바이오인

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 19-29
DNA의 새로운 활용 : 생명정보 및 디지털 정보의 기록 및 저장매체

◇ 지구 상 모든 생명체의 유전정보를 저장하고 다음 세대에 전달하는 DNA가 읽는(Reading) 시대에서 쓰는(Writing) 시대로 빠르게 전환. 분석비용이 대폭 절감된 DNA 시퀀싱기술과 합성기술의 발전, 유전자 편집기술의 진전 등에 힙입어 DNA는 살아있는 세포 내에서 생물정보 및 인공정보를 기록하고 저장할 수 있는 역동적인 기록 매체로서의 활용 가능성을 주목. 또한 DNA를 디지털 데이터의 저장매체로서 개발하는 연구도 활발

▸주요 출처 : Nature, How DNA could store all the world’s data, 2016.8.31.; Science, Emerging applications for DNA writers and molecular recorders, 2018.8.31.

■ 지난해 Science地는 스페셜 이슈로 살아있는 세포를 동적인 기록매체로 활용하는 ‘DNA 기록 및 분자 레코딩 기술’ 개발 동향을 소개(2018.8)

 ○ 유전체를 구성하는 DNA는 보편성, 내구성 그리고 생물학적 기능성과 함께 최근 저렴한 비용으로 대량의 유전자서열을 분석할 수 있게 됨에 따라 생물정보의 저장을 위한 이상적인 인공매체로 부상
  - 유전체편집기술의 등장으로 유전정보를 역동적으로 수정하고, 살아있는 세포 안에서 생명정보의 저장 및 가공이 가능
  - 이러한 역동적인 생체 내 DNA 기록기술(in vivo DNA-writing technology)은 분자레코더와 바이오센서에 활용되어 살아있는 세포 내에서 유전적 기억 장치와 컴퓨터 연산작업 설계 및 세포가 분화하고 발달하는 과정을 추적하는 등 생물학 연구와 엔지니어링을 위한 새로운 길을 개척
    ※ 하버드대 데이비드 리우 교수 연구팀은 CRISPR를 이용한 세포 기록기(Cellular recorder)를 개발하여 세포 내에서 일어나는 모든 생명사건을 기록(Science, 2018.2). 빛・항생제・바이러스 감염에의 노출이나 내적 분자현상을 기록할 수 있음을 증명

 (1) DNA 기록기술(DNA writers)

 ○ DNA 기록기술은 살아있는 세포 내의 DNA를 표적으로 역동적·반복적으로 변형시킬 수 있는 유전적 암호화 도구로,
  - 표적부위에 대한 삽입, 결실, 역위 또는 염기 치환형 돌연변이의 형태를 취할 수 있으며 각기 특정한 DNA 메모리 상태를 표시하는데 활용  
  - DNA 기록기는 돌연변이 결과를 기준으로 정밀기록기(Precise writer)와 비정밀기록기(Pseudorandom writer)로 분류
  - 두 가지 유형의 DNA 기록기들은 서로 다른 수준의 암호화 용량과 메모리 상태 및 작동에 대한 조절능력을 가지고 있기 때문에 활용 목적에 따라 다르게 활용 가능
    ※ 정밀기록기는 사전에 이미 결정되어 있는 돌연변이 결과를 생성하기 때문에 결과적으로 세포들 사이에서 메모리의 변화를 매우 정교하게 변화시킬 수 있음. 비정밀기록기는  표적 부위에서 무작위적인 돌연변이 결과를 생성하기 때문에 결과적으로 세포군집에서 예측 불가능한 특징을 지닌 복수의 돌연변이가 생성됨

