- POSTECH, 유전정보와 분리된 ‘비유전성 DNA’로 세포 정밀 제어하는 플랫폼 개발
DNA가 수십억 년간 고수해 온 '설계도'라는 자리를 벗어나, 이제 세포 안에서 직접 발로 뛰는 ‘현장 요원’으로 새 출발을 하게 됐다. POSTECH(포항공과대학교) 생명과학과 김종민 교수, 박사과정 이건후 씨 연구팀의 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 온라인판에 게재됐다.
세포는 쉴 새 없이 돌아가는 작은 공장이다. 이 공장 안에서 ‘단백질’과 ‘RNA’는 필요할 때 만들어지고, 역할을 다하면 사라지는 '현장 인력'이다. 반면 ‘DNA’는 이 모든 생산 활동의 근거가 되는 '설계 도면'이다. 도면은 공장 어딘가에 안전하게 보관되어 있어야 하기 때문에, 함부로 꺼내 쓰거나 고치면 안 된다.
코로나 바이러스 감염 여부를 확인하는 PCR 검사처럼, DNA를 설계도가 아닌 도구로 활용하는 경우도 있지만 이 기술들은 세포 바깥에서만 작동한다. 살아있는 세포 안으로 들어가는 순간, DNA는 다시 '설계도'라는 본래 임무에 묶여 버렸다.
연구팀은 바로 이 한계에 주목했다. DNA를 세포 내부에서도 자유롭게 활용하기 위해 찾아낸 돌파구는 '레트론(Retron)1)'이라는 박테리아의 독특한 DNA 생산 시스템이다. 일반적으로 DNA는 기존 DNA를 그대로 복사하는 방식으로 늘어난다. 그런데 ‘레트론’은 RNA라는 중간 물질을 거꾸로 읽어 새로운 DNA를 합성하는, 이른바 '역전사2)' 방식을 사용한다. 더 중요한 점은, 이렇게 만들어진 DNA가 세포 안에 있는 다른 유전자들과 섞이지 않고 독립적이면서 안정적으로 존재한다는 것이다. 도면 보관함에 넣어두지 않아도 공장 바닥에서 멀쩡히 굴러다닐 수 있는 셈이다. 연구팀은 ‘레트론’ 시스템을 정교하게 설계해, 원하는 기능을 가진 DNA 조각을 세포 안에서 직접 만들어 내는 데 성공했다. 이 DNA 조각은 세포 유전정보에는 손 하나 대지 않은 채, 특정 단백질과 결합해 세포의 행동을 조종한다.
이 기술을 바탕으로 연구팀은 세 가지 기능을 구현했다. ▲단백질을 유인하는 ‘미끼’로 DNA를 활용해 특정 유전자 발현 조절, ▲특정 신호를 감지해 세포 안에서 단백질 위치·활성 순간적 제어, ▲짧은 신호도 놓치지 않고 반영구적으로 저장 등이다. 마치 명령을 받자마자 즉각 행동을 바꾸고, 단 1분 이하의 짧은 순간에 나타났다가 사라지는 신호를 놓치지 않고 반영구적으로 기록하는 ‘현장 요원’을 만든 셈이다.
연구팀의 기술이 주목받는 이유는 활용 가능성이 실험실 안에만 머무르지 않기 때문이다. 암이나 염증처럼 세포 안에서 순간적으로 나타났다가 사라지는 질병 신호를 ‘블랙박스’처럼 실시간으로 포착하고 기록할 수 있고, 이 신호가 감지될 때 자동으로 치료 물질을 방출하는 '스마트 치료 시스템'으로도 확장될 수 있다. 환경 분야에서는 미세플라스틱이나 중금속 같은 오염물질을 감지하는 살아있는 바이오센서로도 응용될 수 있다.
