안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 생명과학에서 합성생물학이 신약 개발과 친환경 소재 생산에 활용되는 원리는?
안녕하세요. 네 질문해주신 합성생물학은 생물 시스템을 공학적 설계 관점에서 새롭게 설계하거나 개조하는 학문 분야인데요 이를 통해 기존 자연에서 발견되지 않았거나, 효율적이지 않았던 기능을 인위적으로 구현하는 방향으로 적용될 수 있습니다. 활용되는 원리에 대해서 설명드리자면 합성생물학에서는 대장균이나 효모와 같은 미생물에 특정 효소 유전자 집합을 삽입하거나 재조합하여 새로운 화합물을 합성하도록 설계할 수 있는데요, 예를 들자면 아르테미시닌(말라리아 치료제) 전구체 합성과정에서 원래 식물에서만 합성되던 아르테미시닌 전구체를 재조합 효모에서 생산하도록 설계하여 대량생산이 가능해집니다. 이외에도 특정 환경 신호나 물질 농도에 반응하여 약물 전구체를 선택적으로 생산하도록 미생물을 프로그래밍을 가능하게 하며 이를 통해 정밀 약물 생산 및 부작용 최소화할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 오페론을 가지고 있을 때의 장점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 원핵생물, 특히 대장균(E. coli) 같은 세균에서 오페론시스템을 갖는 것은 여러 가지 장점이 있는데요, 오페론은 관련된 유전자들을 하나의 단위로 묶어 조절하는 시스템이기 때문에, 효율성과 적응성 측면에서 매우 유리하다고 볼 수 있습니다. 오페론에는 같은 생화학 경로에서 필요한 구조 유전자들이 함께 모여 있는데요, 하나의 프로모터와 오퍼레이터 조절만으로 관련 효소들을 동시에 발현 가능하기 때문에 에너지와 자원을 절약할 수 있습니다. 또한 세균은 주변의 환경에 따라서 빠르게 유전자 발현 패턴을 바꿔야하는데요, 오페론이 있으면 특정 신호를 받아서 즉각적으로 전사 활성화가 가능합니다. 또한 관련 효소들이 동시에 만들어지므로, 대사 경로의 흐름을 최적화할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 비리온과 비로이드는 어떠한 차이가 있나요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 이름이 비슷해서 헷갈리기 쉽지만, 비리온과 비로이드는 구조와 복제 방식에서 완전히 다른 생물학적 개체인데요, 우선 비리온은 감염성 바이러스 입자의 완전히 성숙한 형태를 말하는 것입니다. DNA 또는 RNA와 같은 핵산과 캡시드 단백질로 이루어져 있으며, 스스로 증식하지 못하고 숙주 세포에 의존해야 하는 바이러스입니다. 반면에 비로이드란 식물만 감염시키는 아주 작은 감염성 RNA 분자를 말하는 것인데요, 단일가닥 RNA로만 이루어져 있으며 단백질 껍질을 가지고 있지 않으며 바이러스와 달리 캡시드가 없고, 외피도 없습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물조직배양 배지에서 한천 써도 되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 식물 조직배양에서 배지를 만들 때 흔히 한천을 사용하는데요, 배지에서 한천은 고체화 역할을 합니다. 이를 통해서 식물 조직이 떠다니지 않고 고정되어 성장하도록 해주며, 영양분과 성장인자를 담는 매트릭스 역할을 하는데요, 따라서 순수한 한천이면 기본적인 고체 배지 형성에는 문제가 없습니다. 다만 식용성 한천의 경우에는 식품용이므로 미생물 오염이나 기타 불순물이 있을 수 있는데요, 배지에서 필요한 pH나 영양 조절에 영향을 줄 수 있는 미량 성분이 포함되어 있을 수 있습니다. 따라서 배양 기간이 길거나 민감한 조직에는 오염 위험이 더 높을 수 있습니다. 