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고래와 같은 동물이 잠수병에 걸리지 않는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 잠수병은 사람이 깊은 수심에서 오랫동안 잠수한 뒤 급격히 수면으로 올라올 때, 체내에 용해되어 있던 질소 기체(N₂)가 기포로 변하면서 혈관이나 조직을 막아 생기는 현상입니다.고래는 일정 수심에 도달하면 폐 속의 공기가 압력에 의해 완전히 허파꽈리에서 기관지 쪽으로 밀려나며, 폐가 붕괴하는데요, 이 때문에 가스 교환이 사실상 멈추게 되고, 추가적인 질소가 혈액으로 녹아들지 않습니다. 반대로 사람은 폐가 끝까지 공기를 가지고 있어, 깊이 들어갈수록 질소가 과도하게 혈액에 녹아드는 문제가 생깁니다. 즉 사람은 주로 폐에 산소를 저장하지만, 고래는 근육과 혈액에 산소를 저장하는데요, 고래 근육에는 미오글로빈이라는 혈색소의 농도가 매우 높아, 산소를 단단히 붙잡아두어 잠수 중에도 안정적으로 공급할 수 있습니다. 따라서 폐 안의 공기를 오래 유지할 필요가 없으므로, 폐를 접어 질소 흡수를 최소화할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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감염된 세포에서 바이러스가 방출되는 방식은 어떤 차이를 가지나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 바이러스가 숙주세포에서 빠져나오는 방식은 크게 세포 용해와 출아 두 가지로 나눌 수 있습니다. 우선 세포 용해는 주로 비외피 바이러스에서 나타나는데요 바이러스가 숙주세포 내에서 대량 증식한 뒤, 세포막이나 세포벽을 파괴하여 한꺼번에 방출됩니다. 이 과정은 숙주세포의 즉각적인 죽음을 초래하는데요, 대표적인 예시로는 박테리오파지, 아데노바이러스, 엔테로바이러스 등이 있으며 단시간에 많은 수의 바이러스를 방출할 수 있다는 장점이 있고, 반면에 단점으로는 숙주세포가 곧바로 사멸하므로, 감염이 장기간 지속되기 어렵고 바이러스 확산이 다소 제한적일 수 있습니다. 다음으로 출아는 외피 바이러스에서 나타나는 방식인데요, 숙주세포의 세포막, 소포체, 골지체 등 막 구조 일부를 이용해 바이러스 입자를 감싸면서 세포 밖으로 나옵니다. 이때 세포막에서 얻은 인지질 이중층이 바이러스의 외피가 되며 세포는 당장 죽지 않고, 일정 기간 동안 지속적으로 바이러스를 생산할 수 있습니다. 대표적인 예시로는 인플루엔자 바이러스, HIV, 헤르페스바이러스 등이 있고 장점으로는 숙주세포를 곧바로 죽이지 않고 장기간 감염을 유지할 수 있으며 또한 외피를 얻음으로써 면역 회피나 숙주세포와의 융합 등 추가적 이점을 가집니다. 반면에 단점으로는 외피가 쉽게 손상되므로, 환경에 대한 저항성이 낮고 숙주 밖에서는 생존력이 떨어집니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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거대바이러스는 기존 바이러스 개념과 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 거대바이러스는 2000년대 초반 발견되면서 기존의 바이러스 개념에서 벗어난 존재인데요, 바이러스치고는 매우 크고 복잡한 유전체를 가진 것이 특징입니다. 일반적인 바이러스는 직경이 수십~수백 nm 정도로, 전자현미경 수준에서만 관찰 가능하며 세균보다 훨씬 작습니다. 하지만 거대바이러스는 직경이 200~700 nm에 달하는 경우가 많아, 심지어 광학현미경으로도 관찰 가능할 정도로 크며 일부는 소형 세균만큼 크기 때문에 세균과 구분이 어려울 정도입니다. 또한 거대바이러스는 유전체 크기가 1~2.5 Mbp에 달하며, 수천 개 유전자를 가질 수 있는데요, 예를 들어서 판도라바이러스는 약 2,500개 이상의 유전자를 보유하고 있으며 이는 일부 세균보다 많습니다. 게다가 전사, DNA 수선, 단백질 접힘, 심지어 아미노아실 tRNA 합성효소 같은 단백질 번역 관련 효소까지 암호화하고 있습니다. 하지만 거대바이러스 역시 바이러스에 속하기 때문에 여전히 리보솜은 없으므로, 완전한 독립 번역 능력은 없습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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코로나바이러스가 스파이크 단백질을 통해 세포에 침투하는 과정을 분자적 수준에서 어떻게 설명가능한가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 코로나바이러스(SARS-CoV-2)가 숙주 세포에 침투하는 과정은 바이러스 외피에 존재하는 스파이크 단백질이 숙주 세포의 표면 수용체와 상호작용하는 데서 시작됩니다. S 단백질은 트라이머 구조로 존재하며, 두 가지 기능적 부분으로 나뉘는데요, 우선 S1 서브유닛은 숙주 세포 수용체(ACE2)에 결합하는 수용체 결합 도메인을 가지고 있으며, S2 서브유닛은 바이러스와 세포막을 실제로 융합시키는 융합 도메인을 가지고 있습니다. 