안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 부분 이배체를 이루었을 때 대장균이 가지는 이점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 대장균에서 부분 이배체가 형성되는 대표적인 경우는 F’ 플라스미드가 세포 안으로 들어왔을 경우인데요, F’ 플라스미드는 원래의 F 플라스미드가 세포 염색체 일부 유전자를 잘못 떼어내 포함하게 된 형태이므로, 대장균 세포는 특정 유전자에 대해 염색체 상의 사본과 플라스미드 상의 사본을 동시에 갖게 됩니다.우선 어떤 유전자가 돌연변이로 기능을 잃었더라도, 플라스미드에 있는 정상 사본이 그 기능을 대신할 수 있는데요, 예를 들어 lac 오페론 연구에서, lacZ 유전자에 결함이 있는 대장균이라도 F’ 플라스미드에 lacZ의 정상 사본이 있으면 β-갈락토시다아제를 정상적으로 생산할 수 있습니다. 또한 이와 같은 부분 이배체는 생리적으로 여러 이점이 있는데요, 우선 어떤 효소가 많이 필요할 경우, 동일 유전자가 두 사본 있으므로 단백질 발현량이 증가할 수 있으며 한쪽 사본이 손상되거나 불활성화되어도 다른 사본이 보완할 수 있어 생존에 유리합니다. 게다가 영양분 분해, 대사 조절 등에서 다양한 조합이 가능해져 새로운 환경에서 생존 확률이 올라간다는 장점이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 전사시 인핸서 서열은 멀리 떨어져 있는데 어떻게 발현에 영향을 미칠 수 있나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 유전자 전사에서 인핸서서열은 특정 유전자의 프로모터와 수천에서 수십만 염기쌍 떨어져 있어도 발현을 조절할 수 있는데, 이는 DNA가 단순히 일자로 펼쳐진 구조가 아니라 고차원적으로 3차원 접힘 구조를 이루고 있기 때문입니다. 인핸서 서열에는 전사 활성화 단백질과 같은 특수 전사인자가 결합하는데요, 전사인자가 인핸서에 결합하면, DNA가 루프구조를 형성하여 멀리 떨어져 있는 인핸서가 프로모터와 실제 공간상에서 가까워지게 됩니다. 이때 인핸서에 결합한 전사인자들은 매개체 단백질 복합체나 크로마틴 구조를 조절하는 단백질을 동원하여, RNA 중합효소 II와 프로모터에 결합한 기본 전사인자들과 상호작용하게 합니다. 또한 이 상호작용은 RNA 중합효소 II가 프로모터에서 안정적으로 결합하고 전사를 개시하도록 돕는데요 이와 함께 히스톤 아세틸화 같은 크로마틴 변형을 유도하여 DNA가 더 풀려 전사 효율이 높아지게 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 트립토판 오페론의 전사 감쇄 기작은 어떻게 일어나는 것인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 트립토판 오페론의 전사 감쇄 기작은 원핵생물에서 효율적인 아미노산 조절을 가능하게 하는 방식인데요, 트립토판 오페론은 프로모터, 작동자, 그리고 5개의 구조 유전자(trpE, trpD, trpC, trpB, trpA)로 구성되어 있습니다. 이때 구조 유전자 앞에는 leader 서열이 존재하며, 이 서열에는 두 개의 트립토판 코돈이 포함되어 있는데요, 이 leader 서열과 그 뒤의 감쇄 조절 서열의 mRNA 4개의 상보적 구간(1~4)이 중요한 역할을 합니다.이때 전사 감쇄는 mRNA가 만들어지는 동안 일어나는 조절인데요, 핵심은 리보솜이 leader 펩타이드 영역을 번역하는 속도와 mRNA의 2차 구조 형성입니다. 트립토판이 충분한 상황에서는 리보솜이 leader 펩타이드를 빠르게 번역하는데요, mRNA 상의 1번과 2번 구간이 리보솜에 의해 덮이지 않아 3번과 4번 구간이 서로 결합하여 종결 루프를 형성합니다. 이 루프가 RNA 폴리머라아제의 진행을 방해하여 전사가 조기에 종료되는 것이며, 결과적으로 구조 유전자가 발현되지 않습니다. 반면에 트립토판이 부족한 상황에서는 리보솜이 leader 펩타이드 내 트립토판 코돈에서 정체하며 이로 인해 2번 구간이 3번 구간과 결합하고, 3~4번 구간은 루프를 형성하지 못합니다. 