[일반생물학실험]DNA 모형 제작 및 브로콜리 DNA 추출

실험 목적

1. 유전 정보를 가지고 있는 DNA의 중요성을 알고, 그 모형을 제작해 봄으로써 DNA의 구조를 이해한다.

2. DNA의 이중 나선 구조에 대한 3차원 모형을 만들어 봄으로써 당, 인산, 4가지 염기로 이루어진 DNA의 구조를 이해할 수 있다.

3. DNA의 모형을 이용하여 DNA의 복제와 발현 과정을 설명할 수 있다.

4. 실생활에서 가까이 접할 수 있는 식물의 잎에서 DNA를 추출함으로써 식물 세포의 구조 및 DNA의 특성을 이해하고 추출한 DNA를 이용하여 다른 실험에 적용한다.

실험 이론 및 원리

1. DNA(Deoxyribonucleic acid) : 유전자를 포함하는, 정보를 갖고 있는 유전물질

1) DNA의 구성요소

① 기본단위 : 뉴클레오티드 → 당 + 인 + 염기

2) DNA의 구성요소

① 염기의 종류

- 퓨린계 : 구아닌(G), 아데닌(A)

- 피리미딘계 : 시토신(C), 티민(T)

3) DNA의 구조

① 구아닌(G)과 시토신(C)의 3중수소결합, 아데닌(A)과 티민(T)의 2중 수소결합

① 인산디에스테르결합으로 폴리뉴클레오티드 사슬형성

 

4) DNA의 구조 : 2중가닥이 꼬여서 2중 나선구조형성

 

2. DNA 복제(DNA replication)

1) DNA복제(DNA replication) 요소

① DNA 중합효소 : DNA의 합성을 촉매하는 효소

② Primer : 주형을 따라서 DNA합성을 시작 할 수 있도록 3’-OH 를 DNA 중합효소에게 제공하는 짧은 뉴클레오티드서열

③ DNA 연결효소 : DNA 이중나선의 한 가닥에 생긴 흠의 공유결합을 메워주는 효소

④ DNA 헬리케이즈 : DNA 이중나선의 상보적가닥을 풀어주는 효소

 

2) DNA 복제(DNA replication) 기작

① DNA 2중가닥은 복제원점에서 DNA헬리케이즈에 의해 단일가닥으로 풀림

② 풀린 단일가닥 DNA의 염기서열에 상보적인 Primer형성 (by DNA primase)

③ Primer가 제공하는 3’-OH기에 DNA중합효소가 뉴클레오티드를 중합(인산디에스테르결합)

④ 복제과정에서 생기는 불연속 절편은 DNA 연결효소에 의해 연결

 

3. 유전정보의 저장

1) DNA는 염기서열로 유전정보를 저장

① 3개의 염기는 하나의 코돈을 암호화

② 하나의 코돈은 1개의 아미노산을 지칭

③ 아미노산은 모여 폴리펩티드 형성

④ 폴리펩티드는 모여 단백질 형성

⑤ 단백질은 몸 안의 여러가지 기능수행

 

2) 센트럴 도그마(central dogma)

1958년에 크릭이 센트럴 도그마라는 가설을 내놓았다. 이것을 해석하면 분자생물학의 중심원리라는 뜻이다. 센트럴 도그마는 DNA의 유전 정보는 RNA를 거쳐 단백질로 전달되며, 그 반대 방향으로는 전달되지 않는다라고 주장했다.

유전현상(DNA가 단백질로 번역되는 일련의 과정)의 핵심이 되는 ‘유전정보의 흐름’을 지칭

① 1단계 : 복제 (replication) DNA → DNA

② 2단계 : 전사 (transcription) DNA → mRNA

③ 3단계 : 번역 (translation) mRNA → protein

실험 기구 및 시약

1. DNA 모형 제작

1) DNA 이중나선 모형 kit,

 

2. 브로콜리 DNA 추출

1) 브로콜리, 94% 에탄올, 계면활성제, 소금, 막자사발, 가위(or 칼)

2) 나무젓가락, 비커, 유리막대, 고운 체망, 증류수

실험 방법

1. DNA 모형 제작

1) 중심핀을 염기쌍 막대 1개 가운데에 끼운다.

2) 나머지 염기쌍 막대에도 연결핀을 끼워 연결핀끼리 연결한다.

3) 막대의 양 끝을 연결띠의 구멍에 끼운다.

