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DNA 생명의 비밀이라는 책을 읽었는데, 책을 읽으면서 DNA 찍은 사진이 왜 이중나선이라고 생각했는지가 이해가 안돼서 왜 이중나선인지 궁금해짐

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DNA(Deoxyribo Nucleic Acid, 데옥시리보핵산, 디옥시리보 핵산)는 뉴클레오타이드의 중합체인 두 개의 긴 가닥이 서로 꼬여있는 이중나선 구조로 되어있는 고분자화합물이다.

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DNA는 4 종류의 뉴클레오타이드가 중합

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DNA는 4 종류의 뉴클레오타이드가 중합 과정을 통해 연결된 가닥으로 이루어져 있다. 이 가닥은 사이토신, 구아닌, 아데닌, 티민은 독특한 핵염기(nucleobase)로 구분되기 때문에 흔히 DNA 염기서열이라고 부른다.[3] DNA 염기서열은 유전정보를 나타내는 유전자 구간과 그렇지 않은 비부호화 DNA 구간으로 나눌 수 있다.

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제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 프랭글린이라는 여성 과학자가 DNA를 X선으로 촬영한 사진을 프랭클린 동료 윌킨스로 부터 받았고 연구를 시작함

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처음에는 염기가 밖으로 나와있는 모습일꺼

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처음에는 염기가 밖으로 나와있는 모습일꺼라 예측. 하지만 그렇지 않았고, 당-인산의 뼈대를 바깥에 두고 염기들이 안쪽을 향하는 구조를 시도했다. 그렇다고 모든 문제가 순식간에 해결되지는 않았다. 염기가 바깥을 향할 때에는 자유도가 많았지만 안쪽을 향하면 네 개의 염기들이 어떻게 얽히고설켜 두 개의 뒤틀린 뼈대를 붙들어두는가 하는, 대단히 심각한 문제를 해결해야 했다. 뼈대가 중심에 있는 모형에서는 각 가닥의 인산기를 마그네슘이나 나트륨의 2가 양이온이 붙들고 있는 형태가 가능했다.

결국에는 특정한 염기들끼리 퍼즐이 맞춰지듯 수소결합을 통해 짝을 이루면서 두 개의 뼈대가 하나의 이중나선구조를 이루는 결과를 얻었다. 왓슨은 “이토록 아름다운 구조가 진실이 아닐 리 없다”고 여겼다.

이후 이들은 이러한 연구 논문을 네이처에 투고. 세상에 알려지게 된다.

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그들또한 그냥 사진만 보고 이중나선구조라는 것을 안것이 아니라 연구를 했다는 거임

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DNA가 나선 모양으로 꼬이는 것은 일차적으로 디옥시리보스와 인산의 중합 형성으로 생기는 구조 때문이다. 리보스와 디옥시리보스는 모두 탄소 5개로 이루어진 오탄당으로 단원자 산소를 매개로 오각형의 구조를 이룬다. 단원자 산소에서 시계방향으로 각 탄소마다 1번에서 5번까지 번호를 붙여 위치를 나타낸다.[18] 뉴클레오타이드에서 디옥시리보스의 1번 탄소는 핵염기와 결합하고, 2번과 3번은 하이드록시기(-OH)와 결합하며 4번 탄소와 연결된 5번 탄소가 인산염과 결합한다. 그리고 다른 뉴클레오타이드와 결합하는 것은 5번 탄소에 연결된 인산염이다. 따라서 DNA 염기서열 사슬은 언제나 인산염을 사이에 두고 5번 탄소와 3번 탄소가 연결되게 된다. 이를 5' → 3' 연결 방향성이라고 부른다.[19] 인산염의 결합 위치때문에 DNA 가닥은 3차원에서 나선 구조를 지니며 꼬이게 된다. 한편, 두 가닥의 염기서열 뼈대에 연결된 핵염기가 상보적이기 때문에 한 쪽 가닥 말단이 3번 탄소라면 상대쪽은 5번 탄소이게 되고 그 반대로 한 쪽의 말단이 5번 탄소라면 상대쪽은 3번이게 된다. 그 결과 A-T 및 G-C 두 염기서열 뼈대는 서로 반대 방향으로 나란한 역평행성과 상보성을 보인다. 이와 같이 하여 DNA는 두 개의 염기서열 뼈대가 서로 꼬인 이중나선 구조가 되고 두 사슬의 핵염기가 마치 사다리처럼 상보적으로 결합하여 안정적 구조를 유지하게 된다.[15]

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DNA의 구조는 왜 이중나선일까

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DNA의 구조는 왜 이중나선일까

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[사이언스N사피엔스] DNA의 이중나선 구조

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[사이언스N사피엔스] DNA의 이중나선 구조

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그리피스와 에이버리, 그리고 허시-체이스의 실험을 통해 유전물질의 실체가 DNA라는 핵산임이 거의 확실해졌다. 정체가 밝혀졌으니 이제 그 대상과 관련된 자세한 정보를 얻는 게 순서이다. 지적 호기심에 목마른 과학자들은 욕심이 많아서 하나를 알고 나면 그 다음 순서를 더 알고 싶어 한다. 어쨌든 DNA는 세포핵 속에 있는 화학물질이고 따라서 어떤 구체적인 분자구조를 이루고 있을 것이다. 과학자들은 그 구조를 알아내려 했다.

