안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. Gilman 시약은 카보닐 탄소와 왜 반응하지 못하나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 Grignard 시약(R–MgX)과 Gilman 시약(R₂CuLi)의 반응성을 비교하면 둘 다 유기 금속 시약이지만 전자 구조와 결합 성질 때문에 카보닐기에 대한 반응성이 크게 차이가 나타나는데요, 우선 Grignard 시약에서 탄소–마그네슘 결합은 강한 이온성을 띠며, 탄소가 부분적으로 음전하를 띠는데요, 따라서 R–(δ⁻)는 강한 친핵체로 작용하여, 전자 밀도가 부족한 카보닐기의 탄소(δ⁺)를 강하게 공격하는데, 이로 인해 알코올 유도체가 쉽게 형성됩니다. 반면에 Gilman 시약은 R₂CuLi로 표현되며, 실제로는 [R₂Cu]⁻Li⁺ 형태 인데요, 여기서 탄소–구리 결합은 Grignard 시약의 C–Mg 결합보다 훨씬 공유성에 가깝고, 탄소 음전하 성격이 약합니다.즉, 탄소가 친핵체로서 훨씬 약하게 작용하는 것입니다. 따라서 카보닐 탄소는 전기음성도 차이에 의해 δ⁺를 띠지만, Gilman 시약의 R–는 충분히 강한 친핵체가 아니어서 이 전자결핍 탄소를 공격하기 어려운데요, 대신 Gilman 시약은 C–C 결합 형성 능력은 뛰어나지만, 강한 친핵성보다는 약한 친핵체로 작용합니다. 따라서 전자결핍도가 큰 카보닐 탄소보다는, 알킬할라이드(R–X)의 탄소와 더 잘 반응하여 SN2 방식으로 치환 반응을 일으키는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 극단적으로 진화하게된 생물의 예시를 들어주세요
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 생물들은 생활 환경에 적응하는 과정에서 단순한 변화가 아니라, 매우 극단적인 형태나 기능으로 진화하기도 하는데요, 극단적 진화의 대표적인 예시는 고온 건조한 사막에서 서식하는 '선인장'이 있겠습니다. 선인장은 잎이 가시로 변형, 줄기가 두껍고 다육질로 발달한 것이 특징인데요, 이는 사막 환경에서 수분 증발을 최소화하고, 줄기에 물을 저장하기 위함입니다. 또한 네펜데스나 파리지옥과 같은 식충식물은 소화 효소가 있는 잎 구조를 발달시켜 곤충을 포획하는데요, 이는 질소가 부족한 토양에서 영양분을 보충하기 위함입니다. 마지막으로 맹그로브 나무는 뿌리 일부가 공기 중으로 솟아올라 산소를 흡수하는데요, 이는 산소가 부족한 갯벌 환경에서 호흡을 하기 위함입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 여름철 참새와 겨울철 참새의 외형이 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 여름철 참새와 겨울철 참새가 같은 종임에도 불구하고 외형적으로 다르게 보입니다. 이는 서로 다른 계절에 따른 적응의 형태라고 보시면 되는데요, 겨울에는 체온을 유지해야 하기 때문에 참새는 깃털을 부풀려 공기층을 형성합니다. 이렇게 하면 단열 효과가 커져 체열 손실을 줄일 수 있고, 겉보기에는 몸이 포동포동하게 보이게 되며, 반대로 여름에는 더위를 식히기 위해 깃털을 몸에 밀착시키므로 훨씬 홀쭉해 보입니다. 또한 겨울철에는 먹이가 부족하고 추위로 인해 에너지 소모가 많기 때문에, 참새는 상대적으로 지방을 더 축적하려는 경향이 있는데요, 이 때문에 겨울 참새가 여름보다 조금 더 통통해 보일 수 있는 것입니다. 게다가 추울 때는 새들이 몸을 웅크리고 깃털을 세워 열 손실을 막기 때문에 더 둥글게 보이는 것이며 반면에 여름에는 활동량이 많고 더위를 피하려고 몸을 최대한 홀쭉하게 유지하려 하기 때문에 외형적으로 차이가 납니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 대장균의 증식 속도가 빠른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 대장균과 같은 원핵생명체가 인간이나 다른 포유류에 비해 매우 빠른 세대 시간을 가집니다. 우선 대장균은 원핵생물로서 핵막이나 미토콘드리아, 골지체, 소포체 등의 막성 세포소기관이 없는데요, 따라서 세포 내 물질 운반이나 DNA 복제, 단백질 합성 과정에서 복잡한 구조적 조정이 필요 없으며, 대사와 분열 속도가 매우 빠릅니다. 