단백질이 체내 흡수되는 시스템_프로틴(단백질) 로직 게이트 (protein logic gate)

https://www.bakerlab.org/2020/04/02/de-novo-design-protein-logic-gates/

 

프로틴(단백질) 로직 게이트란?

 

프로틴 로직 게이트는 단백질을 사용하여 정보 처리와 논리 연산을 수행하는 생물학적인 시스템입니다. 이는 생체 내에서 단백질의 상호작용과 변형을 통해 다양한 논리 연산을 수행할 수 있는 기술입니다.

 

프로틴 로직 게이트는 컴퓨터의 논리 게이트와 유사한 원리로 동작합니다. 컴퓨터의 논리 게이트는 입력 신호에 따라 출력을 생성하는데, 프로틴 로직 게이트는 특정한 단백질 상호작용에 의해 입력에 따라 출력을 결정합니다.

 

프로틴 로직 게이트는 다양한 형태로 설계될 수 있으며, AND, OR, NOT 등의 가장 기본적인 논리 연산을 수행할 수 있습니다. 이러한 단순한 논리 연산을 결합하여 복잡한 논리 회로를 형성할 수 있습니다.

 

프로틴 로직 게이트는 생체 내에서 정보 처리와 조절을 수행하는데 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 세포 내에서 특정 조건이 충족되면 특정 유전자를 활성화시키거나 억제하는 등의 기능을 수행할 수 있습니다. 이는 생체 내에서 다양한 신호를 감지하고, 적절한 반응을 일으키는 데에 사용될 수 있습니다.

 

프로틴 로직 게이트는 생물학적 시스템을 기반으로 하기 때문에, 바이오 센서, 의학 분야, 환경 모니터링 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능성을 가지고 있습니다. 하지만 아직은 연구 단계에서이며, 보다 정확하고 안정적인 동작을 위한 연구와 기술 개발이 진행 중입니다.

 

 

프로틴 로직 게이트와 호르몬의 관계

 

호르몬은 생체 내에서 정보 전달과 조절에 중요한 역할을 하는 화학 물질입니다. 호르몬은 주로 내분비 시스템을 통해 분비되며, 세포들 간에 신호 전달을 하고 생체의 다양한 기능을 조절합니다.

프로틴 로직 게이트는 단백질의 상호작용을 기반으로 하는 정보 처리 시스템입니다. 호르몬은 단백질로 구성되어 있으며, 호르몬 수용체와의 상호작용을 통해 다양한 생리적 반응을 일으킵니다. 따라서 프로틴 로직 게이트는 호르몬 수용체와의 상호작용을 통해 호르몬 신호를 처리하고, 생체의 다양한 기능을 조절하는 데에 관여할 수 있습니다.

 

예를 들어, 호르몬 수용체는 호르몬 분자와 특정한 상호작용을 하여 신호를 전달합니다. 이 신호는 프로틴 로직 게이트의 입력 신호로 작용하여 특정한 논리 연산을 수행하고, 이를 통해 생체의 대사, 성장, 발달 등을 제어할 수 있습니다.

또한, 프로틴 로직 게이트는 호르몬의 음성 피드백 메커니즘과 관련된 기능을 수행할 수도 있습니다. 음성 피드백은 호르몬 분비 과정에서 발생하는데, 호르몬 수용체에 의해 감지된 호르몬의 양에 따라 다시 호르몬의 분비가 조절됩니다. 프로틴 로직 게이트는 이러한 음성 피드백 신호를 처리하여 호르몬 분비를 조절하는데에 관여할 수 있습니다.

따라서 프로틴 로직 게이트와 호르몬 간에는 상호작용과 조절의 관계가 있으며, 생체 내에서 정보 전달과 조절 메커니즘에 함께 작용할 수 있습니다. 이는 생체의 다양한 생리적 프로세스와 조절에 관련된 연구와 응용 분야에서 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 의미합니다.

 

응용 예시

단백질 음식 100g을 한번에 섭취 할 때와 3 ~ 4시간 마다 나눠서 섭취하는 것과의 연관성

 

프로틴 로직 게이트는 입력 신호에 따라 출력을 결정하는데, 이와 유사하게 단백질을 섭취하는 방식도 입력과 출력의 관계를 가질 수 있습니다.

단백질 섭취를 한 번에 100g을 섭취하는 경우, 한 번의 입력으로 많은 양의 단백질이 혈중에 공급됩니다. 이 경우, 혈중 아미노산 농도가 상승하고 근육 합성이 촉진될 수 있습니다. 이는 프로틴 로직 게이트의 AND 게이트와 유사한 개념입니다. 즉, 단백질을 섭취하기 위한 두 개의 입력 (100g 섭취)이 동시에 존재할 때 근육 합성이 활성화되는 것으로 볼 수 있습니다.

