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생물·생명
Q. 바이러스의 외피가 숙주 세포막에서 유래한다는 점은 어떤 의미를 가지나요?
바이러스의 외피가 숙주 세포막에서 유래한다는 것은 바이러스의 감염 및 면역 회피 전략에서 상당히 중요한 의미를 가집니다.바이러스는 숙주 세포를 파괴하지 않고, 세포막의 일부를 감싸면서 밖으로 출아하여 외피를 획득합니다. 이렇게 얻은 외피는 숙주 세포막과 성분이 유사하기 때문에, 감염 시 숙주 세포막과의 막 융합을 용이하게 해 바이러스의 침투가 훨씬 수월해집니다.또한 외피에 숙주 세포 유래의 지질과 일부 단백질이 포함되어 있어, 숙주 면역 체계의 감시를 일시적으로 회피하는 위장 효과를 가지게 됩니다.
생물·생명
Q. 줄기세포 연구가 손상된 신체 조직 재생에 응용죄는 방식은?
줄기세포는 손상된 신체 조직의 재생 치료에 상당히 다양하게 응용되고 있습니다.이 치료의 핵심은 줄기세포가 다양한 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력과 스스로 증식하는 자가 재생 능력이 있다는 점입니다.줄기세포 재생치료의 응용방식은 크게 세가지 정도로 볼 수 있습니다.첫번째는 직접적인 세포 대체 방식으로 줄기세포를 실험실에서 필요한 세포 유형으로 분화 유도하여 이를 손상된 조직에 직접 이식하여 기능을 잃은 세포를 대체하고 조직을 복구하는 것입니다.두번째는 주입된 줄기세포가 성장 인자, 사이토카인, 엑소좀 등을 분비하여 염증을 줄이고, 혈관 생성을 촉진하며, 손상 부위의 자가 치유 능력을 활성화함으로써 간접적으로 재생을 돕는 것입니다.세번째는 줄기세포를 인공적인 지지체와 함께 배양하여 장기 유사체나 새로운 조직을 만들고, 이를 이식하여 손상된 기관의 기능을 회복시키는 방식입니다.이러한 방식들은 심장 질환, 척수 손상, 퇴행성 관절염 등 현재 치료가 어려운 다양한 난치성 질환에 상당한 도움이 되고 있습니다.
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Q. 박테리오파지가 세균을 감염시킬 때 나타나는 생활사적 특징은 무엇인가요?
박테리오파지가 세균을 감염시킬 때 나타나는 생활사적 특징이라면 크게 용균성 생활사와 용원성 생활사 두 가지로 요약할 수 있습니다.용균성 생활사는 독성 파지의 특징입니다.파지는 숙주 세균에 부착해 자신의 유전 물질을 주입하고, 주입된 유전 물질은 숙주의 세포 기구를 장악하여 자신의 복제와 단백질 합성을 시작합니다. 새로운 파지 입자가 완전히 조립되면, 숙주 세포벽을 파괴하는 효소를 분비해 세포를 용균시키고 수많은 새 파지를 방출하게 되는데, 이 과정은 숙주 세균을 즉시 사멸시키게 됩니다.용원성 생활사는 온건성 파지의 특징입니다.파지의 유전 물질은 숙주 세균의 염색체에 프로파지 형태로 통합되어 조용히 존재합니다. 숙주 세균이 분열할 때마다 프로파지는 함께 복제되어 딸세포로 전달되다가 특정 스트레스를 받으면 프로파지가 분리되어 용균성 생활사로 전환될 수 있는 것입니다.