연구를 주도한 이건후 씨는 “그간 ‘유전물질’이라는 역할에 가려 다른 가능성이 충분히 탐구되지 못한 DNA의 새로운 활용 방향을 제시했다”라며 연구의 의의를 전했다. 또, 김종민 교수는 “의학, 환경, 에너지 등 다양한 분야에 전방위적으로 활용될 기반 기술을 확보했다"라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 교육부 이공학학술연구기반구축사업, 과학기술정보통신부 개인기초연구사업, 보건복지부 글로벌연구협력지원사업, 경상북도 푸드테크 지원센터 구축·운영 사업, 국립생물자원관 녹색융합기술 연구 전문인력 양성사업, BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행됐다.
논문정보
논문명 Construction of synthetic protein-binding non-genetic DNA systems in living cells (살아있는 세포 안에서 단백질과 상호작용하는 비유전성 합성 DNA 시스템 개발)
연구자 이건후(제1저자·공동교신저자, POSTECH), 김종민(공동교신저자, POSTECH)
DOI https://doi.org/10.1038/s41557-025-02049-7
단백질 결합용 비유전성 DNA의 세포 내 생산과 이를 이용한 단백질 제어 기술 모식도 [사진=POSTECH]
연구 개요
□ 연구배경 DNA, RNA, 단백질은 지구상의 모든 생명의 기반이라 할 수 있는데, 그 가장 큰 이유 중 하나는 서열에 따라 구조와 기능이 무궁무진하게 달라지는 프로그래밍 가능성(Programmability)에 있다고 할 수 있습니다. 현대 생명공학의 상당 부분 역시 DNA, RNA, 단백질의 서열을 조작하거나 새롭게 생성하여 우리가 원하는 기능을 부여하는 기술에 기반하고 있습니다. 특히 RNA와 단백질은 세포 내에서 분자 수준의 다양한 ‘일’을 실제로 수행하는 일꾼 분자들이라 할 수 있습니다. 반면 DNA는 일꾼이라고 정의하기에는 다소 무거운 시스템입니다. DNA는 기본적으로 방대한 유전정보를 암호화하는 정보 매체이기 때문에, 자신이 파괴되는 것을 감수하면서 기능을 수행하는 RNA와 단백질과는 달리 세포 안에서 안전하게 보관되어야 합니다. 즉, 세포 내에서 DNA의 가장 중요한 역할은 “유전 물질(Genetic material)”로서의 기능입니다. DNA는 세포 안에서 안정적으로 보존되다가, 복제를 통해 후속 세대로 전달되어야 합니다. 서열에 따라 구조가 크게 달라지는 RNA와 단백질과는 달리, DNA는 긴 이중가닥이라는 비교적 일관된 구조를 유지합니다. 또한 RNA와 단백질은 각각의 구성 요소들이 물리적으로 분리된 상태에서 개별적으로 기능을 수행할 수 있는 반면, DNA는 다양한 기능적 요소들이 하나의 연속된 분자로 연결되어 있다는 점에서 개별적인 ‘부품’으로 활용하기가 까다롭습니다. 그렇다면 DNA는 일꾼으로 활용될 잠재력이 없다고 봐야 할까요? 사실 DNA와 RNA는, 적어도 단백질과 비교했을 때 상당히 서로 닮아 있는 물질입니다. RNA가 세포 안에서 활발히 기능을 수행할 수 있는데 DNA는 불가능하다는 것은 납득하기 어렵습니다. 흥미롭게도 DNA는 세포를 벗어나면 RNA나 단백질 못지않게 활발한 기능성 분자로 활용됩니다. PCR과 같은 유전자 증폭 기술, DNA 나노테크놀로지, DNA 데이터 스토리지, DNA 압타머와 같은 현대 DNA 첨단 기술의 상당 부분은 세포 밖이기 때문에 가능해진 대표적인 사례입니다. DNA는 수십억 년 이상 존재해 온 분자이지만, 이러한 기술들은 인류가 세포 밖에서 DNA를 다룰 수 있게 된 이후 최근 수십 년 동안에야 개발되었습니다. 