4) 상, 하 받침대에 조립하여 DNA 모형을 완성한다.

 

2. 브로콜리 DNA 추출

1) 증류수 150㎖에 소금 2g과 계면활성제 7㎖을 넣고, 소금이 완전히 녹을 때까지 잘 섞어 소금-계면활성제액를 만든다.

2) 브로콜리를 막자사발에 넣고 가위로 잘게 자른 후 막자로 아주 곱게 간다.

3) 실험 전에 바로 만든 소금-계면 활성제 액을 막자사발에 약 10분 동안 힘차게 섞으면서 갈아준다.

4) 고운 체망을 이용하여 용액을 걸러 찌꺼기를 제거한다. (브로콜리 DNA추출액)

5) 브로콜리 추출액을 적당량 비커에 담은 후, 유리막대를 비커 벽에 대고 에탄올이 유리막대를 타고 내려가게 하면서 조심스럽게 비커에 붓는다. (에탄올은 추출액 부피의 2배를 넣어준다.)

5) 흰색의 가는 선 모양의 물질이 생기면 먼저 돋보기로 관찰한 후 나무젓가락으로 여러 번 휘감아 올린다.

 

실험 결과

1. DNA 모형제작

DNA 모형을 조립한 모습

DNA는 서로 반대 방향으로 결합하고 있는 두 가닥의 폴리 뉴클레오타이드로 이루어져 있으며, 이중나선 구조이다. 두 폴리 뉴클레오타이드 가닥 사이에 상보적으로 결합 된 염기쌍도 확인할 수 있다. 파란 막대-아데닌, 빨간 막대-티민, 주황색 막대-구아닌, 초록색 막대-사이토신이다. 염기쌍끼리는 수소 결합되어 있으며, 아데닌은 티민과만, 구아닌은 사이토신과만 결합한다. 다음의 질문을 통하여 DNA 모형에 대한 고민을 하였다.

1) 각자 제작한 DNA의 모형은 각각 DNA의 이중 나선 구조를 정확하게 나타내는가? 그렇지 못하다면 DNA의 어떤 특성을 제대로 나타내지 못하였는가?

그렇다

 

2) DNA의 이중 나선은 어떤 방향으로 회전하였는가? 그리고 그 회전 방향은 어떤 기준에 의해서 각자 결정하였는가?

반시계 방향, 기둥을 중심으로 엄지손가락을 위로 향하게 했을 때를 기준으로 했다.

 

3) DNA의 두 사슬의 각 말단은 서로 어떤 방향성을 갖고 있는가? 사슬의 말단에 대한 방향성은 어떤 기준에 의해서 결정되는지 제작된 DNA 모형으로 설명할 수 있는가?

DNA는 역평행 구조의 방향성을 가지고 있다. 인산염의 결합 위치때문에 DNA 가닥은 3차원에서 나선 구조를 지니며 꼬이게 된다. 두 가닥의 염기 서열 뼈대에 연결된 핵염기가 상보적이기 때문에 한 쪽 가닥 말단이 3번 탄소라면 상대쪽은 5번 탄소이게 되고 그 반대로 한 쪽의 말단이 5번 탄소라면 상대쪽은 3번이게 된다.

 

4) DNA의 이중 나선이 한 번 회전할 때마다 몇 개의 뉴클레오티드 쌍이 사용되었는가? 살아있는 세포 속에서는 몇 개의 뉴클레오티드 쌍이 연결되어야 이중 나선이 한 번 회전할까?

DNA모형에서 뉴클레오타이드당 1회전을 한다. 살아있는 세포 속에서는 10 개 염기 당 1회전을 한다고 한다.

 

2. 브로콜리 DNA 추출

브로콜리의 DNA를 추출한 모습

실처럼 하얗게 뜬 것들이 추출된 DNA이다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) DNA 모형제작

본 조는 실험을 진행하기 전에 굉장히 간단한 실험일 것으로 생각했으나, 예상과 달리 조금 복잡한 실험이었다. DNA의 이중나선 구조를 이해하고 염기쌍의 상보적인 결합을 이해해야 순조롭게 모형을 제작할 수 있었다. DNA의 이중나선은 보통 손의 회전하는 모양처럼 반시계 방향으로 회전한다. DNA 모형의 제일 아래에서부터 오른쪽 주먹을 쥐고 엄지를 올린 상태에서 네 손가락이 모형을 따라 올라가는 방향으로 꼬여있음을 생각해서 더욱 쉽게 조립할 수 있었기 때문에 실험은 성공적이었다.