DNA 같은 고분자 화합물의 구조를 알아내는 가장 간단하고도 확실한 방법은 그 구조를 '보는' 것이다. 맨눈이나 현미경으로 간단히 볼 수 있다면 얼마나 좋을까만 인간의 눈이나 광학현미경의 성능이 그렇게까지 뛰어나지는 못하다. 그러나 '본다'는 의미에 충실하면 좋은 힌트를 얻을 수 있다. 우리가 사물을 '보는' 것은 결국 그 대상에서 튕겨 나오는 빛 알갱이인 광자를 감지하는 것이다. 보는 행위의 본질은 충돌이다. 또한 빛은 전자기파의 일종이니까 빛, 즉 가시광선 이외의 전자기파를 원하는 대상에 충돌시켜 튕겨 나오는 신호를 분석하는 것도 훌륭한 관측행위이다. 마침 과학자들에게는 20세기가 시작될 무렵 이 목적에 맞는 전자기파를 하나 갖고 있었다. 바로 엑스선이다.

엑스선은 그 파장이 자외선보다는 짧고 감마선보다는 긴 전자기파이다. 엑스선의 물리학을 전혀 모르는 사람이라도 엑스선이 뭔가를 '보는' 데에 엄청난 이점이 있음은 누구나 알 것이다. 의사들이 엑스선을 이용해 인체 속을 들여다본다면 물리학자들은 엑스선을 이용해 물질의 내부를 들여다보기 시작했다. 독일의 막스 폰 라우에가 결정체에서 엑스선이 회절하는 현상을 관찰한 이래 영국의 윌리엄 헨리 브래그와 그의 아들 윌리엄 로렌스 브래그는 엑스선을 이용해 결정의 구조를 파악할 수 있음을 보였다. 결정에 의한 엑스선의 회절은 결정을 구성하는 격자들에 엑스선이 튕겨 나올 때 각 엑스선들이 지나온 경로의 차이 때문에 최종적으로 간섭을 일으켜 생기는 현상이다. 이는 고전적인 빛의 두 틈 실험과 기본적으로 같은 원리로서 격자들 사이의 간격이 엑스선이라는 전자기파의 파장과 비슷할 때에 잘 생긴다. 로렌스 브래그는 엑스선의 경로차에 따른 간섭조건을 이용해 이웃한 격자에서 반사된 엑스선이 서로 소멸되지 않고 보강되는 조건을 발견했다. 이를 브래그의 법칙(Bragg's Law)이라 부른다. 이 공로로 아버지와 아들은 1915년에 노벨물리학상을 수상했다. 노벨위원회에서 밝힌 공식적인 수상이유는 "엑스선을 이용해 결정구조를 분석한 공로(for their servics in the analysis of crystal structure by means of X-rays.)"였다.

이로써 엑스선 결정학의 새 시대가 열렸다. 그때 아들의 나이는 25세였다. 이 나이는 과학 분야에서 노벨상을 수상한 가장 어린 나이이다. 또한 부모와 자식이 노벨상을 받은 경우는 더러 있으나(마리 퀴리와 이렌 졸리오-퀴리, J.J. 톰슨과 G.P. 톰슨 등) 같은 해에 공동수상한 경우는 브래그 부자가 유일하다.

의사들은 인체에, 물리학자들은 소금(NaCl)이나 다이아몬드 같은 결정체에 엑스선을 쏘아 재미를 봤다면 생물학에 관심 있는 사람들은 엑스선을 이용해 단백질 같은 큰 분자의 구조를 파악하려고 애썼다. 영국의 윌리엄 애스트버리가 이 분야에서 선구적인 역할을 했다. 1930년대까지 엑스선 회절을 이용한 최고의 단백질 사진은 애스트버리의 손에서 나왔다.

그러나 이를 이용해 분자구조를 규명하는 것은 또 다른 일이다. 여기서 큰 공헌을 한 사람이 미국의 라이너스 폴링이다. 폴링은 양자역학의 원리를 적용해 화학결합의 비밀을 규명한 20세기의 가장 위대한 화학자라 할 수 있다. 폴링은 1951년 로버트 코리 등과 함께 단백질의 알파나선구조와 베타병풍구조를 밝혀냈다. 단백질은 수많은 아미노산이 펩티드 결합으로 연결된 사슬(폴리펩티드)이라 할 수 있는데, 이 사슬의 구조가 나선형 또는 병풍형임을 제시한 것이다.

단백질의 대표적인 구조가 용수철처럼 꼬여 있는 나선형이라면 다른 중요한 생물학적 분자도 나선형이 아닐까 라고 자연스럽게 유추할 수 있다. 그 중에서도 유전물질의 실체로 지목된 DNA의 구조는 당연히 과학자들의 '힙한' 아이템이었다. 실제로 폴링은 코리와 함께 1953년 1월 DNA가 삼중 나선구조임을 주장하는 논문을 발표했다. 폴링은 논문의 사본 한 편을 당시 캐번디시 연구소장으로 있던 브래그에게, 또 한 편은 케임브리지에 있던 자신의 아들 피터 폴링에게 보냈다. 그러나 폴링이 제안한 구조는 화학적으로 대단히 불안정한 구조였다. 그때 영국에서 폴링의 논문을 보고 "당시 누구나 인정하던 세계 정상급 화학자였던 폴링이 어떻게 해서 이런 말도 안 되는 결론에 도달했는지 도무지 모를 일이었다."라며 안도했던 사람이 DNA구조 사냥에 나섰던 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이었다.

