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Scripps Research의 과학자들이 세포의 회복력과 적응성을 이해하는 방식에 혁신적인 발견을 했습니다. 연구진은 원시 무기 고분자인 폴리포스페이트(polyP)와 생명의 두 가지 기본 요소인 DNA, 그리고 마그네슘 간의 상호작용을 밝혀냈습니다. 이들 요소는 유연하고 적응 가능한 구조의 작은 액체 방울, 즉 응집체를 형성합니다.

폴리포스페이트와 마그네슘은 여러 생물학적 과정에 관여하며, 이번 발견은 세포 반응을 조정하는 신기술 개발에 중요한 발판이 될 수 있습니다. 학계에 중요한 영향을 미칠 이 연구 결과는 2024년 10월 26일 Nature Communications에 게재되었습니다.

연구진은 특정한 마그네슘 농도 범위에서 DNA가 polyP-마그네슘 이온 응집체 주위에 감싸는 고유한 ‘골디락스’ 구역을 발견했습니다. 이는 세포가 유전 물질을 조직하고 보호하는 데 도움을 줄 수 있는 단순하지만 중요한 구조입니다.

이 연구는 Scripps Research의 통합 구조 및 계산 생물학 학과에 있는 공동 수석저자인 리사 라키 (Lisa Racki) 박사와 아쇼크 데니즈 (Ashok Deniz) 박사에 의해 시작되었습니다. 라키 박사는 세균 세포에서 이러한 구조를 연구했으며, 데니즈 박사의 연구실에서는 지난 10년간 생체 분자 응집체의 물리화학을 탐구해 왔습니다.

라키 박사는 “세포 내에서 DNA가 마그네슘이 풍부한 polyP 응집체와 가까이 있다는 것은 알았지만, 현미경에서 빛나는 DNA 구체를 보고 매우 놀랐습니다”고 전했습니다. 데니즈 박사는 “이 구조를 보면 DNA 껍질의 물리학과 수학 그리고 polyP 응집체에 대한 영향에 대한 흥미로운 질문이 생깁니다”라고 덧붙였습니다.

현미경 이미지를 통해 DNA가 응집체 주위에 얇은 껍질처럼 감싸는 것을 보여줍니다. 이 껍질은 분자의 이동을 저하시키고 응집체의 융합을 지연시킬 수 있습니다. DNA 껍질이 없으면 polyP-마그네슘 이온 응집체는 쉽게 융합됩니다. 이는 흔들린 샐러드 드레싱 병에서 기름 방울과 식초가 융합되는 것과 비슷합니다.

DNA는 응집체의 직경보다 1,000배 이상 얇아 분자 세부 사항을 시각화하기 어려웠습니다. 다행히도, Scripps Research의 다른 교직원인 다니엘 그로트얀 (Danielle Grotjahn) 박사나 송현두 (Donghyun Raphael Park) 박사가 이러한 이미지를 포착하는 인프라를 구축했습니다.

이들은 냉동 전자 톰보그라피를 사용하여 응집체 표면을 자세히 조사했습니다. 전자를 빛 대신 사용하여, 이 기법은 샘플을 급속 냉동해 구조를 보존한 고해상도의 3D 이미지를 잡습니다. 새로운 이미지는 응집체 표면에서 필라멘트처럼 DNA가 엉켜있는 모습을 보여줍니다.

또 다른 중요한 발견은 DNA 껍질이 특정 마그네슘 농도에서만 형성된다는 것입니다. 너무 많거나 적으면 껍질이 형성되지 않습니다. 이 ‘골디락스’ 효과는 세포가 응집체의 구조, 크기 및 기능을 제어할 수 있음을 보여줍니다.

라키 박사는 “세포 사이의 인터페이스는 경계로 간주되지만, 또한 분자들이 조직될 수 있는 새로운 경관을 만들어냅니다”고 설명했습니다.

데니즈와 라키 박사는 DNA의 초나선 구조, 즉 DNA가 어떻게 꼬여 세포 안에 들어가는지를 이해하는 데 특히 관심이 있습니다. 이 발견이 바이오메디컬 분야에서 더 간단하고 비용 효율적인 도구 개발에 기여할 것이라는 데 기대를 걸고 있습니다.

이번 연구는 Scripps Research의 연구진인 라비 차울라, 제나 K. A. 톰, 투마라 보이드, 니콜라스 H. 투 및 탄시 바이도 함께 참여했습니다. 연구는 미국 국립보건원, 미국 심장 협회의 박사 후 연구 펠로십 및 Pew Scholars 프로그램의 지원을 받았습니다.

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