2-1. DNA가 유전물질인 증거(Feat. 그리피스, 에이버리, 허시와 체이스)
안녕하세요. 텔로머라제의 모든 것을 알려드리는 텔로머라제 홍보대사입니다.
텔로미어란?
염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,
염색체의 손상을 막아주는 역할을 함
텔로머라제란?
텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소
노화를 방지하는 효소
우리가 부모님을 닮는 것은 부모님으로부터 형질을 물려받았기 때문입니다. 과거 사람들은 부모님으로부터 자식에게 형질을 물려주는 인자가 있을 것이라고 추측했는데요. 그 인자를 '유전자'라고 합니다. 지금은 이 유전자의 실체가 'DNA'라는 것을 알고 있지만, 이를 알기 전의 대부분 과학자들은 '단백질'이 유전자라고 생각했습니다.
이번 포스트에서는 이 유전자의 실체가 'DNA'라고 밝힌 3가지 실험들을 설명드리겠습니다. 최대한 쉽고 자세하게 설명드릴테니 끝까지 읽어주시기 바랍니다.
● 그리피스의 형질전환 실험
먼저 그리피스의 형질전환실험에 대해 설명드리겠습니다. 그리피스는 폐렴을 일으키는 폐렴쌍구균을 이용해 실험을 진행했는데요. 폐렴쌍구균에는 R형균과 S형균, 2가지 종류가 있습니다.
우선 R형균은 겉표면에 보호막이 없어 거친 상태(Rough)를 갖습니다. 보호막이 없기 때문에, 생명체에 침투했을 때 생명체가 이 균을 쉽게 죽일 수 있습니다. 반면에 S형균은 겉표면에 보호막이 있어 부드러운 상태(Smooth)를 갖고, 보호막이 있어 생명체에 침투했을 때 쉽게 죽지 않는 특성을 갖습니다.
즉, S형균은 R형균보다 더 위험하며, 생명체가 폐렴으로 사망하게 합니다.
위 사진에 나와있는 초록색은 R형균, 노란색은 S형균을 의미합니다. 각 실험 내용을 요약하자면,
실험 1 : R형균을 쥐에 주입 -> 생존
실험 2 : S형균을 쥐에 주입 -> 사망
실험 3 : 열처리한 S형균을 쥐에 주입 -> 생존
실험 4 : 열처리한 S형균 + R형균을 쥐에 주입 -> 사망
앞서 설명드렸듯이, R형균은 겉표면에 보호막이 없어 약한 균입니다. 이 때문에 쥐에 주입해도 쥐가 생존할 수 있는 것이죠(실험1). 반면 S형균은 보호막이 있어 외부 환경에 의해 사멸되지 않고, 쥐를 사망시킵니다(실험2). 하지만 열처리한 S형균은 열로 인해 보호막이 파괴되어 쥐를 사망시키지 못했습니다(실험3).
여기서 신기한 점은 실험 4인데요. R형균과 열처리한 S형균 각각은 쥐를 사망시키지 못했지만, 2개를 합친 것은 쥐를 사망시킨 것이죠.
앞서 설명드렸듯이, R형균은 겉표면에 보호막이 없어 약한 균입니다. 이 때문에 쥐에 주입해도 쥐가 생존할 수 있는 것이죠(실험1). 반면 S형균은 보호막이 있어 외부 환경에 의해 사멸되지 않고, 쥐를 사망시킵니다(실험2). 하지만 열처리한 S형균은 열로 인해 보호막이 파괴되어 쥐를 사망시키지 못했습니다(실험3).
여기서 신기한 점은 실험 4인데요. R형균과 열처리한 S형균 각각은 쥐를 사망시키지 못했지만, 2개를 합친 것은 쥐를 사망시킨 것이죠.
어떻게 이런 일이 발생한 것일까요? 그리피스는 열처리한 S형균 내부의 어떤 물질이 R형균을 S형균으로 형질전환 시켰을 것이라 추측했습니다. R형균이 S형균으로 형질전환되어 쥐를 죽인 것이라 생각한 것이죠.
하지만 S형균의 어떤 물질이 R형균을 S형균으로 형질전환시킨 것인지는 파악하지 못했습니다. DNA가 유전물질이라는 것은 알 수 없었던 것이죠.
그리피스 실험의 한계 : R형균을 S형균으로 형질전환시킨 유전물질이 'DNA'라는 것은 확인하지 못함
● 에이버리의 형질전환 실험
에이버리는 그리피스의 형질전환 실험을 발전시켜 진행했습니다. 열처리한 S형균과 R형균을 쥐에 주입하는 것은 똑같은데, 여기에 단백질 분해효소를 첨가해 실험을 진행한 것이죠.
만일 R형균을 S형균으로 형질전환한 것이 단백질이라면, 단백질 분해효소에 의해 단백질이 분해되고, 이로 인해 R형균이 S형균으로 형질전환이 이뤄지지 않아 쥐가 생존할 수 있는 것이죠.
하지만 단백질 분해효소를 첨가해 실험을 진행한 결과, 쥐는 사망합니다. 즉, R형균을 S형균으로 형질전환 시킨 물질이 단백질이 아니라는 것이죠.
