기이한 기원을 가진 작은 분자 주사기는 의학에서 가장 까다로운 문제 중 하나인 신체 내부의 목표 목적지로 약물을 전달하는 문제를 해결할 수 있습니다. 출처? 곤충의 장 속에 사는 박테리아.
하워드 휴즈 의학 연구소(Howard Hughes Medical Institute)와 브로드 연구소(Broad Institute)의 Feng Zhang 박사가 개발한 이 스프링 장착 나노머신은 약간 로켓선처럼 보입니다. 도킹되면 인젝터가 격추되어 셀을 관통하고 귀중한 페이로드를 전달합니다.
추가로 개발되면 분자주사기는 암 면역요법을 종양 세포에만 전달하여 건강한 세포를 아끼고 부작용을 제한할 수 있습니다. 또한 이 시스템은 뇌(약물이 접근하기 어려운 기관으로 악명 높음)에 안전하게 터널을 뚫어 뇌졸중, 알츠하이머병 및 기타 신경 장애를 진단하는 데 도움이 될 수 있는 단백질을 잠재적으로 운반할 수 있습니다.
Nature 에 게재된 이 주사기 는 박테리아 왕국에서 영감을 받았습니다. Zhang은 생물계의 암흑 물질을 탐구하는 데 낯선 사람이 아닙니다. 바이러스에 대한 박테리아 방어 시스템으로 시작된 CRISPR-Cas9 유전자 편집에 대한 중요한 연구로 가장 잘 알려진 Zhang은 오랫동안 진화에서 힌트를 얻어 차세대 생명공학의 경이로움을 만들어 왔습니다.
그러나 이번에 그의 팀은 AlphaFold라는 또 다른 협력자를 합류시켰습니다 .
DeepMind가 개발한 AI는 단백질 구조를 예측하는 놀라운 능력으로 헤드라인을 장식했습니다 . 도구를 사용하여 팀은 박테리아 주입기의 핵심 부분을 최적화하여 선호하는 표적인 곤충 세포에서 다양한 쥐와 인간 세포로 전환했습니다.
배양된 세포와 생쥐 모두를 대상으로 한 여러 가지 개념 증명 연구에서 새로운 주사기의 우수성이 입증되었습니다. 한 실험에서는 다른 세포에 해를 끼치지 않고 암세포에 독소를 전달했습니다. 또 다른 사람은 유전자 편집 도구인 CRISPR의 “가위” 단백질인 Cas9를 배양된 인간 세포에 주입하고 표적 유전자를 높은 효율로 편집했습니다.
이러한 플러그 앤 플레이 기능은 시스템을 강력한 전달력으로 만듭니다. Zhang은 “우리는 단백질에 태그를 붙이는 것만으로도 다양한 유형의 단백질을 바늘에 넣을 수 있다는 것을 보여주었습니다.” 라고 말했습니다 .
“특정 단백질을 특정 세포 유형에 전달하는 능력을 갖는 것은 생명 과학 연구는 물론 질병 치료에 엄청난 잠재력을 제공할 것입니다.” 라고 ETH Zürich의 Charles Ericson과 Martin Pilhofer 박사는 말했습니다 . 작품.
이 시스템을 다른 시스템과 결합하면 연구와 의학 모두를 위한 강력한 믹스 앤 매치 도구 상자의 기반이 됩니다. 현재는 단백질만 이동할 수 있지만 다른 천연 분자 주사기를 채택하면 시스템을 DNA 및 기타 생체분자로 확장할 수 있습니다.
Zhang은 “이 기술을 적용하기에는 아직 초기 단계입니다.”라고 말했습니다.
배달의 악몽
DoorDash처럼 약물 전달을 상상해 보세요. 당신은 당신의 주문이 이웃이 아닌 당신에게만 음식을 그대로 전달하기를 원합니다.
사소하게 들리지만 약물과 유전자 치료로는 달성하기 어려운 작업입니다. 알약, 패치 또는 정맥 주사 바늘 형태의 약물(식염수 주머니나 화학요법 등)이 혈류로 들어갑니다. 그 결과 다양한 장기와 조직이 넘쳐 부작용을 일으키는 경우가 많습니다.
이와는 대조적으로 또 다른 문제는 일부 약물이 목표물에 침투할 수 없다는 것입니다. 세포는 이중층 지방막으로 둘러싸인 요새로, 때로는 원치 않는 침입자를 적극적으로 뱉어내는 메커니즘을 갖추고 있습니다. 침입자가 유전자 치료 요소이거나 치료 단백질일 경우 세포의 방어 시스템은 엄청난 골칫거리가 됩니다.
과학자들은 이러한 방어를 우회하는 방법을 고안했습니다. 하나는 무해한 바이러스를 이용해 백신 물질을 밀반입하는 것이다. 또 다른 하나는 작은 지방 기포로 만들어진 지질 나노구입니다. 셀과 병합되면 거품이 “터져” 페이로드가 방출됩니다. 유전 공학의 기초가 되지만 이러한 시스템은 우리가 원하는 만큼 정확하지 않습니다. DoorDash 비유로 돌아가서, Dasher는 귀하가 주문한 것 중 일부를 제공하고 나머지는 의심하지 않고 의지가 없는 이웃에게 가져갈 것입니다.
