안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 미세플라스틱이 해양 생태계와 인체 건강에 미치는 잠재적 위험은?
안녕하세요. 네 질문해주신 것과 같이 최근 연구에서 미세플라스틱가 해양 생태계와 인체 건강에 미치는 잠재적 위험이 점점 더 우려되고 있는데요, 우선 플랑크톤, 갑각류, 어류 등 해양 생물이 미세플라스틱을 섭취하는데 소형 생물에서 대형 포식자로 이동하면서 먹이망 상층으로 플라스틱과 독성물질 축적되기 때문에 장기적인 영향으로 성장 저하, 생식력 감소, 행동 변화가 나타날 수 있습니다. 또한 미세플라스틱 자체는 비교적 안정적이지만, 중금속, 유기 오염물질, PCB 등과 같은 흡착된 오염물질을 함께 전달한다는 점이 문제이며 섭취한 생물에서 세포 독성, 산화 스트레스, 면역 반응 이상 유발 가능합니다. 더 문제가 되는 것은 나노플라스틱인데요, 미세플라스틱이 점점 분해되면 나노 단위 플라스틱이 되어 혈관, 장기, 뇌까지 침투 가능성이 있으며 아직 동물 실험 위주 연구 단계지만, 장기 축적과 세포 손상 가능성이 보고되고 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 프리온이 해면상뇌증을 유발하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 프리온이란 단백질만으로 이루어진 감염성 인자로, 일반적인 세균, 바이러스, 곰팡이처럼 핵산을 갖지 않으면서도 병을 유발할 수 있는 입자라는 점에서 독특한데요 원래 정상적인 프리온 단백질은 PrPc의 형태이며 이는 알파 나선으로 이루어져있습니다. 반면에 병원성 프리온 단백질은 PrPsc의 형태로 베타 병풍 구조로 변화가 나타나서 응집체를 구성하게 됩니다. 또한 PrPsc는 비정상 구조를 갖고 있어, 정상 PrPc를 만나면 α-나선 구조를 β-병풍 구조로 변형시키는데요, 이 과정이 연쇄 반응처럼 퍼지면서 신경세포 내 PrPsc가 점점 증가하게 되면서 질병이 유발되는 것입니다. 즉 응집체가 신경세포 막과 시냅스를 파괴하고 세포가 죽으면서 뇌 조직에 작은 구멍이 나기 때문에 이를 해면상 뇌증이라고 부르는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 생명과학에서 합성생물학이 신약 개발과 친환경 소재 생산에 활용되는 원리는?
안녕하세요. 네 질문해주신 합성생물학은 생물 시스템을 공학적 설계 관점에서 새롭게 설계하거나 개조하는 학문 분야인데요 이를 통해 기존 자연에서 발견되지 않았거나, 효율적이지 않았던 기능을 인위적으로 구현하는 방향으로 적용될 수 있습니다. 활용되는 원리에 대해서 설명드리자면 합성생물학에서는 대장균이나 효모와 같은 미생물에 특정 효소 유전자 집합을 삽입하거나 재조합하여 새로운 화합물을 합성하도록 설계할 수 있는데요, 예를 들자면 아르테미시닌(말라리아 치료제) 전구체 합성과정에서 원래 식물에서만 합성되던 아르테미시닌 전구체를 재조합 효모에서 생산하도록 설계하여 대량생산이 가능해집니다. 이외에도 특정 환경 신호나 물질 농도에 반응하여 약물 전구체를 선택적으로 생산하도록 미생물을 프로그래밍을 가능하게 하며 이를 통해 정밀 약물 생산 및 부작용 최소화할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 오페론을 가지고 있을 때의 장점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 원핵생물, 특히 대장균(E. coli) 같은 세균에서 오페론시스템을 갖는 것은 여러 가지 장점이 있는데요, 오페론은 관련된 유전자들을 하나의 단위로 묶어 조절하는 시스템이기 때문에, 효율성과 적응성 측면에서 매우 유리하다고 볼 수 있습니다. 