CRISPR 101: 박테리아는 인간을 감염시킬 수 있지만 감염될 수도 있다. 바이러스는 박테리아 세포에 DNA를 주입한 다음 세포를 바이러스 공장처럼 사용하여 세포가 터질 때까지 세포 내부에 점점 더 많은 복제본을 생성할 수 있다.

 

감염으로부터 우리를 보호하는 면역 체계가 있는 것처럼 일부 박테리아에는 CRISPR이라는 방어 체계가 있다.

 

CRISPR을 통해 박테리아는 이전에 본 적이 있는 바이러스로부터 짧은 DNA 시퀀스를 수집할 수 있다. 새로운 DNA 서열을 갖게 되면 CRISPR 시스템은 RNA에 기록된 서열의 사본을 포함하는 CRISPR 관련(Cas) 단백질을 생성한다.

 

몇 가지 다른 Cas 단백질이 있지만 우리가 가장 잘 알고 있는 것은 Cas9이다. 일단 생성되면 세포 주위를 떠다니며 대상이 박테리아를 다시 감염시키려고 할 때까지 기다린다

 

그런 일이 발생하면 Cas9 단백질의 RNA 서열이 바이러스 DNA의 일치하는 서열에 결합하여 이중 나선의 양쪽을 절단한다. 잘라낸 바이러스 DNA는 박테리아의 다른 단백질에 의해 파괴되어 감염을 막을 수 있다.

 

2012년에 Lawrence Berkeley National Laboratory의 과학자들은 CRISPR이 게놈 편집에 사용될 수 있음을 보여주는 논문을 발표했다. 박테리아뿐만 아니라 CRISPR-Cas9을 올바르게 프로그래밍하면 식물, 동물, 심지어 인간의 유전자를 비활성화하거나 제거할 수 있다.

 

그 이후로 연구자들은 CRISPR-Cas9을 사용하여 질병을 치료하고 더 건강한 작물을 만드는 등의 작업을 수행했다. 그들은 또한 이중 가닥 DNA 분자가 아닌 단일 가닥 RNA 분자를 절단하는 Cas13과 같은 Cas9 이외의 CRISPR 단백질을 발견하고 활용했다.

 

새로운 기능 이제 미국과 독일의 연구원들은 새로운 CRISPR 단백질인 Cas12a2에 대해 자세히 설명하는 두 개의 논문을 발표했다. 그들은 가위라기 보다 유전자 스위스 군인 나이프에 더 가깝다고 말한다.

 

유타주립대학교의 라이언 잭슨 연구원은 “이 새로운 시스템으로 우리는 지금까지 CRISPR 시스템에서 관찰된 것과는 다른 구조와 기능을 보고 있다”고 말했다.

 

다른 CRISPR 시스템이 표적 서열에 결합하고 절단한 다음 멈추는 동안 연구원들은 Cas12a2가 표적에 결합할 때 모양이 변형되는 "활성화"하는 것처럼 보이는 "저온 전자 현미경"이라는 기술을 통해 배웠다.

 

"이것은 관찰하기에 놀라운 구조의 변화이다. 동료 과학자들이 숨을 헐떡이는 현상이다."고 라이언 잭슨은 말했다.

 

일단 활성화되면 단백질은 단일 가닥 RNA, 단일 가닥 DNA 또는 이중 가닥 DNA 등 근처에 오는 모든 유전 물질에 결합할 수 있다. 그런 다음 Cas12a2는 재료를 파쇄하기 시작하여 무차별적인 위치에서 여러 번 자른다.

 

유전 물질이 박테리아 자체에 속할 수 있기 때문에 그 결과 세포 사멸이 발생할 수 있다. 본질적으로 CRISPR은 감염된 세포가 바이러스 공장이 되도록 내버려 두지 않고 자체 파괴하도록 한다.

 

"특정 세포에는 좋지 않지만 바이러스가 퍼지지 않도록 박테리아의 전체 식민지를 보호한다."라고 잭슨은 말했다.

 

CRISPR vs. 암: 새로 발표된 논문은 Cas12a2의 구조와 기능을 자세히 설명하지만 이 시스템을 우리의 이익을 위해 활용할 수 있는 방법을 결정하려면 더 많은 연구가 필요하다.

 

지금까지 좋은 소식은 CRISPR-Cas12a2가 프로그래밍 가능해 보인다는 것이다. 즉, 건강한 세포는 손상시키지 않고 암 돌연변이가 있는 세포와 같은 특정 세포를 죽이는 데 사용할 수 있다는 의미이다.

 

"Cas12a2가 유전자 수준에서 세포를 식별, 표적화 및 파괴하는 데 활용될 수 있다면 잠재적인 치료 응용 분야는 중요하다."라고 잭슨은 말했다.

 

테스트의 미래: 단백질은 또한 진단 도구로서의 잠재력을 가지고 있다.

 

과거에 과학자들은 특정 바이러스 서열에 결합할 때 감지 가능한 신호를 생성하도록 CRISPR 시스템을 프로그래밍했다. CRISPR 기술을 타액, 소변 또는 기타 액체 샘플에 추가한 후 해당 신호가 표시되면 연구원은 바이러스가 포함되어 있음을 알 수 있다.

 

문제는 이러한 테스트의 CRISPR 시스템이 바이러스 서열에 결합한 후 바이러스 서열을 파괴하여 테스트의 민감도를 감소시키지만, 연구원들은 Cas12a2에 돌연변이를 삽입함으로써 활성화 후 단일 가닥 DNA만 절단할 수 있음을 발견했다.

 

즉, Cas12a2를 사용하는 테스트는 단백질을 활성화한 바이러스 RNA를 파괴하지 않고 독감, 코로나19, 일반 감기 및 기타 감염을 유발하는 유형의 RNA 바이러스의 표적 서열에 단백질이 결합할 때 신호를 생성할 수 있다.

 

그 RNA는 주위에 떠다니는 다른 CRISPR 단백질을 활성화하기 위해 여전히 거기에 있을 것이기 때문에 신호가 증폭될 것이다.

 

"이것은 우리가 찾으려는 것을 고갈시키지 않기 때문에 정말 민감한 진단 시스템으로 이어질 수 있다."라고 텍사스 대학교 오스틴의 연구원 잭 브라보는 말했다.

 

이론적으로 이러한 진단 테스트는 코로나19 검출에 사용되는 PCR 테스트와 같이 매우 정확하지만 덜 민감하지만 집에서 더 편리한 코로나19 테스트와 같이 저렴하고 사용하기 쉽다.

 

새로운 RNA 바이러스에 대한 테스트는 우리가 그들의 게놈을 알게 되자마자 쉽게 생산될 수 있다.

 

전망: Cas12a2의 잠재적인 힘을 진단 또는 치료 도구로 활용하려면 훨씬 더 많은 연구가 필요하다.

 

"우리는 단지 표면을 긁는 것일 뿐이지만 Cas12a2가 사회에 크게 도움이 될 개선되고 추가된 CRISPR 기술로 이어질 수 있다고 믿는다."라고 잭슨은 말했다.

 

"오늘날 우리는 탐험할 새로운 대륙이나 그런 식으로 발견할 다른 것들이 없다."고 그는 덧붙였다.”