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하치모지 DNA

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목차

1. 개요

하치모지 DNA는 하버드 대학교 연구팀이 개발한 인공 확장 유전 정보 시스템으로, 8개의 염기를 사용하여 자연 DNA보다 더 많은 유전 정보를 저장할 수 있는 특징을 지닌다. 자연적인 DNA의 4가지 염기(A, T, G, C)에 P, Z, B, S의 4가지 인공 염기를 추가하여 총 8가지 염기를 사용하며, P는 Z와, B는 S와 짝을 이룬다. 이 새로운 염기쌍들은 다양한 염기 서열에서도 안정적인 이중 나선 구조를 형성하며, 새로운 생명체 창조 가능성을 제시한다. 하치모지 DNA는 NASA의 자금 지원을 받아 외계 생명체 탐사, 인간 질병 진단, DNA 디지털 데이터 저장 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

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하치모지 DNA

2. 역사적 배경

하버드 대학교 화학자 스티븐 A. 베너가 이끄는 연구팀은 DNA에서 발견되는 4개의 염기를 포함하여 12개의 서로 다른 뉴클레오타이드를 사용하는 인공 확장 유전 정보 시스템(AEGIS)이라고 명명된 핵산 유사체 시스템을 연구했다.[11][12][13][14][15]

3. 구조 및 특징

하치모지 DNA는 자연적인 DNA와 같이 이중 나선 구조를 띄지만, 8개의 염기를 사용하므로 더 많은 유전 정보를 저장할 수 있다. 자연적인 DNA는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)의 4가지 염기로 구성되는 반면, 하치모지 DNA는 여기에 P, Z, B, S의 4가지 인공 염기를 추가하여 총 8가지 염기를 가진다. P는 Z와, B는 S와 각각 쌍을 이루어 결합한다.[42]

자연적인 DNA에서 각 뉴클레오타이드는 4개의 핵염기(시토신(C), 구아닌(G), 아데닌(A), 티민(T)) 중 하나와 단당류인 데옥시리보스, 그리고 인산기로 구성된다. 뉴클레오타이드는 한 뉴클레오타이드의 당과 다른 뉴클레오타이드의 인산이 공유 결합으로 연결되어 사슬을 형성하며, 교대로 배열된 당-인산 골격을 이룬다. 두 개의 폴리뉴클레오타이드 가닥은 염기쌍 규칙(A-T, C-G)에 따라 수소 결합으로 서로 결합하여 이중 가닥 DNA를 형성한다.[7][8]

하치모지 DNA는 사용된 염기 서열에 관계없이 항상 표준 이중 나선을 형성한다. 연구자들은 효소 (T7 중합효소)를 개량하여 ''시험관 내''에서 하치모지 DNA를 하치모지 RNA로 전사하는 데 사용했으며, 이는 화학적 활성을 통해 녹색으로 빛나는 형광단을 생성했다.[4][5]

3. 1. 새로운 염기쌍

하치모지 DNA는 자연적인 DNA와 유사하지만 뉴클레오베이스의 수와 종류가 다르다.[1][5] 하치모지 DNA에는 자연적인 DNA의 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T) 외에 4개의 인공 염기 P, Z, B, S가 추가되어 총 8개의 염기가 사용된다.

하치모지 DNA에 사용되는 새로운 염기쌍(P-Z, B-S)은 자연적인 염기쌍(A-T, G-C)보다 소수성이 더 크다.[9][10] 이러한 특징은 하치모지 DNA가 다양한 염기 서열에서도 안정적인 이중 나선 구조를 형성하는 데 기여한다.

DNA와 RNA는 자연적으로 수소 결합을 형성하여 쌍을 이루는 4개의 뉴클레오타이드 염기로 구성된다. 하치모지 DNA는 4가지 유형의 염기쌍을 형성하기 위해 4개의 추가적인 합성 뉴클레오타이드를 사용하며, 이 중 2개는 인공적이다. P는 Z와 결합하고 B는 S와 결합한다 (dS는 DNA에서, rS는 RNA에서).[1]

하치모지 DNA 염기쌍
염기이름구조
P2-아미노이미다조[1,2a][1,3,5]트리아진-4(1H)-온
Z6-아미노-5-니트로피리딘-2-온
B아이소구아닌
SrS아이소사이토신
dS1-메틸사이토신



3. 1. 1. P 염기

'''P'''는 하치모지 DNA를 구성하는 인공 염기 중 하나이다. 화학명은 2-아미노이미다조[1,2a][1,3,5]트리아진-4(1''H'')-온(2-aminoimidazo[1,2a][1,3,5]triazin-4(1''H'')-one영어)이다.[42][22]

염기물질명화학 구조
P2-아미노이미다조[1,2-a][1,3,5]트리아진-4(1H)-온



P는 Z와 염기쌍을 이룬다.

