【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=세포 내부에서 단백질을 생산하는 역할을 담당하던 리보솜이 이제는 유전자 발현을 제어하는 ‘스위치’ 기능까지 수행하는 새로운 기술이 개발됐다. 이를 통해 세포가 다양한 신호를 스스로 분석하고 판단하는 고도화된 유전자 회로 구현이 가능해질 전망이다.
 ▲ RATEX 플랫픔의 신호 처리 능력 및 이를 기반으로 설계된 유전자 회로를 활용한 세포 프로그래밍 모식도 © 포스텍 |
POSTECH(포항공과대학교) 생명과학과 김종민 교수 연구팀은 세포 내에서 복수의 신호를 동시에 처리할 수 있는 RNA 기반 유전자 회로 플랫폼 ‘RATEX’를 개발했다고 밝혔다. 연구에는 강한솔 박사와 통합과정의 고현섭·김채리 연구원이 참여했으며, 연구 성과는 국제 학술지 Angewandte Chemie에 게재됐다.
생명체의 유전자 발현은 DNA 정보를 RNA로 옮기는 전사 과정과 RNA를 바탕으로 단백질을 합성하는 번역 과정으로 이뤄진다. 기존 RNA 기반 유전자 회로는 주로 번역 단계에서 신호를 인식하고 처리하는 방식에 집중돼 있어 복잡한 정보 연산에는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 단백질 생산 장치인 리보솜에 주목했다. 특정 조건에서 리보솜이 유전자 상의 지정된 위치에서 멈추도록 설계해, 이 과정 자체를 유전자 발현 여부를 결정하는 신호로 활용한 것이다.
연구진은 이를 ‘번역-전사 전환(TTC)’ 기술로 명명했다. 번역 과정에서 수행된 정보 처리를 곧바로 전사 조절 단계와 연결함으로써 기존 유전자 회로보다 복잡한 연산이 가능한 새로운 플랫폼을 구현했다.
특히 이번 기술은 기존에 개발된 RNA 논리 스위치들을 조합해 보다 확장성 높은 유전자 회로를 설계할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.
실험 결과 연구팀은 최대 1,492배 수준의 유전자 발현 조절 성능을 확인했으며, 최대 6개의 RNA 신호를 동시에 분석하는 다중 논리 회로 구현에도 성공했다.
또한 RNA 신호뿐 아니라 아미노산과 비타민 등 다양한 대사물질을 함께 인식하는 하이브리드 논리 게이트도 개발했다. 이를 통해 세포가 서로 다른 종류의 정보를 통합적으로 처리할 수 있는 가능성을 제시했다.
연구팀은 나아가 해당 기술을 CRISPR 유전자 제어 시스템과 결합해 특정 조건이 충족될 때만 세포 형태를 변화시키거나 세포 내부 구조를 재배치하는 데도 성공했다. 이는 세포를 원하는 기능에 맞게 정밀하게 프로그래밍할 수 있음을 보여주는 사례로 평가된다.
연구진은 이번 성과가 향후 바이오의약품과 환경 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 암세포에서만 나타나는 신호를 감지해 치료 물질을 생성하는 차세대 스마트 치료제나 특정 오염물질에만 반응하는 바이오센서 개발 등에 적용 가능성이 있다는 설명이다.
김종민 교수는 “이번 연구의 핵심은 번역 단계에서 이뤄지는 정보 처리 과정을 전사 제어와 직접 연결한 데 있다”며 “RNA와 대사물질 등 서로 다른 신호를 하나의 RNA 설계 안에서 통합적으로 처리할 수 있는 새로운 유전자 회로 설계 전략을 제시했다”고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기본연구사업을 비롯해 POSTECH 기초과학연구원 지원사업, 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비센터, 경북테크노파크 푸드테크 연구개발거점센터 사업, 농림축산식품부 고부가가치식품기술개발사업, 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 교육부 한국연구재단 기초연구사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Develops RNA Gene Circuits for Self-Decision-Making by Cells… “One Step Closer to Realizing Living Computers”
A new technology has been developed in which ribosomes, which are responsible for producing proteins within cells, now also perform the function of a “switch” controlling gene expression. This is expected to enable the implementation of advanced gene circuits where cells can independently analyze and interpret various signals.
A research team led by Professor Jong-Min Kim of the Department of Biological Sciences at POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced the development of “RATEX,” an RNA-based gene circuit platform capable of simultaneously processing multiple signals within a cell. The research involved Dr. Kang Han-sol and integrated graduate researchers Hyun-Seop Ko and Chae-Ri Kim, and the findings were published in the international academic journal Angewandte Chemie.
Gene expression in living organisms consists of the transcription process, which transfers DNA information to RNA, and the translation process, which synthesizes proteins based on RNA. Existing RNA-based gene circuits have primarily focused on recognizing and processing signals during the translation stage, which has limited capabilities for complex information processing.
To address this issue, the research team focused on ribosomes, the devices responsible for protein production. The researchers designed ribosomes to stop at designated locations on genes under specific conditions, utilizing this process itself as a signal to determine whether or not to express the gene.
The research team named this technology "Translation-Transcriptional Switching (TTC)." By directly linking the information processing performed during translation to the transcriptional regulation stage, they implemented a new platform capable of performing more complex computations than existing gene circuits.
In particular, this technology is attracting attention for its ability to design more scalable gene circuits by combining previously developed RNA logic switches.
Experimental results confirmed a gene expression regulation performance up to 1,492 times higher, and the team also succeeded in implementing a multi-logic circuit capable of simultaneously analyzing up to six RNA signals.
Furthermore, they developed a hybrid logic gate that recognizes not only RNA signals but also various metabolites such as amino acids and vitamins. This suggests the possibility for cells to process different types of information in an integrated manner.
Moreover, the research team combined this technology with a CRISPR gene control system to successfully alter cell shape or rearrange internal cellular structures only when specific conditions were met. This is considered a case demonstrating that cells can be precisely programmed to suit desired functions.
The research team anticipates that this achievement will be widely utilized in the fields of biopharmaceuticals and environmental science in the future. They explain that there is potential for application in the development of next-generation smart therapeutics that generate therapeutic substances by detecting signals found only in cancer cells, or biosensors that react only to specific pollutants.
Professor Jong-Min Kim stated, "The core of this research lies in directly linking the information processing that occurs during the translation stage with transcriptional control," adding, "We have presented a new gene circuit design strategy capable of integrally processing different signals, such as RNA and metabolites, within a single RNA design."
Meanwhile, this research was conducted with support from the Basic Research Program of the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, as well as the POSTECH Institute for Basic Science Support Program, the National Research Facilities and Equipment Center of the Korea Basic Science Institute, the Food Tech R&D Hub Center of Gyeongbuk Technopark, the High Value-Added Food Technology Development Program of the Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, the Health and Medical Technology R&D Program of the Ministry of Health and Welfare, and the Basic Research Program of the National Research Foundation of Korea under the Ministry of Education.
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