프로그래밍 셀

Apr 29, 2023

Nature Chemical Biology 18권, 385~393페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

무세포 바이오센서는 인간과 환경의 건강을 모니터링하기 위한 강력한 플랫폼입니다. 여기에서는 핵산 가닥 사이의 프로그래밍 가능한 상호 작용을 통해 분자 계산을 가능하게 하는 동적 DNA 나노기술인 발판 매개 가닥 변위 회로와 인터페이스하여 기능을 확장합니다. 우리는 ROSALIND라는 소분자 감지 플랫폼과 발판 매개 가닥 변위를 연결하여 반응 역학을 미세 조정할 수 있는 하이브리드 RNA-DNA 회로를 구축하기 위한 설계 규칙을 개발합니다. 우리는 이러한 설계 규칙을 사용하여 다양한 논리 기능(NOT, OR, AND, IMPLY, NOR, NIMPLY, NAND)을 구현하는 12개의 서로 다른 회로를 구축합니다. 마지막으로, 감지되는 분자의 농도 범위를 인코딩하는 일련의 이진 출력을 생성하기 위해 아날로그-디지털 변환기처럼 작동하는 회로를 시연합니다. 우리는 이 연구가 바이오센서의 속도와 유용성을 향상시키기 위해 분자 계산을 사용하는 '스마트' 진단을 만드는 경로를 확립한다고 믿습니다.

무세포 바이오센싱은 인간 및 환경 건강과 관련된 다양한 화합물을 감지할 수 있는 저렴하고 사용하기 쉽고 현장 배포가 가능한 진단 기술 플랫폼으로 떠오르고 있습니다1,2. 핵심적으로 이러한 시스템은 RNA 또는 단백질 기반 바이오센싱 레이어와 리포터 구성 출력 레이어라는 두 가지 레이어로 구성됩니다. 이러한 층을 유전적으로 배선함으로써 표적 화합물이 바이오센서에 결합하고 리포터 발현을 활성화할 때 신호가 생성됩니다(그림 1). 반응은 세포가 없는 시스템에 이러한 층을 내장하고 동결 건조하여 필요한 시점에 관심 샘플과 함께 쉽게 보관, 운송 및 재수화함으로써 조립됩니다1,3. 이 접근법을 사용하여 무세포 바이오센서는 아연4, 병원성 박테리아5의 쿼럼 감지 분자, 감마-하이드록시부티레이트6와 같은 약물, 불화물1, 아트라진2, 항생제 및 중금속7과 같은 수질 오염물질과 같은 인체 건강과 관련된 화합물을 성공적으로 감지했습니다.

(위) 무세포 바이오센서는 일반적으로 표적 화합물(입력)이 리포터 구성체(출력 층)의 발현을 활성화하도록 구성된 단백질 전사 인자(센서 층)에 결합할 때 활성화됩니다. 이로 인해 형광과 같은 검출 가능한 신호가 생성됩니다. (하위) 신호 생성 전 다운스트림 정보 처리 계층을 추가하면 논리 처리, 신호 비교 등의 계산 기능을 추가하여 무세포 바이오센서의 성능을 향상시키고 기능을 확장할 수 있습니다. 여기서는 바이오센싱 출력 레이어를 배선하여 신호를 생성하는 발판 매개 가닥 변위 회로를 활성화할 수 있는 단일 가닥 RNA를 생성함으로써 구현됩니다.

그러나 기존의 무세포 바이오센서에는 신호 생성 전에 감지 계층의 반응을 조작할 수 있는 정보 처리 계층이 부족한 경우가 많습니다(그림 1). 이러한 정보 처리 계층은 유기체의 자연스러운 특징이며 세포가 스트레스 반응을 활성화하고 발달을 안내하며 세포 내 및 세포 외 신호를 기반으로 행동 결정을 내릴 수 있도록 합니다8. 이러한 이유로 논리와 피드백을 구현하는 유전 정보 처리 계층은 합성 세포 시스템9,10에서 광범위하게 활용되고 설계되었습니다. 마찬가지로, 우리는 이전에 RNA 기반 회로를 리간드 INDuction에 의해 활성화된 RNA 출력 센서(ROSALIND)라는 무세포 바이오센서 플랫폼에 추가하여 단백질 바이오센서를 엔지니어링하지 않고도 특이성과 감도를 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이러한 회로는 여전히 감지 또는 출력 레이어에 직접적으로 작용하므로 기능을 개선하고 확장하는 능력이 제한됩니다.

여기에서 우리는 체외에서 분자 정보를 처리할 수 있는 계산적으로 강력한 DNA 나노기술인 발판 매개 DNA 가닥 변위(TMSD)를 활용하여 ROSALIND의 기능을 강화하고 확장하기 위한 일반화 가능한 정보 처리 계층을 개발합니다. TMSD에서 단일 가닥 DNA(ssDNA) 입력은 상보적인 염기쌍 상호 작용을 통해 이중 가닥 DNA '게이트'와 가닥을 교환하여 ssDNA 출력 가닥을 생성합니다. DNA 게이트를 다양한 네트워크 아키텍처로 구성함으로써 일반적인 화학 계산 아키텍처와 마찬가지로 신호 복원12, 신호 증폭13 및 논리 계산14,15과 같은 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. DNA 염기쌍의 잘 특성화된 열역학 덕분에 간단한 빌딩 블록으로 대규모 네트워크를 구축할 수 있습니다. 또한 반응 역학은 가닥 변위 과정을 시작하는 DNA 게이트 내의 단일 가닥 영역인 '발판'의 강도를 변경하여 정확하게 조정할 수 있습니다. TMSD는 시험관 내 발진기18, 촉매 증폭기19, 자율 분자 모터20,21 및 재프로그래밍 가능한 DNA 나노구조22,23를 포함한 강력한 장치의 개발로 이어졌습니다. 따라서 무세포 바이오센서를 개선하기 위해 TMSD 기반 정보 처리에 대한 큰 잠재력이 있습니다.