따라서 단기 실험이나 간단한 조직배양에서는 식용 한천을 사용할 수도 있지만 정밀한 연구, 장기간 배양, 혹은 미생물 오염을 최대한 피해야 하는 경우에는 반드시 plant agar처럼 고순도 한천을 사용하는 것이 좋습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인플루엔자 바이러스는 캡시드 단백질이 특이하게 이루어져 있다고 하는데요 어떤 특징이 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 일반적인 바이러스들은 캡시드 단백질 껍질이 유전물질을 직접 감싸 보호하는 형태를 가지지만, 인플루엔자 바이러스는 그 구조가 조금 특이한데요, 인플루엔자 바이러스는 전통적인 의미에서 icosahedral 형태의 캡시드를 가지고 있지 않습니다. 대신, RNA 게놈이 뉴클레오단백질과 결합하여 리보뉴클레오단백질(RNP) 복합체를 형성합니다. 즉, 유전체를 보호하는 구조가 일반적인 단단한 캡시드 단백질이 아니라 NP가 감싼 유연한 사슬 구조입니다. 또한 인플루엔자는 단일 연속 RNA가 아니라 8개의 분절된(-) 단일가닥 RNA로 이루어져 있으며, 각각의 RNA는 NP와 중합효소 단백질(PB1, PB2, PA)과 함께 독립적인 RNP 복합체를 형성하는데요, 따라서 게놈 전체를 하나의 캡시드가 감싸는 것이 아니라 여러 RNP 단위가 바이러스 안에서 따로따로 존재합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 조절자는 왜 오페론을 포함시키지 않나요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 젖당 오페론을 비롯한 오페론은 원핵생물에서 여러 유전자가 하나의 프로모터와 조절 구역 아래에서 동시에 발현되는 집단 유전자 발현 체계인데요, 이떄 말씀하신 조절자, 즉 억제 단백질을 만드는 유전자는 오페론에 포함되지 않고 오페론 바깥에 따로 존재하는 경우가 많습니다. 오페론은 주로 같은 대사 경로에서 함께 필요한 단백질들을 묶어서 한꺼번에 발현시키는 구조인데요, 반면 조절자 유전자(lacI)는 젖당을 직접 분해하거나 수송하지 않고, 단지 오페론의 발현 여부를 제어하는 조절 단백질(억제자)을 만듭니다.즉, 조절자의 산물은 작동 스위치와 같이 작용할 뿐이지 실제 대사 반응에 참여하지 않으므로, 기능적으로 구조 유전자들과 묶일 이유가 없는 것입니다. 또한 lacI와 같은 조절자 유전자는 항상 낮은 수준으로 발현되어 억제자 단백질을 일정량 생산해야 하기 때문에 발현이 조절받는 오페론에 속하지 않는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 젖당 오페론을 구성하는 구조 유전자의 기능은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 젖당 오페론은 대장균이 포도당 대신 젖당을 에너지원으로 활용할 수 있도록 하는 대표적인 오페론인데요,오페론에는 여러 요소 예를 들자면 프로모터, 오퍼레이터, 조절 유전자 등이있지만, 그중 구조 유전자들은 실제로 젖당을 분해하고 이용하는 데 필요한 효소 단백질을 암호화하고 있습니다. 젖당 오페론에는 크게 3개의 주요 구조 유전자가 있는데요 우선 lacZ는 β-갈락토시다아제라는 효소를 암호화하며, 이 효소는 젖당을 포도당과 갈락토오스로 분해하는 역할을 합니다. 다음으로 lacY는 젖당 퍼머아제라는 단백질을 암호화하며, 이는 세포막에 존재하는 수송 단백질로, 세포 밖의 젖당을 안쪽으로 들여보내는 통로 역할을 합니다. 마지막으로 lacA는 티오갈락토시드 트랜스아세틸라제라는 효소를 암호화하며， 젖당 대사 과정에서 생길 수 있는 유해한 부산물을 제거하거나, 비슷한 구조의 다른 갈락토시드 대사에 도움을 주는 것으로 알려져 있습니다． 감사합니다．
생물·생명
