안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 특정한 식물 종이 어떠한 병원체에 대해 강한 저항성을 나타내는 것은 유전적 차이로 인한 것인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 특정 식물 종이 특정 병원체에 대해 강한 저항성을 보이는 현상은 주로 유전적 차이에 의해 결정되지만, 환경적 요인도 중요한 역할을 합니다. 우선 유전적 요인으로는 R유전자가 있는데요, 식물 내 R 단백질(NLR 계열 등)을 코딩하는 유전자가 병원체의 효과기 단백질을 인식할 수 있으면 강한 저항성이 나타내는데 예를 들어, 토마토의 Pto 유전자는 특정 세균의 AvrPto 단백질을 인식하여 ETI를 활성화하며 이런 직접적/, 간접적 인식 능력은 유전적으로 결정됩니다.반면에 이와 같은 유전적 요인 이외에 환경적 요인 역시 영향을 미치는데요, SA, JA, ET 같은 면역 호르몬 경로는 온도, 습도, 빛 조건에 따라 활성화 정도가 달라지는데요, 고온에서는 SA 경로가 억제되어 세균 저항성이 감소할 수 있습니다. 또한 질소, 인, 칼슘 같은 영양소가 부족하면 세포벽 강화, 항균 단백질 합성 등 방어 반응이 약화될 수 있으며, 가뭄, 염류 스트레스, 기계적 손상 등은 식물의 면역 자원을 분산시키거나 호르몬 균형을 변화시켜 병원체 저항성을 낮출 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물이 살리실산, 자스몬산, 에틸렌과 같은 호르몬을 이용하여 면역 반응을 조절하는 방식은 각각 어떻게 다른가요?
안녕하세요, 질문해주신 것과 같이 식물은 살리실산(SA), 자스몬산(JA), 에틸렌(ET) 같은 호르몬을 이용해 병원체 유형과 공격 부위에 따라 면역 반응을 조절하는데요 이들 호르몬은 서로 상호작용하며 병원체 특이적 방어를 가능한 것입니다. 우선 살리실산은 주로 바이러스와 일부 세균 병원체에 대한 방어를 조절하는 호르몬으로 국소 감염 부위에서 면역 반응을 유도하고, 전신적 횡전을 촉진하는 역할을 담당합니다. 병원체 침입 시 SA가 축적되면서 NPR1 단백질 활성화가 되고 방어 관련 유전자(PR genes) 발현되며 국소적 세포 사멸을 유도하여 병원체 확산을 억제하게 됩니다. 다음으로 자스몬산은 곰팡이, 일부 세균, 초식 곤충 공격 방어 역할을 하며 조직 손상이나 기계적 스트레스에도 반응합니다. 병원체 침입 또는 조직 손상 시 JA 합성하여 COI1 복합체를 활성화하고 방어 유전자(JA-responsive genes)를 발현시키며, 항균 단백질, 단백질분해효소 억제 단백질 생성하게 만들어 병원체 성장을 억제합니다. 마지막으로 에틸렌은 JA와 협력하여 곰팡이, 진딧물 같은 병해충에 대한 방어 강화 역할을 수행하며 세포 노화, 스트레스 신호, 기계적 손상에도 관여합니다. 병원체나 손상에 의해 ET 합성하여 EIN/EIL 전사인자를 활성화하고 JA/ET 공동 방어 유전자 발현시키며 JA 신호와 함께 작용하면 병원체 특이적 항균 펩타이드 생성하게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 PRR의 역할은 무엇이며 동물과의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 식물의 패턴인식수용체(PRR)는 식물 면역에서 핵심적인 역할을 하는데, 동물 면역 수용체와는 약간의 차이가 있습니다. PRR은 세포막에 위치하며, 세균, 곰팡이, 바이러스 등 병원체가 가진 공통적인 분자를 인식하는데요 대표적인 예시로는 세균 깃털 단백질을 인식하는 FLS2, 세균 EF-TU 단백질을 인식하는 EFR이 있습니다. 또한 이러한 PRR이 PAMP를 인식하면 세포 내 신호전달 경로가 활성화되는데요, 결과적으로 ROS(활성산소종) 생성을 통해 병원체 직접 공격, 세포벽 강화 유도하며 칼슘(Ca²⁺) 신호를 유발하여 면역 유전자 발현을 조절하고, MAPK 경로 활성화를 통해 방어 유전자 전사를 유도하고 항균 단백질, 펩타이드, 세포벽 강화 물질을 생성하게 됩니다. 즉, PRR은 식물의 1차 면역을 담당하며, 병원체 침입 초기 단계에서 병원체 확산을 억제하며 병원체가 효과기 단백질을 분비하면 PTI를 회피하려 하지만, 식물은 R 단백질을 통해 ETI로 2차 방어를 수행한다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물은 어떤 방식으로 면역 체계를 발달시켰나요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 동물과 달리 식물은 순환하는 면역세포나 항체를 갖지 않고, 대신 고유한 세포 수준 면역 체계와 분자적 방어 시스템을 발달시켜 왔는데요, 우선 동물은 B세포에서 항체를 만들어 병원체를 체내에서 직접 공격할 수 있지만, 식물에는 이런 순환 항체가 없습니다. 