안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 원핵세포가 가지고 있는 폴리리보솜의 장점은?
원핵세포가 가진 폴리리보솜 구조는 단백질 합성 효율과 속도 측면에서 매우 중요한 장점을 제공할 수 있는데요, 폴리리보솜은 하나의 mRNA에 여러 개의 리보솜이 동시에 결합하여 병렬로 단백질을 합성하는 구조입니다. 원핵세포에서는 핵이 따로 없기 때문에 전사와 번역이 동시에 일어나는데요 즉, DNA에서 mRNA가 만들어지는 즉시 그 mRNA를 리보솜이 붙잡고 단백질을 합성할 수 있습니다. 이때 원핵세포는 환경 변화에 매우 민감한데요, 폴리리보솜을 사용하면 하나의 mRNA에서 여러 개의 단백질 사슬을 동시에 합성할 수 있어, 단백질 생산 속도가 매우 빠릅니다. 이는 세포가 환경 변화에 신속하게 대응해야 하는 원핵생물의 생존 전략과 맞물리는 것입니다. 또한 하나의 mRNA를 여러 번 읽어 단백질을 만들기 때문에, mRNA 분자를 반복적으로 재사용할 수 있어 효율적인데요, 반면에 진핵세포는 핵과 세포질이 분리되어 있고, mRNA 처리가 필요하므로 번역 시작까지 시간이 더 걸립니다. 즉 원핵세포는 세포 내 구조가 단순하고 핵이 없어 전사-번역 연속 과정이 가능하며 따라서 mRNA가 만들어지는 즉시 단백질이 합성되며, 폴리리보솜 구조 덕분에 동시에 여러 단백질이 생산되어 신속한 반응이 가능합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인간이 약 2만 여개의 유전자를 가지고 있다는 사실은 어떻게 알아냈나요?
네 질문해주신 것처럼 인간이 약 2만여 개의 유전자를 가진다는 사실은 인간 게놈 프로젝트와 그 후속 연구를 통해 밝혀졌습니다. 1990년에 시작된 인간 게놈 프로젝트는 인간의 DNA 전체 약 30억 염기쌍을 해독하는 것을 목표로 했고, 2003년에 초안이 완성되었는데요 연구자들은 DNA를 잘게 쪼개어 서열을 해독한 뒤 컴퓨터로 이를 퍼즐처럼 이어 붙이는 방식으로 전체 게놈을 재구성했으며, 이후에는 차세대 염기서열 분석 기술을 활용해 더 빠르고 정밀한 해독이 가능해졌습니다. 그러나 단순히 염기서열을 읽는 것만으로는 유전자의 개수를 알 수 없기 때문에, 실제 단백질로 번역될 수 있는 구간을 찾는 오픈 리딩 프레임 분석, 세포에서 발현되는 mRNA를 직접 시퀀싱하는 전사체 분석, 그리고 다른 동물과의 비교를 통한 보존된 유전자 영역 탐색과 같은 다양한 방법을 동원해 유전자를 판별했습니다.처음에는 인간에게 10만 개 이상의 유전자가 있을 것이라 예상했지만, 실제 분석 결과 단백질을 암호화하는 유전자는 예상보다 훨씬 적었으며 현재는 약 2만~2만 1천 개 정도로 추정하게 된 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 지금 유라시아 지역의 인류는 어디서 오게 된걸까요
현생 인류라고 불리는 호모 사피엔스는 약 20만~30만 년 전 아프리카에서 처음 등장했는데요, 화석 기록과 유전체 연구 모두 현생 인류는 아프리카 기원임을 지지하며 이를 아프리카 기원설이라고 합니다.약 6만~7만 년 전, 일부 호모 사피엔스 집단이 기후 변화와 자원 부족을 계기로 아프리카를 떠나 중동으로 이동했으며 이들은 다시 여러 갈래로 퍼져나갔습니다. 유럽에서는 네안데르탈인과 접촉 및 교배하면서 현생 인류가 점차 유럽 전역으로 확산했으며 아시아에서는 남아시아와 동남아시아 거쳐 중국, 시베리아, 그리고 결국 한반도·일본까지 확산되었고 일부 집단은 베링 육교를 건너 아메리카 대륙으로 진출했습니다.이동한 인류 집단은 현지 환경에 맞추어 자연선택을 거쳤는데요 추운 북유럽과 시베리아에서는 밝은 피부, 추위 적응 대사를 중앙아시아에서는 목축·유목 생활과 젖소 이용에 따른 유당 분해 능력이 발달했으며 동아시아에서는 전분 식단에 맞춘 아밀라아제 효소 증가가 나타났습니다. 또한 유라시아로 들어간 호모 사피엔스는 네안데르탈인, 데니소바인과 교배하여 일부 유전자를 물려받았는데요, 지금도 유라시아인 유전체의 1~3% 정도는 이들과의 혼혈 흔적입니다. 이 유전자들은 면역력이나 환경 적응에 기여한 것으로 추정됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 앵무새나 구관조는 왜 주위 목소리를 따라하나요?
