안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 살면서 그동안 궁금했던거를 물어볼게요
안녕하세요. 철학적인 질문을 주셨네요. 우선 이해를 두 가지 층으로 나누어 생각해봤을 때 첫째는 정보 처리와 규칙 인식, 즉 인지 능력이고, 둘째는 의미나 가치, 주관적 경험과 관련된 주관성입니다. 어떤 외계 생명체가 높은 정보처리 능력과 복잡한 사회구조와 언어 비슷한 기호체계를 가지고 있다면 예술적 형식이나 철학적 논증을 분석하고 생성할 능력을 가질 수 있을 것입니다. 능하지만 인간이 느끼는 미적 감동이나 가치 판단은 그 생명의 감각 체계와 진화적 필요에 깊게 결부되어 있는데요, 예를 들어서 우리가 붉은 노을에서 ‘아름다움’을 느끼는 것은 시각계와 정서회로의 산물인데, 전혀 다른 감각을 주로 쓰는 생명체라면 우리의 미학과는 다른 예술을 즐길 가능성이 큽니다.다음으로 꿈은 뇌의 내적 시뮬레이션이라고 보시면 이해가 쉬운데요 수면 중, 특히 REM 수면에서 뇌는 외부 감각 입력이 차단된 상태에서도 기억, 정서, 예측 회로를 활성화해 장면을 생성하게 됩니다. 낮 동안 저장된 기억의 일부가 재활성화·재배열되면서 기존 기억과 섞이고 재구성되며 편도체 등 정서 관련 회로가 활성화되어 꿈에서 강한 감정이 유발되는데요, 이런 신경적 과정 때문에 꿈에서 느끼는 감정과 경험은 주관적으로는 매우 현실적이며, 기억·감정·예측 체계와 연결됨으로써 깨어있는 현실에 영향을 줄 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. HIV 치료를 위해 칵테일 요법을 실시할 때 왜 Integrase 저해제는 사용하지 않나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 HIV 치료에서 사용하는 칵테일 요법에서는 역전사효소 저해제, 단백질분해효소 저해제를 주로 사용해왔는데요, 인테그라제 저해제가 칵테일 요법에서 잘 쓰이지 않았던 이유는 시기적 배경과 관련이 있습니다. 칵테일 요법이 도입된 1996년경에는 역전사효소 저해제와 단백질분해효소 저해제가 이미 개발되어 사용 가능했지만, 인테그라제 저해제는 아직 개발이 되지 않았는데요 즉 인테그라제라는 효소 자체는 일찍 발견되었지만, 이를 선택적으로 억제할 수 있는 안정적이고 부작용이 적은 약물을 만드는 데 시간이 오래 걸렸습니다. 실제로 인테그라제 저해제가 처음 임상 승인을 받은 것은 2007년 Raltegravi 이후였기 때문에따라서 초창기 칵테일 요법에는 물리적으로 포함될 수 없었던 것입니다. 또한 인테그라제는 HIV DNA를 숙주 DNA에 삽입하는 중요한 효소인데, 이를 특이적으로 억제하기 위해서는 DNA 결합 부위와 금속 이온 보조因자(Mg²⁺, Mn²⁺)를 동시에 겨냥해야 합니다. 하지만 이 부위가 보존성이 높고 숙주 효소와 유사성이 있어서, 독성을 최소화하면서 선택적으로 억제하는 약물을 설계하기가 까다로웠기 때문에 인테그라제 저해제는 잘 사용하지 않은 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 생물학에서 유전자 편집 기술이 의학 연구와 농업 분야에 응용되는 방식
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 생물학에서의 유전자 편집 기술은 특정 DNA 염기서열을 원하는 대로 잘라내거나 삽입 및 교정할 수 있는 기술로, 대표적으로 CRISPR-Cas9이 많이 활용됩니다. 이는 유전병 치료 연구에 사용될 수 있는데요, 겸상적혈구 빈혈, 낭포성 섬유증, 근이영양증 등의 유전자 돌연변이의 원인 DNA를 정확히 교정할 수 있으며 환자의 체세포에서 DNA를 교정해 다시 주입하거나, 배아 단계에서 유전자를 수정하는 연구가 진행되고 있습니다. 또한 암치료 연구에서도 활용될 수 있는데요, 환자의 면역세포(T세포)에 유전자 편집을 가해 암세포만 인식·공격하도록 재프로그래밍하는 면역세포 치료에 활용될 수 있습니다. 다음으로 농업분야에서는 광합성 효율을 높이는 유전자, 빠른 성장을 유도하는 유전자를 편집해 수확량을 증가시킬 수 있으며, 곰팡이나 바이러스에 잘 감염되는 작물에서 해당 병원체가 이용하는 수용체 유전자를 제거하거나 변형시켜 저항성 품종을 만드는데 활용될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 아프리카에 사는 검은영양은 정말 여러가지 환경에서도 적응할 수 있나요?