또한 대장균의 유전체는 작은 원형 DNA로 구성되어 있어 복제가 빠른 것인데요, DNA 복제 속도가 매우 빨라 한 번의 세포주기 동안 전체 유전체를 복제하는 데 말씀해주신 것과 같이 20분 정도밖에 걸리지 않습니다. 반면 포유류는 수십억 염기쌍의 선형 DNA를 가지고 있기 때문에, 복제 과정이 훨씬 복잡하고 느린 것입니다. 또한 대장균은 이분법으로 증식하는데요 이는 세포가 단순히 두 개로 나뉘는 과정이므로, 분열 준비와 실행이 효율적이고 빠릅니다. 반면에 포유류 세포는 세포 주기(G1, S, G2, M)를 거치며 엄격하게 유전자 복제, 분열 준비, 체크포인트를 거쳐야 하므로 시간이 훨씬 길어지는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 재조합에 성공했는지를 확인하기 위한 여부로 lacZ를 사용하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 LacZ 유전자를 이용한 확인 방법은 Blue-White Screening이라고 불리는 유전자 재조합 확인 기법 중 하나입니다. 우선 lacZ 유전자는 β-galactosidase라는 효소를 코딩하고 있는데요, β-galactosidase는 특정 기질, 예를 들어 X-gal을 분해하면 푸른색 침전물을 생성합니다. 즉, lacZ가 기능적으로 발현되면 세포가 X-gal 배지에서 푸른색으로 나타납니다. 다만 유전자 재조합용 플라스미드에는 lacZ의 일부 영역이 포함되어 있는데요, MCS는 여러 제한효소 사이트를 포함하고 있어, 목적 DNA를 삽입할 수 있는 위치입니다.따라서 목적 DNA가 MCS에 삽입되면 lacZ의 코딩 서열이 깨지게 되는 것이며 lacZ가 손상되면 β-galactosidase가 만들어지지 않아, X-gal을 분해하지 못합니다. 따라서 lacZ가 정상적으로 남아있는 플라스미드에서는 β-galactosidase가 생성되어 X-gal이 분해되기 때문에 세포가 푸른색을 나타냅니다. 반면에 lacZ가 목적 DNA 삽입으로 파괴된 플라스미드에서는 β-galactosidase가 없기 때문에 X-gal 분해가 불가능하며 이로 인해 세포가 흰색을 나타내는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 점착성 말단이 유전자 재조합에 용이한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 유전자 재조합을 위해서 플라스미드 벡터와 표적 DNA가 연결될 때 점착성 말단이 있으면 유리한데요, 이는 DNA 분자들이 서로 결합할 수 있는 상보적 염기서열을 제공하기 때문입니다.점착성 말단이란 제한 효소가 DNA를 절단할 때, 일부 효소는 DNA를 완전히 직선으로 절단하는 대신, 한 가닥을 약간 길게 남겨 짧은 단일 가닥을 형성하는 것을 말하는데요, 이 말단은 상보적인 염기서열을 가진 다른 DNA 조각과 쉽게 수소 결합으로 결합할 수 있습니다.유전자 재조합에서의 장점은 점착성 말단을 가진 두 DNA 조각은 서로 상보적인 염기서열끼리 자연스럽게 맞물리므로, 두 조각이 원하는 방향과 위치에서 결합하기 쉽다는 것인데요 예를 들어, 제한 효소 EcoRI로 절단한 DNA는 상보적 점착성 말단을 가진 플라스미드 벡터에 삽입될 수 있어, 삽입 방향과 위치를 조절할 수 있습니다.또한 점착성 말단이 서로 결합하면, DNA ligase 효소가 인접한 인산-당 결합을 쉽게 연결할 수 있어, 재조합 DNA 형성이 훨씬 효율적인데요, 반대로 무딘 말단은 아무런 상보적 결합이 없어서 ligase가 연결하기 어려워, 재조합 효율이 낮습니다. 따라서 클로닝 시에는 점착성 말단이 효율적입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 대장균이 제한 효소를 가짐으로써 얻는 이점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 대장균은 제한 효소를 이용하여 외부 DNA, 특히 대장균에 침입하는 바이러스인 박테리오파지의 DNA를 인식하고 절단할 수 있는데요, 제한 효소는 특정 염기서열을 인식하여 DNA를 절단하는 효소로, 자기 자신의 DNA는 보호 메틸화 효소에 의해 변형되어 절단되지 않도록 되어 있습니다.우선 주된 이점은 바이러스의 공격으로부터 자신을 방어하는 것입니다. 제한 효소가 바이러스 DNA를 절단하여 불활성화시키므로, 대장균은 박테리오파지 감염으로부터 자신을 보호할 수 있는데요, 이는 세포 생존과 개체군 유지에 매우 중요한 역할을 합니다. 