셀프리 시스템

세포가 없는 시스템은 세포 내에서 일어나는 생물학적 반응을 연구하기 위해 전체 세포 시스템과는 별도로 널리 사용되는 체외 도구로서, 따라서 세포 전체에서 작업할 때 일반적으로 발견되는 복잡한 상호작용을 감소시킨다.^[1] 세포하 분수는 다른 세포 구성 요소가 많이 없을 때 반응에 사용할 수 있는 분자 기계를 제공하기 위해 초경밀화법으로 격리될 수 있다.^[2] 진핵 세포 내부와 원핵 세포 내부는 이러한 단순화된 환경을 조성하는 데 사용되어 왔다.^[3][4] 이 시스템들은 세포가 없는 합성 생물학이 출현할 수 있도록 하여, 그 수율뿐만 아니라 어떤 반응을 검사하고 있는지 통제할 수 있게 해주었으며, 보다 민감한 살아있는 세포로 작업할 때 달리 제기되는 고려사항을 줄였다.^[5]

종류들

세포가 없는 시스템은 두 가지 주요 분류로 나눌 수 있다. 세포 추출물 기반은 외부 사용을 위해 세포 내부에서 성분을 제거하는 것과 특정 과정에 관여한다고 알려진 분자의 정제된 성분을 사용하는 정제 효소 기반이다.^[6][7] 세포 추출물 기반 유형은 세포 추출물 기반 대장균(E. coli)에 기반한 세포 없는 번역 시스템이 mRNA 템플릿이 매우 빠르게 저하되어 단백질 합성을 중단시켰다는 키타오카 외 연구소의 연구에서 보여지듯이 숙주 외부의 성분의 빠른 분해와 같은 문제에 취약하다.^[8]

준비

준비 방법은 두 유형의 셀이 없는 시스템의 상황에 따라 다르다.

세포 추출물 기반

노벨상 수상자인 에두아르 부치너가 효모 추출물을 사용한 세포 없는 시스템을 최초로 선보였지만, 그 이후 대체 원천이 발견되었다.^[9][10] 대장균, 밀 세균, 토끼 망막 세포는 모두 세포가 없는 시스템을 만드는 데 유용한 것으로 입증되었다.^[3][11] 예를 들어 대장균 30S 추출물은 알루미나로 박테리아를 분쇄한 후 추가 세척을 통해 획득되었다.^[12] 마찬가지로 밀 배아균은 산으로 씻은 모래나 분말 유리로 갈아 세포막을 열어 놓았다.^[13][14] 토끼망막세포는 MgCl₂ 용액에 라이스 처리되어 원심분리하여 추출물을 막에서 걸러냈다.^[15]

사용하다

세포가 없는 합성경로 바이오트랜스포메이션 바이오시스템은 수천 년 동안 사용된 미생물 발효에 비해 새로운 저비용 바이오만제 플랫폼으로 제안되고 있다.^[3][16] 세포가 없는 생물시스템은 산업용 애플리케이션에 적합한 몇 가지 장점을 가지고 있다.^[6]

• 매우 높은 생산 수율은 보통 부산물의 형성이나 세포 질량의 합성 없이 이루어진다. 예를 들어, 합성 효소 경로로, 녹말과 물과의 반응으로부터.

CHO₆₁₀₅ (l) + 7 HO₂ (l) → 12 H₂ (g) + 6 CO₂ (g)

다당류와 물의 포도당 단위당 거의 12H가₂ 생산되었는데, 이는 최고의 혐기성 수소를 생성하는 미생물의 이론 수율의 3배다.^[17]

• 시험관내 생물시스템은 살아있는 미생물이나 화학 촉매가 이전에는 구현할 수 없었던 생물학적 반응을 구현할 수 있다. 예를 들어 베타-1,4-글루코시드 결합 연계 셀룰로오스는 단일 반응 용기에 세포내 효소와 세포외 효소를 혼합하여 알파-1,4-글루코시드 결합 연계 전분으로 변환할 수 있다.^[18]
• 세포막의 장벽이 없는 효소계통은 대개 미생물계보다 반응속도가 빠르다. 예를 들어 효소 연료전지는 보통 미생물 연료전지보다 출력이 훨씬 높다.^[19]
• 효소 칵테일은 미생물보다 독성 화합물을 더 잘 견딜 수 있다.^[20]
• 효소 혼합물은 일반적으로 고온, 낮은 pH, 유기 용제 또는 이온 액체의 존재와 같은 광범위한 반응 조건에서 작용한다.^[16]

단백질 합성

시험관내 생체 시스템은 막 없이도 쉽게 제어되고 접근할 수 있다.^[16] 특히 노벨상을 수여하는 연구에서 니렌버그와 마타이 실험은 세포 추출물 기반의 세포 없는 시스템을 사용하여 대장균에서 추출한 30S로 방사성 태그가 붙은 선택된 아미노산을 합성 단백질에 통합했다.^[12][21] 스피린 등이 세포가 없는 번역 시스템을 원핵 및 진핵 버전으로 수행한 연구와 같은 보다 최근의 연구들은 또한 단백질을 생산량이 증가하는 합성하여 물질을 첨가하고 제품을 제거하기 위한 연속 흐름과 같은 기법을 통합했다.^[22] 이러한 수율의 진보와 함께 잠재적으로 B세포 림프종의 백신이 될 수 있는 핵융합 단백질의 합성과 같은 생산성 적용이 확대되었다.^[23] 게다가, 세포 없는 단백질 합성은 빠른 단백질 합성을 위한 새로운 대안이 되고 있다.^[6]

대사조작

대사 과정의 공학은 세포가 없는 시스템을 통해 달성되었다.^[24][10][3] 예를 들어 Bujara 외 연구진은 디히드록시아세톤 인산염을 생성하는 대장균의 효소로 구성된 글리콜리틱 네트워크 추출물을 사용하여 효소 농도를 변경하면서 대사물 농도를 실시간으로 분석할 수 있었으며, 디히드록시아세톤 인산염의 최적 생산 결과도 얻을 수 있었다.^[25] 또한 칼훈과 스와르츠는 글리코알틱 중간을 사용하여 셀이 없는 시스템에 연료를 공급할 수 있어 인산염피루베이트 반응에서 시약 사용량에 비해 상대적으로 저렴한 ATP 생성이 가능했다.^[26]

부자연아미노산합성

세포가 없는 시스템은 또한 부자연스러운 아미노산을 통합하는데 사용되었다.^[26][27] 시미즈 외 연구진은 RF1 방출 계수를 생략하여 스톱 코돈을 센스 코돈으로 변경할 수 있었는데, 이는 부자연스러운 상황에서 원하는 아미노산을 삽입할 수 있는 능력을 나타냈다. 이것은 다차원 NMR 분광법에 유용한 아미노산의 특정 라벨 표시를 방지하는 아미노산 대사 과정과 같이 세포 내부에서 작업하는 것이 문제가 되는 시스템에서 사용된다.^[28] 키가와 외아미노산 대사가 더 이상 존재하지 않는 세포 없는 시스템에서 성공적으로 아미노산에 라벨을 붙일 수 있었고, 따라서 그러한 시스템을 NMR 연구에 유용하게 만들었다.^[28]

참조