변경한다. 이는 셀의 기능을 유지하면서 정확성과 저장 용량을 크게 증가시킨다. 또한 과학자들은 로직 게이트를 사용하여 연산을 계층화하여 셀을 계산 강국으로 만들 수 있다.

 

도미노(DOMINO)의 핵심은 하나의 유전자 문자를 다른 문자로 정확하게 바꾸는 비교적 새로운 버전의 유전자 편집 도구인 유전자편집기술(CRISPR) 기본 편집기이다. 모든 스왑을 컴퓨터 키를 두드리는 것으로 생각해보라. 멀티플렉싱 스왑은 연구원들이 적시에 올바른 순서로 여러 키를 눌렀을 때 세포의 이력을 DNA에 직접 기록한다. 그런 다음 게놈을 시퀀싱하면 복잡한 범죄에서 일련의 사건을 함께 짜는 형사와 마찬가지로 기록을 검색하여 생물학적 타임 라인으로 정리할 수 있다.

 

이 연구를 주도한 Timothy Lu 박사는 우리는 복잡한 생물학이 어떻게 작동하는지, 특히 여러 생물학적 사건이 발생하여 정상 세포를 질병으로 전환 할 수 있는 암과 같은 질병에서 어떻게 효과적인지를 밝힐 수 있는 더 나은 전략이 필요하다고 말했다. "이러한 유형의 바이오 컴퓨팅은 정보를 얻고 처리하는 흥미로운 새로운 방법이다."

 

왜 셀룰러 레코더인가?

세포를 분자 기록기로 바꾸는 것은 새로운 생각이 아니다.

 

일반적으로 '셀룰러 카메라'의 작동 방식은 다음과 같다. 대부분의 시스템은 저장 공간을 절약하기 위해 야생 동물 비디오를 위한 동작 탐지기 카메라를 사용하는 것과 같은 종류의 기록 메커니즘을 시작하기 위해 트리거 메커니즘을 사용한다. 세포가 독소, 특정 유전자 교환, 또는 신진 대사 또는 내부 분자의 갑작스러운 변화와 같은 특정 생명 사건을 감지하면 예측 가능한 방식으로 세포의 DNA를 영구적으로 변경하는 분자 도구인 "레코더"를 활성화 한다.

 

DNA 시퀀싱을 사용하여 이러한 돌연변이 서명을 읽음으로써 연구자들은 특정 사건이 발생했는지 여부를 알아낼 수 있다. 이를 통해 분자 기록계는 생명 공학 응용 분야 및 합성 생물학에 매우 유용하다. 예를 들어, 세포는 중금속이나 살충제와 같은 오염의 징후를 감지하고 기록하기 위해 물이나 토양에서 환경 모니터링 장치 역할을 할 수 있다.

 

강력하고 확장 가능한 셀룰러 레코더도 생 의학에 혁명적 일 수 있다. "레코더"가 장착 된 인간 암 또는 달리 돌연변이 된 세포는 분자가 신호 패턴에서 어떻게 변화 하는지를 포함하여 세포가 아픈 동안 감시 영상의 전체 이력을 제공 할 수 있다.

 

신경 과학도 또한 향상 될 것이다. 예를 들어, MTTP라는 독소가 파킨슨 병 환자의 뇌에서 나온 뉴런과 유사한 방식으로 건강한 뉴런을 퇴화 시킨다는 것을 알고 있다. 그것들을 세포 녹음기로 갖추면, 뉴런이 죽게 하는 분자 춤을 풀어 낼 수 있을 것이다.

 

그러나 셀룰러 레코더에는 커다란 문제가 있다. DNA를 영구적으로 변경하기 때문에 세포의 게놈이 불안정해지고 세포를 죽이기 전에 대역폭이 빨리 소진된다. 이로 인해 오랜 기간 동안 기록을 추적하는 것이 거의 불가능하다. 그런 다음 가독성 로드 블록이 있다. 대부분의 셀룰러 레코더는 세포를 먼저 죽이고 파괴해야 한다는 점에서 DNA 메모리 상태 모니터링을 즉시 지원하지 않는다. 데이터를 읽을 때마다 하드 드라이브를 손상시키는 것과 비슷하지만, 데이터를 확장 할 수 있는 좋은 방법은 아니다.

 

셀룰러 레코더 2.0

도미노(DOMINO)는 이러한 문제를 해결한다. 비밀인가? 강력한 유전자편집기술(CRISPR) 기본 편집기. 많은 유형이 있지만 여기서 버전은 DNA 문자 C T로 바꾼다.