오페론에는 같은 생화학 경로에서 필요한 구조 유전자들이 함께 모여 있는데요, 하나의 프로모터와 오퍼레이터 조절만으로 관련 효소들을 동시에 발현 가능하기 때문에 에너지와 자원을 절약할 수 있습니다. 또한 세균은 주변의 환경에 따라서 빠르게 유전자 발현 패턴을 바꿔야하는데요, 오페론이 있으면 특정 신호를 받아서 즉각적으로 전사 활성화가 가능합니다. 또한 관련 효소들이 동시에 만들어지므로, 대사 경로의 흐름을 최적화할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 비리온과 비로이드는 어떠한 차이가 있나요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 이름이 비슷해서 헷갈리기 쉽지만, 비리온과 비로이드는 구조와 복제 방식에서 완전히 다른 생물학적 개체인데요, 우선 비리온은 감염성 바이러스 입자의 완전히 성숙한 형태를 말하는 것입니다. DNA 또는 RNA와 같은 핵산과 캡시드 단백질로 이루어져 있으며, 스스로 증식하지 못하고 숙주 세포에 의존해야 하는 바이러스입니다. 반면에 비로이드란 식물만 감염시키는 아주 작은 감염성 RNA 분자를 말하는 것인데요, 단일가닥 RNA로만 이루어져 있으며 단백질 껍질을 가지고 있지 않으며 바이러스와 달리 캡시드가 없고, 외피도 없습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물조직배양 배지에서 한천 써도 되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 식물 조직배양에서 배지를 만들 때 흔히 한천을 사용하는데요, 배지에서 한천은 고체화 역할을 합니다. 이를 통해서 식물 조직이 떠다니지 않고 고정되어 성장하도록 해주며, 영양분과 성장인자를 담는 매트릭스 역할을 하는데요, 따라서 순수한 한천이면 기본적인 고체 배지 형성에는 문제가 없습니다. 다만 식용성 한천의 경우에는 식품용이므로 미생물 오염이나 기타 불순물이 있을 수 있는데요, 배지에서 필요한 pH나 영양 조절에 영향을 줄 수 있는 미량 성분이 포함되어 있을 수 있습니다. 따라서 배양 기간이 길거나 민감한 조직에는 오염 위험이 더 높을 수 있습니다. 따라서 단기 실험이나 간단한 조직배양에서는 식용 한천을 사용할 수도 있지만 정밀한 연구, 장기간 배양, 혹은 미생물 오염을 최대한 피해야 하는 경우에는 반드시 plant agar처럼 고순도 한천을 사용하는 것이 좋습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인플루엔자 바이러스는 캡시드 단백질이 특이하게 이루어져 있다고 하는데요 어떤 특징이 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 일반적인 바이러스들은 캡시드 단백질 껍질이 유전물질을 직접 감싸 보호하는 형태를 가지지만, 인플루엔자 바이러스는 그 구조가 조금 특이한데요, 인플루엔자 바이러스는 전통적인 의미에서 icosahedral 형태의 캡시드를 가지고 있지 않습니다. 대신, RNA 게놈이 뉴클레오단백질과 결합하여 리보뉴클레오단백질(RNP) 복합체를 형성합니다. 즉, 유전체를 보호하는 구조가 일반적인 단단한 캡시드 단백질이 아니라 NP가 감싼 유연한 사슬 구조입니다. 