대신 세포막과 세포 내부에서 병원체를 감지하는 수용체를 이용합니다. 또한 식물 세포는 세포벽, 세포막, 세포질 내 감시 체계를 갖추고 있는데요 병원체 침입 시 ROS, 칼슘 신호, 호르몬(SA, JA, ET) 등 분자 신호를 통해 방어 반응을 유도하며 하나의 세포가 병원체를 감지하면 주변 세포에 신호를 전달하여 조직 전체로 면역 반응을 확산시킵니다.또한 식물은 이동성이 없으므로 병원체 공격에 취약합니다. 따라서 병원체가 공격할 때마다 즉각적이고 국소적인 방어를 발전시켜 왔는데요, 세포 수준의 PTI와 ETI가 대표적입니다. 이와 함께 식물은 패턴 인식 수용체(PRR)가 발달해있는데요, 이는 세포막에 위치하며, 곰팡이, 세균, 바이러스의 공통적 분자를 인식하며 예를 들자면 세균 깃털 단백질을 인식하는 FLS2 수용체가 있습니다. 이는 식물이 세포 간 소통 없이도 병원체를 감지할 수 있는 원시적 면역이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물이 곰팡이나 세균과 같은 병원체가 분비하는 단백질의 인식하고 방어하는 기작은 어떻게 이루어지나요?
안녕하세요. 식물이 곰팡이, 세균 등 병원체가 분비하는 단백질을 인식하고 방어하는 면역 기작은 크게 2단계 면역 체계로 설명할 수 있는데요, 우선 PAMP란 병원체가 공통적으로 가지고 있는 분자 구조이며 예를 들어, 세균의 깃털 단백질이나 세포벽 구성 성분, 곰팡이의 키틴 등이 이에 해당합니다. 식물 세포 표면에는 패턴인식수용체가 존재하며 PRR은 PAMP를 인식하여 면역 반응을 시작합니다. 하지만 병원체는 이러한 1차 방어를 회피하기 위해 효과기 단백질을 분비하여 PTI를 억제합니다. 즉 효과기 단백질이란 병원체가 식물의 PTI를 무력화하려고 분비하는 단백질인데요 예를 들어, 세균의 Avr 단백질, 곰팡이의 RXLR 단백질 등이 있습니다. 이때 식물 세포 안에는 R 단백질이 존재하는데요, 이들은 특정 효과기 단백질을 직접 또는 간접적으로 인식합니다. 이 과정에서 식물은 강한 면역 반응을 유도하여 감염 세포를 국소적으로 죽여 병원체 확산 차단을 차단하고 방어 유전자를 활성화하며 살균 물질과 항균 단백질을 생성하게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 화분 잎이 하나만 색이 죽었어요ㅠ 어떤문제일까요?
안녕하세요. 올려주신 사진에서 보이는 잎은 가장자리가 갈변하고, 중간 부분은 노랗게 변색된 상태인 것으로 보이는데요, 이런 증상은 식물에서 흔히 나타나는 몇 가지 원인과 관련이 있을 수 있습니다. 우선 가장 의심되는 것은 과습인데요, 흙이 늘 축축하면 뿌리가 산소 부족으로 손상되고, 잎 끝이 갈변하거나 노랗게 변할 수 있습니다. 잎 하나만 색이 죽었다고 하셨는데요 과습의 문제가 아니라면 자연스러운 잎의 노화 과정일 수도 있습니다. 오래된 잎은 광합성 효율이 떨어지면서 먼저 노랗게 되고, 가장자리부터 갈변하면서 떨어져 나가는데요 잎 하나만 이런 증상이면 단순히 수명 다한 잎일 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 질량분석기로 화학종을 분석하고자 할 때 여러 피크가 나타나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요, 질량분석기(Mass Spectrometer, MS)에서 하나의 화학종만 주입했는데도 여러 개의 피크가 나타나는 이유는 우선 동위원소가 존재하기 때문입니다. 원소는 여러 동위원소로 존재하는데요, 예를 들어서 염소(Cl)는 35Cl(약 75%), 37Cl(약 25%) 두 가지 동위원소가 자연적으로 존재하는데요, 이때 Cl 원자를 포함한 분자는 질량 차이만큼 여러 피크가 나타나며 따라서 분자가 단일 성분이어도 자연 동위원소 분포에 따라 M, M+1, M+2 … 피크가 나타나게 되는 것입니다. 또한 이온화 과정에서 분자의 파편이 발생하기 때문인데요, 질량분석기는 보통 전자이온화(EI)나 다른 이온화 기법을 써서 분자를 이온화하는데, 이 과정에서 원래 분자가 깨져서 작은 조각들이 생성되며, 따라서 여러 질량 대 전하비(m/z)에서 피크가 관찰되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 동핵 이원자 분자에서는 왜 IR이 나타나지 않나요?
