슈투트가르트 대학의 과학자들은 "DNA 오리가미"의 도움으로 생물학적 막의 구조와 기능을 제어하는 ​​데 성공했다. 그들이 개발한 시스템은 대량의 치료적 부하를 세포로 운반하는 것을 쉽게 할 수 있다. 이것은 약물과 다른 치료적 개입의 표적 투여를 위한 새로운 길을 열어준다. 따라서 매우 귀중한 도구가 합성 생물학의 도구 상자에 추가될 수 있다. 로라 나 류 교수와 그녀의 팀은 저널 네이처 매터리알(Nature Materials)에 연구 결과를 발표했다.

세포의 모양과 형태는 생물학적 기능에서 중요한 역할을 합니다. 이는 현대의 디자인 및 건축 분야에서 흔히 볼 수 있는 "형태는 기능을 따른다."라는 원칙에 해당한다. 이 원칙을 인공 세포로 전환하는 것은 합성 생물학에서 어려운 문제다. DNA 나노기술의 발전은 이제 유망한 해법을 제공한다. 이를 통해 세포막을 가로질러 치료용 단백질을 통과시키기에 충분히 큰 새로운 수송 채널을 만들 수 있다. 이 새로운 분야에서 슈투트가르트 대학교 제 2물리학 연구소 소장이자 막스 플랑크 고체연구소(MPI-FKF) 펠로우인 라우라 나 류 교수와 같은 과학자들은 합성 세포에서 지질막의 모양과 투과성을 제어하는 ​​혁신적인 도구를 개발했다. 이러한 막은 수용성 구획을 둘러싸고 생물학적 막의 단순화된 모델 역할을 하는 지질 이중층으로 구성되어 있습니다. 이는 막 역학, 단백질 상호 작용 및 지질 거동을 연구하는 데 유용하다.

DNA 나노기술 응용의 이정표
이 새로운 도구는 기능적 합성 세포의 생성을 위한 길을 열 수 있다. 라우나 교수의 과학적 연구는 새로운 치료법의 연구 및 개발에 상당한 영향을 미치는 것을 목표로 한다. 그녀의 팀은 신호 의존적 DNA 나노로봇을 사용하여 합성 세포와 프로그래밍 할 수 있으며 상호 작용을 가능하게 만드는 데 성공했다. "이 연구는 세포 행동을 조절하기 위한 DNA 나노기술의 응용 분야에서 이정표입니다."라고 연구진은 말한다. 이 팀은 살아있는 세포를 모방하는 간단한 세포 크기의 구조인 거대 단일막 소포(GUV)를 사용한다. 연구자들은 DNA 나노로봇을 사용하여 이러한 합성 세포의 모양과 기능에 영향을 미칠 수 있었다.

단백질 및 효소를 위한 새로운 수송 채널
DNA 나노기술은 라우나 교수의 주요 연구 분야 중 하나다. 그녀는 DNA 오리가미 구조, 즉 특별히 설계된 짧은 DNA 시퀀스, 소위 스테이플을 통해 접힌 DNA 가닥의 전문가다. 라우나 팀은 DNA 오리가미 구조를 가역적으로 모양을 바꿀 수 있고, 마이크로미터 범위에서 주변 환경에 영향을 미칠 수 있는 재구성 가능한 나노로봇으로 사용했다. 연구원들은 이러한 DNA 나노로봇의 변형이 GUV의 변형과 모델 GUV 멤브레인에서 합성 채널의 형성과 결합할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 채널은 큰 분자가 멤브레인을 통과할 수 있게 했고, 필요한 경우 다시 밀봉할 수 있다.

생물학적 환경을 위한 완전 인공 DNA 구조
"이것은 우리가 DNA 나노로봇을 사용하여 GUV의 모양과 구성을 설계하여 막에서 수송 채널을 형성할 수 있다는 것을 의미합니다. GUV의 DNA 나노로봇의 기능적 메커니즘이 살아있는 세포에서 직접적인 생물학적 동등물이 없다는 것은 매우 흥미로운 일입니다."" 이 연구의 공동 저자인 스테판 누스버거 교수가 말했다.

새로운 연구는 새로운 의문을 제기한다. DNA 나노로봇과 같은 합성 플랫폼을 생물학적 대응물보다 덜 복잡하게 설계하여 생물학적 환경에서 기능할 수 있을까?

질병 메커니즘 이해 및 치료법 개선
새로운 연구는 이 방향으로 나아가는 중요한 단계이다. DNA 나노로봇이 만든 교차막 채널 시스템은 특정 분자와 물질을 세포로 효율적으로 통과시킨다. 가장 중요한 점은 이러한 채널이 크고 필요할 때 닫히도록 프로그래밍할 수 있다는 것이다. 이 시스템을 살아있는 세포에 적용하면 치료용 단백질이나 효소를 세포 내 표적까지 운반하는 데 도움이 될 수 있다. 따라서 약물 투여 및 기타 치료적 개입에 대한 새로운 가능성을 제공한다. 이 연구의 공동 저자 중 한 명인 하오 얀 교수는 "우리의 접근 방식은 살아있는 세포의 행동을 모방하는 새로운 가능성을 열어줍니다. 이러한 진전은 미래의 치료 전략에 중요할 수 있습니다."라고 말했다.

참조:
Sisi Fan, Shuo Wang, Longjiang Ding, Thomas Speck, Hao Yan, Stephan Nussberger, Na Li. Morphology remodelling and membrane channel formation in synthetic cells via reconfigurable DNA nanorafts. Nature Materials, 2025 DOI: 10.1038/s41563-024-02075-9