세포들이 이러한 가능성을 활발하게 활용하지 못한 이유는, 유전물질로서 DNA의 역할이 더 중요하기 때문이라고 생각할 수 있습니다. 이를 다른 말로 하면, 유전물질이 아닌 DNA를 세포 안에서도 만들고 제어할 수 있다면, 세포 밖에서 발전한 첨단 DNA 기술들이 세포 안으로 확장되어 새로운 혁신을 만들어낼 수 있을 것입니다. 합성생물학자들은 새로운 시스템을 구상할 때, 언제나 자연에서 그 실마리를 찾습니다. 생명은 DNA를 수십억 년 동안 활용해 왔는데, 인간이 고작 수십 년 동안 개발한 개념들을 정말 전혀 사용하지 않았을까요? 이 과정에서 저는 박테리아의 독특한 항-파지 시스템인 레트론(retron)에 주목하게 되었습니다. 박테리아에도 바이러스가 존재하며, 이를 박테리오파지라고 부릅니다. 비유하자면, 냉전 시대의 군비 경쟁이 과학기술 발전을 촉진했던 것처럼, 박테리아와 박테리오파지의 싸움 역시 수십억 년에 걸쳐 다양하고 기상천외한 분자적 전략들을 진화시켜 왔습니다. 오늘날 생명과학과 생명공학에 전례없는 혁신을 가져오고 있는 CRISPR 기술 역시 이 전쟁에서 유래한 것입니다. 인류는 이러한 시스템을 분석하고, 이를 유용한 생명공학 기술로 전환해 왔습니다. 레트론 역시 그 중 하나입니다. 레트론은 바로 “유전물질이 아닌 DNA 조각”을 세포 내에서 생산하는 시스템입니다. 이 DNA는 RNA나 단백질처럼 필요할 때 생성되어 특정 기능을 수행하고, 이후 분해될 수 있습니다. 즉, 유전정보를 저장하는 DNA와는 달리 개별적인 기능 수행을 목적으로 하는 “비유전성 DNA”라고 할 수 있습니다. 이 특수 목적 DNA는 우리가 일반적으로 생각하는 유전물질로서의 DNA와는 독립적으로 작동합니다. 본 연구는, 박테리아가 이미 갖추고 있는 이 레트론 시스템을 엔지니어링하여 보다 새롭고 유용한 기능을 수행하도록 할 수 있는지에 대한 질문에 대한 답입니다. □ 주요내용 합성생물학 분야에서 살아있는 세포 내에 원하는 기능을 구현하기 위해 분자 회로를 설계할 때, DNA-단백질 상호작용은 범용성이 높고 필수적인 핵심 부품으로 사용됩니다. 본 연구는 기존 세포 DNA가 유전 물질로서 지니던 제약을 극복하고 DNA-단백질 상호작용 기반 인공 시스템의 보다 자유로운 설계를 위해, 살아있는 세포 내에서 '단백질과 상호작용할 수 있는 비유전성 DNA 조각'을 생산하고 활용하는 기술을 최초로 개발했습니다. 이를 통해, 기존 유전성 DNA로는 불가능했던 구조와 기능의 DNA-단백질 상호작용 기반 합성 분자 회로들을 설계하고 구현하였습니다. 또한 본 연구는 최근 큰 주목을 받고 있는 분자 도구인 '레트론'과 '비유전성 DNA'의 새로운 활용 가능성을 제시했다는 데 의의가 있습니다. 1984년 레트론 시스템이 처음 발견된 이래, 그 응용은 주로 유전자 편집(Gene editing) 분야에만 편중되어 있었습니다. 저는 레트론이 세포 내에서 DNA를 생성하는 독창적이고 범용성 높은 시스템이라는 점에 주목하여, 이를 유전자 편집을 넘어 훨씬 다양하게 활용될 수 있는 범용 플랫폼 기술로 발전시킬 수 있다고 생각했습니다. 이러한 맥락에서 저는 레트론을 DNA-단백질 상호작용에 응용하는 시스템을 성공적으로 구현해냈습니다. 실제로 본 논문이 프리프린트(preprint)로 공개된 이후, 다른 연구진들에 의해 레트론을 이용한 DNA 압타머나 DNA 효소 등 더욱 다양한 응용이 가능함이 입증되기도 했습니다. 결론적으로 본 연구는 레트론 및 비유전성 DNA 공학이 유전자 편집 외에도 폭넓게 응용될 수 있음을 보여준 첫 사례라는 점에서 의의를 가집니다. 하지만 이러한 새로운 기술이 단순히 학술적 흥미에서 그치지 않으려면, 기존 기술로는 달성하기 어려웠던 실질적인 응용으로 이어져야 큰 가치가 있다고 할 수 있을 것입니다. 