안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 진정세균 그람 염색법의 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 진정세균을 염색하는 '그람 염색법'은 세균의 세포벽 구조 차이를 이용해 세균을 그람양성균과 그람음성균으로 구분하는 고전적인 염색 기법으로, 특히 진정세균에서 많이 활용되는데요, 그람양성균은 세포벽에 펩티도글리칸이 매우 두껍게 쌓여 있어 염색 시 사용되는 보라색 염료인 크리스탈 바이올렛이 요오드 용액과 결합해 형성하는 복합체(Crystal violet–iodine complex)를 단단히 붙잡고 있습니다. 이 상태에서 탈색 단계로 알코올이나 아세톤을 처리하더라도 두꺼운 펩티도글리칸 층이 염료를 가두기 때문에 색이 잘 빠지지 않아 최종적으로 보라색을 유지하게 됩니다. 반면 그람음성균은 펩티도글리칸 층이 매우 얇고 바깥쪽에 지질이 많은 외막인 LPS라는 층이 추가적으로 존재합니다. 알코올 처리 시 이 외막의 지질이 용해되면서 얇은 펩티도글리칸 층이 그대로 노출되고, 내부에 있던 염료 복합체가 빠져나가 탈색됩니다. 이후 대조 염색제로 사프라닌 같은 붉은색 염료를 사용하면, 이미 보라색을 유지하는 그람양성균과 달리 그람음성균만 붉게 염색됩니다.
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Q. 라쿤은 성장이 끝나면 보통 몇키로정도인가요?
안녕하세요.질문해주신 라쿤(아메리칸너구리)는 라쿤과에 속하는 포유류의 일종인데요, 라쿤의 성체 평균 체중은 보통 7~10kg 정도이며, 북미에 서식하는 일반적인 개체는 이 범위에 들어갑니다. 다만 개체 차이, 먹이 조건, 서식 환경, 그리고 사육 환경에 따라 무게가 크게 달라질 수 있는데요, 계절에 따라 체중 변동이 큰데요, 겨울을 앞두고는 지방을 많이 축적해 12~14 kg까지 나가며 여름에는 6~8 kg까지로 줄어들게 됩니다. 따라서 말씀해주신 20 kg은 조금 큰 편이라고 할 수 있을 것 같습니다.
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Q. RNA가 알칼리 조건에서 잘 분해되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.RNA가 알칼리 조건에서 쉽게 분해되는 이유는 DNA와의 구조적인 차이 때문인데요, 핵심은 리보오스(ribose) 당의 2'-OH기(하이드록실기) 입니다. 우선 DNA를 구성하는 데옥시리보오스(deoxyribose)는 2번 탄소에 H만 존재하지만 RNA를 구성하는 리보오스(ribose)는 2번 탄소에 -OH가 존재하는데요, 이 2'-OH기가 알칼리 조건에서 결정적인 역할을 합니다. 알칼리(OH⁻) 환경에서는 2'-OH가 탈양성자화(deprotonation) 되어 2'-O⁻(음이온)으로 변하는데요, 이 음이온이 같은 리보오스에 붙어 있는 인산기(phosphate)의 P 원자를 공격하게 되며 자기 촉매적 절단이 일어나고, 결과적으로 RNA의 포스포다이에스터 결합이 절단되어 뉴클레오타이드 단위로 분해됩니다. 즉 DNA는 2'-OH가 없어서 이런 내부 친핵성 공격이 불가능하며, 따라서 알칼리 조건에서도 포스포다이에스터 결합이 쉽게 절단되지 않아 구조가 훨씬 안정합니다.
