[📪정보] AI가 처음으로 건강한 세포에서 유전자 활동을 조절하는 합성 DNA를설계

[익명(berry9951)]

1. 연구진은 AI를 이용해 유전자 발현을 조절하는 새로운 합성 DNA 조각을 설계했다.

2. 이 DNA는 특정 세포에서만 유전자를 켜거나 끄도록 정밀하게 작동했다.

3. 이번 성과는 부작용을 줄인 맞춤형 유전자 치료 개발에 중요한 전환점을 마련했다.

오늘 학술지 Cell에 발표된 연구는 생성형 AI가 건강한 포유류 세포에서 유전자 발현을 성공적으로 조절할 수 있는 합성 분자를 설계한 첫 번째 사례를 보고했습니다. 바르셀로나에 있는 유전체 연구 센터(CRG)의 연구자들은 자연에서는 볼 수 없는 DNA 조절 서열을 창조해내는 AI 도구를 개발했습니다. 이 모델은 특정 조건에 따라 합성 DNA 조각을 만들 수 있는데, 예를 들어 "이 유전자가 적혈구로 분화할 줄기세포에서는 켜지고, 혈소판에서는 꺼지도록 해줘"와 같은 지시를 내릴 수 있습니다.

AI 모델은 특정 세포 유형에서 필요한 유전자 발현 패턴을 만들기 위해 어떤 조합의 DNA 염기(A, T, C, G)가 필요한지를 예측합니다. 연구진은 이렇게 약 250개의 염기로 구성된 DNA 조각을 화학적으로 합성하고, 이를 세포에 전달하기 위해 바이러스에 삽입합니다.

개념증명(Proof-of-Concept) 실험으로, 연구진은 AI에게 특정 세포에서만 형광 단백질 유전자가 발현되도록 하면서 다른 유전자 발현은 영향을 받지 않도록 설계된 합성 조각을 만들도록 지시했습니다. 이들은 완전히 새롭게 DNA 조각을 만들어 생쥐의 혈액 세포에 주입했고, 이 조각은 무작위로 유전체에 삽입되었습니다. 실험은 예측한 그대로 성공했습니다.

“잠재적 응용 분야는 매우 넓습니다. 마치 생물학을 위한 소프트웨어를 작성하는 것과 같아서, 세포에게 새로운 명령을 내리고 그들의 발달과 행동을 전례 없는 정밀도로 조절할 수 있게 됩니다.”라고 CRG의 로버트 프뢈멜 박사는 말했습니다.

이번 연구는 유전자 치료 개발자들이 특정 세포나 조직에서만 유전자 활성을 높이거나 줄이는 새로운 방법을 여는 데 기여할 수 있습니다. 또한 환자의 유전자를 미세하게 조절하여 치료 효과를 높이고 부작용을 줄이는 새로운 전략을 가능하게 합니다.

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이번 연구는 생성 생물학(generative biology) 분야에서 중요한 이정표를 세운 것으로 평가됩니다. 지금까지 이 분야의 발전은 주로 단백질 설계에 집중되어 있었으며, 그 덕분에 과학자들은 완전히 새로운 효소와 항체를 그 어느 때보다 빠르게 만들 수 있게 되었습니다. 하지만 많은 인간 질환은 특정 세포 유형에서 발생하는 유전자 발현 이상에서 비롯되며, 이런 경우에는 완벽한 단백질 치료제가 존재하지 않을 수도 있습니다.

유전자 발현은 **인핸서(enhancer)**와 같은 조절 요소에 의해 조절되는데, 이는 유전자의 스위치를 켜거나 끄는 아주 작은 DNA 조각입니다. 기존에는 연구자들이 필요한 조건에 맞는 인핸서를 찾기 위해 유전체를 샅샅이 뒤졌지만, 이 경우 자연 선택에 의해 진화된 서열에만 의존해야 한다는 한계가 있었습니다.