왓슨은 미국 시카고 출생으로 16세에 시카고대에 입학했고 22세에 인디애나대에서 세균유전학으로 박사학위를 받았을 만큼 수재였다. 그의 지도교수는 살바도르 루리아로 델브뤼크와 함께 박테리오파지를 연구해 1969년 노벨상까지 받았다. 야심 많은 젊은 과학도였던 왓슨은 DNA의 구조를 규명하겠다는 포부를 안고 유럽으로 건너가 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소에 박사후연구원으로 자리 잡았다. 그때가 폴링이 알파나선구조를 밝혀낸 1951년이었다. 거기서 왓슨이 만난 운명의 동료가 프랜시스 크릭으로, 왓슨보다 12살 연상의 박사과정 학생이었다. 왓슨은 1928년생, 크릭은 1916년생이니까 1951년이면 왓슨이 23세였고 크릭이 35세 되던 해였다. 원래 물리학을 전공했던 크릭은 세계대전을 겪으면서 그리고 슈뢰딩거의 《생명이란 무엇인가》라는 책에서 큰 영감을 얻어 늦은 나이에 생물학으로 방향을 틀었다. 크릭이 학위논문을 위해 연구하던 주제는 엑스선을 이용한 단백질 연구였다. 왓슨을 만난 뒤에는 말하자면 과외연구로 DNA에 뛰어들었다.

그러나 당시 영국에서는 캐번디시가 DNA연구의 중심지가 아니었다. 영국 과학계에서는 일종의 역할분담이 이루어져 DNA연구는 킹스 칼리지가 주도하는 모양새였다. 특히 킹스 칼리지에 새로 설립한 생물물리학부에서는 엑스선을 이용해 DNA 회절사진을 찍고 있었다. 그 핵심 인물은 뉴질랜드 출신의 모리스 윌킨스였다. 폴링이 알파나선구조를 규명하고 왓슨이 케임브리지로 입성했던 1951년, 한 명의 엑스선 회절사진 전문가가 윌킨스의 연구진에 합류했다. 그의 이름은 로잘린드 프랭클린으로, 왓슨은 "그녀는 옷이나 외모에는 전혀 신경을 쓰지 않았고, 검은 생머리에 어울릴 법한 립스틱도 바르지 않았다."고 묘사했다. 시간이 지날수록 윌킨스와 프랭클린은 사이가 나빠졌다. 윌킨스는 프랭클린이 자신의 조수역할을 해 주길 바랐으나 프랭클린은 독립적으로 연구를 하려고 했다. 반면 왓슨과 크릭은 윌킨스와 친밀한 관계를 유지했다. 특히 왓슨은 케임브리지로 오기 전에 이탈리아 나폴리에서 윌킨스의 DNA 구조에 관한 강연을 들을 기회가 있었는데, 그때 윌킨스가 보여 준 DNA 회절사진에 마음을 빼앗겼다. 말하자면 "왓슨은 사진 한 장에 혹해서 케임브리지로 옮겼다."

분자에 대한 엑스선 회절사진은 말하자면 관측 자료에 해당한다. 반면 가능한 분자구조의 모형을 세우고 어떤 원리에 따라 계산을 하는 등의 작업은 이론적인 연구라 할 수 있다. 폴링은 알파나선구조를 알아낼 때 후자에서 탁월한 통찰력을 발휘했다. 그러나 아무리 훌륭한 모형이 있더라도 궁극적으로는 실제 모습과 얼마나 일치하는지를 맞춰봐야 한다. 그것이 과학이다. 따라서 엑스선 회절사진이 결정적으로 중요할 수밖에 없다.

DNA는 염기, 당, 인산의 세 요소가 결합된 뉴클레오티드가 기본 구성단위이다. 당은 탄소가 5개인 5탄당 리보오스에서 산소가 하나 없는 구조이다. DNA의 D는 DeoxyRibose의 머리글자로서 "Deoxy"는 산소가 없다는 뜻이다. 한편 염기에는 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T), 시토신(C)의 네 가지가 알려져 있었다. 단백질의 알파나선구조가 밝혀진 뒤엔 DNA도 나선구조일 것이라 쉽게 기대할 수 있다. 왓슨과 크릭도 초반에는 당과 인산이 뼈대를 이루고 염기가 뼈대의 바깥쪽을 향하는 3중 나선구조의 모형을 만들었다. 마치 레고 블록을 조립하든 금속으로 만든 원자조각들을 이리저리 끼워 맞추는 작업이었다. 윌킨스와 프랭클린도 이 모형을 보았으나 특히 프랭클린은 이 모형이 자신의 회절사진 결과와 맞지 않음을 조목조목 비판했다. 결국 삼중나선모형은 실패했고 브래그 소장은 왓슨과 크릭에게 DNA 연구를 그만두라는 결정을 내렸다. 이런 실패의 과정이 있었기 때문에 폴링이 1953년 삼중나선구조를 제안했을 때 그 모형의 문제점을 왓슨과 크릭은 쉽게 알아 볼 수 있었다. 폴링의 모형 또한 염기가 뼈대의 바깥을 향하는 구조였다.

