분자생물학(molecular biology)에 대해 이해하기(1)

분자생물학(molecula biology)에 대해 알아보자!!

 

 

분자생물학의 목표는 세포에서 일어나는 다섯 가지의 기본적인 현상(생장, 분열, 분화, 운동 및 세포 간의 상호작용)을 이들 현상에 직접 관여하는 분자들을 여구하여 이해하는 데 있다. 즉, 분자생물학은 세포 내의 여러 고분자(Macromolecule)의 구조, 기능, 및 상호작용을 규명하여, 살아있는 세포의 생명현상에 대한 이해를 추구하는 학문이다.

 

이런 목표는 언뜻 지나치게 보일 수도 있으나 현재 생물학은 이런 목표가 충분히 달성되리라 낙관하는 과학자들조차 놀랄 정도로 빠르게 발전하고 있다. 이런 의미에서 현재는 생물학의 황금기라 일컬어지며 이런 생물학의 발달에는 분자생물학이 주도적인 역학을 하고 있다.

 

중요한 발견이 거의 매일 여러 연구실에서 일어나고 있으며 질병을 일으키는 유전자의 규명, 유망한 생명공학 제품, 또는 새로운 농업기술 등에 대한 획기적인 기사가 일간지에 자주 발표되고 있다.

 

몇십 년 전에는 분자생물학의 가장 중요한 발견이 주로 바이러스나 세균을 이용하여 이루어졌으나 현재는 이런 중요한 발견이 동물이나 식물을 재롤로 이용하여 이루어지고 있으며, 이런 현재의 분자생물학의 발전에는 몇 가지 주 용한 발견과 소수의 선도적인 과학자들이 현재 분자생물학 발전의 토대를 제공하였다.

 

 

초창기의 분자 생물학

 

분자생물학이란 단어는 1938년 록펠러 재단의 자연과학문야의 책임자였던 Warren Weaver가 새로운 분야의 과학-분자생물학-에 대한 재정지원을 주장하면서 최초로 사용되었다. 그 당시에 생화학자들은 세포 내의 기본적인 화학반응들을 발견하기 시작하였으며, 또 세포의 여러 특성을 규명하는 데 있어, 특정 반응 및 단백질 구조의 중요성을 인식하기 시작하였다. 그러나 분자생물학 자체의 발달은 "가장 효과적인 발전은 세균이나 박테리오파지와 같은 간단한 세스템을 여 구하는 경우 가능하다"라는 결론에 도달하면서 이루어지기 시작하였다. 세균이나 박테리오파지 역시 복잡한 시스템이지만 이들은 동물세포에 비해서는 훨씬 간단하며 실제로 이들을 이용하여 DNA에 유전정보가 저장되어 있음이 밝혀졌다.

 

DNA는 1869년 F.Miescher에 의하여 발견되었으나 DNA의 세포 내 기능과 DNA가 유전물질임에 대한 결정적인 증거는 거의 한 세기 후에야 밝혀졌다. 이러한 DNA의 기능을 밝힌 실험적인 증거는 대부분이 세균과 박테리오파지를 이용하여 제시되었다.

 

DNA가 유전형질을 결정하는 물질임이 규명되고 곧 이어 왓슨과 크릭에 의하여 DNA의 물리적인 구조가 제안되었다. 이들이 제안한 DNA의 구조는 DNA의 복제 및 자연적 돌연변이 기작에 대한 이론적인 설명을 가능하게 하였고 곧이어 RNA가 효소 및 다른 단백질 합성에 매개체임이 밝혀졌다. 이러한 발견에 이어서 분자생물학-분자유전학의 새 분야는 1950년대 후반과 1960년대 초반에 급속히 발달하였다. 분자생물학의 발달은 생물학에 대한 새로운 개념들을 빠른 속도로 제공하였으며 이 발달의 속도는 1920년대 양자역학의 발달 속도만이 비견될 수 있었다. 이런 분자생물학의 발달과 이어 따른 방대한 양의 지식은 연구자들에게 새로운 연구기법과 효과적인 분자 우전학의 이론적인 방법을 다양한 연구주제 근육과 신경의 기능, 생체막 구조, 항생물질의 작용기작, 세포의 분화 및 발생, 면역학 등에 작용하는 것을 가능하게 하였다. 이런 생물학의 전반에 걸친 신속한 발전에는 생명현상은 기본적으로 동일하다는 믿음 즉, 세균 또는 박테리오파지와 같은 간단한 생명체를 유지하기 위한 필수적인 생물학적 현상은 복잡한 고등 세포에도 반드시 적용되며, 단지 미세한 부분에서 차이가 있을 뿐이다. 이 중요한 요인으로 작용하였으며, 이런 믿음은 여러 실험 결과에 의하여 수 없이 재학인 되었다.

