대학원에서 준 첫 프로젝트입니다. 앞으로 관련 연구 및 논문들을 업로드 할 예정입니다.
이미지 출처:Kurzgesagt
박테리아와 바이러스의 관계
박테리아는 세균을 의미하며, 바이러스는 박테리아를 포함한 다양한 생명체에 감염될 수 있는 미세한 병원체입니다. 바이러스 중에서도 박테리아에 감염되는 바이러스를 파지(Bacteriophage)라고 부르는데, 이러한 파지는 박테리아 내부에 침입하여 자신의 유전물질을 주입하고, 박테리아의 세포 기구를 이용해 자신을 복제합니다. 박테리아는 이런 바이러스의 감염에 대항하여 자신을 보호하기 위한 여러 방어 메커니즘을 발전시켜 왔습니다. 그중 하나가 바로 CRISPR-Cas 시스템입니다.
생물쪽에 지식이 전무해서 이게 무슨 소리인가 해서 찾아봤습니다.
바이러스는 세포 자체가 아니므로, 독립적으로 생명 활동을 수행할 수 없습니다. 대신, 바이러스는 박테리아와 같은 숙주 세포에 자신의 유전물질(보통 DNA나 RNA)을 주입합니다.
구체적으로, 박테리아에 감염하는 바이러스인 파지(Bacteriophage)는 박테리아 세포에 침입하여 자신의 유전물질을 박테리아 내부로 주입합니다. 그러면 바이러스의 유전물질이 박테리아의 세포 기구를 장악하고, 이를 이용해 바이러스의 구성 요소를 복제하고 조립합니다.
이 과정은 다음과 같이 진행됩니다:
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유전물질 주입: 파지가 박테리아의 세포벽을 뚫고 자신의 유전물질을 주입합니다.
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유전물질 복제: 주입된 바이러스 유전물질이 박테리아의 세포 기구를 장악하여, 자신의 유전물질을 복제하고 바이러스의 단백질 껍질 등을 만듭니다.
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조립: 복제된 바이러스 유전물질과 단백질이 조립되어 새로운 바이러스 입자가 형성됩니다.
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세포 파괴 (용균 과정): 다량의 바이러스 입자가 조립되면, 박테리아 세포가 파괴되어 새로운 바이러스들이 방출됩니다. 이 바이러스들은 다른 박테리아를 감염시켜 동일한 과정을 반복합니다.
이렇게 바이러스는 박테리아를 포함한 숙주 세포를 이용하여 자신을 복제하고 확산합니다. 따라서 바이러스는 박테리아 세포를 바이러스 복제 기계로 사용하는 셈입니다.
CRISPR 유전자 가위
CRISPR는 "Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats"의 약자로, 박테리아와 고세균이 바이러스의 유전자 공격으로부터 자신을 보호하기 위해 사용하는 방어 시스템입니다. 이 시스템은 박테리아가 파지와 같은 바이러스에 감염될 때, 바이러스의 DNA 일부를 자신의 유전자 내에 특정한 위치에 삽입하고, 이를 통해 이후에 같은 바이러스가 다시 침입할 경우 신속하게 인식하고 제거할 수 있게 합니다.
CRISPR-Cas 시스템은 주로 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:
1. CRISPR 배열: 이 배열은 바이러스의 DNA 조각을 포함하고 있으며, 반복 서열 사이에 스페이서(spacer)라고 불리는 바이러스 DNA가 삽입되어 있습니다. 스페이서 DNA는 박테리아가 이전에 감염된 바이러스의 유전 정보를 기억하는 역할을 합니다.
- Cas 단백질: "CRISPR-associated" 단백질로, 이 단백질은 CRISPR 배열에서 전사된 RNA를 인식하고, 이를 가이드 삼아 표적 바이러스 DNA를 잘라내는 역할을 합니다. Cas9은 이러한 Cas 단백질 중 가장 잘 알려져 있으며, 특히 유전자 편집 도구로 널리 사용됩니다.