그해 1월말에 왓슨은 폴링의 모형에 대해 윌킨스와 논의하려고 킹스 칼리지를 방문했다. 윌킨스는 이날 왓슨에게 프랭클린의 연구진이 1952년 5월에 찍은 최신의 엑스선 사진을 한 장(51번 사진) 보여주었다. 이 사진을 본 왓슨은 DNA의 구조가 이중나선임을 직감했다. 케임브리지로 돌아간 왓슨은 크릭과 함께 이중나선을 기본골격으로 하는 DNA 분자구조를 만들기로 작심했다. 그러나 이중나선이라고 해도 당-인산의 뼈대를 안쪽에 두고 염기가 바깥으로 뻗어있는 식으로는 만족스런 결과를 얻지 못했다. 극적인 돌파구는 이 발상을 뒤집는 데에서 열리기 시작했다. 밑져야 본전이라는 생각으로 당-인산의 뼈대를 바깥에 두고 염기들이 안쪽을 향하는 구조를 시도했다. 그렇다고 모든 문제가 순식간에 해결되지는 않았다. 염기가 바깥을 향할 때에는 자유도가 많았지만 안쪽을 향하면 네 개의 염기들이 어떻게 얽히고설켜 두 개의 뒤틀린 뼈대를 붙들어두는가 하는, 대단히 심각한 문제를 해결해야 했다. 뼈대가 중심에 있는 모형에서는 각 가닥의 인산기를 마그네슘이나 나트륨의 2가 양이온이 붙들고 있는 형태가 가능했다.

결국에는 특정한 염기들끼리 퍼즐이 맞춰지듯 수소결합을 통해 짝을 이루면서 두 개의 뼈대가 하나의 이중나선구조를 이루는 결과를 얻었다. 왓슨은 "이토록 아름다운 구조가 진실이 아닐 리 없다"고 여겼다.

왓슨과 크릭은 서둘러 논문을 작성해 국제학술지 '네이처'에 투고했다. 1월말에 "51번 사진"을 보고 3월 첫 주에 모형을 완성한 뒤 그달 말에 논문 초안이 나왔다. 1953년 4월25일자 네이처에 실린 이들의 논문은 겨우 842개 단어로 작성되었고 전체적으로 한쪽이 될까 말까한 분량이었다. 이제는 누구에게나 익숙한 이중나선구조의 일러스트 한 컷도 들어가 있다. 이로부터 20세기 분자생물학의 새 장이 열렸다.

※관련기사

-The Nobel Prize in Physics 1915, NobelPrize.org., Nobel Media AB 2020. Mon. 28 Dec 2020; https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1915/summary/.
-Nobel Prize Outreach, Nobel Prize facts, https://www.nobelprize.org/prizes/facts/nobel-prize-facts/.
-Bernal, J. D. (1963). "William Thomas Astbury 1898-1961". Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 9: 1-01.
-제임스 왓슨, 《이중나선》(최돈찬 올김), 궁리.
-싯다르타 무케르지, 《유전자의 내밀한 역사》(이한음 옮김), 까치.
-Martin J. Tobin, April 25, 1953 Three Papers, Three Lessons, American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine 167:8, 1047-1049.

※필자소개

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

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[사이언스N사피엔스] DNA의 이중나선 구조

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그리피스와 에이버리, 그리고 허시-체이스의 실험을 통해 유전물질의 실체가 DNA라는 핵산임이 거의 확실해졌다. 정체가 밝혀졌으니 이제 그 대상과 관련된 자세한 정보를 얻는 게 순서이다. 지적 호기심에 목마른 과학자들은 욕심이 많아서 하나를 알고 나면 그 다음 순서를 더 알고 싶어 한다. 어쨌든 DNA는 세포핵 속에 있는 화학물질이고 따라서 어떤 구체적인 분자구조를 이루고 있을 것이다.

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1. 염기를 보호하기 위해서

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1. 염기를 보호하기 위해서

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DNA의 2중 나선 구조는 염기를 보호하는 역할을 합니다.

염기들은 수소 결합으로 서로 연결되어있고, 2중 나선의 안쪽에 위치하기 때문에,

다른 화학물질과 반응할 확률이 매우 낮습니다.

세포 분열이 일어날 때에는 DNA가 풀어지게 되는데

이때에는 수소결합이 끊어지고 2중나선이 풀어지게 됩니다.

염기가 바깥으로 노출되면, 새로 만들어진 뉴클레오타이드가 결합하여 새로운 2중나선을 만듭니다.

다음시간에는 DNA가 붙어있도록 하는 수소결합에 대해서 알아보겠습니다.

[출처] 3-1-1-2. DNA의 구조와 기능|작성자 디테기CE

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https://m.blog.naver.com/rosemaker/80056660108

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2. 구멍(빈부분)을 줄이기 위해서

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2. 구멍(빈부분)을 줄이기 위해서

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3. 이중나선 구조만 있는건 아냐!

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3. 이중나선 구조만 있는건 아냐!

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1. 이중나선의 종류

DNA 이중나선은 대개 오른 나사 방향으로 꼬이는 B형이 일반적이긴 하지만 꼭 그것만이 유일한 구조는 아니다. 널리 알려진 유형으로는 A-DNA, B-DNA, Z-DNA가 있다. DNA 이중나선은 나선 사이에 홈이 패이게 되는데 넓게 패이는 주홈과 좁게 패이는 부홈을 구분할 수 있다. 가장 일반적인 B-DNA의 경우 한 번 감긴 나선 마다 10개의 염기쌍이 놓인다. 그런데 A-DNA는 나선의 기울기가 수직축을 기준으로 30°정도 기울어져 있어서 더 큰 폭으로 회전한다. 이 경우 나선 사이의 홈도 비슷하게 패여서 주홈과 부홈을 구분하기 힘들게 되며 나선 하나에 놓이는 염기쌍도 11개로 B형 보다 1개 더 많다. 한편 Z-DNA는 나사의 회전 방향이 B-DNA와 거울상 대칭을 보이고 나선 하나에 12개의 염기쌍이 놓이게 된다. 그 결과 Z-DNA는 B-DNA보다 길고 홀쭉하게 보이게 된다.[20]