3. 1. 2. Z 염기

Z 염기는 6-아미노-5-니트로피리딘-2-온이며, 화학식은 6-amino-3-(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-5-nitro-1H-pyridin-2-one이다.[42] Z는 P와 쌍을 이룬다.[42]

염기물질명화학 구조
Z6-아미노-5-니트로피리딘-2-온


3. 1. 3. B 염기



아이소구아닌(isoguanine)은 하치모지 DNA의 인공 염기 중 하나이다. 화학명은 6-amino-9[(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1H-purin-2-one이다.[42] B는 S와 염기쌍을 이룬다.

3. 1. 4. S 염기

'''S'''는 DNA에서는 '''dS''', RNA에서는 '''rS'''와 결합한다.[42] '''rS'''는 아이소사이토신이며, '''dS'''는 1-메틸사이토신이다.[42]

rSdS
아이소사이토신1-메틸사이토신
3-methyl-6-amino-5-(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-pyrimidin-2-one[42]
[http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.60309.html 60309][http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.71474.html 71474]
[https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/66950 66950][https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/79143 79143]


4. 생물학적 의의

스크립스 연구소의 화학자이자 최초의 인공 염기쌍(UBP)을 개발하고 2012년에 유전 알파벳을 4글자에서 6글자로 확장하는 데 기여한 플로이드 로메스버그는[16], 하치모지 DNA 시스템의 발명이 자연 염기(G, C, A, T)가 "유일하지 않다"는 사실을 보여주는 사례라고 언급했다.[17][18] 이 새로운 DNA 시스템을 통해, 적어도 이론적으로는, 새로운 생명체의 창조가 가능할 수 있다.[9][18] 그러나 현재 하치모지 DNA 시스템은 자가 유지되지 않는다. 이 시스템은 실험실에서만 발견되는 독특한 구성 블록과 단백질의 꾸준한 공급을 필요로 한다. 결과적으로 "하치모지 DNA는 실험실을 벗어나면 아무데도 갈 수 없다."[4]

5. 응용 분야

하치모지 DNA는 다양한 분야에서 활용될 가능성이 있다.[1] NASA는 "우리가 우주에서 생명체를 찾을 때 마주칠 수 있는 구조의 범위를 확장"하기 위해 이 연구에 자금을 지원했다.[1]

연구자에 따르면,[1] 하치모지 DNA는 다음과 같은 분야에 사용될 수 있다.


  • 의학: 인간 질병에 대한 깨끗한 진단 개발, 새로운 치료법 개발
  • 정보 기술: DNA 디지털 데이터 저장, DNA 바코드
  • 재료 과학: 자가 조립 나노구조
  • 생명 공학: 특이한 아미노산을 가진 단백질 생성


이 하치모지 DNA의 일부는 이미 Firebird Biomolecular Sciences LLC에서 상업적으로 생산하고 있다.[1][4]

NASA의 행성 과학 부의 로리 글레이즈에 따르면, "생명체 탐지는 NASA의 행성 과학 임무에서 점점 더 중요한 목표가 되고 있으며, 이 새로운 연구[하치모지 DNA와 함께]는 우리가 무엇을 찾을지 범위를 확장하는 효과적인 기구와 실험을 개발하는 데 도움이 될 것입니다."[3][19] 연구팀장 스티븐 베너는 "하치모지 DNA에서 형태, 크기 및 구조의 역할을 신중하게 분석함으로써, 이 연구는 외계 세계의 외계 생명체에서 정보를 저장할 수 있는 분자 유형에 대한 이해를 넓혀줍니다."라고 언급했다.[20]

