네이처 미생물학(Nature Microbiology)에 발표된 이 연구는 박테리아가 어떻게 이 강력한 유전자 편집 도구를 처음 진화시켰는지 더 잘 이해할 수 있는 방법을 제시할 뿐만 아니라 아마도 더 나은 버전으로 이어질 수도 있다.

고대 CRISPR 서열을 연구하고 실험실에서 재현함으로써 팀은 현대에서 DNA를 절단할 수 있는 고대 Cas 단백질의 기능적 버전을 만들 수 있었다.

"이 연구는 CRISPR-Cas 시스템의 기원과 진화에 대한 지식의 놀라운 발전을 의미한다."라고 팀의 알리칸테 대학 연구원인 Francis Mojica는 말했다.

Mojica, Ruud Jansen 및 네덜란드 위트레흐트 대학의 동료들은 박테리아의 신비한 CRISPR 시스템이 유전 가위처럼 작동하여 DNA를 잘라낼 수 있음을 처음으로 발견했다.

Mojica는 고대 CRISPR 시스템을 부활시키는 응용 용도도 있다고 말했다. 이 작업은 현재 CRISPR 기술을 개선하고 새로운 기술을 개발하는 방법으로 이어질 수 있다.

연구자들이 새로운 CRISPR 후보를 찾기 위해 지구의 미생물을 샅샅이 뒤지면서 스페인 팀은 그들의 과거를 조사했다.

CRISPR란? 수십억 년 동안 가장 단순하고 가장 적응력이 뛰어나며 가장 능숙한 형태의 생명체인 박테리아와 너무 단순해서 전혀 살아 있다고 설명할 수 없는 바이러스 사이에 보이지 않는 전쟁이 벌어졌다.

스스로 복제할 수 없는 바이러스는 생존을 위해 박테리아와 같은 다른 유기체를 납치해야 한다. 따라서 박테리아가 이에 맞서 싸울 방법을 개발해야 했던 것도 놀라운 일이 아니다.

그 중에는 이전 감염의 DNA 기록을 유지한 다음 다시 나타나는 바이러스를 공격하기 위해 Cas라는 단백질을 사용하는 일종의 면역 체계인 CRISPR이 있다. Cas가 표적 바이러스에 도달하면 바이러스 DNA를 절단하여 박테리아를 감염으로부터 보호한다.

연구원들은 모든 종류의 유기체에 대한 유전자 편집 도구로서 표적 DNA 절단 능력을 이용했다. CRISPR은 이제 인간의 겸상적혈구 및 고콜레스테롤과 싸우는 데 도움을 주는 것부터 유전자 편집 동물 및 작물에 이르기까지 다양한 작업을 수행하는 다양한 분야에서 찾을 수 있다. 놀랍도록 다재다능한 도구임이 입증되었다.

기본적으로 우리는 고대 군비 경쟁의 무기고를 습격함으로써 이익을 얻고 있다.

그러나 광범위한 적응에도 불구하고 CRISPR의 "기원과 진화는 제대로 이해되지 않았다"고 저자는 연구에서 썼다.

과거와의 연결: 그 기원과 진화를 더 잘 이해하기 위해 CIC nanoGUNE의 Rául Pérez-Jiménez 연구 교수가 이끄는 팀은 현대 실험실에서 고대 Cas 단백질을 부활시키려고 했다.

nanoGUNE의 Pérez-Jiménez 연구 그룹은 Cas와 같은 단백질의 진화를 연구하는 데 수년을 보냈다. 멸종된 유기체의 유전자와 단백질을 재구성하여 현대 생명공학 도구가 될 수 있는지 확인했다.

고대 CRISPR-Cas 서열을 분석하기 위해 그들은 수십억 년 전에 멸종한 박테리아의 일종인 페르미쿠테스로 눈을 돌렸다.

오늘날 알려진 다양한 박테리아 게놈을 시작으로 과학자들은 컴퓨터 모델링을 사용하여 공통 조상을 향해 거꾸로 작업하여 시간을 거슬러 올라갔다. 팀은 조상의 CRISPR 서열을 재구성한 다음 실험실에서 합성하여 연구하고 작동하는지 테스트했으며 고대 Cas 단백질이 현대 단백질만큼 날카롭다는 것을 발견했다.

“놀라운 것은 우리가 수십억 년 전에 존재했음에 틀림없는 Cas 단백질을 활성화할 수 있고 그들이 이미 유전자 편집 도구로 작동할 수 있는 능력을 가지고 있음을 발견할 수 있다는 것이다. 우리는 이제 인간 세포에서 성공적으로 유전자를 편집함으로써 그것을 확인했다.

과거와 연결하여 팀은 CRISPR-Cas 시스템이 시간이 지남에 따라 더욱 복잡해지고 새로운 바이러스 위협에 적응하여 군비 경쟁이 진행되고 있음을 확인할 수 있었다.

오래된 무기, 새로운 용도: CRISPR은 강력하지만 완벽하지는 않다.

이러한 현대적이고 복잡한 CRISPR 시스템은 박테리아 내부에서 작동하도록 고도로 전문화되도록 진화했다고 Pérez-Jiménez는 말했다. 인간 세포를 편집하는 데 사용될 때 면역 체계가 이를 거부할 수 있으며 "분자 제한"으로 인해 사용이 제한된다.

Pérez-Jiménez는 "이상하게도 조상 시스템에서는 이러한 제한 사항 중 일부가 사라지고 이러한 시스템이 새로운 응용 프로그램에 더 많은 기능을 제공한다."라고 말했다. 고대 Cas 단백질은 현대 옵션만큼 전화를 걸 수 없기 때문에 더 다양한 옵션이 될 수 있다.

nanoGUNE 연구원인 Ylenia Jabalera는 고대 단백질을 부활시키면 "현재의 것과 다른 속성을 가진 유전자 편집 도구를 사용할 수 있으며 훨씬 더 유연할 수 있다"라고 말했다.

이것은 "DNA 조작 및 ALS, 암 및 당뇨병과 같은 질병의 치료 또는 질병 진단 도구의 새로운 길"을 의미할 수 있다.