안녕하세요. 질문해하신 검은영양은 아프리카에서도 꽤 독특한 생태적 적응력을 가진 대형 초식동물인데요, 이는 사하라 이남 아프리카의 사바나, 개방 초원, 건조 관목지대, 숲 가장자리 등 여러 환경에서 서식합니다. 수컷은 검은색 혹은 짙은 갈색을 띠고 있으며 흰 얼굴 무늬, 암컷은 붉은 갈색에 가까운 털빛을 지니고 수컷의 뿔은 1m가 넘을 정도로 길고 활처럼 뒤로 휘어 있다는 특징이 있습니다. 우선 오릭스처럼 극한 사막까지는 완전히 들어가지는 않지만, 비교적 물이 적은 건조 초원이나 사바나에서도 잘 적응할 수 있는데요, 수분이 적은 풀과 관목을 먹고, 필요할 경우 수분이 많은 식물 부분으로 수분을 보충합니다. 또한 강, 늪, 호수 근처에도 자주 출몰하며, 실제로 먹이나 물을 찾아 숲 가장자리에서도 잘 살아가며 물을 자주 마시는 습성 때문에, 사막 심부보다는 건조하고 습윤 환경이 섞인 지역에서 특히 번성할 수 있습니다. 게다가 암컷과 새끼는 큰 무리를 이루어 포식자로부터 방어력을 높이고, 수컷은 일정 영역을 지키며 번식 경쟁을 하기 때문에이러한 사회적 생활 덕분에 생존률이 높다고 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 흰뺨검둥오리를 텃새이자 철새라 하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 흰뺨검둥오리가 우리나라에서 텃새이자 동시에 철새라고 불리는 이유는 개체군의 생태적 특성이 지역과 환경 조건에 따라 달라지기 때문인데요, 우선 텃새란 1년 내내 같은 지역에 머물며 번식하고 생활하는 새를 말하는 것이며 철새란 계절에 따라 번식지와 월동지를 오가며 이동하는 새를 의미합니다.흰뺨검둥오리의 경우에 한국에서는 텃새인 개체군이라고 볼 수 있는데요, 우리나라의 기후는 비교적 온화하기 때문에, 일부 흰뺨검둥오리 개체들은 굳이 먼 곳으로 이동하지 않고도 겨울을 날 수 있으며 따라서 이들은 논, 습지, 하천에서 1년 내내 살아가므로 텃새의 성격을 가집니다. 반면에 한국에 철새로 오는 개체군이기도 한데요, 시베리아, 몽골 등 더 북쪽 지역에서 번식하던 개체들은 겨울이 되면 먹이가 부족하고 추워지기 때문에 남쪽으로 이동하게 되는데 그 과정에서 우리나라로 내려와 월동하기 때문에 이들은 우리나라 입장에서 겨울 철새인 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인수공통 감염병의 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네 질문해주신 인수공통감염병이란 원래 동물에서만 감염 및 증식하던 병원체가 사람에게도 전파되어 감염을 일으키는 현상을 말하는데요, 조류독감, 신종플루, 에볼라, 코로나바이러스 등이 모두 대표적인 예라고 할 수 있습니다. 원래 바이러스가 세포에 들어가기 위해서는 특정 수용체 단백질을 인식해야 하는데요 예를 들자면 조류 인플루엔자 바이러스는 조류의 호흡기 상피세포에 있는 α-2,3 결합 시알산을 인식하며, 사람 인플루엔자 바이러스는 사람 세포 표면의 α-2,6 결합 시알산을 인식합니다. 그러나 이때 바이러스가 가진 HA와 같은 스파이크 당단백질에 에 돌연변이가 생겨서 두 종류의 시알산 모두에 결합할 수 있게 되면, 조류뿐 아니라 사람 세포에도 침투할 수 있게 됩니다. 또한 인플루엔자 같은 RNA 바이러스는 유전체가 분절로 나뉘어 있는데요, 조류 바이러스와 사람 바이러스가 동시에 돼지 같은 중간 숙주에 감염되면, 바이러스 유전체가 재조합되어 새로운 조합을 가진 변종이 생길 수 있습니다. 이렇게 생긴 변종이 사람 세포의 수용체에도 적합해지면, 인수공통 감염병이 발생하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 신종 코로나바이러스가 폐에 침투를 잘했던 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 신종 코로나바이러스(SARS-CoV-2)가 폐에 특히 잘 침투하는 이유는 바이러스가 숙주 세포에 결합하고 침투하는 분자적 특성과 폐 조직의 수용체 분포 때문인데요, 코로나바이러스는 외부에 스파이크 단백질을 가지고 있습니다. 