또한 인플루엔자는 단일 연속 RNA가 아니라 8개의 분절된(-) 단일가닥 RNA로 이루어져 있으며, 각각의 RNA는 NP와 중합효소 단백질(PB1, PB2, PA)과 함께 독립적인 RNP 복합체를 형성하는데요, 따라서 게놈 전체를 하나의 캡시드가 감싸는 것이 아니라 여러 RNP 단위가 바이러스 안에서 따로따로 존재합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 조절자는 왜 오페론을 포함시키지 않나요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 젖당 오페론을 비롯한 오페론은 원핵생물에서 여러 유전자가 하나의 프로모터와 조절 구역 아래에서 동시에 발현되는 집단 유전자 발현 체계인데요, 이떄 말씀하신 조절자, 즉 억제 단백질을 만드는 유전자는 오페론에 포함되지 않고 오페론 바깥에 따로 존재하는 경우가 많습니다. 오페론은 주로 같은 대사 경로에서 함께 필요한 단백질들을 묶어서 한꺼번에 발현시키는 구조인데요, 반면 조절자 유전자(lacI)는 젖당을 직접 분해하거나 수송하지 않고, 단지 오페론의 발현 여부를 제어하는 조절 단백질(억제자)을 만듭니다.즉, 조절자의 산물은 작동 스위치와 같이 작용할 뿐이지 실제 대사 반응에 참여하지 않으므로, 기능적으로 구조 유전자들과 묶일 이유가 없는 것입니다. 또한 lacI와 같은 조절자 유전자는 항상 낮은 수준으로 발현되어 억제자 단백질을 일정량 생산해야 하기 때문에 발현이 조절받는 오페론에 속하지 않는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 젖당 오페론을 구성하는 구조 유전자의 기능은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 젖당 오페론은 대장균이 포도당 대신 젖당을 에너지원으로 활용할 수 있도록 하는 대표적인 오페론인데요,오페론에는 여러 요소 예를 들자면 프로모터, 오퍼레이터, 조절 유전자 등이있지만, 그중 구조 유전자들은 실제로 젖당을 분해하고 이용하는 데 필요한 효소 단백질을 암호화하고 있습니다. 젖당 오페론에는 크게 3개의 주요 구조 유전자가 있는데요 우선 lacZ는 β-갈락토시다아제라는 효소를 암호화하며, 이 효소는 젖당을 포도당과 갈락토오스로 분해하는 역할을 합니다. 다음으로 lacY는 젖당 퍼머아제라는 단백질을 암호화하며, 이는 세포막에 존재하는 수송 단백질로, 세포 밖의 젖당을 안쪽으로 들여보내는 통로 역할을 합니다. 마지막으로 lacA는 티오갈락토시드 트랜스아세틸라제라는 효소를 암호화하며， 젖당 대사 과정에서 생길 수 있는 유해한 부산물을 제거하거나, 비슷한 구조의 다른 갈락토시드 대사에 도움을 주는 것으로 알려져 있습니다． 감사합니다．
생물·생명
Q. 포도당이 있고 젖당도 있는 상황에서는 젖당 오페론이 작동하지 않나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 세균의 젖당 오페론은 두가지 신호에 의해서 조절되는데요, 우선 lac 오페론에는 억제자 단백질이 프로모터 앞의 operator에 결합해 전사를 막고 있습니다. 세포 안에 젖당이 들어오면 이 젖당이 억제자 단백질에 결합하여 구조적 변화를 유도하며 그 결과 억제자가 DNA에서 떨어져나가고, RNA 중합효소가 프로모터에 접근할 수 있는 상태가 됩니다. 즉, 젖당은 억제 신호를 해제하는 역할을 합니다.반면에 세균은 에너지원이 여러 개 있을 때 가장 효율적인 포도당을 먼저 사용하는데요 따라서 포도당이 충분할 경우, 세포 내 cAMP 농도가 낮아집니다. lac 오페론이 강하게 발현되기 위해서는 cAMP–CAP 복합체가 프로모터 상류에 결합해 RNA 중합효소를 안정화시켜야 하는데, 포도당이 많으면 이 신호가 약해지기 때문에 따라서 젖당이 있어 억제자가 떨어져 있어도, 포도당이 있으면 오페론의 전사는 제대로 활성화되지 못하는 것입니다. 감사합니다.