자체 인코딩된 멤브레인 기능화의 개략도. 1 : α-헤몰리진은 인공 세포 내에서 단량체로 발현됩니다. 2: 올리고머화 및 멤브레인 삽입은 펩타이드를 외막으로 전위시킬 수 있습니다. 3: 형광 항체(보라색)는 외막에 펩타이드와 결합할 수 있습니다. αHL(녹색)은 내막에 결합되어 있습니다.
사진 저작자: Neal K. Devaraj
네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)의 새로운 연구에서 과학자들은 인공 세포가 복잡한 변형 과정 없이 외부 환경과 상호 작용할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다.
이 방법은 조직 공학, 약물 전달 및 세포 공정의 새로운 지평을 열 수 있습니다.
생물학적 세포는 인지질로 만들어진 막으로 보호되며, 이 막은 외부 환경과의 상호 작용을 조절합니다. 인공 세포에서 이를 재현하는 것은 까다로우며 멤브레인의 수동 외부 수정이 필요합니다.
이는 단백질 전좌 또는 막을 가로지르는 이동에 특히 해당됩니다. 본 연구는 인공 세포가 자신의 막을 변형하는 방법을 개발하여 이 문제를 해결합니다.
Phys.org에서 연구의 저자 중 두 명인 샌디에이고 캘리포니아 대학의 Neal K. Devaraj 교수와 Devaraj 교수의 연구실에서 일하는 대학원생 Alexander Harjung과 이야기를 나눴습니다.
이 새로운 방법을 개발하려는 팀의 동기에 대해 Devaraj 교수는 "막 단백질을 인공 시스템으로 재구성하는 것은 인공 세포 연구에서 오랫동안 지속되어 온 문제였습니다. 막 단백질은 종종 물에 녹지 않기 때문에 작업하기가 어렵습니다. 자연 세포는 이러한 단백질이 세포막에 효율적으로 삽입될 수 있도록 하는 복잡한 시스템을 가지고 있습니다."
Harjung은 "인공 세포의 경우 이러한 막 삽입 시스템을 재구성하는 것이 매우 어려울 것입니다. 이것이 인공 세포가 자신의 세포막을 기능화하는 능력을 얻을 수 있도록 훨씬 더 간단한 시스템 개발이 필요하다고 판단한 이유입니다"라고 덧붙였습니다.
이 연구를 위해 연구진은 세포막을 기능화하여 세포막을 통해 단백질이 전달될 수 있도록 하고, 나중에 조직과 같은 구조로 조립하는 것을 목표로 했습니다.
α-헤몰리진을 사용한 작업
생물학적 채널은 일반적으로 이온 채널과 수송체를 사용하여 멤브레인을 통해 물질을 교환합니다. 인공 세포에서 이러한 상호 작용은 수동으로 복제해야 합니다.
Devaraj 교수는 "연구자는 이를 달성하기 위해 막 구성을 변경할 수 있으며, 이는 자연 세포가 환경과 상호 작용하는 방식과 매우 다릅니다. 이 문제를 극복하기 위해 우리는 외막의 변형을 암호화하여 외부 환경과 상호 작용할 수 있는 방법을 개발하여 인공 세포 게놈에 주입할 수 있습니다"라고 말합니다.
이를 위해 연구진은 α-헤몰리신(hemolysin)이라는 기공 형성 단백질을 선택했습니다. 이것은 포도상구균 감염을 일으키는 박테리아인 황색포도상구균에 의해 생성되는 단백질입니다. 그것은 세포막에 구멍을 형성하기 때문에 기술적으로는 독소라고 불립니다.
"많은 연구원은 인공적인 세포와 nanopore 연속에 있는 그것의 대폭적인 사용 때문에 그것에 이미 익숙합니다. 그것은 용해성 단량체로 표현되는 독특한 능력을 가지고 있으며, 지질 이중층(세포막)과 접촉하면 자발적으로 막관통 단백질로 조립됩니다"라고 이 단백질을 선택의 뒤에 이유를 Harjung는 설명했습니다,
연구진은 α-Hemolysin을 기공 형성 단백질로 사용했을 뿐만 아니라, 인공 세포를 변형시켜 단백질을 스스로 생성하도록 했습니다. 자급자족 시스템을 갖추었기 때문에 연구원들은 매번 단백질을 추가할 필요가 없습니다.
펩타이드 삽입 및 α-헤몰리신 돌연변이 생성
α-용혈의 기능을 향상시키고 기공 형성 과정을 더 잘 제어하기 위해 연구진은 이를 수정하기로 결정했습니다.
