레스터 대학의 과학자들은 DNA가 원자 수준에서 압축이 풀리는 과정을 보여주는 최초의 자세한 "분자 영화"를 촬영했다. 이를 통해 세포가 유전 물질을 복제하는 중요한 과정을 어떻게 시작하는지 알 수 있었다. 네이처(Nature) 저널에 발표된 이 획기적인 발견은 광범위한 영향을 미쳐 특정 바이러스와 암이 어떻게 복제되는지 이해하는 데 도움 받을 수 있다.

과학자들은 최첨단 극저온 전자 현미경을 사용하여 DNA를 푸는 과정에서 헬리케이스 효소(자연의 DNA 압축 해제 기계)를 시각화할 수 있었다. DNA 헬리케이스는 DNA 복제 중 필수적이다. 이중 가닥 DNA를 단일 가닥으로 분리하여 각 가닥을 복제할 수 있기 때문이다.

레스터 대학교 구조 및 화학 생물학 연구소의 타하 샤히드 박사이자 이 논문의 주저자는 "이 분자 모터가 DNA 이중 나선을 체계적으로 분리하는 방법을 보여주는 여러 스냅샷을 기록했습니다. 마치 분자 규모의 지퍼가 작동하는 것과 같으며 과학자들은 세포가 DNA를 복제하기 위해 압축을 풀어야 한다는 사실을 오랫동안 알고 있었지만, 이것이 정확히 어떻게 일어나는지 본 적이 없습니다. 이제 우리는 순간순간 전체 과정이 전개되는 것을 볼 수 있으며, 생명의 가장 근본적인 과정 중 하나의 정확한 메커니즘이 드러납니다."라고 말했다.

연구자들은 헬리케이스가 이전에 생각했던 것처럼 무차별적인 힘으로 작동하는 것이 아니라 세포 연료(ATP)를 정확한 방아쇠로 사용하는 우아한 메커니즘을 통해 작동한다는 것을 발견했다. 6피스톤 분자 엔진처럼 작동한다. 각 피스톤이 순서대로 "발화"하여 기계를 DNA 나선에 따라 앞으로 구동한다. 중요한 점은 가닥을 직접 밀어내는 대신, 압축된 스프링을 놓아주는 것처럼 쌓인 긴장을 풀어 DNA가 자연스럽게 풀리도록 한다.

샤히드 박사는 "이 '엔트로피 스위치' 메커니즘은 우리가 분자 모터가 작동한다고 생각했던 방식과 근본적으로 다릅니다. 또한 세포가 양방향으로 DNA 복제를 조정하는 방법에 대한 오랜 미스터리를 해결하여 두 개의 헬리케이스 기계가 특정 DNA 부위에서 함께 작동하여 두 가닥을 동시에 효율적으로 복제할 수 있는 '복제 포크'를 확립했습니다."라고 말했다.

이 연구는 사우디아라비아의 레스터 대학과 킹압둘라 과학기술대학(KAUST) 간의 국제 협업으로 이루어졌으며, KAUST에서는 핵심 연구에 필요한 자금을 지원했으며, 레스터 구조 및 화학 생물학 연구소(LISCB)의 미들랜즈 지역 크라이오-EM 시설에서는 이 작업에 필수적인 인프라를 제공했다.

샤히드 박사는 이렇게 말을 이었다. "우리가 발견한 헬리케이스 메커니즘은 바이러스에서 인간에 이르기까지 진화적으로 보존된 것으로 보이며, 모든 생명 영역에서 DNA 복제를 이해하기 위한 보편적 청사진을 제공합니다. 의학적 관점에서 볼 때, 폭스바이러스, 유두종바이러스(특정 암을 일으킬 수 있음), 폴리오마바이러스를 포함한 많은 바이러스는 복제를 위해 유사한 헬리케이스 메커니즘에 의존합니다. 우리의 자세한 구조적 통찰력은 인간 세포에 해를 끼치지 않고 바이러스 복제를 방해하는 정확하게 표적화된 항바이러스 요법의 개발을 이끌 수 있습니다."

KAUST와 레스터 대학의 논문 수석 저자인 알프레도 드 비아시오 박사는 "이 연구는 생명의 분자 기계에 대한 이해에 있어서 상당한 진전을 나타냅니다. 구조 생물학과 정교한 계산 방법을 결합함으로써, 우리는 이 분자 기계가 어떻게 생겼는지 뿐만, 아니라 실제로 어떻게 작동하는지 밝혀낼 수 있었습니다. 자연은 헬리케이스에서 놀라울 정도로 효율적인 나노스케일 기계를 진화시켰습니다. 이것이 어떻게 작동하는지 이해하면 기술적 응용 분야에 유사한 원리를 사용하는 합성 분자 장치를 설계하는 데 영감을 줄 수 있습니다."라고 말했다.

레스터 대학에 극저온 전자 현미경 시설을 설립한 레스터 구조 및 화학 생물학 연구소 소장인 존 슈와베 교수는 "이것은 우리의 세계적 수준의 시설이 생명의 기반이 되는 중요한 기본 메커니즘을 밝히는 데 어떻게 기여하고 있는지 보여주는 또 다른 사례입니다."라고 덧붙였다.

참조:
Taha Shahid, Ammar U. Danazumi, Muhammad Tehseen, Lubna Alhudhali, Alice R. Clark, Christos G. Savva, Samir M. Hamdan, Alfredo De Biasio. Structural dynamics of DNA unwinding by a replicative helicase. Nature, 2025; DOI: 10.1038/s41586-025-08766-w