2. 이중나선이 아닌구조

(1) 초나선형과 환형 DNA

DNA 이중나선은 대개 오른 나사 방향으로 꼬이는 B형이 일반적이긴 하지만 꼭 그것만이 유일한 구조는 아니다. 널리 알려진 유형으로는 A-DNA, B-DNA, Z-DNA가 있다. DNA 이중나선은 나선 사이에 홈이 패이게 되는데 넓게 패이는 주홈과 좁게 패이는 부홈을 구분할 수 있다. 가장 일반적인 B-DNA의 경우 한 번 감긴 나선 마다 10개의 염기쌍이 놓인다. 그런데 A-DNA는 나선의 기울기가 수직축을 기준으로 30°정도 기울어져 있어서 더 큰 폭으로 회전한다. 이 경우 나선 사이의 홈도 비슷하게 패여서 주홈과 부홈을 구분하기 힘들게 되며 나선 하나에 놓이는 염기쌍도 11개로 B형 보다 1개 더 많다. 한편 Z-DNA는 나사의 회전 방향이 B-DNA와 거울상 대칭을 보이고 나선 하나에 12개의 염기쌍이 놓이게 된다. 그 결과 Z-DNA는 B-DNA보다 길고 홀쭉하게 보이게 된다.[20]

(2) 그런데 최근 이중 나선 구조가 아닌, 4중 나선 구조의 DNA가 살아있는 세포 속에서 존재하고 있다는 연구 결과가 나왔다. DNA는 아데닌(A)과 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T) 의 4가지 염기로 구성된다. 호주 가반의학연구소와 시드니대 등 공동 연구팀은 길다란 DNA 중 G나 C가 특별히 많은 지역에서 4중 나선 구조를 이루는 DNA가 존재하고 있다는 것을 최초로 발견하고, 이를 23일(현지시각) 학술지 '네이처 화학'에 발표했다.

DNA의  4 가지 염기는 A가 T, G가 C와 상보적으로 결합해 염기쌍을 형성한다. 이런 염기쌍 약 600억 개가 이중으로 나선을 이루며, 우리 몸에 대한 정보를 담고 있다. 하지만 실험실 내에서는 4중 나선 형태의 DNA도 안정적으로 형태를 유지한다. G나 C 염기가 상보적으로 결합하지 않고 G 4개, C 4개가 동시에 결합하는 경우가 있기 때문이다.

학계에선 G가 4개 모인 것을 '지-쿼트러플럭스(G-quadruplex), 즉 G4라고 부른다. 또 4개의 C가 결합한 것을 '아이-모티프(I-motif) DNA, 즉 iM DNA라 명명하고 있다. 유전학자들은 '세포 내에 4중 나선 DNA가 존재할 수 있는가'를 두고 논쟁을 벌여왔다. 실제로 존재한다면 그 원인과 역할을 무엇인지도 관심거리였다.

연구팀은 이를 알아보기 위해 iM DNA와 선택적으로 반응하는 항체를 개발했다. 여기에 녹색 형광물질을 띄도록 처리해 살아있는 세포에 주입했다. 그 결과 노화에 영향을 미치는 텔로미어(Telemere) 말단이나 DNA를 읽어 단백질을 합성할 때처럼 각기 다른 DNA 지역과 시기에 녹색 반점이 나타났다 사라지는 것을 확인했다.

특히 연구팀은 세포 주기 중 ‘G1’기에서 iM DNA가 가장 많이 관찰되는 것이 확인했다. G1기는 세포주기의 가장 첫 번째 단계로, 세포 생장의 필요한 단백질이 합성되는 시기다.

가반의학연구소 마흐디 자라티 연구원은 “DNA를 읽어 단백질을 만드는 G1기에 iM DNA가 많다는 것을 볼 때, 다른 유전자 지역이 활성화되는 데 영향을 미치는 것으로 추정 된다”고 설명했다.

가반의학연구소 표적치료센터 다니엘 크리스트 연구디렉터는 “그동안은 iM DNA를 추적하기 위한 항체가 없어 연구가 더뎠는데 이번에는 이를 해결했다”며 “앞으로 G4가 있는지도 찾아보고, 이런 4중 나선 DNA들이 나타나는 이유를 밝힌다면 그간 알 수 없었던 각종 질병과 노화문제에 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

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DNA 이중 나선 구조가 밝혀진 후 생명과학은 말 그대로 폭발적으로 발전하기 시작했다. 생명 현상을 분자 수준에서 이해하고 응용하려는 분자 생물학의 총아로 떠오른 것은 물론 각종 생명 현상의 비밀들이 하나씩 풀려가기 시작했다. 호박만 한 토마토를 만들 수 있는 것도, 유전자를 분석해 범인을 잡는 것도 다 DNA의 구조를 밝혀냈기 때문이다.

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제한효소는 DNA 분자를 정확한 위치에서

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제한효소는 DNA 분자를 정확한 위치에서 잘라줄 뿐 아니라 특정한 유전자를 찾아 다른 유전자들과 분리시켜 주기도 한다. 이 덕분에 일렬로 나열하면 1.5m에 이르는 인간 DNA 사슬을 연구에 필요한 특정 부위만 작게 잘라내는 일이 가능해졌다. 긴 사슬을 잘라낸 작은 조각들을 짜맞춰 상대적 위치를 결정하면 유전자 지도를 만들 수도 있다. 이를 발견한 아르버와 네이선스, 스미스 등은 1978년 노벨 생리의학상을 받았다.