이에 본 연구에서는 크게 두 가지 응용을 구현했습니다. 첫째는 '유전자 발현 조절'입니다. 본 연구의 핵심인 DNA-단백질 상호작용을 논할 때, 가장 대표적인 DNA-결합성 단백질은 바로 전사인자(Transcription factor)입니다. 전사인자는 보통 특정한 DNA 서열과 결합함으로써 유전자 발현을 전사 수준에서 조절합니다. 따라서 우리가 인위적으로 이와 동일한 서열의 DNA를 세포 내에 도입하면, 전사인자는 원래의 목적지와 이 '미끼(Decoy)'를 구분하지 못하게 됩니다. 결과적으로 원래 목적지에 결합하는 전사인자의 수가 조절되어, 그들의 고유한 기능이 자연스럽게 제어되는 원리입니다. 직관적인 전략이나, 유전 물질로서 DNA가 가지는 특성상, 미끼 DNA의 복제수(copy number)를 자유자재로 높이거나 낮추어 전사인자의 활성을 동적으로 조절하기에 제약이 있었습니다. 하지만 본 연구에서는 비유전성 DNA는 발현 조절을 통해 인위적으로 복제수를 유연하게 늘리거나 줄여 타깃 전사인자들을 특이적으로, 그리고 동적(dynamic)으로 제어하는 데에 성공하였습니다.. 둘째는 ‘신호 감응성 단백질 제어’ 기술입니다. 이는 화학 물질, 빛, 온도 등 특정 외부 신호를 감지하여 번역 후(post-translational) 수준에서 단백질의 위치나 활성을 즉각적으로 조절하는 기술로, 화학적 유도 이합체화(Chemically induced dimerization) 기술이 대표적인 예입니다. 변화가 나타나기까지 오랜 시간이 소요되는 전사 및 번역 수준의 제어와 달리, 이 기술은 실시간으로 즉각적인 변화를 유도할 수 있다는 강력한 장점이 있습니다. 따라서 이 기술은 단백질의 시공간적 기능을 탐구하고 원하는 타이밍에 활성을 제어하거나, 외부 환경을 감지해 스스로 작동하는 스마트 분자 회로를 구축하는 등 생명과학 및 생명공학 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 하지만, 현재 생체 내에서 활용 가능한 자극(stimuli)의 종류가 적다는 한계가 존재합니다. 그렇다면 보다 다양한 신호를 감지하는 자연계의 다른 시스템을 활용할 수는 없을까요? 그 실마리는 박테리아에서 널리 발견되는 ‘유도성 전사 조절 시스템’에 있습니다. 박테리아가 온갖 척박하고 다채로운 환경에서도 거뜬히 적응해 살아남을 수 있는 핵심 기전 중 하나가 이 시스템입니다. 신호 감응성 전사인자 단백질은 특정 환경 신호를 감지하면 자신의 3차원 구조를 변형시키고, 이에 따라 특정 DNA 서열에 결합하거나 떨어지며 유전자 발현을 조절합니다. 자연계에는 실로 무수히 많은 종류의 신호를 특이적으로 감지하는 전사 조절 시스템들이 존재하며, 그 탁월한 센서 능력 덕분에 바이오센서 영역에서는 이미 활발히 응용되고 있습니다. 다만 한 가지 아쉬움은, 이 훌륭한 센서들이 세포 내에서는 오직 ‘전사’ 과정을 조절하는 데에만 묶여 있었다는 점입니다. 즉, DNA가 세포 내에서 유전자 발현을 위한 '유전 물질'로만 작용한다는 고정된 역할이 일종의 족쇄가 되어, 번역 후 단백질 제어 기술이 보여주는 ‘즉각적이고 역동적인 변화’를 이끌어내는 데에는 활용되지 못했습니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 레트론 비유전성 DNA와 전사인자를 활용한 신호 감응성 이합체화 시스템을 설계하여, 단백질의 위치와 기능을 실시간으로 제어하는 데 성공했습니다. 이를 통해 기존 번역 후 단백질 제어 기술의 즉각적인 반응성은 유지하면서, 감지할 수 있는 신호의 스펙트럼은 크게 확장한 새로운 제어 플랫폼을 구현했습니다.