또한 플라스미드나 다른 세균에서 들어오는 외부 DNA가 무작위로 삽입되는 것을 방지하여, 자기 DNA의 안정성을 유지할 수 있는데요, 불필요하거나 해로운 유전자 삽입을 억제함으로써 세포 기능을 보호하게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 번역시에 mRNA의 5'말단에 단백질이 존재하면 번역이 어려워지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 진핵세포에서 단백질 번역은 단순히 리보솜과 mRNA만으로 이루어지는 것이 아니라, mRNA 말단의 구조와 결합 단백질에 의해 정밀하게 조절됩니다. 우선 번역 개시는 주로 mRNA 5′ 말단에 존재하는 캡 구조인 7-메틸구아노신에서 시작되며, 개시 인자인 eIF4E가 캡에 결합하고 eIF4G, eIF4A 등과 함께 eIF4F 복합체를 형성한 뒤 40S 소단위 리보솜이 결합하여 개시 코돈(AUG)을 탐색하게 됩니다. 그런데 5′ 말단에 다른 단백질이 강하게 결합하면, eIF4E가 캡에 접근하지 못하거나 리보솜이 cap 근처에 결합해 스캐닝을 시작하는 과정이 방해를 받아 번역 개시 자체가 억제됩니다. 반면, mRNA 3′ 말단에는 poly(A) tail이 존재하고, 여기에 결합하는 PABP(poly(A)-binding protein)는 eIF4G와 상호작용하여 mRNA를 고리 구조로 만들어주는데요, 이러한 구조는 리보솜이 번역 종결 후 다시 5′ 말단으로 재순환할 수 있도록 하여 번역 효율을 높이고, 동시에 mRNA의 안정성을 증가시킵니다. 따라서 5′ 말단에 단백질이 결합하면 번역이 억제되지만, 3′ 말단에 단백질이 결합하면 번역이 촉진되는 결과를 보이는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 클로닝 벡터와 발현 벡터의 목적은 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 벡터란 유전자를 운반하고 세포 내에서 유지·복제·발현되도록 돕는 운반체인데요, 연구 목적에 따라 클로닝 벡터와 발현 벡터로 나눠 사용하게 됩니다. 우선 클로닝 벡터의 주된 목적은 외부에서 삽입한 DNA를 보관하고 증식시키는 것인데요 대장균이나 효모 같은 숙주 세포 안에서 스스로 복제되어, 삽입된 유전자가 안정적으로 유지되도록 합니다. 여기서는 해당 유전자가 단백질로 발현될 필요가 없고, 단지 많은 양의 DNA를 얻는 것이 목표이기 때문에 보통 다중 클로닝 부위(MCS, 여러 제한효소 절단 부위), 선택 마커(항생제 내성 유전자), 복제원점(ORI) 같은 요소가 들어 있습니다.반면에 발현 벡터는 삽입한 유전자가 숙주 세포에서 RNA로 전사되고 단백질로 번역되도록 하는 것인데요 즉 단순한 DNA 보관이 아니라, 단백질 생산 자체가 목표입니다. 이를 위해 발현 벡터에는 클로닝 벡터의 기본 요소에 더해, 강력한 프로모터(promoter), 리보솜 결합 부위(RBS), 종결 신호(terminator), 필요하면 태그(His-tag) 등이 추가되며 이로 인하여 대량의 재조합 단백질을 만들거나 기능을 분석하는 데 사용됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 발현 벡터에서 진핵생명체의 유전자를 발현시키기 위해 필요한 조건은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 실제로 진핵생명체의 유전자를 원핵생명체에서 발현시키려면, 두 시스템 간의 유전자 발현 방식 차이 때문에 여러 조건과 조정이 필요하다고 볼 수 있습니다. 우선 원핵생물에서 발현이 일어나려면 원핵생물의 RNA 중합효소가 인식할 수 있는 원핵성 프로모터가 필요한데요, 따라서 진핵 유전자 앞에 대장균용 강력한 프로모터를 붙여줘야 합니다. 즉, 진핵 세포에서 사용되는 프로모터는 대장균에서는 작동하지 않습니다. 다음으로 원핵생물에서 번역이 시작되려면 mRNA 상에 Shine-Dalgarno 서열이 필요한데요, 진핵생물 mRNA는 보통 5’-cap 구조와 Kozak sequence를 사용하기 때문에, 원핵세포에서는 이를 인식하지 못하므로, 따라서 벡터에 원핵성 RBS를 포함시켜야 번역이 효율적으로 진행될 수 있습니다.마지막으로 원핵세포에는 스플라이싱 기작이 없으므로, 진핵 유전자의 원래 게놈 DNA를 그대로 넣으면 intron이 제거되지 않아 제대로 된 단백질이 발현되지 않기 때문에 따라서 반드시 성숙 mRNA로부터 합성한 cDNA를 사용해야 합니다. 감사합니다.