2016년 3월 과학자들은 새로운 합성 단세포 유기체를 만들었다. 단지 473개의 유전자를 가진 이것은 최초의 "최소한"합성 박테리아 세포이자 지금까지 알려진 가장 단순한 살아있는 세포가 되었다. 비교를 위해 인간 세포에는 20,000개 이상의 유전자가 있다.

그러나 의심할 여지없이 획기적인 과학적 돌파구인 이 박테리아와 유사한 유기체는 성장하고 분열할 때 이상하게 행동하여 매우 다른 모양과 크기의 세포를 생성한다.

이제 과학자들은 세포가 더 잘 조직되고 깔끔하게 균일한 구체로 분할되도록 추가할 수 있는 7개의 유전자를 확인했다. 이 새로운 발견은 JCVI (J. Craig Venter Institute), NIST (National Institute of Standards and Technology) 및 MIT (Massachusetts Institute of Technology) Center for Bits and Atoms 간의 협력 결과이다. 연구원들은 그들의 연구를 Cell 저널에 기술했다.

이러한 유전자를 확인하는 것은 유용한 일을 하는 합성 세포를 조작하는 중요한 단계이다. 이러한 세포는 약물, 식품 및 연료를 생산하는 작은 공장으로 작동할 수 있다. 체내에서 살면서 질병을 감지하고 치료할 약물을 생산한다. 또는 심지어 작은 컴퓨터로 작동한다.

원하는 작업을 정확히 수행하는 셀을 설계하고 구축하려면 필수 부품 목록을 갖고 이들이 어떻게 결합되는지 아는 것이 도움이 된다.

NIST의 Cellular Engineering Group의 공동 저자이자 리더인 Elizabeth Strychalski는 "우리는 삶의 기본 설계 규칙을 이해하고 싶다."고 말했다. "이 세포가 우리가 그 규칙을 발견하고 이해하는 데 도움이 된다면, 우리는 경주에 나설 것이다."

JCVI의 과학자들은 2010년에 합성 게놈을 가진 최초의 세포를 만들었다. 그들은 마이코 플라스마라고하는 아주 단순한 유형의 박테리아로부터 시작하여 그 세포의 DNA를 파괴했다. 컴퓨터에서 디자인하고 실험실에서 합성한 DNA로 대체하기 전에 이것은 완전히 합성된 게놈을 가진 지구상의 생명체 역사상 최초의 유기체가 되었으며 JCVI-syn1.0으로 명명되었다.

그 이후로 과학자들은 그 유기체를 최소한의 유전적 성분으로 제거하기 위해 노력해 왔다. 그들이 5년 전에 만든 매우 단순한 셀 (JCVI-syn3.0이라고 함)은 아마도 너무 미니멀 했을 것이다. 최근 연구에서 연구원들은 정상적인 세포 분열에 필요한 7개 유전자를 포함하여 이 세포에 19개의 유전자를 다시 추가했다. JCVI-syn3A로 알려진 이 변종은 현재 492개의 유전자를 가지고 있다. 이 숫자를 살펴보면 장에 서식하는 E. coli 박테리아에는 약 4,000개의 유전자가 있다.

이 7개의 추가 유전자를 확인하는 데는 JCVI의 합성 생물학 그룹이 수년 동안 고된 노력을 기울였다. 연구팀은 체계적으로 유전자를 추가하고 제거하여 수십 개의 변종 균주를 구축한 다음 이러한 유전적 변화가 세포 성장과 분열에 어떤 영향을 미치는지 관찰했다.

살아있는 세포는 너무 작고 섬세하기 때문에 장기간 이미지화 하기가 어렵다. 이 세포들을 살아 있고 제자리에 유지하기 위해 과학자들은 일종의 소형 수족관인 미세 유체 항암제를 설계했다. 여기에서 세포는 광학 현미경으로 먹이를 주고 행복하게 유지할 수 있다.

미세 유체 항암제에서 합성 유기체 JCVI-syn3A의 시간 경과

아래 비디오에서는 세 가지 합성 유기체를 모두 비교한다. 원래 JCVI-syn1.0 (2010년 생성)이 먼저 표시된다. 다음은 최소 버전 JCVI-syn3.0 (2016년 생성)이다. 마지막으로 19개의 추가 유전자가 있는 새 버전 JCVI-syn3A가 마지막에 표시된다.

보시다시피 2016의 최소 버전 3.0은 다양한 모양과 크기로 나뉜다. 일부 세포는 필라멘트를 형성한다. 다른 것들은 완전히 분리되지 않고 끈에 구슬처럼 정렬되지 않은 것처럼 보인다. 다양성에도 불구하고 이 모든 세포는 유 전적으로 동일하다. 그러나 새 버전 3A는보다 균일 한 모양과 크기의 셀로 명확하게 분할된다. 야생형과 JCVI-syn1.0처럼 보이고 나뉜다.

Strychalski 박사는 "원하는 표현형을 얻기 위해 전체 게놈을 설계하는 것은 합성 생물학에서 큰 도전입니다."라고 말했다. "그러나 게놈을 합성하고 수정하는 우리의 능력은 대규모 게놈 설계를 위해 유전자형에서 표현형을 예측하는 능력을 빠르게 앞지르고 있다. 우리의 연구는 역 유전학을 사용하여 세포 크기를 제어하는 기본 세포 과정에 관여하는 알려지지 않은 유전자의 기능을 이해한다. 우리가 그 기능과 짝을 이룰 수 있는 모든 유전자는 세포 공학용 게놈 설계 목표를 실현하는 데 더 가까워진다."

JCVI-syn3.0 및 JCVI-syn3A는 이제 현대 세포 분열 및 세포 크기가 어떻게 진화했는지 조사하기위한 강력한 플랫폼을 제공한다. 최소 세포와 새로운 합성 세포 모두 전 세계 40개 이상의 실험실에서 연구에 사용하기 위해 배포되었다. 여기에는 적응된 실험실 진화 실험과 막 구성 작업, 전체 세포 계산 모델링이 포함된다. 또한, 세포는 이미 상업적 응용을 위해 탐구 되고 있다.