CRISPR-Cas 시스템의 작동 원리
1. 면역 형성: 박테리아가 바이러스에 처음 감염되면, 바이러스의 DNA 조각이 CRISPR 배열에 삽입되어 스페이서가 됩니다. 이 과정은 바이러스의 유전자 정보를 기억하는 단계입니다.
- 면역 반응: 동일한 바이러스가 다시 침입하면, CRISPR 배열에서 스페이서 부분이 RNA로 전사됩니다. 이 RNA는 Cas 단백질에 결합하여, 침입한 바이러스의 DNA를 찾아 잘라내는 역할을 합니다. 이 과정에서 바이러스는 불활성화되고, 감염이 방지됩니다.
크리스퍼(CRISPR) 시스템이 작동하려면 박테리아가 이전에 바이러스(주로 파지)에 감염된 경험이 있어야 합니다. 이 과정에서 박테리아는 바이러스의 유전물질 일부를 자신의 CRISPR 배열에 삽입하여 "기억"하게 됩니다. 이렇게 기억된 바이러스의 유전물질 조각을 스페이서(spacer)라고 부르며, 이는 이후 동일한 바이러스가 다시 감염되었을 때 이를 인식하고 방어하는 데 사용됩니다.
그러나 처음 감염 때의 상황에 따라 박테리아의 운명은 달라질 수 있습니다.
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성공적인 CRISPR 반응: 바이러스가 박테리아에 처음 감염되었을 때, 박테리아가 CRISPR 시스템을 통해 바이러스의 유전물질을 성공적으로 인식하고 이를 CRISPR 배열에 삽입하면, 이 박테리아는 다음에 동일한 바이러스가 침입할 때 그 바이러스의 DNA를 잘라내어 감염을 막을 수 있습니다. 이렇게 되면 박테리아는 생존할 수 있습니다.
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실패한 방어: 그러나 만약 CRISPR 시스템이 작동하지 않거나, 바이러스가 CRISPR 시스템을 회피하는 돌연변이를 가지고 있다면, 바이러스는 박테리아의 방어를 뚫고 박테리아 내부에서 자신을 복제하기 시작합니다. 이 경우 박테리아는 바이러스 복제 공장으로 전락하게 되고, 결국 세포가 파괴되어 새로운 바이러스들이 방출됩니다. 이 과정에서 박테리아는 완전히 파괴되고, 바이러스로 전환되지는 않지만, 바이러스에 의해 사멸하게 됩니다.
따라서 CRISPR 시스템이 제대로 작동하려면 박테리아가 먼저 바이러스의 유전물질 일부를 CRISPR 배열에 통합해야 하며, 이는 박테리아가 바이러스 감염을 겪은 후에야 가능합니다. 처음 감염에서 CRISPR가 제대로 작동하지 못하면, 박테리아는 생존하지 못하고 바이러스에 의해 파괴될 가능성이 높습니다.
이 시스템은 박테리아가 바이러스와의 싸움에서 이기도록 돕는 중요한 방어 메커니즘입니다. 그러나 박테리아가 처음 감염에서 성공적으로 방어하지 못하면 바이러스가 우위를 점하게 되고, 박테리아는 결국 파괴됩니다.
정리
결국 박테리아의 CRISPR 시스템을 이용한게 크리스퍼 유전가위의 본질이라 볼 수 있습니다. 저희가 감기나 질병에 걸리면 면역력이 생기는 것과 본질적으로 비슷해 보입니다.
예를들어 박테리아 유전자 구조가 00000000 일 때 바이러스에 감염되면 00010000으로 변하다가 저항에 실패하면 11111111 이렇게 된다고 가정하죠. 저항에 성공하면 다음에 유전정보에서 1이 발견되면 이를 제거하고 000#0000 이렇게 유전 정보를 잘라낸 다음 복구합니다.
이걸 딥러닝으로 무엇을 분석하라고 하는건진 다른 자료들을 조금 더 찾아봐야겠네요.
출처:
ChatGPT
https://en.wikipedia.org/wiki/Cas9
https://namu.wiki/w/CRISPR
https://www.youtube.com/watch?v=jAhjPd4uNFY
의외로 나무위키에 설명이 되게 자세하게 잘 되어있네요.