그 후 수백 가지의 제한효소가 발견돼 DNA 연구는 비약적으로 발전하기 시작했다. 더욱 중요한 것은 잘라진 조각의 끝을 이어주는 연결효소도 발견됐다는 점이다. 이는 곧 오늘날 유전공학 혁명을 일으킨 재조합 DNA 기술로 연결됐다.

제한효소를 이용하면 모든 생물의 DNA를 마음대로 자를 수 있었고, 연결효소로 DNA를 붙이는 것 또한 어렵지 않았다. 따라서 DNA는 살아있는 생물이라면 어디든 옮겨 다닐 수 있었다. 박테리아의 DNA를 식물에 넣을 수도 있고, 인간의 DNA 조각을 동물의 DNA에 붙일 수도 있었다. 이때부터 클로닝(cloning)이란 말이 유행하기 시작했다. 클로닝이란 조직의 일부를 이용해 생명체 전체를 창조한다는 의미이다.

제한효소와 DNA 재조합 기술의 발견은 DNA 속에 염기들이 어떻게 배열돼 있고, 특정한 유전자가 어디에 위치하고 있는지를 알려주기 시작했다. 영국의 생화학자 프레드릭 생어는 1954년 최초로 인슐린의 아미노산 배열을 완전하게 분석했다. 단백질이 아미노산만으로 이뤄졌다는 사실을 입증한 것. 이 공로로 1958년 노벨 화학상을 받았다.

그러나 그의 연구열은 식을 줄 몰랐다. 생어는 1977년 미국의 앨런 맥삼과 웰터 길버트와 함께 DNA 서열분석기를 사용해 DNA 염기의 배열 정보를 짧은 시간에 손쉽게 알아내는 방법을 개발했다. 그야말로 30억개의 염기쌍의 배열을 밝히는 데 뒷받침이 되는 기술이 등장한 것이다. 이 연구로 1980년 길버트, 폴 버그와 함께 생어는 두 번째 노벨화학상을 받았다.

1982년에는 DNA 재조합 기술을 이용해 박테리아에 인간의 인슐린 유전자를 집어넣어 당뇨병 치료에 필수적인 인슐린을 대량으로 생산할 수 있는 방법을 찾았다. 대장균은 평균 30분에 한 번씩 분열한다. 따라서 인슐린 유전자와 대장균의 플라스미드를 붙인 후 대장균에 삽입하면 하룻밤 사이에 몇백만 배로 번식해 대량의 인슐린을 만들어낸다.

그런데 대장균을 숙주세포로 사용하는 경

출처 : 주간조선(http://weekly.chosun.com)

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"곧 나의 시대가 온다."

다윈의 진화론으로 인해 세상이 떠들썩할 때, 유전법칙을 발견한 멘델이 한 말이다. 멘델은 이미 자신이 얼마나 대단한 일을 해냈는지 간파하고 있었던 것 같다. 그렇게 자신감에 차 있을 정도였으니.... 그러나 진정한 천재는 생전에 그 천재성을 인정받을 수 없다고 했던가. 그는 곧 차가운 주검이 되었다.

천재의 삶은 경탄스럽다. 그러나 때로는 이렇듯 가슴 아픈 천재성도 있다. 더구나 얼마나 많은 여성 천재가 뛰어난 재능에도 불구하고 제대로 인정받지 못했는가를 생각하면 안타깝기 짝이 없다. 과학계의 그런 대표적 인물은 로잘린드 프랭클린(Rosalind Elsie Franklin, 1920~1958)이다. 그녀는 DNA 이중나선 구조의 진실에 가장 먼저 다가간 과학자였지만 노벨상의 영광에는 근처에도 가지 못했고 역사에서도 이름이 지워질 뻔했다. 그러나 사후지만 다행히 페미니스트 역사가들 덕분에 지금은 널리 알려지게 됐다.

1953년 4월 25일, 과학저널 에 20세기 생명과학계의 최대 사건인 DNA 이중나선의 구조도가 실린 날이다. 이중나선 구조 발견의 주인공은 미국의 제임스 왓슨(James Dewey Watson, 1928~)과 영국의 프랜시스 크릭(Francis Harry Compton Crick, 1916~2004)이다. 본문은 1페이지밖에 안 되는 짧은 분량이었지만, 20세기 최대 생물학적 성과로 아직도 보존되고 있다. 유전학 연구는 이때부터 본격적으로 시작되었다.

유전정보를 담은 DNA는 생체 안에서 보통 이중나선을 이루고 있다. 나선의 등뼈는 인산과 당이고, 나선 안쪽으로 4가지 염기(아데닌, 구아닌, 시토신, 티민)가 달려 있다. 이 염기의 순서가 바로 생명체의 유전 정보다. 한쪽 가닥에 달린 염기가 다른 쪽 가닥에서 나온 염기와 수소결합을 통해 손을 잡듯 결합한다. 이것이 염기쌍이다.

DNA 1g에는 염기(A, T, G, C)가 1021개 들어 있다. 이를 메모리로 환산하면 10억테라비트(Tb, 1Tb=1012b)에 해당하는 엄청난 정보량이다. 생명에 대한 모든 정보는 DNA 속에 담겨 있다. DNA가 모여서 유전자를 만들고, 이 유전자가 우리 몸속에서 필요한 명령을 내린다.