이 스파이크 단백질은 ACE2라는 인간 세포 표면 단백질에 결합하여 세포 안으로 들어갈 수 있는데요, SARS-CoV-2는 이전의 SARS-CoV보다 스파이크 단백질이 ACE2에 더 강하게 결합하도록 진화했기 때문에, 세포 침투 효율이 매우 높아진 것입니다. 이때 ACE2는 주로 폐의 상피세포, 특히 기관지와 폐포의 Type II 폐포세포에 많이 발현되어 있는데요 이때 폐포 Type II 세포는 서로 공기와 접촉하면서 가스 교환을 담당하고, 점액과 계면활성제를 분비합니다. 따라서 ACE2가 풍부하게 존재하기 때문에 바이러스가 폐포세포를 목표로 삼아 쉽게 침투할 수 있었던 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 닭이먼저냐 계란이 먼저냐 그것이 문제로다
안녕하세요. 네, 질문해주신 닭이 먼저인지 계란이 먼저인지에 대해서 과학적인 답변을 드리자면 '알'이 먼저입니다. 닭이라는 종은 과거의 어떤 조류, 즉 닭의 직계 조상에서 유전자 돌연변이와 자연선택을 거쳐 탄생했는데요 즉, 닭이라는 개체가 처음 나타나기 전에도, 그 조상 새들은 알을 낳고 있었습니다. 이때 닭의 조상이 낳은 알 속의 배아에서, 유전적 변이가 일어나 오늘날의 닭과 구분되는 개체가 부화하게 되었는데요, 다시 말해, 닭은 ‘닭이 아닌 조상 새’가 낳은 알 속에서 처음 태어난 것입니다. 따라서 닭이라는 종을 기준으로 본다면, 닭보다 계란이 먼저 존재했다고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 람다 파지는 어떻게 용균성 생활사로 전환이 가능한가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 람다(λ) 파지는 용원성과 용균성 생활사 사이를 전환할 수 있는 대표적인 파지인데, 이 전환은 숙주의 상태와 환경적 스트레스에 의해 조절됩니다. 이때 핵심은 λ 파지 유전체에 존재하는 억제자 단백질 CI 와 전환 조절 인자들(Cro, RecA, CII, CIII 등)의 상호작용인데요, 우선 λ 파지가 E. coli에 감염된 후, 만약 숙주 환경이 안정적이라면 파지 DNA는 숙주 염색체에 프로파지 형태로 삽입됩니다. 이때 CI 억제자 단백질이 발현되어 파지의 용균성 유전자를 억제하며, 따라서 숙주는 계속 증식하고, 파지도 숙주의 분열과 함께 자신의 DNA를 복제할 수 있습니다.하지만 이후 자외선 조사, DNA 손상, 영양 고갈 등 숙주의 생존이 위협받는 상황이 발생하면, 세포 내에서 SOS 반응이 활성화되는데요, 이 과정에서 RecA 단백질이 활성화되어 DNA 복구 시스템을 돕는데, 동시에 λ 파지의 CI 억제자를 자기분해 시킵니다. CI 단백질이 분해되면 더 이상 파지 유전자의 억제가 유지되지 않기 때문에 대신에 Cro 단백질이 발현되며, 이는 CI 합성을 차단하고 용균성 관련 유전자의 발현을 촉진합니다. 그 결과 파지 DNA 복제가 시작되고, 파지 구조 단백질이 합성되어 새로운 파지 입자가 조립되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 바이러스의 집락 단위와 세균의 집락단위의 크기는 어느 정도 되는 것인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 세균은 배지 위에서 콜로니라고 부르는 집락을 형성하고, 바이러스는 숙주 세균을 감염시키면서 플라크라는 투명한 영역을 형성하는데요, 두 경우 모두 “집락 단위”는 단일 개체(세균 한 세포, 바이러스 한 입자)가 증식한 결과 형성된 집단을 의미하지만, 그 크기와 세포 수, 의미하는 바에는 차이가 있습니다. 우선 세균의 집락 단위는 배지에 떨어진 단일 세균 1개를 의미하는 것으로 지름 약 0.5~5 mm 정도의 눈에 보이는 집락으로 성장하는데, 집락 하나에는 보통 약 10⁷~10⁹개의 세균이 포함되어 있습니다. 다음으로 바이러스의 집락단위는 숙주 세균이나 세포를 감염시킨 바이러스 입자 1개를 의미하며, 세포층 위에서 감염된 세포가 용해되거나 사멸하면서 투명한 구멍이 형성됩니다. 이때 플라크 하나가 만들어지려면 감염 → 복제 → 전파가 여러 세포에 반복되므로, 그 안에는 실제로 수많은 감염 사건이 누적되는데요, 하지만 단위상으로는 바이러스 입자 1개 = PFU 1개 로 정의합니다. 감사합니다.