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Q. 세균이 가지고 있는 펩티드글리칸은 어떤 역할을 하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 세균의 펩티드글리칸(peptidoglycan) 은 세균 세포벽의 주요 구성 성분으로, 세균의 생존과 형태 유지에 핵심적인 역할을 하는데요, 펩티드글리칸은 강한 그물망 구조를 형성해 세균이 고유의 모양(구균, 간균, 나선균 등)을 유지하게 하며, 모양 유지가 중요한 이유는 세균의 이동성, 영양 흡수 방식, 환경 적응과 직결되기 때문입니다. 펩티드글리칸의 가장 중요한 목적은 삼투압으로부터 보호하는 것인데요, 세균은 보통 세포 내부가 외부보다 삼투압이 높아 물이 계속 유입되려는 경향이 있으며, 펩티드글리칸은 세포가 터지는 세포용해(lysis) 를 막아주는데요, 세포벽이 손상되면 삼투압 차로 인해 세균은 쉽게 파괴됩니다. 또한 세균이 분열할 때, 펩티드글리칸은 새로운 세포벽 합성을 위한 골격 구조를 제공하는데요, 분열 시 펩티드글리칸 합성 효소들이 작동해 딸세포 각각이 완전한 세포벽을 가질 수 있게 합니다.
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Q. 유전자 편집 기술이 앞으로 생명과학 분야에 미칠 영향은 무엇인가요??
안녕하세요.질문해주신 유전자 편집 기술(특히 CRISPR-Cas9와 같은 정밀 도구)은 앞으로 생명과학 전반에 걸쳐 혁신적인 변화를 일으킬 잠재력을 가지고 있는데요, 여러 방면에서 활용될 가능성이 큽니다. 우선 유전병(예: 낭포성 섬유증, 겸상적혈구빈혈) 원인 유전자 교정, 암 치료에서 종양 세포 표적화, 맞춤형 세포·유전자 치료제 개발에 쓰일 수 있을 것이며 가뭄·병충해 저항성 작물 개발이나 영양 성분 강화 식품(예: 비타민 A 강화 쌀)에 활용될 수 있습니다. 장점으로는 기존 유전자 변형 기술보다 표적 정확도가 높기 때문에 정밀성이 좋다는 점, 속도와 비용 효율성 측면에서 이전 세대보다 훨씬 빠르고 저렴하다는 점, 식물·동물·미생물·인간 세포 등 폭넓게 적용 가능하다는 점입니다. 반면에 단점이나 우려되는 사항으로는 의도치 않은 위치의 DNA가 변형될 가능성이 있으며, 인간 배아 편집, ‘맞춤형 아기(designer baby)’ 논란과 같은 윤리적인 문제가 존재한다는 점입니다. 향후 전망으로는 치료 분야에서는 먼저 체외(ex vivo) 세포 편집 후 환자에게 이식하는 방식이 주류가 될 가능성이 높으며, 국제사회는 인간 생식세포 편집에 대해 당분간은 강력한 규제를 유지할 가능성이 크고, 식량·환경 분야에서는 기존 GMO보다 사회적 수용성이 높아질 수 있으나, 장기 생태 영향 평가가 필수적일 것입니다.
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Q. 붉은포도주가 어떤 원리로 방사능 흡수 속도를 늦추나요?
안녕하세요.붉은 포도주가 방사능 흡수를 늦춘다는 설정은 영화나 소설에서 종종 쓰이는 허구적 장치이고, 과학적으로 검증된 치료법은 아닌데요, 우선 붉은 포도주에는 폴리페놀(특히 레스베라트롤), 탄닌 같은 항산화 물질이 풍부합니다. 방사선은 인체 세포에 활성산소(ROS)를 많이 발생시켜 DNA 손상을 일으키는데, 항산화제는 이런 활성산소를 일부 중화할 수 있으며, 일부 실험실 연구에서는 레스베라트롤이 세포를 방사선 피해로부터 보호하는 효과가 있다는 결과가 있긴 합니다. 즉 이런 점 때문에 “레드 와인 = 방사능 방어”라는 오해가 영화나 대중문화 속에서 만들어졌다고 볼 수 있겠습니다. 포도주 속의 폴리페놀은 방사능 피폭 후 발생하는 세포 손상을 일부 줄일 수 있을지 몰라도, 방사성 물질의 체내 흡수 속도 자체를 늦추는 작용은 거의 없는데요, 체내 흡수 지연이나 배설 촉진은 물리적·화학적 결합이 가능한 특정 화합물(예: 요오드화칼륨, 프러시안 블루)에서 가능하지만 레드 와인은 방사성 요오드, 세슘, 스트론튬 같은 핵종과 결합해서 흡수를 막을 수 있는 화학적 메커니즘을 가지고 있지 않습니다. 또한 원전 사고(체르노빌, 후쿠시마 등)에서는 국제적으로 승인된 해독제와 차폐 요법이 이미 정해져 있으며, 레드 와인은 위와 같은 효과적인 해독 작용이 없기 때문에, 실제 방사능 방재 지침에 포함되지 않습니다.