따라서 RNA 폴리머라아제가 구조 유전자를 계속 전사하게 되어 트립토판 합성 유전자 발현이 유지되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 부분 이배체가 생성되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀하신 부분 이배체는 원핵생물에서는 드물게 두 벌의 동일 유전자가 존재하는 상태를 가리키는데, 이는 주로 F 플라스미드와 관련된 특수한 현상입니다. F 플라스미드는 원래 독립된 작은 원형 DNA이지만, 때때로 숙주 염색체의 특정 서열과 상동재조합을 일으켜 핵양체에 삽입되는데요, 이런 세포를 Hfr 세포라고 합니다. 삽입된 F 플라스미드는 때때로 원래 자리에서 떨어져 나오는데, 이때 완전히 깔끔하게 분리되지 않고, 숙주 염색체의 일부 유전자가 플라스미드 DNA에 같이 딸려 나올 수 있으며 이렇게 된 플라스미드를 F′(F 프라임) 플라스미드라고 부릅니다. F′ 플라스미드를 가진 세포가 다른 대장균 세포와 접합을 하면, 플라스미드에 들어 있는 숙주 염색체의 일부 유전자가 함께 전달되는데, 이 과정에서 수여자 세포는 원래 자신이 가지고 있던 염색체 유전자에 더해, 플라스미드를 통해 동일 유전자의 사본을 추가로 가지게 됩니다. 이와 같은 과정을 거쳐서 특정 유전자에 대해 두 벌의 사본이 존재하는 부분 이배체가 형성되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 백신의 부작용 연구가 중요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것처럼 코로나19 팬데믹을 겪으면서 백신에 대한 관심과 논의는 전 세계적으로 훨씬 활발해졌는데요, 우선 백신은 건강한 사람들에게 예방 목적으로 투여되기 때문에 치료제보다도 더 높은 수준의 안전성이 요구됩니다. 부작용 연구를 통해 잠재적 위험을 과학적으로 규명하고 관리해야만, 사람들이 백신을 신뢰하고 접종을 선택할 수 있는데요, 만약 부작용 연구가 부족하면 소수 사례라도 크게 부각되어 백신 불신과 접종 거부로 이어질 수 있습니다.또한 면역 과잉 반응, 알레르기, 자가면역 활성화 등의 백신의 부작용 기전을 연구하면 기존 백신을 더 안전하게 개량하거나, mRNA, 단백질 서브유닛, 바이러스 벡터 등의 새로운 백신 플랫폼의 장단점을 평가할 수 있기 때문에 이는 차세대 백신 개발의 핵심 정보가 됩니다. 따라서 백신의 부작용에 대한 연구가 중요한 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 루이스 산염기 반응에서 금속 이온이 강한 루이스 산으로 작용할 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 루이스 산염기 반응은 전자쌍을 받는 종인 루이스 산과 전자쌍을 주는 종인 루이스 염기의 상호작용으로 설명할 수 있는데요, 우선 금속 이온은 양전하를 띠기 때문에 전자에 대한 인력이 강합니다. 특히 전하/반지름 비율(전하 밀도, Z/r)이 클수록 주위의 전자쌍을 강하게 끌어당길 수 있는데요 예를 들어, Al³⁺, Fe³⁺와 같은 다가 양이온은 전자가 부족하고 반지름이 작아 매우 강한 루이스 산으로 작용합니다. 반면에 금속 이온은 부분적으로 비어 있는 d, p, 혹은 s 궤도를 가지므로 루이스 염기가 제공하는 전자쌍을 받아 안정한 배위결합을 형성할 수 있는데요 예를 들자면 Cu²⁺는 d궤도 일부가 비어 있어 물(H₂O), 암모니아(NH₃) 같은 염기의 전자쌍을 쉽게 받아들이게 됩니다. 또한 금속 이온이 전자쌍을 받아 배위결합을 형성하면, 금속의 전자 부족 상태가 완화되고 동시에 루이스 염기는 안정성을 얻게 되기 때문에 즉 이러한 상호 보완적 안정화 때문에 금속 이온은 강력한 루이스 산으로 작용할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 물의 이온곱상수가 온도에 따라서 달라지는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 물이 자동이온화 반응을 진행하여 반응을 일으킬 때, 이 평형의 세기를 나타내는 값이 바로 물의 이온곱상수, Kw인데요, 이 값은 온도에 따라 달라지는데, 그 이유는 물의 자동 이온화 반응이 흡열 반응이기 때문입니다. 자동 이온화 과정에서 물 분자의 수소 결합이 부분적으로 깨지고, 새로운 이온 종(H₃O⁺, OH⁻)이 형성되는데, 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 즉, 온도를 높이면 반응에 필요한 에너지를 더 쉽게 공급할 수 있어서 평형이 이온 생성 쪽으로 이동하게 되는 것입니다. 