안녕하세요. 질문해주신 IR 분광법은 분자가 진동할 때 전기쌍극자 모멘트가 변하는지를 관찰하는 기법인데요, 따라서 이 기법의 핵심은 진동 중에 전하의 불균형이 생겨야 적외선을 흡수할 수 있어야 한다는 것입니다. 즉 어떤 분자의 진동이 IR에서 관찰되려면, 그 진동에 의해 전기쌍극자 모멘트가 변해야 하는데요, 진동은 있어도 쌍극자 모멘트가 변하지 않으면 IR 비활성입니다. H2나 N2 등의 동핵이원자분자의 경우에는 분자들은 두 원자가 같은 전기음성도를 가져서 항상 대칭적 전자 분포를 갖는데요, 따라서 평균 쌍극자모멘트가 0이 됩니다. 결과적으로, 적외선(IR) 복사가 와도 전기장과 상호작용할 수 없으므로 흡수 피크가 나타나지 않는 것입니다. 반면에 동핵 이원자 분자임에도 비대칭 구조인 경우에는 원자 간 전기음성도가 달라서 항상 쌍극자 모멘트가 존재하며 진동할 때 이 쌍극자 크기가 주기적으로 변하기 때문에 따라서 IR에서 강한 흡수 피크가 나타날 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. IR에서 왜 H를 포함하는 결합은 파수가 큰 범위에서 peak가 나타나나요?
네, 질문해주신 것과 같이 적외선 분광법(IR)에서 어떤 결합이 흡수하는 파수는 결합이 진동하는 고유 진동수와 관련이 있는데요, 진동수는 고전적인 조화 진동자 모델로 설명할 수 있는데, 여기서 핵심은 결합 세기와 진동에 참여하는 원자들의 질량입니다. 이때 H를 포함한 결합이 큰 파수에 나타나는 이유는 감쇠질량이 매우 작기 때문인데요, H 원자는 질량이 1 u로 매우 가벼우며, 이로 인해 따라서 C–H, O–H, N–H 같은 결합은 모두 다른 원자-원자 결합(C–C, C=O 등)보다 높은 파수에서 관찰되는 것입니다. 또한 결합이 상대적으로 강한데요, O–H, N–H 결합은 공유 결합이 강하고 힘 상수 k가 크기 때문에 진동수가 더 커집니다. 감사합니다.
화학
Q. 액화 기화 이런용어는 어떨때 쓰는 용어 인가요??
네, 질문해주신 '액화'나 '기화'와 같은 용어는 물질이 상을 바꿀 때 쓰는 표현인데요, 화학과 물리학에서는 물질이 고체-액체-기체 사이를 오가며 일어나는 변화를 상변화라고 부릅니다.먼저 고체와 액체 간의 관계에서 융해란 고체 → 액체를 의미하며 대표적인 예시로는 얼음이 물로 녹는 과정이 있습니다. 반대로 응고란 액체 → 고체가 되는 과정을 말하며 예시로는 물이 얼음으로 어는 과정이 있습니다.다음으로 액체와 기체 간의 관계에서 기화란 액체 → 기체를 의미합니다. 이때 증발은 액체 표면에서 서서히 일어나는 기화를 의미하는 것이고, 끓음은 특정 온도, 즉 끓는점에서 액체 전체가 급격히 기화되는 것을 말하며 반대로 액화란 기체 → 액체를 의미하는 것으로 예로는 수증기가 물방울로 바뀌는 과정이 있습니다.마지막으로 고체와 기체 간의 관계에서 승화란 고체 → 기체를 의미하며 드라이아이스가 바로 이산화탄소 기체가 되는 과정이고 재승화란 기체 → 고체를 의미하며 겨울에 수증기가 바로 눈이나 서리로 바뀌는 과정을 의미하는 것입니다. 감사합니다.