특히, 그들의 초점은 전좌에서 역할을 하는 단백질의 일부인 단백질의 막전위 루프를 수정하는 것이었습니다.
그들은 다양한 길이와 조성의 펩타이드를 테스트했습니다. 펩타이드는 단백질의 구성 요소인 아미노산의 짧은 사슬입니다. 그들은 단백질의 다른 부분 사이의 상호 작용 또는 이동을 촉진하기 위해 다리와 같은 역할을 하는 짧은 아미노산 사슬인 유연한 링커를 사용했습니다.
이 단계는 단백질이 세포막에 박히면 펩타이드의 접근성을 향상시킵니다.
"유연한 링커는 삽입된 펩타이드가 멤브레인을 가로질러 전좌된 후 접근할 수 있도록 합니다. 링커의 길이를 변화시킴으로써 우리는 우리 시스템으로 전위될 수 있는 펩타이드 삽입물의 크기에 대해 더 많이 이해할 수 있었습니다"라고 Devaraj 교수는 설명했습니다.
연구진은 다양한 펩타이드를 테스트했습니다. 히스티딘 아미노산의 짧은 서열인 His-tag 펩타이드를 사용하여 α-헤몰리신이 세포막으로 이동하여 침투할 때 이의 움직임을 추적했습니다.
다음으로, 연구진은 두 가지 생물학적 활성 펩타이드인 소마토스타틴-14와 GLP-1을 α-헤몰리신의 삽입물로 사용하여 전위를 테스트했습니다.
연구진은 연구 결과를 검증하기 위해 펩타이드-멤브레인 상호 작용을 테스트하기 위한 GUV 결합 및 누출 분석, 단백질 구조를 테스트하기 위한 초저온 전자 현미경, 기공 형성을 평가하기 위한 지질 이중층 채널 기록, 펩타이드 전좌를 확인하기 위한 항체 인식 실험 등 여러 방법을 사용했습니다.
성공적인 단백질 전좌
변형된 α-헤몰리신은 성공적으로 세포막으로 이동하여 스스로 침투했습니다. 그 후, 펩타이드 삽입물은 멤브레인을 가로질러 성공적으로 전위될 수 있어 단백질 수송을 입증할 수 있었습니다.
최대 50개의 아미노산을 함유하는 펩타이드는 공극 형성, 막 삽입 및 단백질 기능을 방해하지 않고 α-용혈에 삽입할 수 있습니다.
연구원들은 또한 전위된 펩타이드가 멤브레인의 외부 측면에서 접근 가능한 상태로 남아 있음을 발견했습니다. 이는 조직과 같은 구조를 조립하는 데 사용할 수 있음을 시사하며, 접근성으로 인해 외부 환경에서 더 많은 상호 작용과 조직이 가능하기 때문입니다.
Harjung은 이에 대해 "이 시스템은 정전기 상호 작용을 기반으로 조직과 같은 구조를 조립할 수 있습니다. 음전하를 띤 펩타이드를 막을 가로질러 전위시키는 인공 세포의 한 집단과 양전하를 띤 펩타이드를 전위하는 또 다른 인공 세포 집단을 생성함으로써, 음전하를 띤 외막을 가진 인공 세포가 양전하를 띤 막을 가진 인공 세포에 결합하기 때문에 우리는 조직과 같은 구조를 만들 수 있습니다"라고 설명합니다.
약물 전달 및 인공 조직
연구원들은 또한 세포가 다른 세포로부터 신호를 받을 때 가시적(형광) 신호를 생성하는 세포가 서로 통신할 수 있는지 감지하는 시스템을 추가했습니다. 이는 향후 응용 분야를 위한 더 복잡하고 기능적인 인공 조직을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
인공 조직 및 잠재적인 약물 전달 시스템을 개발할 수 있는 이 새로운 방법은 세포 연구에서 중추적인 단계를 보여줍니다.
"생물학 제제의 발달로, 살아있는 세포로 생물학 거대분자의 능률적인 납품을 위한 방법은 의학에 있는 중요성이 증가하고 있습니다"라고 Devaraj 교수는 언급했습니다.
Harjung은 "막 전좌에 대한 더 나은 이해는 지질막을 가로질러 살아있는 세포로 고분자 치료제를 전달하기 위한 도구 개발로 이어질 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.
이상의 기사는 2024년 12월 2일 Phys.org에 게재된 “Scientists develop self-sustained protein transport and tissue assembly in artificial cells”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Scientists develop self-sustained protein transport and tissue assembly in artificial cells
* 추가정보 출처 : Encoding extracellular modification of artificial cell membranes using engineered self-translocating proteins | Nature Communications
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