질문해주신 것처럼 앵무새나 구관조가 사람의 목소리나 주변의 소리를 따라 하는 이유는 이들의 본능적인 의사소통 습성과 관련이 있습니다. 앵무새와 구관조는 무리를 이루어 생활하는 사회적 동물인데요, 이들은 개체 간의 유대감을 유지하고, 집단 정체성을 확인하며, 개별 개체를 식별하기 위해 매우 복잡한 소리를 사용합니다. 따라서 서로의 소리를 흉내 내는 능력은 집단 내에서 소속감을 강화하고 관계를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.또한 앵무새 무리에서는 개체마다 고유의 이름과 같은 소리가 있는데요 다른 개체가 그 소리를 반복해서 불러 주면, 이는 마치 이름을 불러주며 교류하는 것과 같은 효과를 냅니다. 이런 습성 때문에, 사람과 함께 사는 앵무새는 사람의 말을 모방함으로써 자신이 그 무리에 속해 있다고 표현하는 셈입니다. 특히 앵무새와 구관조는 보이스러닝능력을 가진 몇 안 되는 동물인데요 사람과 유사하게 청각 피드백을 통해 들은 소리를 기억하고 발성 근육을 정교하게 조절해 재현할 수 있습니다. 따라서 주변의 어떤 소리든 언어로 인식해 따라 할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물도 스트레스에 따라 성장이나 개화에 변화가 생기나요??
네, 질문해주신 것처럼 식물이 동물처럼 신경계를 가지고 있는 것은 아니지만, 외부 환경의 변화에 반응하여 성장과 발달을 조절하는 스트레스 반응 체계를 가지고 있습니다. 식물이 받는 스트레스는 크게 비생물적 요인과 생물적 요인으로 나눌 수 있는데요, 우선 비생물적 스트레스로는 가뭄, 염분, 온도, 빛 부족, 중금속 등이 있으며 생물적 스트레스로는 병원균, 해충, 기생 식물의 공격 등이 있습니다. 또한 식물은 신경이 없지만, 호르몬과 신호전달물질을 이용해 스트레스에 반응하는데요, ABA(앱시스산)은 가뭄 시 잎의 기공을 닫아 수분 손실을 줄이며 에틸렌은 스트레스가 심할 때 조기 노화나 잎 떨어짐을 유도하고 살리실산, 자스몬산은 병원체나 해충에 대한 방어 반응을 활성화하며 활성산소(ROS)는 세포 내에서 신호 분자로 작용하여 방어 유전자 발현을 유도합니다. 스트레스가 나타나는 방식을 예를 들자면 가뭄이나 염분 스트레스를 받을 경우에는 뿌리 발달 촉진, 지상부 성장은 억제되며, 빛이 부족할 경우에는 줄기가 길게 웃자라고, 영양분이 부족할 경우에는 잎이 작아지거나 색이 연해집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 호두가 뇌모양과 매우 흡사한 것은 우연일까요?
