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세균 감염 치료에 박테리오파지를 활용하려는 연구(파지 요법)가 주목받는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 세균 감염 치료에서 박테리오파지를 활용하는 파지 요법이 주목받는 이유는 항생제 내성의 확산과 밀접한 관련이 있는데요, 항생제는 광범위하게 세균을 억제하거나 죽이지만, 장기간 사용되면서 세균 집단 내부에서 돌연변이나 유전자 교환을 통해 항생제 내성균이 빠르게 출현하고 전파되는 문제가 발생하기 쉽습니다. 반면 박테리오파지는 세균에 특이적으로 감염하는 바이러스인데요, 항생제가 정상 장내세균총까지 무차별적으로 억제하는 것과 달리, 파지는 특정 세균 종이나 심지어 특정 균주에만 선택적으로 작용합니다. 따라서 환자의 정상 세균총을 보존하면서 목표 병원균만 제거할 수 있어 부작용이 적습니다. 또한 파지는 세균의 세포벽, 막 단백질, 수용체 등을 인식하여 감염하므로 기존의 항생제 내성 기작에 영향을 받지 않는데요 즉, 다제내성균에 대해서도 치료 가능성을 가집니다. 게다가 파지는 숙주 세균 안에서 증식한 후 용균 과정을 거쳐 다수의 새로운 파지를 방출합니다. 따라서 감염 세균이 존재하는 동안 스스로 증식하면서 치료 효과를 확대하기 때문에, 일정 수준만 투여해도 감염 부위에서 파지 농도가 유지될 수 있다는 장점이 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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RNA 바이러스가 DNA 바이러스보다 변이가 빠르게 일어나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 RNA 바이러스가 DNA 바이러스보다 변이가 빠르게 일어나는 이유는 복제 과정에서의 오류율 차이와 유전체 안정성 차이에 의한 것입니다. 우선 DNA 바이러스는 보통 DNA 의존적 DNA 중합효소를 이용해 유전체를 복제하기 때문에 이 효소는 proofreading 기능을 가지고 있어 잘못된 염기를 삽입했을 때 제거하고 다시 교정할 수 있으며, 따라서 복제 오류율이 낮습니다. 반면에 RNA 바이러스는 RNA 의존적 RNA 중합효소(RdRp)를 사용하는데요, 따라서 대부분의 RdRp에는 proofreading 기능이 없으며 이로 인해 잘못된 염기가 들어가도 수정되지 않아 변이율이 높습니다. 게다가 DNA는 화학적으로 안정적이며, 세포 내에도 다양한 DNA 복구 기작인 염기 절제 복구, 상동 재조합 복구가 존재하는데요 반대로 RNA는 상대적으로 불안정하여 분해되기 쉽고, 숙주 세포에도 RNA 복구 시스템은 사실상 존재하지 않습니다. 즉 RNA 바이러스는 오류율이 높아 빠른 진화 속도를 가지며, 이로 인해 면역 회피, 백신 저항성, 항바이러스제 내성이 쉽게 나타나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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바이러스의 외피가 숙주 세포막에서 유래한다는 점은 어떤 의미를 가지나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 바이러스의 외피가 숙주 세포막에서 유래한다는 사실은 단순히 겉껍질을 덮고 있다는 의미를 넘어, 바이러스의 감염 전략과 면역 회피 능력, 그리고 숙주 의존성을 잘 보여주는 것입니다. 외피는 바이러스가 세포 밖으로 방출될 때, 세포막이나 핵막, 소포체, 골지체와 같은 숙주 세포의 막 구조 일부를 끌어와 형성되는데요 이 과정에서 바이러스 고유 단백질인 스파이크 단백질 등이 숙주 막에 삽입되어 있다가 함께 외피로 포함되며 따라서 외피는 숙주의 성분 + 바이러스 특유 단백질로 이루어진 혼합 구조라고 말할 수 있습니다. 