Q. 포도당이 있고 젖당도 있는 상황에서는 젖당 오페론이 작동하지 않나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 세균의 젖당 오페론은 두가지 신호에 의해서 조절되는데요, 우선 lac 오페론에는 억제자 단백질이 프로모터 앞의 operator에 결합해 전사를 막고 있습니다. 세포 안에 젖당이 들어오면 이 젖당이 억제자 단백질에 결합하여 구조적 변화를 유도하며 그 결과 억제자가 DNA에서 떨어져나가고, RNA 중합효소가 프로모터에 접근할 수 있는 상태가 됩니다. 즉, 젖당은 억제 신호를 해제하는 역할을 합니다.반면에 세균은 에너지원이 여러 개 있을 때 가장 효율적인 포도당을 먼저 사용하는데요 따라서 포도당이 충분할 경우, 세포 내 cAMP 농도가 낮아집니다. lac 오페론이 강하게 발현되기 위해서는 cAMP–CAP 복합체가 프로모터 상류에 결합해 RNA 중합효소를 안정화시켜야 하는데, 포도당이 많으면 이 신호가 약해지기 때문에 따라서 젖당이 있어 억제자가 떨어져 있어도, 포도당이 있으면 오페론의 전사는 제대로 활성화되지 못하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 살면서 그동안 궁금했던거를 물어볼게요
안녕하세요. 철학적인 질문을 주셨네요. 우선 이해를 두 가지 층으로 나누어 생각해봤을 때 첫째는 정보 처리와 규칙 인식, 즉 인지 능력이고, 둘째는 의미나 가치, 주관적 경험과 관련된 주관성입니다. 어떤 외계 생명체가 높은 정보처리 능력과 복잡한 사회구조와 언어 비슷한 기호체계를 가지고 있다면 예술적 형식이나 철학적 논증을 분석하고 생성할 능력을 가질 수 있을 것입니다. 능하지만 인간이 느끼는 미적 감동이나 가치 판단은 그 생명의 감각 체계와 진화적 필요에 깊게 결부되어 있는데요, 예를 들어서 우리가 붉은 노을에서 ‘아름다움’을 느끼는 것은 시각계와 정서회로의 산물인데, 전혀 다른 감각을 주로 쓰는 생명체라면 우리의 미학과는 다른 예술을 즐길 가능성이 큽니다.다음으로 꿈은 뇌의 내적 시뮬레이션이라고 보시면 이해가 쉬운데요 수면 중, 특히 REM 수면에서 뇌는 외부 감각 입력이 차단된 상태에서도 기억, 정서, 예측 회로를 활성화해 장면을 생성하게 됩니다. 낮 동안 저장된 기억의 일부가 재활성화·재배열되면서 기존 기억과 섞이고 재구성되며 편도체 등 정서 관련 회로가 활성화되어 꿈에서 강한 감정이 유발되는데요, 이런 신경적 과정 때문에 꿈에서 느끼는 감정과 경험은 주관적으로는 매우 현실적이며, 기억·감정·예측 체계와 연결됨으로써 깨어있는 현실에 영향을 줄 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. HIV 치료를 위해 칵테일 요법을 실시할 때 왜 Integrase 저해제는 사용하지 않나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 HIV 치료에서 사용하는 칵테일 요법에서는 역전사효소 저해제, 단백질분해효소 저해제를 주로 사용해왔는데요, 인테그라제 저해제가 칵테일 요법에서 잘 쓰이지 않았던 이유는 시기적 배경과 관련이 있습니다. 칵테일 요법이 도입된 1996년경에는 역전사효소 저해제와 단백질분해효소 저해제가 이미 개발되어 사용 가능했지만, 인테그라제 저해제는 아직 개발이 되지 않았는데요 즉 인테그라제라는 효소 자체는 일찍 발견되었지만, 이를 선택적으로 억제할 수 있는 안정적이고 부작용이 적은 약물을 만드는 데 시간이 오래 걸렸습니다. 실제로 인테그라제 저해제가 처음 임상 승인을 받은 것은 2007년 Raltegravi 이후였기 때문에따라서 초창기 칵테일 요법에는 물리적으로 포함될 수 없었던 것입니다. 또한 인테그라제는 HIV DNA를 숙주 DNA에 삽입하는 중요한 효소인데, 이를 특이적으로 억제하기 위해서는 DNA 결합 부위와 금속 이온 보조因자(Mg²⁺, Mn²⁺)를 동시에 겨냥해야 합니다. 하지만 이 부위가 보존성이 높고 숙주 효소와 유사성이 있어서, 독성을 최소화하면서 선택적으로 억제하는 약물을 설계하기가 까다로웠기 때문에 인테그라제 저해제는 잘 사용하지 않은 것입니다. 감사합니다.