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Q. 청솔모는 잘 보이는데, 다람쥐가 잘 보이지 않는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 우리나라에서 청솔모는 자주 보이지만 줄무늬다람쥐(시베리아다람쥐)는 잘 보이지 않는 이유는 주로 생활 습성, 행동 패턴, 개체수 변화와 관련이 있는데요, 청솔모는 주로 나무 위에서 활동하지만, 먹이를 찾을 때나 이동 시 나무 가지 사이를 활발하게 오가며 소리를 내는 경우가 많아 눈에 잘 띕니다. 다람쥐는 경계심이 강하고, 대부분 낮은 수풀이나 땅과 가까운 곳에서 활동하다가 인기척이 나면 바로 나무 구멍이나 은신처로 숨으며, 시야에 노출되는 시간이 매우 짧아 관찰이 어렵습니다. 다람쥐는 천적(맹금류, 뱀, 족제비 등)에 대한 회피 본능이 강해서 사람이 나타나면 바로 사라지는데요 반면에 청솔모도 경계심은 있지만, 먹이를 확보하거나 영역을 지킬 때 사람 근처까지 접근하는 경우가 더 많아 상대적으로 관찰 확률이 높습니다. 또한 다람쥐는 1990년대 이전에는 전국적으로 흔했지만, 애완용 포획, 산림 벌목, 천적 증가, 먹이 경쟁 등으로 개체수가 줄어든 지역이 있으며, 반면에 청솔모는 환경 적응력이 높고 먹이 종류가 다양해 도심 인근 산림에도 잘 살아남았습니다. 게다가 다람쥐는 가을에 도토리, 잣 등을 저장한 뒤 겨울에는 활동을 줄이는 반면, 청솔모는 겨울에도 비교적 활발히 움직여서 계절 상관없이 눈에 띄는 경우가 많습니다.
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Q. 거북이가 기온에 따라서 성별이 달라질 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 거북이에서 기온에 따라 성별이 달라지는 현상은 온도 의존적 성 결정(TSD, Temperature-dependent Sex Determination)이라는 메커니즘 때문인데요 이는 일부 파충류, 어류, 양서류에서 나타나며, 인간처럼 X·Y 염색체로 성별이 고정되는 방식과는 전혀 다른 원리입니다. 인간과는 다르게 거북이는 수정 당시에는 성별이 이미 유전자적으로 확정되지 않는데요, 알이 부화하는 동안의 온도가 특정 시기에 성별 결정 유전자의 발현을 조절하며 특히 배아 발달 중간 단계(성 결정 민감기)에 온도가 변하면, 성호르몬 합성 경로나 관련 효소의 활성에 차이가 생겨 성별이 달라집니다. 온도가 성별을 결정짓는 메커니즘에서 주요 요소로 작용하는 것은 방향성 스테로이드 전환 효소(아로마타제, Aromatase)인데요, 아로마타제는 남성 호르몬(안드로겐)을 여성 호르몬(에스트로겐)으로 바꾸는 효소입니다. 높은 부화 온도 → 아로마타제 활성 증가 → 에스트로겐↑ → 암컷 발생 확률 높고 반대로 낮은 부화 온도 → 아로마타제 활성 감소 → 테스토스테론 유지 → 수컷 발생 확률 높습니다. 즉 인간의 경우에는 수정 순간 X·Y 염색체 조합으로 성별 고정 → 환경 온도와 무관하지만 거북이의 경우에는 성 결정 염색체가 없거나 기능이 약하고, 환경 요인이 발달 중 성 결정 경로를 직접 조절하게 되는 것입니다.