생물·생명
Q. 프리온과 바이러스는 어떤 점에서 유사하고, 또 어떤 점에서 근본적으로 다른가요?
먼저 프리온과 바이러스는 모두 숙주에게 질병을 일으키는 비세포성 감염원이라는 점에서 비슷한 점을 가집니다.그러나 구성 요소에 근본적인 차이가 있습니다. 바이러스는 DNA나 RNA 같은 핵산을 유전 물질로 가지며, 이를 단백질 껍질이 둘러싸고 있는 입자입니다. 반면, 프리온은 핵산 없이 비정상적으로 접힌 형태의 단백질 입자일 뿐입니다.이러한 차이로 인해 복제 방식도 다릅니다.바이러스는 핵산 복제를 통해 자신의 성분을 만들어 새 입자를 생산하는 반면, 프리온은 숙주 세포 내의 정상 단백질을 비정상적인 구조로 변형시키면서 증식합니다.또한, 프리온은 열이나 자외선, 일반적인 소독제에 대한 매우 강한 저항성을 보이며, 숙주에게 특이적인 면역 반응을 거의 유발하지 않는다는 점이 바이러스와 다릅니다. 즉, 바이러스는 '유전 물질을 가진 기생체'라면, 프리온은 '스스로 복제하는 단백질 오접힘 구조'라 할 수 있습니다.
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Q. 인플루엔자 바이러스가 계절마다 유행하는 이유를 변이의 관점에서 설명할 수 있나요?
인플루엔자 바이러스가 계절마다 유행하는 주요 원인은 바이러스 표면 항원의 잦은 변이 때문이며, 특히 항원 소변이 현상이 매년의 계절성 유행을 일으키는 것입니다.인플루엔자 바이러스는 유전 물질인 RNA를 복제하는 과정에서 돌연변이를 자주 일으킵니다.이 작은 변이들이 축적되어 바이러스 표면의 주요 단백질인 헤마글루티닌과 뉴라미니다제의 형태를 조금씩 바꾸게 되는데, 이를 항원 소변이라고 합니다.이 소변이 덕분에 매년 유행하는 바이러스는 지난 시즌의 바이러스와 항원성이 약간 달라져 우리의 면역 체계를 부분적으로 회피할 수 있는 것입니다. 즉, 이전 감염이나 백신으로 얻은 면역 방어선이 새로운 변이주에게는 통하지 않게 됩니다.결과적으로, 면역력이 약해지거나 새로운 변이주에 노출된 사람들을 중심으로 매년 계절성 독감이 반복적으로 유행하게 됩니다. 우리가 해마다 새로운 독감 백신을 맞는 이유이기도 하죠.
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Q. 역전사 바이러스(retrovirus)가 숙주 게놈에 자신의 유전자를 삽입할 수 있는 분자적 원리는 무엇인가요?
역전사 효소와 삽입 효소, 이 두가지가 가장 핵심적으로 작용하게 됩니다.바이러스가 숙주 세포에 침입하면, 바이러스의 RNA 게놈은 동반된 역전사 효소를 이용해 이중 가닥 DNA로 복제됩니다. 이 과정은 유전 정보의 일반적인 흐름(DNA -> RNA)을 거꾸로 하는 것이 특징이며, 최종 DNA 분자 양 끝에 긴 말단 반복 서열(LTR)이 형성됩니다.그리고 생성된 바이러스 DNA는 삽입 효소와 함께 전통합 복합체(PIC)를 형성하여 숙주 세포의 핵으로 들어갑니다. 그리고 삽입 효소는 바이러스 DNA의 LTR 말단을 인식하여 3'-OH 기를 노출시키는 가공 단계를 거치게 됩니다.이후 삽입 효소는 숙주 게놈 DNA의 무작위 부위를 엇갈리게 절단하고, 바이러스 DNA의 3'-OH 말단을 숙주 DNA의 5' 말단에 연결하는 가닥 전달 반응을 촉매하게 됩니다.마지막으로, 숙주 세포의 DNA 복구 기구가 나머지 틈을 메워 바이러스 DNA를 프로바이러스 형태로 숙주 게놈에 영구적으로 통합시킵니다. 이로써 바이러스 유전자는 숙주 게놈의 일부가 되어 자손 세포에 전달됩니다.