이처럼 외피가 숙주 세포막에서 유래했기 때문에, 외피 자체의 인지질 성분은 숙주 세포와 동일한데요 덕분에 초기 단계에서 선천 면역계의 대식세포가 이물질로 인식하기 어려워, 바이러스가 면역 감시망을 일정 부분 회피할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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줄기세포 연구가 손상된 신체 조직 재생에 응용죄는 방식은?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 줄기세포 연구가 손상된 신체 조직 재생에 응용되는 방식은, 줄기세포가 가지고 있는 자가 재생 능력과 다분화능이라는 고유한 성질을 활용하는 것이라고 보시면 됩니다. 우선 줄기세포를 손상된 부위에 이식하면, 해당 환경에서 성장인자, 사이토카인과 같은 특정한 신호를 받아 필요한 세포 유형으로 분화하는데요, 예를 들어서 근육 줄기세포는 근섬유로 분화해 근위축증 환자의 근육을 회복시킬 수 있고, 조혈모세포 이식을 통해서 백혈병 환자의 혈액세포를 재생할 수 있습니다. 또한 줄기세포는 반드시 직접 손상 부위의 세포로 분화하지 않아도, 다양한 성장인자와 사이토카인을 분비하여 주변 세포의 생존, 증식, 회복을 돕는데요, 예를 들어서 중간엽줄기세포(MSC)는 항염증성 사이토카인을 분비해 조직 손상을 줄이고, 혈관 신생을 유도하여 회복 환경을 만들어줍니다. 이외에도 유전적 결함이 있는 환자의 경우, 줄기세포를 채취한 후 유전자 교정(CRISPR-Cas9)을 통해 결함을 수정한 뒤 환자에게 다시 이식할 수 있는데요 예를 들어서 겸상적혈구병과 같은 일부 선천성 면역결핍증 치료 연구에 사용될 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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박테리오파지가 세균을 감염시킬 때 나타나는 생활사적 특징은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 '박테리오파지'란 대장균을 숙주세포로 삼는 바이러스를 의미합니다. 감염 시 두 가지 대표적인 생활사적 경로를 선택할 수 있는데요, 이 두 가지 경로는 용균성 생활사와 용원성 생활사입니다. 우선 용균성 생활사의 경우 박테리오파지가 세균 세포를 즉각적으로 자신의 복제 공장으로 전환시켜, 새로운 파지 입자를 대량 생산하는데요, 일정 시간이 지나면 숙주 세포는 파괴되며 수십~수백 개의 새로운 파지가 방출되고, 이 과정은 숙주 세포의 빠른 사멸을 초래합니다. 다음으로 용원성 생활사의 경우 박테리오파지가 즉시 숙주를 파괴하지 않고, 자신의 DNA를 숙주의 염색체 속에 프로파지 형태로 삽입하는데요 이 상태에서 바이러스 유전자는 잠복하며, 세균의 분열과 함께 복제됩니다. 이때 환경이 자외선, 화학물질 등의 스트레스에 노출되면, 프로파지는 활성화되어 용균성 주기로 전환될 수 있습니다. 박테리오파지의 생활사적 특징은 환경 조건에 따라 숙주 세포를 즉시 파괴하는 전략(용균성)과 숙주 유전체 속에 잠복해 기회를 기다리는 전략(용원성)을 선택할 수 있다는 점이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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프리온과 바이러스는 어떤 점에서 유사하고, 또 어떤 점에서 근본적으로 다른가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 프리온과 바이러스는 모두 세균보다 작은 비세포성 감염 인자라는 점에서 비슷하게 묶여 이야기되곤 하지만, 그 본질과 작동 원리에서 큰 차이를 갖습니다. 우선 프리온과 바이러스 모두 스스로 세포 구조를 가지지 않으며, 전통적인 의미의 생명체라고 부르기 어려운데요, 따라서 감염과 증식 과정에서 숙주 세포의 체계를 반드시 필요로 합니다. 