AI가 생성한 인핸서는 자연에는 없는 초정밀 스위치를 설계할 수 있게 도와줍니다. 특정 세포 유형에서 정확한 켜짐/꺼짐 패턴을 가지도록 설계할 수 있기 때문에, 건강한 세포에는 영향을 주지 않으면서 병든 세포에서만 작동하는 치료법을 만들 수 있는 핵심 기술로 부상하고 있습니다.

하지만 이런 AI 모델을 개발하려면 고품질의 방대한 데이터가 필요한데, 인핸서에 관한 데이터는 그동안 부족했습니다. 이에 대해 이번 연구의 교신 저자이자 CRG 연구자인 라르스 펠텐 박사는 다음과 같이 설명했습니다.

“생물학을 위한 언어 모델을 만들기 위해서는 세포가 사용하는 언어를 이해해야 합니다. 우리는 인핸서의 문법 규칙을 해독해, 전혀 새로운 단어와 문장을 만들어낼 수 있도록 하는 것을 목표로 삼았습니다.”

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이번 연구의 저자들은 혈액 생성 과정의 실험 모델을 활용해 수천 건의 실험을 수행함으로써, AI 모델을 구축하는 데 필요한 방대한 생물학 데이터를 직접 만들어냈습니다. 이들은 유전자 발현을 조절하는 데 관여하는 **인핸서(enhancer)**와 전사 인자(trans cription factor) 두 요소를 모두 연구했습니다.

지금까지 인핸서와 전사 인자를 연구할 때는 보통 다루기 쉬운 암세포주를 이용하는 경우가 많았지만, 이번 연구진은 건강한 세포를 사용했습니다. 이는 인간 생물학을 더 잘 반영하기 위한 선택이었고, 이 과정에서 면역 체계와 혈액세포 생성에 관여하는 미묘한 조절 메커니즘들이 새롭게 밝혀졌습니다.

연구팀은 5년에 걸쳐 64,000개 이상의 합성 인핸서를 제작했으며, 각각은 38종의 전사 인자에 대한 결합 부위의 배열과 결합 강도를 다양하게 조합해 설계되었습니다. 이는 지금까지 혈액세포를 대상으로 구축된 합성 인핸서 라이브러리 중 가장 큰 규모입니다.

이 DNA 조각들을 세포에 삽입한 뒤, 연구진은 혈액세포 발달의 7단계에 걸쳐 각 인핸서가 얼마나 활성을 보이는지를 추적했습니다. 그 결과, 많은 인핸서들이 한 종류의 세포에서는 유전자를 활성화시키지만, 다른 세포에서는 유전자를 억제한다는 사실이 밝혀졌습니다.

대부분의 인핸서는 볼륨 조절기처럼 유전자 발현 수준을 높이거나 낮추는 역할을 했지만, 일부 조합은 스위치처럼 켜거나 끄는 작용을 했습니다. 연구진은 이 현상을 **‘음의 상승작용(negative synergy)’**이라고 불렀는데, 각각 따로 있을 때는 유전자를 켜는 전사 인자 두 개가 함께 있을 경우 오히려 유전자를 끄는 결과를 보인 것입니다.

이 실험에서 얻은 데이터는 AI 모델의 설계 원칙을 정립하는 데 핵심적인 역할을 했습니다. 모델은 각 인핸서가 실제 세포에서 유전자 활성을 어떻게 변화시키는지를 충분히 학습한 뒤, 자연에는 존재하지 않았던 새로운 인핸서 디자인을 예측할 수 있게 되었습니다. 이로써 특정 조건에서 유전자를 정확히 켜거나 끄는 결과를 얻을 수 있게 된 것입니다.

이번 연구는 대규모 연구에 착수하기 전에 기술이 실제로 작동 가능한지를 입증하기 위한 파일럿 연구로 설계되었습니다. 연구진은 이제 막 시작일 뿐이라며, 인간과 생쥐 모두 유전체를 조절하는 전사 인자가 약 1,600종 존재하는 것으로 추정된다고 설명했습니다.

https://www.technologynetworks.com/tn/news/ai-engineered-dna-turns-genes-on-and-off-in-blood-cells-399434

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[몬스터제로(dldlskfskfroro)]

그래 뭐라도 계속 나와줘라

[익명(tragedy7204)]