 

 

 

기본적인 생물학 연구 시스템

 

가장 간단한  생물체인 바이러스는 DNA를 단백질 껍질이 둘러싸고 있는 구조로 되어있다. 바이러스가 이렇게 간단한 형태로 증식할 수 있는 이유는 이들이 생존에 필요한 기본 기능을 숙주에 의존하는 기생생물이기 때문이다. 바이러스의 종류에 따라 숙주는 세균, 식물세포, 또는 동물세포일 수 있으며, 이들 숙주세포 중에서 세균은 가장 단순한 세포이다. 바이러스에 대하여 더 알아보기 전에 이들의 가장 단순한 숙주인 세균의 기본 특성에 대해 우선 알아보기로 하자.

 

세균은 독립해서 살아가는 단세포 생물체로 막으로 쌓여 있지 않은 하나의 염색체를 갖고 있으며, 진핵세포에 비해 그 구조가 단순하다. 실용적인 관점에서 보면 하나의 세균은 용액 상태로 존재하는 수천 종류의 화학물질과 몇 개의 입자 구조물을 단단한 세포벽이 둘러싼 구조를 하고 있다. 세균은 기본적인 생명현상 연구에 적합한 다양한 특성을 가지고 있다. 예를 들면 세균은 손쉽게 신속히 배양할 수 있으며, 다세포 생물의 세포에 비하여 배양 시 요구하는 영양분의 종류가 간단하다. 분자생물학의 재료로 가장 많이 사용된 세균은 대장균(E.coli)이다. 최적 조건에서 배양하면, 대장균은 20분에 한 번씩 분열하여 하나의 세포가 20시간 후에는 109개의 세포로 증식하게 된다.

 

세균은 애체배지 또는 고체배지를 이용하여 배양할 수 있으며, 한 액체배지에서 자라는 세균의 군집을 구체라 부른다. 만약 그 배양액이 생물에서 추출된 성분이 규명되지 않은 물질을 포함한 경우, 이 배양액을 육즙이라 부른다. 배양액이 당과 같은 탄소원을 제외하고는 다른 유기화합물을 포함하지 않은 간단한 무기물로 구성된 경우 이 배양액을 최소배지라 한다. 만약 한 세균이 최소배지에서 자랄 수 있는 경우 즉, 이 세균이 필요한 모든 유기물을 합성할 수 있는 경우 이 세균을 자가영양체라 한다. 만일 한 세균이 생장하기 위해 탄소원 외의 다른 유기물을 반드시 요구하는 경우, 이 세균을 타가영양체라한다.

 

세균은 일상적으로 고체배지의 표면 위헤서 배양한다. 이를 위해 처음에는 감자를 얇게 잘라 사용하였으나 요즘은 한천을 이용하여 만든 고체배지를 사용한다. 한천은 세균이 분비하는 소화효소에 의해 분해되지 않으므로 다른 영양성분 없이 한천으로만 만들어진 배지에서는 세균은 생장하지 못한다. 세균의 대사는 정밀하게 조절된다. 따라서 세균은 현재까지 발견된 가장 효율적인 자생생물체이다. 즉, 세균은 필요하지 않은 물질은 합성하지 않는다. 예를 들면, 아미노산의 일종인 트립토판이 공급된 배지에서 자라는 세균은 트립토판을 합성하지 않는다. 그러나 배지에 있던 트립토판이 모두 사용되면, 트립토판을 합성하는 효소들이 빠르게 활성화되어 트립토판이 합성된다. 다양한 에너지원을 분해, 이용하는 효소들 역시 효율적으로 조절된다. 가장 많이 연구된 예는 포도당 대신에 젖당을 에너지원으로 이용하는 경우이다. 트립토판의 합성과 젖당의 분해 조절은 대사조절의 두 예이다. 이런 일반적인 조절현상에 대하여는 앞으로 더 자세하게 포스팅 할 예정이다.

 

실험실에서 세균을 고체배지 위에서 쉽게 키울 수 있게 되고 또 필요에 따라서는 대형액체배지를 이용하여 다량의 세균배양이 가능해 짐에 따라, 생물체를 이루는 고분자의 물리.화학적인 성질의 규명이 신속히 발달할 수 있게되었다.