이때 S 단백질은 원래 불활성 전구체 형태로 존재하다가, 숙주 세포의 단백질 분해효소에 의해 S1/S2 경계부 절단이 일어나야 활성화됩니다. 이후 바이러스가 숙주 세포에 접근하면, S1의 RBD가 숙주 세포 표면에 있는 ACE2 수용체를 인식하고 결합하며 이 결합으로 인해 S 단백질의 구조가 변하면서 S2 부분이 노출될 준비를 합니다. ACE2에 결합한 후, 숙주 세포막에 있는 세린 프로테아제 TMPRSS2 또는 엔도솜 내의 카텝신과 같은 단백질 분해효소가 S단백질을 추가적으로 절단하고, 이 절단은 S2 내의 융합 펩타이드를 노출시켜서 바이러스 외피와 세포막의 융합을 가능하게 합니다. 마지막으로 노출된 S2 서브유닛은 큰 구조적 변화를 일으켜, 융합 펩타이드가 숙주 세포막에 삽입되는데요, 이어서 S2 단백질은 헤어핀 형태로 접히며, 바이러스 외피와 세포막을 점점 밀착시키고 결국 두 막이 융합하여, 바이러스의 RNA 유전체(-ssRNA)가 세포질로 방출되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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세균 감염 치료에 박테리오파지를 활용하려는 연구(파지 요법)가 주목받는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 세균 감염 치료에서 박테리오파지를 활용하는 파지 요법이 주목받는 이유는 항생제 내성의 확산과 밀접한 관련이 있는데요, 항생제는 광범위하게 세균을 억제하거나 죽이지만, 장기간 사용되면서 세균 집단 내부에서 돌연변이나 유전자 교환을 통해 항생제 내성균이 빠르게 출현하고 전파되는 문제가 발생하기 쉽습니다. 반면 박테리오파지는 세균에 특이적으로 감염하는 바이러스인데요, 항생제가 정상 장내세균총까지 무차별적으로 억제하는 것과 달리, 파지는 특정 세균 종이나 심지어 특정 균주에만 선택적으로 작용합니다. 따라서 환자의 정상 세균총을 보존하면서 목표 병원균만 제거할 수 있어 부작용이 적습니다. 또한 파지는 세균의 세포벽, 막 단백질, 수용체 등을 인식하여 감염하므로 기존의 항생제 내성 기작에 영향을 받지 않는데요 즉, 다제내성균에 대해서도 치료 가능성을 가집니다. 게다가 파지는 숙주 세균 안에서 증식한 후 용균 과정을 거쳐 다수의 새로운 파지를 방출합니다. 따라서 감염 세균이 존재하는 동안 스스로 증식하면서 치료 효과를 확대하기 때문에, 일정 수준만 투여해도 감염 부위에서 파지 농도가 유지될 수 있다는 장점이 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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RNA 바이러스가 DNA 바이러스보다 변이가 빠르게 일어나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 RNA 바이러스가 DNA 바이러스보다 변이가 빠르게 일어나는 이유는 복제 과정에서의 오류율 차이와 유전체 안정성 차이에 의한 것입니다. 우선 DNA 바이러스는 보통 DNA 의존적 DNA 중합효소를 이용해 유전체를 복제하기 때문에 이 효소는 proofreading 기능을 가지고 있어 잘못된 염기를 삽입했을 때 제거하고 다시 교정할 수 있으며, 따라서 복제 오류율이 낮습니다. 반면에 RNA 바이러스는 RNA 의존적 RNA 중합효소(RdRp)를 사용하는데요, 따라서 대부분의 RdRp에는 proofreading 기능이 없으며 이로 인해 잘못된 염기가 들어가도 수정되지 않아 변이율이 높습니다. 게다가 DNA는 화학적으로 안정적이며, 세포 내에도 다양한 DNA 복구 기작인 염기 절제 복구, 상동 재조합 복구가 존재하는데요 반대로 RNA는 상대적으로 불안정하여 분해되기 쉽고, 숙주 세포에도 RNA 복구 시스템은 사실상 존재하지 않습니다. 즉 RNA 바이러스는 오류율이 높아 빠른 진화 속도를 가지며, 이로 인해 면역 회피, 백신 저항성, 항바이러스제 내성이 쉽게 나타나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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바이러스의 외피가 숙주 세포막에서 유래한다는 점은 어떤 의미를 가지나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 바이러스의 외피가 숙주 세포막에서 유래한다는 사실은 단순히 겉껍질을 덮고 있다는 의미를 넘어, 바이러스의 감염 전략과 면역 회피 능력, 그리고 숙주 의존성을 잘 보여주는 것입니다. 외피는 바이러스가 세포 밖으로 방출될 때, 세포막이나 핵막, 소포체, 골지체와 같은 숙주 세포의 막 구조 일부를 끌어와 형성되는데요 이 과정에서 바이러스 고유 단백질인 스파이크 단백질 등이 숙주 막에 삽입되어 있다가 함께 외피로 포함되며 따라서 외피는 숙주의 성분 + 바이러스 특유 단백질로 이루어진 혼합 구조라고 말할 수 있습니다. 