 

새로운 레코더를 도미노 조각으로 생각해보라. 각 조각에는 두 가지 구성 요소가 있다. 하나는 가이드 RNA, 혈액 사냥개는 냄새를 맡고 유전자편집기술(CRISPR) 메커니즘을 대상으로 당긴다. 두 번째, 기본 편집기는 대상 DNA 서열을 분쇄하지 않는 Cas9 버전이다. 고전적인 유전자편집기술(CRISPR)과 달리 기본 편집자들은 DNA를 자르지 않으며 게놈에 대해 훨씬더 부드럽게있다. 이 작고 정확한 돌연변이는 플로피 디스크에서 TB 수준 외장 하드 드라이브로 이동하는 것과 같이 정보 저장을 위한 더 넓은 영역을 비운다. 더 큰 저장 용량, 더 긴 타임 라인을 제공한다.

 

이전 시스템과 유사하게 도미노(DOMINO)는 특정 이벤트가 전환 될 때까지 셀 내부에 휴면 상태로 있다. 그래야만 세포가 두 가지 성분을 만들도록 지시하고, C-to-T 스왑 형태로 분자 사건을 DNA로 에칭한다.

 

똑똑한 부분은 다음과 같다. 그런 다음 팀은 상호 연결된 시스템을 설계하여 세포가 이전에 이미 돌연변이 된 경우에만 나중에 돌연변이가 발생하도록 한다. 떨어지는 도미노 조각과 마찬가지로 한 녹화 이벤트는 다음 녹화 이벤트를 허용하고 다른 녹화 이벤트는 기타를 허용한다. 그러면 시간에 멀티플렉싱 이벤트에 도미노(적절하게 명명 된, 아니오?)가 열린다. Lu편집 3이 발생하기 전에 편집 2가 발생하기 전에 편집 1을 수행해야 하는 방식으로 유전자편집기술(CRISPR) 가이드 RNA를 엔지니어링 할 수 있다.

 

또한 여러 가이드 RNA를 함께 사용하여 생물학적으로 시너지 되는 다양한 이벤트를 모니터링 할 수 있다. 예를 들어, 하나의 RNA는 암에 연결된 하나의 화학 물질에 노출을 "태그"할 수 있고 다른 하나는 다른 화학 물질이나 방사선을 모니터링 할 수 있다. 이를 통해 도미노는 "AND" "OR"와 같은 논리 및 메모리 작업과 " 만약에 A 그리고 만약에 B "또는 "A 그리고 나서 B"또는 "A와 같은 보다 복잡한 타임 라인 이벤트를 구축 할 수 있는 강력한 도구가 되었다. 그리고 X 시간 후에 B.”당신은 요점을 얻는다.

 

연구 저자인 Fahim Farzadfard입력의 각 조합이 고유한 돌연변이 서명을 제공하도록 시스템을 설계 할 수 있다. "그 서명에서 어떤 입력 조합이 있는지 알 수 있다."

 

쉬운 읽기

이전의 셀룰러 레코더가 "포커 얼굴"로 고통 받았다면 도미노가 완전히 개방되었다. 이 팀은 최종 판독 값이 빛나는 녹색 단백질 형태가 되도록 회로를 설계했다.

 

현미경으로 과학자들은 녹색 빛이 얼마나 강한지 즉시 눈으로 볼 수 있으며 DNA를 시퀀싱하기 위해 세포를 죽이지 않고 얼마나 많은 돌연변이가 축적되었는지 빠르게 추정 할 수 있다. 보다 정교한 실험실 도구는 정확한 판독을 위해 빛의 강도를 정량적으로 측정 할 수 있다. 그렇기 때문에 우리는 이를 "비파괴 DNA 상태 보고자"라고 부르며 동물 모델에서 시스템을 훨씬 쉽게 확장하고 사용할 수 있다고 덧붙였다. 예를 들어 HIV에 감염된 면역 세포를 추적하는 레코더는 특정 감염 단계에서만 녹색 빛을 낼 수 있었으며, 과학자들은 혈액 샘플의 빛 강도를 측정하여 모니터링 할 수 있다.

 

지금까지 유일한 실험은 박테리아 대장균과 배양 된 인간 세포의 개념 증명이다. 그러나 그 의미는 충분하다. 예를 들어, 도미노 회로는 언젠가 암을 감지한 다음, 특정 발달 단계에서 특정 암과 싸우는 약물을 생산하는 유전자를 켤 수 있다.

 

Lu이러한 응용 프로그램은 실제 사용과는 거리가 멀지만 이러한 유형의 기술로 확실하게 구현 될 수 있는 응용 프로그램이다.

 

이미지 출처 : MIT News / CC BY-NC-ND 3.0

입력 : 2019.09.09 09:18    출처 : https://singularityhub.com/2019/09/04/cellular-computers-get-a-boost-with-crispr/
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