이를 화학 평형의 일반 원리인 르샤틀리에의 원리로 설명하면, 흡열 반응은 온도가 증가할수록 정반응 즉, 이온 생성이 유리해지고, 결과적으로 이온 농도가 커지면서 Kw값이 증가한다고 보셔도 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 암모니아와 물 중 어느 쪽이 더 강한 염기인지를 분자의 구조와 전자쌍의 안정성 측면에서 어떻게 설명 가능한가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 암모니아(NH₃)와 물(H₂O)를 비교할 때 어느 쪽이 더 강한 염기인지를 보려면, 각각이 양성자(H⁺)를 받아들이는 능력과 그 과정에서 생기는 양전하를 띤 종의 안정성을 고려해보면 되는데요, 우선 암모니아는 루이스 염기의 입장에서 질소 원자가 비공유 전자쌍을 가지고 있어 H⁺를 받아들일 수 있습니다. 이때 생성되는 종은 암모늄 이온(NH₄⁺)인데, 질소는 전기음성도가 3.5인 산소보다 낮은 3.0이며, 원자 반지름이 상대적으로 크기 때문에 비공유 전자쌍이 산소에 비해 덜 강하게 잡혀 있습니다. 따라서 이 전자쌍은 더 쉽게 제공될 수 있고, 결과적으로 암모니아는 물보다 강한 염기로 작용하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 오페론의 양성적 조절과 음성적 조절은 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 원핵생물의 오페론은 여러 유전자를 하나의 프로모터와 조절부로 묶어 발현하는 체계인데, 그 발현 양상은 조절 단백질이 전사를 촉진하느냐 억제하느냐, 그리고 그것이 유도인지 억제인지에 따라 4가지로 구분이 가능합니다. 먼저 오페론의 조절 방식은 크게 음성 조절과 양성 조절로 나뉘며, 각각은 다시 유도성 조절과 억제성 조절로 구분되는데요, 음성 조절이란 억제 단백질이 작동하는 경우로, 음성 유도성에서는 기본적으로 전사가 억제된 상태에서 유도물질이 억제자와 결합하여 억제자가 DNA에서 떨어지면 전사가 시작됩니다. 대표적인 예시로는 젖당오페론이 있는데요, 젖당의 대사산물인 알로락토오스가 억제자를 불활성화시켜 전사가 가능해집니다. 반대로 음성 억제성에서는 기본적으로 전사가 일어나고 있으나 억제물질이 억제자와 결합하여 활성화되면 DNA에 결합하여 전사를 차단합니다. 반면에 양성 조절은 활성 단백질이 작동하는 경우로, 양성 유도성에서는 기본적으로 전사가 이루어지지 않다가 유도물질이 활성자와 결합하여 활성화되면 프로모터에 결합해 RNA 중합효소의 작용을 촉진하면서 전사가 시작됩니다. 이에 반해 양성 억제성에서는 전사가 기본적으로 이루어지고 있지만 억제물질이 활성자와 결합하여 비활성화시키면 DNA에 결합하지 못해 전사가 억제됩니다. 즉 음성 조절은 억제 단백질이 전사를 막는 방식이고 양성 조절은 활성 단백질이 전사를 촉진하는 방식이며, 유도성은 특정 물질이 와야 전사가 시작되는 경우, 억제성은 특정 물질이 와야 전사가 멈추는 경우입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 난청치료에대해궁금해서질문합니나
안녕하세요. 네, 질문해주신 소음성 난청은 장기간 큰 소음이나 갑작스러운 큰 소리에 의해 내이, 일명 달팽이관의 유모세포가 손상되면서 발생하는 질환인데요 우선 사람의 유모세포는 재생되지 않기 때문에 한 번 손상되면 회복이 어려우며 초기에는 청력 손실이 일시적일 수 있으나, 반복되면 영구적 난청으로 진행될 수 있습니다. 현재 치료방법으로는 손상을 예방하는 방안이 있는데요, 이어폰과 같은 장비를 오래 사용하지 않는 것이 좋으며 큰 소리에 오랫동안 노출되지 않는 것이 좋습니다. 보청기와 인공와우를 이용하여 도움을 받을 수 있긴 하며, 이것이 현 시점에서는 가장 실용적인 치료법입니다. 미래에는 새로운 기술이 등장할 수 있을텐데요, 인간 유모세포를 줄기세포로부터 분화시키고 달팽이관에 이식하려는 연구가 진행 중이며 쥐 모델에서 청력 회복 가능성 확인된 바 있으나 아직 인간 적용은 초기 단계입니다. 또한 유모세포 생성이나 기능 회복 관련 유전자 조작 연구가 진행 중인데요, 특정 단백질(Cochlin, Atoh1 등)을 활성화하여 손상된 청각세포 복구를 목표로 하고 있습니다. 감사합니다.