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Q. 바나나 품종이 적은 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 바나나 품종이 적은 이유는 주로 재배 방식과 유전적 다양성 부족에서 비롯된 것인데요, 현재 전 세계에서 상업적으로 유통되는 바나나 대부분은 캐번디시(Cavendish)라는 단일 품종인데 바나나는 씨앗이 있는 원시 품종도 있지만, 우리가 먹는 상업용 바나나는 씨 없는 삼배체(triploid) 품종입니다. 씨앗이 없어서 번식은 거의 포기나 클론(영양번식)으로만 이루어지는데요, 이때 같은 유전자를 가진 복제 개체만 번식되므로 유전적 다양성이 매우 낮아 모든 개체가 특정 질병에 똑같이 취약합니다. 또한 20세기 초반까지만 해도 주류 품종은 그로 미셸(Gros Michel)이었습니다.하지만 1950년대에 파나마병(Panama disease, Fusarium oxysporum 곰팡이)이 전 세계 재배지를 휩쓸어 멸종 수준에 이르렀으며, 그로 미셸을 대체한 것이 현재의 캐번디시인데, 이 품종 역시 유전적 다양성이 거의 없어 TR4(Tropical Race 4)라는 새로운 파나마병 변종에 취약합니다. 또한 상업 바나나는 대부분 씨앗이 없으므로 자연 교배가 어려우며, 야생종과 교배해 새로운 품종을 만들 수 있지만, 과육 품질·맛·씨앗 유무를 모두 만족시키면서 병 저항성을 가지는 품종 개발이 매우 어렵습니다. 게다가 글로벌 유통 시스템은 맛, 크기, 숙성 속도, 저장성이 표준화된 단일 품종에 맞춰져 있으며 새로운 품종을 도입하면 재배법, 운송·저장 시스템을 전부 바꿔야 하므로 농가와 기업이 쉽게 바꾸지 못합니다.
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Q. 포유류 중에서 수컷과 암컷 중 수컷이 더 큰 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 포유류에서 수컷이 암컷보다 더 큰 경우가 많은 이유는 주로 성적 이형성(sexual dimorphism)과 성 선택(sexual selection)에 의해 설명할 수 있는데요 이는 성 선택(Sexual selection)의 영향이라고 할 수 있습니다. 우선 수컷 경쟁형 종에서는 번식 기회가 제한적이어서, 수컷들끼리 암컷을 두고 경쟁하는데요, 몸집이 크고 힘이 센 수컷일수록 싸움에서 이기거나 영역을 차지할 가능성이 높아, 더 많은 암컷과 교미할 수 있습니다. 이런 경향이 세대를 거듭하며 누적되면 수컷의 평균 체격이 점점 커지게 됩니다. 또한 어떤 종에서는 수컷의 큰 체격이나 힘이 생존 능력·유전자 우수성의 신호로 해석되는데요, 암컷이 크고 건강한 수컷을 선호하면, 자연스럽게 큰 체격 유전자가 다음 세대로 전달됩니다. 게다가 수컷이 먹이를 구하거나 영역을 방어하는 역할을 주로 맡는 종에서는 체력과 근력이 중요한 선택 압력이 작용하는데요, 예를 들어 수사자는 암사자를 대신해 외부 위협으로부터 무리를 지키고, 코끼리물범 수컷은 해변을 점령해 암컷 집단을 방어하는 것처럼 생활사적인 전략과도 연관이 있습니다.