그러나 DNA 구조 발견의 그 이면에는 생명의 비밀을 독점하려는 학자들 사이의 경쟁심과 명예욕, 선두다툼, 우정과 반목이 뒤엉킨 인간드라마가 숨어 있다. DNA 구조 발견의 역사적 무대는 1951년 영국 케임브리지대의 캐번디시 연구소이다. 당시 DNA의 비밀을 캐기 위한 경주에는 여러 연구자들이 각축을 하고 있었다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭, 그리고 당대 최고의 과학자로 칭송받던 미국의 물리학자 라이너스 폴링, 영국 런던의 킹스 칼리지에서 일찍부터 X선 회절 사진을 통해 DNA를 연구하던 모리스 윌킨스와 로잘린드 프랭클린 등이 선두를 다퉜다.

그 중 왓슨과 크릭은 DNA 연구에서 가장 뒤떨어진다고 평가받던 인물이다. 쟁쟁한 과학자들의 경쟁에 왓슨과 크릭 같은 애송이가 끼어들 틈이 없어 보였다. 왓슨은 시카고대학 졸업 3년 만인 1950년에 인디애나 대학에서 동물학으로 박사 학위를 받은 지 1년밖에 안 된 젊은 청년이고, 크릭은 런던의 유니버시티 칼리지 출신으로 왓슨보다 12살이나 많았지만 학위도 없었고 경력도 신통치 않았다.

또한 왓슨과 크릭이 함께 일한 케임브리지대 캐번디시 연구소는 DNA 구조 연구의 후발주자였다. 2차 대전 후 물자가 부족했던 영국에선 두 개의 대학이 같은 연구를 하는 것이 용납되지 않았고, DNA 구조 연구는 로잘린드 프랭클린이 속한 킹스 칼리지 몫이었다. 그럼에도 왓슨과 크릭이 최후의 승자가 될 수 있었던 이유는 무엇일까?

당시 과학자들은 이미 유전정보의 비밀이 DNA에 있다는 사실을 알고 있었다. 왓슨과 크릭은 생물학과 물리학을 바탕으로 각종 데이터를 분석하며 DNA의 비밀을 밝혀나가기 시작했다. 그런데 문제는 DNA가 어떤 구조를 가지고 있느냐를 밝혀내는 일이었다. DNA 구조를 설명하기 위해서는 실제 세포의 핵 속에 DNA가 어떤 모양으로 들어 있는지를 알아야 한다. 이를 위해서는 X선으로 사진(회절 무늬)을 찍어야 한다. 당시 여성 과학자 프랭클린이 찍은 DNA의 X선 회절사진은 이중 나선구조를 확신하는 결정적인 자료가 됐다.

이 자료를 왓슨과 크릭에게 제공한 사람은 다름 아닌 킹스 칼리지의 프랭클린 동료 윌킨스이다. 프랭클린과 사이가 좋지 않았던 윌킨스는 수시로 캐번디시 연구소를 방문해 프랭클린이 찍은 DNA X선 사진을 보여주고, 논문으로 출판되지 않은 데이터들을 제공했다. 더욱이 왓슨과 크릭은 프랭클린이 연구비 지원기관(의학연구위원회·MRC)에 비공개로 제출한 보고서를 은밀히 입수하기까지 했다.

왓슨은 미모의 여동생을 시켜 윌킨스에게 의도적으로 접근할 것을 권하였으나 이것은 윌킨스가 그녀에게 완벽하게 빠지지 않아 실패했다. 그러나 동료인 프랭클린과 앙숙관계였던 윌킨스는 자연스레 왓슨과 친해졌고, 왓슨은 윌킨스를 통해 프랭클린의 X선 사진을 보게 된 것이다. 여러 면에서 캐번디시 연구소보다 앞서 있던 킹스 칼리지가 경쟁에서 실패한 원인 중 하나가 바로 공동 연구자였던 윌킨스와 프랭클린 사이의 불협화음이었다.

윌킨스는 프랭클린의 사전 허락도 없이 회절사진을 분석했고, 프랭클린이 찍은 X선 회절사진에서 결정적 단서를 얻은 왓슨과 크릭은 곧 나선형 모형을 만들었다. 이것이 바로 그 유명한 DNA 이중나선 구조 모형이다. 1953년 왓슨이 과학저널 논문을 통해 DNA 이중나선을 밝힌 나이는 불과 25세다.

제임스 왓슨, 프랜시스 크릭, 모리스 윌킨스 세 사람은 1962년 12월, 스웨덴 스톡홀름의 노벨상 수상대에 나란히 섰다. DNA의 이중나선 구조를 밝힌 것이 수상 이유다. 이때 프랭클린이 함께 노벨상을 받지 못한 것은 암 선고를 받고 1958년 38세라는 젊은 나이에 유명을 달리한 탓도 있다.

물론 왓슨과 크릭에겐 창의적인 직관이 있었다. 그러나 그 직관을 자극한 실험 데이터는 분명히 윌킨스가 사적으로 보여 준 프랭클린의 사진이었다. 왓슨과 크릭은 이 사실을 공개적으로 인정하지 않았다. 그러나 '영원한 비밀은 없다'라는 말처럼 잊혀질 뻔했던 이 사실은 역설적이게도 왓슨이 그의 연구를 정리한 저서 을 계기로 밝혀졌다. 그 후 왓슨과 크릭은 "프랭클린의 영광을 도둑질했다."라는 연구업적 가로채기의 비판을 받았고, 왓슨은 나중에 에 후기를 덧붙여 프랭클린의 연구업적을 높이 평가했다.