참조

[1] 논문 Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks 2019-02
[2] 뉴스 Hachimoji – Expanding the genetic alphabet from four to eight https://www.eurekale[...] 2019-02-22
[3] 뉴스 Research creates DNA-like molecule to aid search for alien life https://phys.org/new[...] 2019-02-22
[4] 뉴스 Hachimoji DNA doubles the genetic code https://physicsworld[...] 2019-02-22
[5] 뉴스 DNA Gets a New — and Bigger — Genetic Alphabet - DNA is spelled out with four letters, or bases. Researchers have now built a system with eight. It may hold clues to the potential for life elsewhere in the universe and could also expand our capacity to store digital data on Earth. https://www.nytimes.[...] 2019-02-21
[6] 뉴스 Freaky Eight-Letter DNA Could Be the Stuff Aliens Are Made Of https://gizmodo.com/[...] 2019-02-23
[7] 서적 Molecular Biology of the Cell Garland 2019-02-21
[8] 웹사이트 DNA http://basicbiology.[...] 2019-02-21
[9] 논문 Four new DNA letters double life's alphabet 2019-02
[10] 뉴스 Scientists Successfully Double the DNA Alphabet - "Hachimoji DNA" is structurally sound, offers new possibilities for data storage and raises questions about the molecular makeup potential alien life https://www.smithson[...] 2019-02-25
[11] 논문 Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern 2006-10-29
[12] 논문 Synthetic biology with artificially expanded genetic information systems. From personalized medicine to extraterrestrial life 2003-09-01
[13] 논문 Defining life 2010-12
[14] 뉴스 Synthetic life form grows in Florida lab http://www.nbcnews.c[...] 2019-02-27
[15] 뉴스 New Artificial DNA Points to Alien Life http://www.livescien[...] 2019-02-27
[16] 논문 Efficient and sequence-independent replication of DNA containing a third base pair establishes a functional six-letter genetic alphabet 2012-07
[17] 뉴스 Scientists Have Created Synthetic DNA with 4 Extra Letters https://www.livescie[...] 2019-02-22
[18] 뉴스 Doubling Our DNA Building Blocks Could Lead To New Life Forms https://www.wired.co[...] 2019-02-22
[19] 뉴스 Synthetic DNA could help with search for alien life https://www.cnn.com/[...] 2019-02-22
[20] 뉴스 New Artificial DNA Has Doubled The Alphabet Of Life https://www.iflscien[...] 2019-02-22
[21] 뉴스 地球外生命の設計図？ 情報密度２倍のＤＮＡ作製 米チーム https://www.sankei.c[...] 2024-12-10
[22] 논문 Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks 2019-02
[23] 뉴스 Hachimoji – Expanding the genetic alphabet from four to eight https://www.eurekale[...] 2019-02-22
[24] 뉴스 Research creates DNA-like molecule to aid search for alien life https://phys.org/new[...] 2019-02-22
[25] 뉴스 Hachimoji DNA doubles the genetic code https://physicsworld[...] 2019-02-22
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[30] 논문 Four new DNA letters double life's alphabet 2019-02
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[34] 논문 Defining life 2010-12
[35] 뉴스 Synthetic life form grows in Florida lab http://www.nbcnews.c[...] 2019-02-27
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[37] 간행물 Efficient and sequence-independent replication of DNA containing a third base pair establishes a functional six-letter genetic alphabet 2012-07
[38] 뉴스 Scientists Have Created Synthetic DNA with 4 Extra Letters https://www.livescie[...] Live Science 2019-02-22
[39] 잡지 Doubling Our DNA Building Blocks Could Lead To New Life Forms https://www.wired.co[...] 2019-02-22
[40] 뉴스 Synthetic DNA could help with search for alien life https://www.cnn.com/[...] CNN News 2019-02-22
[41] 뉴스 New Artificial DNA Has Doubled The Alphabet Of Life https://www.iflscien[...] Elise Andrew 2019-02-22
[42] 저널 Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks http://science.scien[...] 2019-02
[43] 뉴스 유전정보 저장 능력 커진 ‘인공 DNA’ 탄생 http://news.donga.co[...] 동아사이언스 2019-02-27
[44] 뉴스 Freaky Eight-Letter DNA Could Be the Stuff Aliens Are Made Of https://gizmodo.com/[...] Gizmodo 2019-02-23


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