과학자들은 박테리아에게 문어의 위장 비법을 가르칩니다.

문어, 오징어, 갑오징어 및 이들의 두족류 친척은 위장의 대가로서 피부색을 즉시 바꿔 주변 환경과 조화를 이룰 수 있습니다. 이 특별한 변화는 피부색이 변하는 데 중요한 역할을 하는 크산토마틴이라는 천연 색소에 의해 이루어집니다.

수년 동안 연구원들과 국방 기관조차도 잔토마틴의 빛에 반응하는 특성에 매료되었습니다. 그러나 실험실에서 이 색소를 복제하고 연구하는 것은 지금까지 매우 어려운 일이었습니다.

UC San Diego의 Scripps 해양학 연구소의 새로운 돌파구에서 과학자들은 대량의 잔토마틴을 생산하는 방법을 성공적으로 개발했습니다. 이는 동물이 놀라운 위장을 달성하는 방법을 해독하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다.

박테리아가 천연 색소 공장으로 변하다

연구팀은 생물학적에서 영감을 받은 접근 방식을 사용하여 박테리아 내부에서 색소를 생성할 수 있었으며 이전 방법보다 최대 1,000배 더 많은 생산 수준을 달성했습니다. 이러한 혁신은 광전자 공학, 열 코팅, 염료 및 자외선 차단 제품의 응용을 포함하여 재료 및 화장품에 지속 가능한 새로운 용도를 위한 길을 열 수 있습니다.

이번 연구의 수석저자이자 Scripps Oceanography와 UC San Diego Skaggs 약학 및 약학대학에 임명된 해양화학자인 Bradley Moore는 “우리는 처음으로 박테리아에서 물질(이 경우 크산토마틴)을 만드는 능력을 가속화하는 새로운 기술을 개발했습니다.”라고 말했습니다. “이 천연 색소는 문어나 오징어에게 위장 능력을 부여하는 환상적인 초능력입니다. 이 물질의 생산을 앞당긴 우리의 성과는 빙산의 일각에 불과합니다.”

오늘(11월 3일)에 게재되었습니다. 자연생명공학이 연구는 국립 보건원, 해군 연구실, 스위스 국립 과학 재단 및 Novo Nordisk 재단의 지원을 받았습니다.

연구원들에 따르면, 이번 성과는 동물 착색의 생물학적, 화학적 기초에 대한 이해를 심화시킬 뿐만 아니라 강력한 새로운 생명공학을 강조합니다. 동일한 기술을 사용하여 다른 귀중한 화합물을 생성할 수 있으며, 이는 산업이 석유 기반 제품에서 보다 지속 가능하고 자연에서 영감을 받은 재료로 전환하는 데 도움이 됩니다.

유망한 안료

두족류 외에도 크산토마틴은 절지동물 그룹 내의 곤충에서도 발견되며 제왕나비 날개의 밝은 주황색과 노란색 색조, 잠자리 몸체와 파리 눈에서 볼 수 있는 밝은 빨간색에 기여합니다.

잔토마틴의 환상적인 색상 특성에도 불구하고 지속적인 공급 문제로 인해 이해가 잘 되지 않습니다. 동물로부터 색소를 수확하는 것은 확장 가능하거나 효율적이지 않으며, 전통적인 실험실 방법은 노동 집약적이며 생산량이 낮은 화학적 합성에 의존합니다.

Scripps Oceanography의 Moore Lab 연구원들은 UC San Diego 전역의 동료들과 덴마크의 Novo Nordisk 재단 생물 지속 가능성 센터와 협력하여 “성장 결합 생합성”이라고 부르는 일종의 성장 피드백 루프인 솔루션을 설계하면서 이러한 상황을 바꾸려고 했습니다.

그들이 박테리아에서 화학물질인 문어 색소를 생명공학적으로 조작한 방식은 전형적인 생명공학적 접근 방식에서 새로운 출발을 나타냅니다. 그들의 접근 방식은 색소 생산과 색소를 만든 박테리아의 생존을 밀접하게 연결했습니다.

“우리는 이 문제를 해결하기 위해 완전히 새로운 접근 방식이 필요했습니다.”라고 이번 연구의 주요 저자이자 현재 스탠포드 대학교의 교수이자 이전에 스크립스 해양학의 무어 연구소에서 박사후 연구원으로 근무했던 레아 부신(Leah Bushin)은 말했습니다. “본질적으로 우리는 박테리아를 속여 우리가 필요한 물질을 더 많이 만들 수 있는 방법을 찾아냈습니다.”

일반적으로 연구자들이 미생물에서 외부 화합물을 생산하려고 하면 대사에 큰 부담이 발생합니다. 상당한 유전자 조작이 없으면 미생물은 필수 자원을 유용하여 익숙하지 않은 것을 생산하는 것을 거부합니다.