반면, 3번에 나눠서 100g의 단백질을 섭취하는 경우, 단백질의 입력이 여러 번에 걸쳐 이루어지며 혈중 아미노산 농도가 일정하게 유지될 수 있습니다. 이는 프로틴 로직 게이트의 OR 게이트와 유사한 개념입니다. 즉, 단백질을 섭취하기 위한 두 개의 입력 (3번에 나눠서 섭취) 중 하나만 존재해도 근육 합성이 활성화될 수 있는 것으로 볼 수 있습니다.

이처럼, 단백질 섭취 방식은 프로틴 로직 게이트의 입력과 출력의 관계와 유사한 원리를 가질 수 있습니다. 단백질을 섭취하는 빈도와 양은 혈중 아미노산 농도와 근육 합성에 영향을 줄 수 있으므로, 개인의 목표와 상황에 맞게 적절한 섭취 방식을 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

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참고 사이트 (1)

Two-input protein logic gate for computation in living cells

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26937-x

 

"De novo design of protein logic gates with geometrically modular molecular interfaces"라는 논문을 다루고 있습니다. 이 논문은 세포 내에서 작동하는 단백질 논리 게이트를 분자 수준에서 설계하고 실험적으로 검증한 내용을 다루고 있습니다.

논문에서는 프로틴 디자인을 위해 기하학적으로 모듈식 분자 인터페이스를 활용하였습니다. 연구진은 Rosetta 단백질 디자인 소프트웨어를 사용하여 원하는 논리 연산을 수행할 수 있는 단백질 구조를 설계하였습니다. 이 때, 분자 인터페이스의 구조적 특성과 유동성을 고려하여 단백질의 기하학적 모듈성을 달성하였습니다.

실험적으로는 설계된 단백질 논리 게이트의 기능을 효모 세포에서 확인하였습니다. 논문에서는 AND, OR, NAND, NOR 등의 논리 연산을 수행하는 단백질 게이트를 성공적으로 구축하고, 이를 효모 세포 내에서 작동시키는 것을 보여주었습니다.

연구 결과는 단백질 디자인의 가능성과 유효성을 입증하며, 분자 수준에서 논리 게이트를 설계하여 생물학적 시스템을 조절하고 제어하는 새로운 접근법을 제시합니다. 이러한 기술은 미래에는 생체 내에서 복잡한 계산과 제어를 수행할 수 있는 더욱 정교한 단백질 논리 게이트의 개발을 위한 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대됩니다.

논문의 저자들은 이러한 프로틴 로직 게이트 기술이 생명과학, 생명공학, 의학 등 다양한 분야에서 응용 가능성을 제공하고, 생체 내에서 논리 연산과 정보 처리를 수행하는 새로운 도구로서 활용될 수 있다고 기대하고 있습니다.

 

 

참고사이트 (2)

Design of Protein Logic Gate System Operating on Lipid Membranes

 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.9b00340 

"Programmable Protein Logic Gates in Living Cells"라는 논문을 소개하고 있습니다. 이 논문은 University of Washington의 David Baker 연구팀과 협력자들이 세포 내에서 프로그래밍 가능한 단백질 논리 게이트를 설계하고 실험적으로 검증한 내용을 다루고 있습니다.

논문에서는 단백질 논리 게이트를 설계하기 위해 이중이상체라는 개념을 활용하였습니다. 이중이상체는 두 개의 단백질로 구성되며, 이들이 결합하여 특정한 논리 연산을 수행하는 기능을 갖습니다. 연구진은 프로틴 디자인 소프트웨어인 Rosetta를 사용하여 이중이상체의 구조와 상호작용을 예측하고 최적화했습니다.

실험적으로는 효모 세포와 인간 T 세포에서 설계된 단백질 논리 게이트의 기능을 평가했습니다. 예를 들어, AND 게이트는 두 개의 입력 신호가 동시에 존재할 때에만 출력을 내보내는 동작을 수행합니다. OR 게이트는 두 개의 입력 중 하나 이상이 존재할 경우 출력을 내보냅니다. 이러한 논리 게이트는 단백질 분할 효소나 전사 기계와 같은 다양한 단백질 유닛을 제어하기 위해 사용되었습니다.

결과적으로, 연구진은 세포 내에서 프로그래밍 가능한 단백질 논리 게이트의 설계와 기능을 성공적으로 입증하였습니다. 이러한 기술은 생물학적 시스템을 조절하고 제어하기 위한 새로운 도구로 활용될 수 있으며, 미래에는 보다 복잡한 계산과 기능을 수행하는 단백질 논리 게이트의 개발을 희망하고 있습니다.

논문의 저자들은 이 프로틴 로직 게이트 기술이 생명과학 분야에서 다양한 응용 가능성을 제공할 수 있으며, 세포 신호 경로와의 상호 작용이 가능한 새로운 경로를 구축하는 데에도 도움이 될 수 있다고 기대하고 있습니다.