Research

[유전정보와 분리된 ‘비유전성 DNA’로 세포 정밀 제어하는 플랫폼 개발]

DNA가 수십억 년간 고수해 온 '설계도'라는 자리를 벗어나, 이제 세포 안에서 직접 발로 뛰는 ‘현장 요원’으로 새 출발을 하게 됐다. POSTECH 생명과학과 김종민 교수, 박사과정 이건후 씨 연구팀의 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 온라인판에 게재됐다.

 세포는 쉴 새 없이 돌아가는 작은 공장이다. 이 공장 안에서 ‘단백질’과 ‘RNA’는 필요할 때 만들어지고, 역할을 다하면 사라지는 '현장 인력'이다. 반면 ‘DNA’는 이 모든 생산 활동의 근거가 되는 '설계 도면'이다. 도면은 공장 어딘가에 안전하게 보관되어 있어야 하기 때문에, 함부로 꺼내 쓰거나 고치면 안 된다. 

 코로나 바이러스 감염 여부를 확인하는 PCR 검사처럼, DNA를 설계도가 아닌 도구로 활용하는 경우도 있지만 이 기술들은 세포 바깥에서만 작동한다. 살아있는 세포 안으로 들어가는 순간, DNA는 다시 '설계도'라는 본래 임무에 묶여 버렸다.

 연구팀은 바로 이 한계에 주목했다. DNA를 세포 내부에서도 자유롭게 활용하기 위해 찾아낸 돌파구는 '레트론(Retron)¹⁾'이라는 박테리아의 독특한 DNA 생산 시스템이다. 일반적으로 DNA는 기존 DNA를 그대로 복사하는 방식으로 늘어난다. 그런데 ‘레트론’은 RNA라는 중간 물질을 거꾸로 읽어 새로운 DNA를 합성하는, 이른바 '역전사²⁾' 방식을 사용한다. 더 중요한 점은, 이렇게 만들어진 DNA가 세포 안에 있는 다른 유전자들과 섞이지 않고 독립적이면서 안정적으로 존재한다는 것이다. 도면 보관함에 넣어두지 않아도 공장 바닥에서 멀쩡히 굴러다닐 수 있는 셈이다.

 연구팀은 ‘레트론’ 시스템을 정교하게 설계해, 원하는 기능을 가진 DNA 조각을 세포 안에서 직접 만들어 내는 데 성공했다. 이 DNA 조각은 세포 유전정보에는 손 하나 대지 않은 채, 특정 단백질과 결합해 세포의 행동을 조종한다. 

 이 기술을 바탕으로 연구팀은 세 가지 기능을 구현했다. ▲단백질을 유인하는 ‘미끼’로 DNA를 활용해 특정 유전자 발현 조절, ▲특정 신호를 감지해 세포 안에서 단백질 위치·활성 순간적 제어, ▲짧은 신호도 놓치지 않고 반영구적으로 저장 등이다. 마치 명령을 받자마자 즉각 행동을 바꾸고, 단 1분 이하의 짧은 순간에 나타났다가 사라지는 신호를 놓치지 않고 반영구적으로 기록하는 ‘현장 요원’을 만든 셈이다. 

 연구팀의 기술이 주목받는 이유는 활용 가능성이 실험실 안에만 머무르지 않기 때문이다. 암이나 염증처럼 세포 안에서 순간적으로 나타났다가 사라지는 질병 신호를 ‘블랙박스’처럼 실시간으로 포착하고 기록할 수 있고, 이 신호가 감지될 때 자동으로 치료 물질을 방출하는 '스마트 치료 시스템'으로도 확장될 수 있다. 환경 분야에서는 미세플라스틱이나 중금속 같은 오염물질을 감지하는 살아있는 바이오센서로도 응용될 수 있다.

 연구를 주도한 이건후 씨는 “그간 ‘유전물질’이라는 역할에 가려 다른 가능성이 충분히 탐구되지 못한 DNA의 새로운 활용 방향을 제시했다”라며 연구의 의의를 전했다. 또, 김종민 교수는 “의학, 환경, 에너지 등 다양한 분야에 전방위적으로 활용될 기반 기술을 확보했다"라고 덧붙였다.

 한편, 이번 연구는 교육부 이공학학술연구기반구축사업, 과학기술정보통신부 개인기초연구사업, 보건복지부 글로벌연구협력지원사업, 경상북도 푸드테크 지원센터 구축·운영 사업, 국립생물자원관 녹색융합기술 연구 전문인력 양성사업, BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1038/s41557-025-02049-7

1. 레트론(Retron): 박테리아 등에서 발견되는 역전사요소의 일종으로 특정 서열의 DNA-RNA 하이브리드 분자를 생산한다.

2. 역전사(Reverse transcription): RNA 유전정보가 역전사효소에 의해 DNA로 전달되는 과정이다.