네, 말씀해주신 것처럼 호두의 알맹이가 뇌와 유사한 모양을 하고 있다는 점은 많은 사람들이 오래전부터 주목해 왔고, 심지어 옛날에는 닮은 것은 닮은 기관에 좋다라는 전통적 사상으로 인해 호두가 뇌 건강에 좋다고 믿어지기도 했는데요, 하지만 과학적인 관점에서 보자면 호두와 뇌가 닮은 것은 우연적 결과라고 보는게 맞습니다. 호두의 표면이 울퉁불퉁하고 좌우 대칭처럼 보이는 것은 씨를 보호하는 단단한 껍질 속에서 배유가 자라는 과정의 산물인데요 즉 씨앗이 발달할 때, 제한된 공간 안에서 효율적으로 부피를 채우려는 구조적 압력 때문에 구불구불한 주름이 생깁니다. 따라서 뇌의 주름처럼 정보 처리 때문이 아니라, 단순히 성장 공간의 제약과 조직의 발달 패턴 때문에 비슷한 주름진 모양이 나온 것입니다. 또한 인간 뇌의 주름도 사실상 비슷한 물리학적 원리로 설명할 수 있는데요 대뇌 피질은 표면적을 넓혀 더 많은 신경세포를 수용하려고 성장하는데, 두개골이라는 제한된 공간 때문에 안쪽으로 말려 들어가며 주름이 생깁니다. 따라서 호두와 뇌가 비슷해 보이는 이유는, 제한된 공간 속에서 연조직이 발달하며 생기는 주름 구조가 물리적으로 닮았기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 호모 사피엔스는 왜 당뇨와 탈모가 없는 건가요?
말씀하신 호모 사피엔스에게 원래는 당뇨나 탈모가 없었는데, 네안데르탈인과 섞이면서 그런 질환이 들어왔다는 이야기는 유전체 분석 연구에서 나온 해석 중 하나입니다. 우선 호모 사피엔스는 약 30만 년 전 아프리카에서 등장해 전 세계로 퍼진 인류이며 네안데르탈인은 약 40만 년 전부터 유럽과 서아시아에 살았던 인류의 또 다른 종으로, 약 4만 년 전 사라졌습니다. 즉, 두 종은 완전히 다른 종은 아니어서, 중간에 여러 차례 교배가 있었고 오늘날 비아프리카인들의 유전체에 약 1~2% 정도 네안데르탈인 DNA가 남아 있습니다.이때 네안데르탈인에게서 유입된 일부 유전자는 오늘날 인간의 면역 반응, 피부·머리카락 특성, 대사 과정 등에 영향을 주게 되는데요 예를 들어, 어떤 네안데르탈인 유전자는 당 대사와 면역 기능을 조절하는데, 이는 빙하기 같은 환경에서 유리했을 수 있습니다. 하지만 현대의 풍족한 식단에서는 제2형 당뇨병 위험을 높이는 요인이 될 수 있습니다. 또 다른 일부 변이는 모발 성장 주기와 관련되어 탈모 경향에 영향을 준다고 보고된 바 있습니다. 따라서 사실 호모 사피엔스에게는 전혀 없었다라기보다는, 해당 질환에 취약하게 만드는 유전자 변이가 상대적으로 적었다는 의미에 가깝습니다. 즉, 원래 현생 인류 집단에도 다양한 유전자 변이가 있었지만, 네안데르탈인과의 교잡으로 들어온 변이들이 오늘날 특정 질환의 위험 요인으로 작용하게 된 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 남을 돕는 의로은 행동 요즘시대에 맞을까요?
