스탠퍼드대, 단백질 틀로 DNA 합성…'생명 중심원리' 흔들

미국 스탠퍼드대 연구진이 기존 핵산 주형(template) 없이 단백질 구조 자체를 틀로 삼아 특정 서열의 DNA를 합성하는 새로운 생명 현상을 발견했다.

스탠퍼드대 알렉스 가오(Alex Gao) 교수 연구팀은 이 같은 내용의 연구 논문을 국제학술지 '사이언스(Science)'에 지난 16일(현지시간) 게재했다.

이번 발견은 모든 DNA 합성은 기존 핵산 가닥을 주형으로 삼아야 한다는 분자생물학의 '중심원리(central dogma)'에 도전하는 결과로 주목받는다.

연구팀은 박테리아의 파지(bacteriophage) 감염 방어 시스템에서 'DRT3'라는 역전사효소에 주목했다. DRT3 시스템은 두 개의 다른 역전사효소('Drt3a', 'Drt3b')와 비암호화 RNA(ncRNA) 분자로 구성된다.

연구 결과, 이 복합체는 규칙적인 서열의 이중가닥 DNA를 합성했다. Drt3a는 기존 방식대로 ncRNA의 'ACACAC' 서열을 주형으로 삼아 상보적인 폴리(GT) 단일 가닥을 만들었다.

반면 Drt3b는 어떤 핵산 주형도 사용하지 않았다. 대신 효소 활성 부위의 아미노산 잔기들이 3차원적으로 정밀하게 배열된 구조 자체가 '단백질 주형' 역할을 했다. 이 구조가 뉴클레오타이드가 'A-C-A-C' 순서로 결합하도록 유도해 폴리(AC) 가닥을 합성하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 초저온전자현미경(Cryo-EM)을 통해 Drt3a와 Drt3b가 긴밀히 협력하며 주형 의존적 합성과 비의존적 합성을 동시에 수행하는 구조를 규명했다.

연구팀은 이 '주형 비의존적' 합성 메커니즘이 생명 초기에 주형 없이 특정 서열이 생성된 과정을 설명하는 단서가 될 수 있다고 설명했다. 또한 향후 프로그래밍 가능한 분자 기계나 새로운 핵산 합성 도구 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대했다.

이번 연구의 교신저자는 알렉스 가오 스탠퍼드대 생화학과 조교수다. 덩푸쥐안(邓谱涓) 박사후연구원, 이현빈(Hyunbin Lee) 박사후연구원, 카를로 아르미호(Carlo Armijo) 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.