세균 영감
새로운 연구에서 Zhang은 플레이북을 버리고 완전히 상자 밖으로 나갔습니다. 그와 그의 동료인 Joseph Kreitz는 진화에 의해 만들어진 분자 주사기를 활용했습니다.
예상치 못한 자원은 곤충의 내장에 사는 Photorhabdus asymbiotica 라고 불리는 생물발광 박테리아입니다 . 그들은 무장되어 있습니다. 각각은 숙주 세포를 붙잡는 “발”이 있는 대략 100나노미터 길이의 작은 분자 주사기를 갖추고 있습니다. 일단 도킹되면 플런저가 세포막을 통과하여 숙주를 죽이는 독소를 쏘고, 결과적으로 박테리아가 탈출하여 다른 세포에 서식하게 됩니다.
수축성 주사 시스템(CIS)이라고 불리는 위험하게 들리는 메커니즘은 안전한 전달 시스템에는 거의 적합하지 않은 것 같습니다. 그러나 한 가지 특이한 점이 팀의 눈길을 끌었습니다. 박테리아 주입기는 일반적으로 동물 세포가 아닌 다른 박테리아에만 작동합니다. 그렇다면 Photorhabdus 주사기를 다시 조정하여 인간 세포에도 주입하는 것은 어떨까요 ?
팀은 먼저 인젝터의 꼬리 섬유라고 불리는 부분을 연구했습니다. 이러한 “촉수 같은 것”은 나노머신이 세포에 달라붙는 데 도움이 된다고 Zhang은 설명했습니다. 핵심은 세포 표면의 수용체, 즉 도킹 스테이션을 일치시키는 것입니다. 각 세포 유형에는 생물학적 특성에 고유한 무수히 많은 부두가 있습니다. 예를 들어 뉴런에는 심장 세포와 크게 다른 여러 가지가 있습니다. 다른 생물로부터 나온 것들은 훨씬 더 다양합니다.
따라서 곤충 세포에서 작동하도록 설계된 주사기가 인간의 세포에서는 실패했다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 꼬리 섬유가 핵심이라는 것을 알고 팀은 새로운 공동 작업자인 AlphaFold를 데려왔습니다. AI를 사용하여 팀은 주입기를 곤충 세포쪽으로 유도하는 영역에서 발견된 까다로운 단백질의 3D 모델을 생성했습니다.
그런 다음 그들은 이 영역을 유전적으로 변형하여 꼬리 섬유의 끝을 자르고 다른 단백질 덩어리를 추가하여 특정 쥐와 인간 세포에 주입기를 유도했습니다.
Kreitz는 “[AlphaFold]는 다른 세포를 대상으로 변경될 수 있는 새로운 전달 전략을 만드는 데 필요한 정보를 제공했습니다.” 라고 말했습니다 .
믹스 앤 매치
팀은 여러 실험을 통해 프로그래밍 가능한 인젝터를 테스트했습니다.
한 연구에서는 주사기에 단백질을 주입했는데, 이 단백질은 일단 주입되면 배양 중인 인간 세포가 어둠 속에서 선명한 녹색으로 빛나게 했습니다. 유사한 주사기를 재작업하여 표면에 표피 성장 인자 수용체(EGFR)가 점재하는 암세포를 추적했습니다. 독소가 가득한 이 치료법은 수용체가 있는 세포를 거의 모두 죽였으나 다른 세포는 살려 두었습니다. 마찬가지로 연구팀은 Cas9를 다양한 인간 세포에 쉽게 전달했으며, 가이드 RNA가 공급되면 예상 지점에서 게놈을 편집했습니다.
마지막으로 최종 테스트에서 팀은 시스템을 쥐의 해마에 주입했습니다. 형광 단백질이 주입되자 세포는 밝은 녹색으로 빛났습니다. 중요한 점은 이 주사기가 박테리아에서 추출되었지만 면역 반응을 유발하지 않았다는 것입니다.
시스템이 완벽하지 않습니다. 테스트된 조직에서는 효율적이지만 팀은 다양한 유형의 조직 및 질병 모델로 범위를 확장하기를 희망하고 있습니다. 또 다른 목표는 CRISPR의 성장과 유사한 맥락에서 다른 천연 주입기를 찾아 잠재적으로 전체 전달 도구 제품군으로 성장시키는 것입니다. 현재 시스템은 단백질만 운반합니다. 그러나 추가적인 엔지니어링을 통해 DNA, RNA 및 기타 생체 분자의 특정 전달이 가능하고 어쩌면 복용량을 제어할 수도 있습니다.
Zhang은 “이 접근 방식은 아직 초기 단계이지만 인간의 건강에 영향을 미치는 다양한 유형의 질병을 치료할 수 있는 [시스템의 능력]을 탐색하는 것이 정말 중요하다고 생각합니다.”라고 말했습니다.
이미지 제공: Joseph Kreitz, MIT 및 Harvard Broad Institute, MIT McGovern 뇌 연구 연구소