 ○ 정밀 DNA 기록기(Precise writer) : 지금까지 세 종류의 정밀 DNA 기록기가 개발되었고, 이들은 서로 다른 효율을 갖고 있기 때문에 다른 형태로 활용
  - 첫째는 재조합 효소로, 특정 유전자 서열부위를 인식하여 그 안에 위치한 DNA 부위를 없애거나 방향을 바꿈. 매우 효율이 높기 때문에 디지털 레코딩이나 디지털 연산에 사용되는 다층 합성유전자회로 구축에 사용
  - 두 번째는 역전사효소와 재조합을 결합한 DNA 기록방식으로, 중간 정도의 효율을 갖고 있기 때문에 특정 신호의 강도나 지속시간 등을 세포군집에 기록하여 그 정보를 얻는데 이용. 표적 부위에서의 근거리인자(cis-encoded element)를 필요로 하지 않기 때문에 진화공학적 활용에 적합
  - 세 번째 기술은 Base editing이라 불리는 염기교정기술로, 핵산 절단 활성이 제거된 dCas9에 염기변환 단백질을 달아서 특정 부위의 유전자 서열을 변화(G-C를 A-T로 A-T를 G-C로 전환) 시킬 수 있어 돌연변이의 범위와 활용성이 확장
    ※ Base editing은 CRISPR-Cas9에 기반을 두기 때문에 다른 정밀기록기들과 비교해 확장성이 뛰어나며, 또한 유전자 발현의 저해 또는 촉진기술과 접목하여 복잡한 형태의 분자기록이 가능

 < 정밀 DNA 기록기술의 모식도 >

 (A) 서열 특이적 재조합 단백질(S0에서 S1으로 전이), (B) 역전사 및 재조합을 활용한 recombineering 기술,    (C) Base editing 기술,  (D) 디지털/아날로그 기록의 비교

출처 : Science, Emerging applications for DNA writers and molecular recorders, 2018.8.31.

 ○ 비정밀 DNA 기록기(Pseudorandom writer) : 지금까지 두 종류가 개발
  - 첫 번째 유형은 CRISPR-Cas9과 같은 위치 특이적 핵산 분해효소를 이용하여 DNA를 자른 후 non-homologous end–joining(NHEJ) 경로에 의해 무작위적 서열이 생기게 하는 방식
  - 이 과정에서 개별 세포들은 표적 부위에서 무작위적 돌연변이가 발생하게 되는데, 이를 바코드로 활용하여 제브라피시를 비롯한 소형동물과 세포 배양에서의 세포계통 추적을 수행
    ※ 하지만 이 방식은 근본적으로 DNA 이중나선 절단과 NHEJ에 의존하고 있어 NHEJ 경로가 발달되지 못한 원핵생물 등에서는 적용이 어려우며, NHEJ 후 삽입 (insertion) 보다는 결실(deletion)이 주로 일어나기 때문에 시간이 지남에 따라 기록이 불가능해진다는 단점이 존재
    ※ 또한 발생하는 형태 또한 무작위적이고 결실이 일어나는 방식이어서 기록된 곳이 이후의 기록에 의해 지워지는 현상도 발생할 수 있고 계속되는 서열변화에 의해 염색체 수준의 변화나 세포 독성이 야기될 수 있음
  - 따라서 고등동물에서의 계통 추적을 위해서는 효율의 향상, 기록 횟수의 증가, 독성감소, 결실이 일어나지 않는 형태의 기록 등을 보장하는 기술개발이 필요하며, base editing 기술이 이러한 문제들을 해결하는데 중요한 대안이 될 것으로 예상
  - 두 번째 기술은 CRISPR 박테리아의 면역시스템에서 spacer 획득을 매개하는 Cas1과 Cas2 단백질을 기반으로 구축
    ※ Shipman 등은 Cas1-Cas2 유전자를 신호에 따라 조절되는 프로모터 아래 두고  외래 올리고뉴클레오티드를 대장균의 군락에 도입함으로서 신호의 세기와 순서를 추정할 수 있음을 규명. 후속 연구에서는 작은 사진이나 영화와 같은 인공적인 디지털정보가 올리고뉴클레오티드 풀의 일부로 암호화될 수 있으며 또 세포집락에 분산된 유전체 DNA에 기록될 수 있음을 증명
    ※ Sheth 등은 이러한 결과를 바탕으로 외래 뉴클레오티드를 제공하는 대신 양 조절이 가능한 플라스미드를 주형으로 사용하여 다양한 신호와 계통 정보를 시간 순서대로 기록
  - Cas1-Cas2 기록시스템은 시간 및 순서를 정확하게 기록하고 기록의 횟수도 증가시킬 수 있는 장점이 있는 반면에 박테리아에 제한적이라는 단점이 존재. 하지만 이러한 방식이 진핵생물에도 적용될 수 있다면 매우 획기적인 툴로 활용 가능할 것으로 예상