프랭클린은 '여성 과학자 차별의 희생자'라는 여성 차별의 대표적 사례로 꼽히기도 한다. 프랭클린은 여자에게는 학위를 주지 않았던 시절 대학을 다녔고, 여교수에게 식당 출입을 제한하는 시절 대학에서 연구했다. 이런 환경에서도 그녀는 당당하고 열정적이었으며 완벽주의자였다. 영국 정부는 이 비운의 여성과학자를 기리기 위해 '로잘린드 프랭클린 상'을 제정해 해마다 우수하고 업적이 탁월한 여성 과학자들에게 상을 수여하고 있다. 진실의 역사가 살아난 것이다.

지금까지의 내용으로는 왓슨과 크릭은 다른 사람의 자료를 이용해 성공한 치사한 사람으로밖에는 보이지 않는다. 그래서 일부 사람들은 이들의 성공을 '운이 좋았다'거나 '도둑질'이라고 말한다. 그러나 미국 템플대 심리학과 로버트 와이즈버그 교수는 이들의 연구가 창의적이라고 해석한다. 왓슨과 크릭은 연역적으로 추론할 관점, 즉 직관이 있었기에 다른 사람보다 더 빨리 성공할 수 있었고, 또 창의성이 있었기에 생명의 비밀을 밝힌 주역으로 지금까지 명성을 이어가고 있다고 할 수 있다.

DNA 이중 나선 구조가 밝혀진 후 생명과학은 말 그대로 폭발적으로 발전하기 시작했다. 생명 현상을 분자 수준에서 이해하고 응용하려는 분자 생물학의 총아로 떠오른 것은 물론 각종 생명 현상의 비밀들이 하나씩 풀려가기 시작했다. 호박만 한 토마토를 만들 수 있는 것도, 유전자를 분석해 범인을 잡는 것도 다 DNA의 구조를 밝혀냈기 때문이다.

그러나 왓슨과 크릭의 발견은 완성된 것이 아니라 지금도 진행되고 있다. A, T, G, C라는 단지 4개의 문자로 이루어진, 어찌 보면 참 간단하고 어떻게 보면 한없이 복잡한 DNA 생명 세계. 그 추적은 끝나지 않았으며 21세기에도 끝없이 이어질 것이다.

글 : 김형자 과학칼럼니스트

과학향기 출처 : KISTI의 과학향기

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DNA 이중나선에 얽힌 드라마틱한 이야기

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DNA 이중나선에 대하여

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DNA 이중나선에 대하여

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첫째, DNA 가닥에 있는 인산기는 음전하를 띠기 때문에 두 가닥이 접근하게 되면 정전기적 반발이 일어난다. 이 정전기적 상호작용은 이중나선 형성을 방해할 수 있다. 그러나 물의 유전상수(dielectric constant)가 크기 때문에 정전기적 반발은 매우 작다. 또한 대부분의 경우 DNA 용액 속에 존재하는 Na+이나 Mg2+과 같은 양이온들이 인산기의 음전하를 부분적으로 중화시키기 때문에 정전기적 반발은 최소화될 수 있다. DNA의 두 가닥이 분리되는 온도인 녹는 온도(melting temperature)는 양이온 농도, 즉 염 농도가 작을수록 낮아진다. 그 이유는 양이온의 농도가 작을수록 인산기 사이의 정전기적 반발이 크기 때문이다.

둘째, 이중나선에서 염기 쌍들은 수소결합을 통하여 형성된다. 각 DNA 가닥에서 염기 쌍을 형성하는 원자들은 이중 나선을 형성하기 전에 물 분자들과 수소결합을 형성하고 있다. 두 가닥의 DNA가 접근하면서 물과의 수소결합들은 끊어지고 염기들 사이에서 새로운 수소결합들을 형성하게 되는데 끊어진 수소결합의 수가 형성된 수와 같기 때문에, 실질적으로 수소결합으로 새로 추가로 얻어지는 에너지는 없다. 그러나 염기 쌍을 형성하지 못하는 두 염기가 접근하였을 때는 물과 수소결합은 끊어지는데 새로운 수소결합을 할 수 없으므로 이중나선을 형성하는데 불리하게 된다.

셋째, 염기 쌍들은 서로 평행하여 차곡차곡 쌓일(stacking) 수 있다. 인접한 염기 쌍들 간 거리는 3.4 Å인데 이 때 가장 가깝게 접근하는 원자들 사이의 거리는 반데르발스 접촉거리와 비슷하다. 이중나선 구조는 염기 stacking과 반데르발스 상호작용이 잘 일어날 수 있도록 되어 있다. 넷째, 이중나선에서 물에 노출된 무극성 표면을 최소화하기 위하여 소수성 상호작용이 중요한 역할을 한다. 염기는 상대적으로 무극성이기 때문에 물과 접촉이 어려운 나선 안쪽으로 들어가고, 극성인 인산기는 나선 바깥쪽인 물 쪽으로 나와 있다.

[네이버 지식백과]DNA 이중나선 [DNA double helix] (미생물학백과 )

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대세가 된 ‘4세대’ 유전자 가위... 올드 기술 툴젠은 어찌되나?

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유전자 가위 업계에서 옥석 가리기가 시작됐다. 4세대 가위에는 투자금이 몰리고, 3세대 가위에는 시장의 관심이 멀어지는 모양새다. 아직 두 기술을 활용해 시판되는 치료제는 없다. 결국 시장 자금의 향방을 가른 것은 기술의 차이인 것으로 풀이된다. “새로운 ’프라임…