세포의 생존을 목표 화합물의 생산과 연결함으로써 팀은 미생물을 속여 크산토마틴을 생성할 수 있었습니다. 이를 위해 그들은 포름산이라는 두 번째 화학물질과 함께 원하는 색소를 모두 생산해야만 생존할 수 있는 유전자 조작된 “병든” 세포로 시작했습니다. 생성된 모든 색소 분자에 대해 세포는 또한 한 분자의 포름산을 생성했습니다. 포름산은 세포 성장을 위한 연료를 제공하여 색소 생산을 촉진하는 자립 루프를 생성합니다.

“우리는 관심 화합물을 만드는 이 경로를 통한 활동이 생명에 절대적으로 필수적이도록 만들었습니다. 유기체가 크산토마틴을 만들지 않으면 성장하지 않을 것입니다.”라고 Bushin은 말했습니다.

박테리아가 더 많은 색소를 만들도록 하기 위해 연구자들은 로봇 공학과 자동화에 눈을 돌렸습니다. 그들은 로봇 시스템을 사용하여 세포가 점차적으로 성능을 향상시킬 수 있도록 고안된 프로세스인 높은 처리량 적응형 실험실 진화의 두 라운드를 통해 미생물을 안내했습니다. 이 고급 방법은 UC 샌디에고 제이콥스 공과대학의 Shu Chien-Gene Lay 생명공학과 교수이자 Novo Nordisk 재단 생물지속가능성 센터의 선임 과학자인 연구 공동저자 Adam Feist의 연구실에 의해 개발되었습니다.

연구원들은 또한 Feist Lab의 전문 생물정보학 소프트웨어를 사용하여 미생물의 생산성을 높이는 유전적 변화를 찾아냈습니다. 이러한 주요 돌연변이를 통해 조작된 박테리아는 단일 영양원만을 사용하여 색소를 효율적으로 생산할 수 있었습니다.

Feist는 “이 프로젝트는 생물학이 첨단 자동화, 데이터 통합 ​​및 컴퓨터 기반 설계를 통해 귀중한 화합물과 재료의 지속 가능한 생산을 가능하게 하는 미래를 엿볼 수 있게 해줍니다.”라고 말했습니다. “여기서 우리는 가장 진보된 변형 엔지니어링 기술을 사용하여 엔지니어, 생물학자 및 화학자를 모아 상대적으로 짧은 시간에 새로운 제품을 개발하고 최적화함으로써 바이오제조 분야의 혁신을 가속화할 수 있는 방법을 보여줍니다.”

전통적인 접근 방식은 “운이 좋다면” 리터당 약 5mg의 색소를 생산하는 반면, 새로운 방법은 리터당 1~3g을 생산한다고 Bushin은 말했습니다.

계획 단계부터 실험실의 실제 실험까지 수년간의 헌신적인 작업이 필요했지만, 일단 계획이 실행되면 결과는 거의 즉각적으로 나타났습니다.

Bushin은 첫 번째 성공적인 실험을 회상하면서 “연구실에서 가장 좋은 날 중 하나였습니다.”라고 회상했습니다. “저는 실험을 준비하고 밤새도록 두었습니다. 다음날 아침에 와서 효과가 있다는 것을 깨달았습니다. 그리고 색소가 많이 생성되고 있어서 정말 기뻤어요. 그런 순간들이 내가 과학을 하는 이유다.”

다음 단계

무어는 자연에서 영감을 받아 비침습적인 이 새로운 생명공학 방법론이 생화학물질 생산 방식을 변화시킬 것으로 기대하고 있습니다.

“우리는 세포를 설계하는 방법에 대해 사람들이 생각하는 방식을 완전히 파괴했습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리의 혁신적인 기술 접근 ​​방식은 생산 능력의 큰 도약을 촉발시켰습니다. 이 새로운 방법은 공급 문제를 해결하고 이제 이 생체 재료를 훨씬 더 광범위하게 사용할 수 있게 만들 수 있습니다.”

이 물질에 대한 일부 응용 분야는 아직 멀었지만 저자는 미국 국방부와 화장품 회사의 적극적인 관심을 언급했습니다. 연구원에 따르면, 공동 연구자들은 이 물질의 천연 위장 기능을 탐구하는 데 관심이 있고, 스킨케어 회사는 이 물질을 천연 자외선 차단제에 사용하는 데 관심이 있습니다. 다른 산업에서는 색상이 변하는 가정용 페인트부터 환경 센서에 이르기까지 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.

무어는 “미래를 내다보면 인류는 지구상 80억 인구의 합성 생활 방식을 지원하기 위해 재료를 만드는 방법을 다시 생각하게 될 것”이라고 말했습니다. “연방 자금 덕분에 우리는 사람과 지구에 더 나은 자연에서 영감을 얻은 재료를 설계하기 위한 유망한 새로운 경로를 열었습니다.”

추가 연구 저자는 Novo Nordisk 재단 생물지속가능성 센터의 Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené 및 Pablo Nikel입니다. UC San Diego Shu Chien-Gene Lay 생명공학과의 Elina Olson; UC San Diego의 Scripps 해양학 연구소의 Lara Dürr와 Mariah Avila; Northeastern University의 김태환과 레일라 데라비(Leila Deravi).