이처럼 외피가 숙주 세포막에서 유래했기 때문에, 외피 자체의 인지질 성분은 숙주 세포와 동일한데요 덕분에 초기 단계에서 선천 면역계의 대식세포가 이물질로 인식하기 어려워, 바이러스가 면역 감시망을 일정 부분 회피할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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줄기세포 연구가 손상된 신체 조직 재생에 응용죄는 방식은?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 줄기세포 연구가 손상된 신체 조직 재생에 응용되는 방식은, 줄기세포가 가지고 있는 자가 재생 능력과 다분화능이라는 고유한 성질을 활용하는 것이라고 보시면 됩니다. 우선 줄기세포를 손상된 부위에 이식하면, 해당 환경에서 성장인자, 사이토카인과 같은 특정한 신호를 받아 필요한 세포 유형으로 분화하는데요, 예를 들어서 근육 줄기세포는 근섬유로 분화해 근위축증 환자의 근육을 회복시킬 수 있고, 조혈모세포 이식을 통해서 백혈병 환자의 혈액세포를 재생할 수 있습니다. 또한 줄기세포는 반드시 직접 손상 부위의 세포로 분화하지 않아도, 다양한 성장인자와 사이토카인을 분비하여 주변 세포의 생존, 증식, 회복을 돕는데요, 예를 들어서 중간엽줄기세포(MSC)는 항염증성 사이토카인을 분비해 조직 손상을 줄이고, 혈관 신생을 유도하여 회복 환경을 만들어줍니다. 이외에도 유전적 결함이 있는 환자의 경우, 줄기세포를 채취한 후 유전자 교정(CRISPR-Cas9)을 통해 결함을 수정한 뒤 환자에게 다시 이식할 수 있는데요 예를 들어서 겸상적혈구병과 같은 일부 선천성 면역결핍증 치료 연구에 사용될 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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박테리오파지가 세균을 감염시킬 때 나타나는 생활사적 특징은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 '박테리오파지'란 대장균을 숙주세포로 삼는 바이러스를 의미합니다. 감염 시 두 가지 대표적인 생활사적 경로를 선택할 수 있는데요, 이 두 가지 경로는 용균성 생활사와 용원성 생활사입니다. 우선 용균성 생활사의 경우 박테리오파지가 세균 세포를 즉각적으로 자신의 복제 공장으로 전환시켜, 새로운 파지 입자를 대량 생산하는데요, 일정 시간이 지나면 숙주 세포는 파괴되며 수십~수백 개의 새로운 파지가 방출되고, 이 과정은 숙주 세포의 빠른 사멸을 초래합니다. 다음으로 용원성 생활사의 경우 박테리오파지가 즉시 숙주를 파괴하지 않고, 자신의 DNA를 숙주의 염색체 속에 프로파지 형태로 삽입하는데요 이 상태에서 바이러스 유전자는 잠복하며, 세균의 분열과 함께 복제됩니다. 이때 환경이 자외선, 화학물질 등의 스트레스에 노출되면, 프로파지는 활성화되어 용균성 주기로 전환될 수 있습니다. 박테리오파지의 생활사적 특징은 환경 조건에 따라 숙주 세포를 즉시 파괴하는 전략(용균성)과 숙주 유전체 속에 잠복해 기회를 기다리는 전략(용원성)을 선택할 수 있다는 점이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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프리온과 바이러스는 어떤 점에서 유사하고, 또 어떤 점에서 근본적으로 다른가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 프리온과 바이러스는 모두 세균보다 작은 비세포성 감염 인자라는 점에서 비슷하게 묶여 이야기되곤 하지만, 그 본질과 작동 원리에서 큰 차이를 갖습니다. 우선 프리온과 바이러스 모두 스스로 세포 구조를 가지지 않으며, 전통적인 의미의 생명체라고 부르기 어려운데요, 따라서 감염과 증식 과정에서 숙주 세포의 체계를 반드시 필요로 합니다. 또한 둘 다 숙주 내에 들어오면 일반 항생제 같은 전통적 약물로 제거가 어려우며 특히 프리온은 단백질 분해 효소나 고온에도 강해 소독조차 까다롭습니다. 바이러스의 경우에는 DNA 또는 RNA 중 하나를 게놈으로 가지고 있으며, 이를 이용해 숙주의 전사·번역 시스템을 빼앗아 단백질을 합성하고 복제하는데요, 반면에 프리온은 유전물질이 전혀 없으며 단백질(PrP^Sc, 변형된 프리온 단백질) 하나만으로 전염성과 증식성을 가집니다. 또한 프리온의 전파 방식은 독특한데요, 정상적인 프리온 단백질(PrP^C)의 입체 구조를 변형된 구조(PrP^Sc)로 강제 전환시키는 방식으로 증식하며 즉, 구조 전환이 핵심이라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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