또한 둘 다 숙주 내에 들어오면 일반 항생제 같은 전통적 약물로 제거가 어려우며 특히 프리온은 단백질 분해 효소나 고온에도 강해 소독조차 까다롭습니다. 바이러스의 경우에는 DNA 또는 RNA 중 하나를 게놈으로 가지고 있으며, 이를 이용해 숙주의 전사·번역 시스템을 빼앗아 단백질을 합성하고 복제하는데요, 반면에 프리온은 유전물질이 전혀 없으며 단백질(PrP^Sc, 변형된 프리온 단백질) 하나만으로 전염성과 증식성을 가집니다. 또한 프리온의 전파 방식은 독특한데요, 정상적인 프리온 단백질(PrP^C)의 입체 구조를 변형된 구조(PrP^Sc)로 강제 전환시키는 방식으로 증식하며 즉, 구조 전환이 핵심이라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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인플루엔자 바이러스가 계절마다 유행하는 이유를 변이의 관점에서 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 인플루엔자 바이러스가 매년 계절마다 다시 유행하는 가장 큰 이유는 항원 변이, 즉 바이러스 표면 단백질의 변화 때문입니다. 인플루엔자 바이러스는 음성 단일가닥 RNA(-ssRNA)를 게놈으로 가지며, 외피에는 두 가지 주요 표면 단백질이 존재하는데요, 하나는 헤마글루티닌으로 숙주 세포 수용체인 시알산에 결합하여 침투를 시작합니다. 다른 한 가지는 뉴라미니다아제로, 새로 합성된 바이러스가 숙주 세포에서 빠져나오도록 돕는 효소입니다. 이때 우리 몸의 면역계는 주로 이 HA와 NA를 인식하여 중화항체를 형성하는데, 바이러스가 이 단백질 구조를 바꿔버리면 기존 항체가 더 이상 잘 결합하지 못하게 됩니다. 이때 인플루엔자 바이러스의 RNA 의존성 RNA 중합효소는 교정 기능이 없기 때문에 복제 과정에서 돌연변이가 자주 축적되는데요, 특히 HA와 NA 단백질을 암호화하는 유전자에서 작은 점 돌연변이가 일어나면 단백질 구조에 미세한 변화가 생깁니다. 이로 인해 기존 항체가 완전히 맞지 않게 되고, 면역 회피가 가능해지면서 매년 새로운 유행이 나타나는 것이며 이것이 바로 계절 독감의 주요 원인입니다.또한 인플루엔자 A형 바이러스는 8개의 RNA 절편을 가진 게놈을 갖고 있는데요, 서로 다른 인플루엔자 바이러스가 같은 숙주 세포에 동시에 감염되면, 이 RNA 절편들이 섞여서 새로운 조합이 생길 수 있습니다. 이 과정에서 HA나 NA가 완전히 새로운 형태로 바뀌면 기존 인류가 전혀 면역 경험이 없는 전혀 다른 바이러스가 등장하게 되는데요, 이 현상이 바로 팬데믹의 원인이 되며, 1918 스페인 독감, 2009 신종플루(H1N1) 같은 사례가 이에 해당합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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역전사 바이러스(retrovirus)가 숙주 게놈에 자신의 유전자를 삽입할 수 있는 분자적 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 역전사 바이러스가 숙주 게놈에 자신의 유전자를 삽입할 수 있는 분자적 원리는 역전사 효소와 인테그레이스라는 두 가지 핵심 효소의 작용에 의한 것입니다. 우선 역전사 바이러스는 RNA 게놈을 가지고 숙주 세포에 침투하는데요, 이때 숙주 세포 안에 들어오면 바이러스가 자체적으로 가지고 있는 역전사 효소가 작용하여 바이러스의 단일가닥 RNA를 이중가닥 DNA(cDNA)로 변환합니다. 이 과정에서 RNA-의존성 DNA 중합효소 활성이 먼저 작동하여 RNA를 주형으로 DNA를 합성하며, 이어서 RNase H 활성이 RNA 사슬을 분해하고, 마지막으로 DNA-의존성 DNA 중합효소 활성이 작용하여 이중가닥 DNA를 완성합니다.