위에서 단백질 분해효소를 첨가해 실험을 진행한 것과 같이 탄수화물, RNA, DNA 분해효소를 첨가해 실험을 진행했습니다. 탄수화물 분해효소와 RNA분해효소를 첨가했을 때는 단백질 분해효소 첨가 실험과 같이 쥐가 사망했습니다.
즉, 단백질과 마찬가지로 탄수화물과 RNA는 R형균을 S형균으로 형질전환하는 유전물질이 아니라는 것이죠.
반면에 DNA 분해효소를 첨가했을 때는 쥐가 생존했습니다. R형균을 S형균으로 형질을 전환시킨 물질은 DNA이고, 그 DNA를 분해시켰기 때문에 R형균이 S형균으로 형질전환이 이뤄지지 않아 쥐가 생존할 수 있었던 것이죠.
즉, R형균을 S형균으로 형질전환시킨 물질이 DNA라는 것을 확인한 것입니다!!
● 허시와 체이스의 박테리오파지 증식실험
허시와 체이스는 박테리오파지를 이용해 실험을 진행했습니다. 박테리오파지는 세균내에 유전물질을 집어넣어 증식하는 바이러스로, DNA와 단백질로만 구성되어 있는데요. DNA와 단백질은 구성성분에 차이가 있습니다.
DNA : C, H, O, N, P로 구성
단백질 : C, H, O, N, S 로 구성
DNA는 P(인)을 갖고, 단백질은 S(황)을 갖는다는 차이점이 있습니다. 즉, P가 있으면 DNA, S가 있으면 단백질이라고 해석할 수 있습니다.
실험은 위와 같이 황과 인에 각각 방사선 동위원소를 처리해 실험을 진행했습니다. 앞서 언급드렸듯이, 32P는 DNA를 의미하고, 35S는 단백질을 의미합니다.
우선 단백질에 방사선 동위원소 처리한(35S) 박테리오파지가 대장균 내에 유전물질을 주입해 증식할 수 있도록 합니다. 이후 믹서기(교반기)로 박테리오파지와 대장균을 떼어내고, 원심분리기를 이용해 분리합니다. 원심분리기를 통해 밑에는 무거운 대장균이, 위에는 가벼운 박테리오파지가 남게 되는데요. 여기에서 방사선을 추적해 어느 부분에서 방사선이 나오는지 확인했습니다.
그 결과 35S방사선이 검출되는 부분은 대장균이 있는 아랫부분이 아닌 박테리오 파지가 있는 윗부분이었습니다. 즉, 단백질이 대장균 내로 들어가지 않았다고 해석할 수 있는 것이죠. 단백질은 대장균 내로 들어가 증식하게 만든 유전물질이 아니라는 것을 확인한 것입니다.
이번에는 DNA에 방사선 동위원소를 처리(32P)한 박테리오파지를 대장균에 증식시켰습니다. 위와 같이 원심분리를 한 결과, 대장균이 있는 아랫부분에서 방사선이 검출되었는데요. 이는 박테리오파지에 있던 DNA가 대장균 내로 들어갔다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 대장균 내로 들어간 유전물질이 DNA라는 것이 확인된 것이죠.
위 내용을 다시 정리하자면,
DNA에 방사선 표지(32P) 박테리오 파지 -> DNA가 대장균 내로 들어가 증식 -> 원심분리 결과 대장균이 있는 밑 부분에서 방사선 검출
단백질에 방사선 표지(35S) 박테리오 파지 -> 대장균 내로 단백질이 들어가지 못함 -> 원심분리 결과 대장균이 있는 밑 부분에서는 방사선이 검출되지 않고 박테리오파지가 있는 윗 부분에서 방사선 검출
결론 : 대장균 내에서 박테리오 파지가 증식하는 것은 유전물질 때문인데, 그 유전물질은 단백질이 아닌 DNA다
● 마무리
이번 포스트에서는 DNA가 유전물질인 증거가 되는 실험 3가지를 설명드렸습니다. 단백질이 유전물질이라고 생각한 통설을 뒤엎은 실험들인데요. 실험 내용이 복잡할 수 있지만, 천천히 읽어보시면서 이해하시길 바랍니다.
이 블로그에서는 텔로미어(Telomere)와 텔로머라제(Telomerase)에 대해 중점적으로 다루고 있습니다. 텔로미어는 염색체 양 끝에 위치한 DNA구조인데요. 세포가 분열할 때마다 염색체 양 끝단인 텔로미어 길이가 짧아집니다. 텔로미어가 더 이상 분열할 수 없을 정도로 짧아지면 분열을 멈춥니다. 세포의 노화가 시작되는 것이죠.
텔로머라제는 이를 방지해 세포 노화를 억제하는 역할을 합니다. 최근 논문들에서는 텔로머라제가 텔로미어 길이 연장 뿐 아니라 다양한 면역 반응에도 관여한다고 하는데요.
텔로머라제에 대한 자세한 내용은 '관련 논문 카테고리'에 올릴 예정이니, 한 번 보시길 바랍니다.
글 마지막 부분에 전체 영상 보실 수 있게 링크 걸어두었으니 더 관심있으시면 한번 보시는 것을 추천드립니다.
※동영상 출처
1. 채널명: 계숙 샘
동영상제목: [생명과학2]2단원 1차시-DNA가 유전물질인 증거(그리피스의 실험, 에이버리의 실험, 허시와 체이스의 실험)