생물·생명
Q. C3식물, C4식물, CAM식물의 광합성 경로에는 어떤 차이가 있으며, 각각 어떤 환경에서 유리하게 작용하나요?
C3, C4, CAM 식물의 광합성 경로 차이는 주로 CO2를 고정하는 방식과 광호흡을 회피하는 방식입니다.먼저 대부분의 식물이 C3식물이며, RuBisCO 효소가 엽육 세포에서 CO2를 3탄당(PGA)으로 고정합니다. 온도가 낮고 물이 풍부한 환경에서는 효율적이지만, 고온 건조 시 광호흡이 발생하여 효율이 떨어집니다.C4식물은 CO2를 PEP 카복실화효소를 이용해 4탄당(OAA)으로 고정하고, 이를 유관속초 세포로 옮겨 CO2를 농축시킵니다. 이 메커니즘으로 광호흡을 거의 막아 고온, 강한 빛, 건조한 환경에서 매우 유리합니다.CAM 식물은 밤에 기공을 열어 CO2를 4탄당 유기산으로 저장하고, 낮에는 기공을 닫아 수분 손실을 최소화하며 저장된 CO2를 사용합니다. 극도로 건조한 환경에 적응하기 위한 방식입니다.
생물·생명
Q. 백신이 개발되면 왜 바이러스는 먼저 변이를 일으켜 있을 수 있는가?
이미 말씀하신 것처럼 의도나 목적 없이 순전히 자연 선택과 돌연변이라는 생물학적 과정으로 변이를 일으키는 것입니다.바이러스는 숙주 세포 내에서 복제될 때 유전 물질의 복제 과정에서 수많은 오류가 발생됩니다. 이 오류가 바로 돌연변이이고, 백신이 나오기 전부터 이미 수많은 다양한 변이체가 존재하고 있는 것이죠.백신은 바이러스의 생존 환경에서 강한 압력으로 작용합니다. 백신으로 형성된 면역 시스템은 기존 바이러스 형태를 효과적으로 파괴하지만 우연히 발생한 돌연변이 중 면역 회피 능력을 갖춘 변이체는 살아남아 증식할 수 있는 것입니다.결국 이러한 선택적 생존을 통해 살아남은 변이체가 집단 내에서 퍼져나가 우세종이 되는 것입니다.다시 말해 바이러스 스스로가 '백신에 대항해야지'라고 생각하는 것이 아니라, 살아남기에 유리한 변이체만 남게 되는 진화의 결과라 할 수 있습니다.
생물·생명
Q. 야간에 도시든 시골이든 전등 주변에 날벌레 들이 막 모여드는 원인은?
가장 큰 원인은 인공 조명이 곤충의 비행 시스템에 혼란을 주기 때문입니다.대부분의 밤에 나는 곤충들은 비행 중 자세와 방향을 잡기 위해 자연광을 이용하는데, 본능적으로 밝은 방향으로 등을 돌리려는 배광반응이라는 반사 행동을 하게 됩니다.그런데, 달과 같은 자연광은 매우 멀리 있어 곤충이 한 방향으로 안정적인 비행을 할 수 있게 하는 반면 가까이 있는 가로등 같은 인공 조명은 이 시스템을 교란시키게 됩니다.즉, 곤충이 조명 쪽으로 등을 돌리려 자세를 바꾸면, 오히려 조명 쪽으로 경로가 휘어지거나 맴돌게 되는 것이죠.결국 이런 비행 패턴은 곤충이 빛에 이끌리는 것이 아니라, 균형 감각을 잃고 빛 주변에 갇히는 것으로 결국 곤충들은 빛을 향해 돌진하는 것이 아니라, 혼란을 겪으며 전등 주변을 계속 맴돌게 되는 것입니다.
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Q. 끈끈이에 붙은 벌레에 대해 궁금합니다
벌레가 끈끈이에 붙은 후 5분 내외로 빠르게 죽는 이유는 질식사와 탈진 때문입니다.곤충은 몸통에 있는 작은 구멍인 기문을 통해 숨을 쉬는데, 끈끈이의 접착제가 이 기문들을 완전히 막아버립니다. 결국 산소 공급이 차단되면서 벌레는 빠르게 질식하게 되는데, 이것이 가장 큰 원인이죠.또한, 끈끈이에서 벗어나기 위해 몇 분 동안 격렬하게 버둥거리는 과정에서 에너지를 급격히 소모하고 탈진에 빠집니다. 심한 경우 날개나 다리 같은 신체 부위가 찢어지는 손상도 겪게 되죠.결국 벌레는 굶어 죽기 전 호흡 기관이 막혀 숨을 쉴 수 없게 되고, 격렬한 몸부림으로 기력을 소진하면서 죽게 되는 것입니다.