□ 기대효과 본 연구는 향후 생명과학 연구부터 생명공학 기술 개발에 이르기까지 다양하게 활용될 것으로 기대되며, 직접적으로 실용화까지 염두에 둘 수 있는 방향은 크게 2가지입니다. 첫째, 전사인자 제어 치료제 개발입니다. 암이나 난치성 염증 질환의 근본 원인은 유전자 발현을 조절하는 전사인자의 이상인 경우가 많습니다. 하지만 전사인자는 세포핵 깊숙한 곳에 위치할 뿐만 아니라, 표면이 넓고 평평하여 기존 화학 약물이 맞물려 들어갈 만한 구조적 주머니가 없습니다. 이 때문에 기존 약물로는 공략하기 힘든 '난공불락(Undruggable)'의 타깃으로 여겨져 왔습니다. 전사인자 디코이(Transcription factor decoy) 기술은 전사인자가 결합하는 DNA 염기서열을 그대로 복사한 '가짜 미끼'를 투입하여 전사인자를 격리시켜 기능을 제어하는 기술입니다. 하지만 디코이 물질 자체가 짧은 DNA 조각이기에 체내에 주입되면 효소 등에 의해 빠르게 분해될 수 있어 효능의 지속성이 떨어진다는 단점이 있습니다. 본 연구에서 개발한 기술을 통해, 디코이를 유전자 형태로 전달하여, 표적 세포 스스로가 디코이를 지속적으로 생산해 내는 '내부 공장' 역할을 하게 만듦으로써 치료제의 효능과 지속성 증대를 이끌어낼 수 있을 것으로 기대됩니다. 둘째, 질병이나 환경오염을 감지하고 즉각적으로 해결하는 스마트 박테리아 개발입니다. 스마트 박테리아는 합성 유전자 회로를 이용해 질병 바이오마커나 환경오염 물질 등 다양한 신호를 감지하여, 형광신호 등으로 보고하거나, 나아가 치료제나 환경정화 물질을 생산 및 분비하여 해결까지를 목적으로 하는 대표적인 합성생물학 기술입니다. 이들은 주로 유도성 전사조절 시스템으로 신호를 감지하고, 이펙터 단백질을 발현하는 방식으로 작동합니다. 하지만 이 방식은 전사 및 번역이라는 시간과 자원이 필요한 과정을 필요로 하기 때문에, 응답 속도가 느리고, 일시적인 신호의 존재는 감지하기 어렵고, 박테리아의 증식에 유리하지 않은 다양한 실제 환경에는 적용하기 어렵다는 한계가 있습니다. 하지만 본 연구는 비유전성 DNA를 이용해 전사조절 시스템을 번역후 조절 시스템으로 엔지니어링함으로서, 해당 문제들을 극복할 수 있음을 보였습니다. 따라서 이후에는 장을 비롯한 인간의 체내에서 급성 염증 신호를 놓치지 않고 즉각적으로 치료 미션을 수행하거나, 점오염원의 일시적 오염물질 방출 등을 놓치지 않고 기록하는 모니터링 박테리아의 개발 등으로 이어질 수 있을 것으로 기대합니다.
용어 설명 1. 레트론(Retron): 박테리아 등에서 발견되는 역전사요소의 일종으로 특정 서열의 DNA-RNA 하이브리드 분자를 생산한다. 2. 역전사(Reverse transcription): RNA 유전정보가 역전사효소에 의해 DNA로 전달되는 과정이다.
출처: [BRIC Bio통신원] DNA, ‘설계도’ 벗어나 발로 뛰는 ‘현장 요원’ 되다 | 