이후 인테그레이스는 바이러스 DNA의 양쪽 말단에 특정 가공을 가한 후 숙주 DNA를 절단하여 바이러스 DNA를 삽입하는데요, 인테그레이스가 바이러스 DNA의 말단에서 두 개의 뉴클레오타이드를 제거하여 점착성 말단을 형성합니다. 이어서 숙주 DNA를 절단해 끼워 넣을 수 있는 틈을 만들고, 바이러스 DNA 말단을 숙주 DNA에 연결하며, 이후 숙주 세포의 DNA 복구 효소들이 작용해 연결 부위를 매끄럽게 처리하면서, 바이러스 DNA는 완전히 숙주 게놈 속에 통합되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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C3식물, C4식물, CAM식물의 광합성 경로에는 어떤 차이가 있으며, 각각 어떤 환경에서 유리하게 작용하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 식물의 광합성 경로인 C3, C4, CAM은 동일한 Calvin 회로를 공유하면서도, 탄소고정 초기 단계와 공간적 또는 시간적 전략에서 차이를 나타냅니다. 우선 일반적인 C3 식물의 경우에는 RuBisCO가 직접 CO₂를 고정하여 3-탄당 화합물(3-PGA)을 형성하기 때문에 따라서 C3라고 부르는 것입니다. 하지만 RuBisCO는 CO₂뿐 아니라 O₂도 고정할 수 있어서, 고온·건조 시 광호흡이 증가하여 에너지 손실이 크다는 단점이 있습니다. 반면에 C4 식물은 먼저 PEP 카르복실화효소가 CO₂를 옥살로아세트산(4-탄당)으로 고정하고 이후 말산 또는 아스파르트산으로 변환되는데요, 이 4탄당이 유관속초 세포로 이동해 다시 CO₂를 방출하며 Calvin 회로에서 이용하게 되고, 이 과정으로 RuBisCO는 CO₂가 풍부한 환경에서만 작동하므로 광호흡이 억제됩니다. 마지막으로 CAM 식물은 시간 분리 전략을 가지는데요 밤에는 기공을 열고 CO₂를 흡수하며 PEP 카르복실화효소에 의해 말산으로 저장하여 액포에 축적합니다. 반면에 낮에는 기공을 닫아 수분 손실을 최소화하며 저장된 말산에서 CO₂를 방출하여 Calvin 회로 진행하게 됩니다. 또한 C3식물은 가장 단순하고 온대 환경에서 효율적이며 C4 식물은 광호흡이 억제되기 때문에 고온건조한 환경에서 효율적이고, 마지막으로 CAM 식물은 간 분리 전략을 사용하기 때문에 사막처럼 극건조 환경에서 유리합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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캘빈 회로에서 리브룰로스 이인산(RuBP)의 재생 과정이 중요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 광합성의 암반응을 이루는 캘빈회로는 크게 고정, 환원, 재생의 3단계로 구성됩니다. 이 중에서 RuBP(리브룰로스-1,5-이인산)의 재생 과정은 회로가 지속될 수 있게 하는 핵심 단계라고 보시면 됩니다. 우선 캘빈 회로의 첫 단계에서 RuBP + CO₂ → 3-포스포글리세르산(3-PGA) 반응이 일어나는데, 이 반응은 RuBisCO 효소에 의해 촉매되는데요 따라서 RuBP가 계속 공급되지 않으면 CO₂를 고정할 수 없고 회로가 정지합니다.이때 캘빈 회로는 단순히 한 번의 CO₂ 고정으로 끝나는 과정이 아니라, 여러 번 반복되며 글리세르알데하이드-3-인산(G3P)을 축적하고, 이 중 일부는 포도당 합성으로 전환되는데요, 그러나 나머지 G3P는 반드시 RuBP로 다시 재생되어야만 다음 라운드의 탄소 고정이 가능해집니다. 따라서 재생 과정이 없다면 한두 번의 반응 후 회로는 멈추게 되므로, 캘빈회로의 지속성을 위해서는 반드시 RuBP의 재생 과정이 필요한 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.10.02
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