인간은 사회적 동물이기 때문에, 서로 협력하고 돕는 행동은 집단의 생존을 높이는 데 크게 기여해 왔습니다. 진화론적 관점에서 보면, 타인을 돕는 행위는 집단의 신뢰와 결속을 강화하고, 궁극적으로 나 자신과 내 후손의 생존 가능성도 높이는 전략이 될 수 있습니다.하지만 오늘날에는 119 구조대, 경찰, 안전 시설 등의 법적, 제도적 안전망이 마련되어 있기 때문에, 무조건적인 자기희생은 예전보다 덜 요구됩니다. 그러나 여전히 위급한 순간에 타인을 돕는 행동은 사회적 가치로 높이 평가되며, 공동체 신뢰를 유지하는 중요한 요소입니다. 그러나 말씀해주신 것처럼 말씀하신 사례처럼, 도움을 주려다 본인이 목숨을 잃는 경우도 있습니다. 이는 매우 안타까운 일이지만, 동시에 그 행동의 숭고함을 사회는 인정합니다. 하지만 현대 사회에서는 용기 있는 행동과 함께 자기 안전을 고려하는 지혜도 필요한데요, 따라서 예를 들어 물에 빠진 사람을 구할 때, 수영 능력이 부족하다면 직접 뛰어드는 대신 구조 요청, 도구 사용이 더 바람직할 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 생물의 진화에서 유전적 부동은 어떤 형태의 진화를 말하는 것인가요?
생물의 진화를 설명할 때에는 몇 가지 서로 다른 메커니즘이 존재하는데요, 유전적 부동은 그중 하나로 자연선택과는 다른 메커니즘을 의미하는 개념입니다. 우선 유전적 부동은 확률적 요인에 의해 집단 내 대립유전자 빈도가 변하는 현상을 말하는데요 즉, 특정 형질이 생존이나 번식에서 더 유리해서 퍼지는 것이 아니라, 무작위적인 사건 때문에 어떤 유전자가 더 많이 전해지고 다른 유전자는 사라지는 과정을 뜻합니다.이러한 유전적 부동이 일어나는 방식으로는 '표본 추출 효과'가 있는데요, 세대를 거듭하며 부모 세대의 대립유전자가 자식 세대로 완전히 같은 비율로 전달되지 않고, 확률적 차이 때문에 비율이 조금씩 달라지게 되며, 이때 작은 집단일수록 이 효과가 크게 나타납니다. 다음으로 '병목 효과'가 있는데요, 이는 전염병, 자연재해, 서식지 파괴 등으로 개체 수가 급격히 줄어들면, 살아남은 개체들이 가진 유전자 구성이 다음 세대의 유전적 구성을 좌우하게 되는데, 이때 원래 집단의 유전적 다양성 상당 부분이 우연히 사라질 수 있습니다. 마지막은 '창시자 효과'로 소수의 개체가 새로운 지역에 이주하여 새로운 집단을 만들면, 이 집단의 유전자는 원래 집단의 유전자 풀을 온전히 반영하지 못합니다. 예를 들자면 섬으로 이동한 몇 마리 새가 새로운 집단을 이루면, 그 유전적 특성이 섬 개체군의 전체 특징으로 고착될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 우리나라 DNA 복제 기술은 어느 수준인가요?
네, 말씀하신 것처럼 과거 2004-05년 황우석 교수 팀은 개를 포함한 여러 동물의 클론 복제에 성공했다고 발표했지만, 논문 조작이 드러나 큰 과학적·윤리적 논란으로 이어졌는데요, 해당 복제 기술은 한때 세계적으로 주목을 받았지만, 논문의 진위 문제가 이후 연구 기반에 타격을 주었습니다.현재 한국에서는 유전체 복제 및 복제 기술에 대한 연구를 진행중이며, 기초과학연구원(IBS) Genomic Integrity 센터는 DNA 복제 및 손상 복구 메커니즘 연구에 있어 국제적인 수준의 논문을 발표하고 있습니다. 또한 새로운 스위치 단백질을 발견해 DNA 복제 재개 과정을 규명한 연구는 Nature Communications에 공개되었습니다.이외에도 DNA 중합효소, 유전자 합성 시장에서 한국은 BIONEER, BIOFACT 등의 국내 기업이이 고품질 제품을 내놓으며 국제 경쟁력을 확보하고 있으며, DNA 합성 시장 규모도 지속 성장 중이며, 맞춤 합성과 올리고 합성 수요가 증가하고 있습니다. 특히 유전자 치료, 진단, 정밀의료, 농축 생명공학 분야에서 활발하게 활용되고 있습니다. 감사합니다.