실험을 하며, 우리 몸속의 DNA는 대부분 이중나선 구조로 이루어져 있지만, 전체적인 폭이나 회전 방향 등은 종류에 따라 다르지 않을까 하는 궁금증이 생겼고 DNA의 종류에 대해 간단히 찾아보게 되었다. DNA는 크게 A-DNA, B-DNA, Z-DNA가 있다. 우리의 몸에서 대부분을 차지하는 B-DNA는 왓슨과 크릭이 연구한 DNA이며 나선의 회전 방향은 오른손으로 감싸는 형태이다. A-DNA는 전체적으로 짧고 폭이 넓은 형태의 DNA로 나선의 회전 방향은 B-DNA와 같다. 마지막으로 Z-DNA는 전체적으로 B-DNA에 비해 가늘고 긴 형태로 앞선 두 DNA와는 다르게 나선이 왼손 방향으로 회전한다. 이 조사를 통해 실험에서 사용한 DNA 모형은 B-DNA와 흡사하다는 것을 알 수 있었다.

 

2) 브로콜리 DNA 추출

본 실험은 브로콜리를 이용해 DNA를 추출하여 식물세포의 구조를 이해하는 실험이었다. 실험을 시작하기 전에는 이런 간단한 방법으로 DNA가 추출되기는 힘들 것으로 예측했는데, 예상과는 다르게 흰색의 가는 선으로 추출된 브로콜리의 DNA를 눈으로 확인할 수 있었다. 본 조의 실험은 꽤 성공적이었다. 실험을 하면서 식물 중에 왜 하필 브로콜리를 이용해서 실험을 진행하는 것이며, 브로콜리가 아닌 어떤 식물로 같은 실험을 진행할 수 있을지 찾아보았다. 여러 실험들을 찾아본 결과 브로콜리말고 키위나 바나나를 사용해 DNA를 추출한 실험도 있었다. 

이 실험에서 브로콜리나 키위를 이용하는 이유는 오랜 기간 냉장 보관이 가능하므로 실험의 편의성을 위한 것도 있지만, 다른 식물에 비해 상대적으로 DNA를 쉽게 추출할 수 있고 단시간에 많은 양 추출할 수 있기 때문이다. 조사를 통해 꼭 브로콜리만 사용해야 하는 것은 아니란 걸 알 수 있었다. 또 실험에서 아쉬웠던 점은 비커에 뜬 흰색의 물질이 DNA인지 확인할 방법이 없었다는 점이다. 그래서 이에 대한 추가 실험으로 전기영동을 이용해 DNA를 확인해보는 실험을 생각해보았다. 박테리아의 DNA를 아가로오스 겔 전기영동 실험으로 확인해본 적이 있는데, 이 실험 방법을 적용하면 브로콜리의 DNA도 추출할 수 있을 것이란 생각이 들었다. 

전기영동이란 전기장 내에서 용액 속의 하전된 물질들이 반대 전하의 전극을 향해 이동하는 현상을 말하는데, 이는 DNA, RNA 및 단백질과 같은 생체 고분자물질을 분리하는 데 주로 사용된다. DNA는 음전하를 띠고 있다. 그러므로 DNA가 -에서 +방향으로 이동하도록 전기영동 장치의 전원을 걸어주어야 할 것이다. 본 실험같은 경우 실험 시간이 충분하지는 않기 때문에 실제로 전기영동 실험을 하기는 어려울 것이다. 그러므로 미리 만들어진 샘플을 관찰하는 것도 좋을 것 같다.

 

3. Futher study

1) DNA 추출 과정 중 사용하는 에탄올, 계면활성제, 소금의 역할에 대해 서술하시오.

DNA 추출 실험에서는 에탄올, 계면활성제 그리고 소금이 사용된다.

첫 번째로 이때 에탄올의 역할은 DNA의 용해도를 낮추어 DNA가 안정적으로 응축되게 만드는 역할을 한다. 

두 번째로 계면활성제는 세포막의 인지질 성분을 녹여 DNA를 방출시키도록 한다. 왜냐하면 세포막은 친수성과 소수성의 인지질 이중층을 형성하고 있는데, 계면활성제도 이와 같은 구조로 이루어져있기 때문이다. 즉 세제의 친수성 부분이 세포막이나 핵막의 친수성 부분에 결합하여 이것을 제거한다.

마지막으로 실험에서 소금을 넣는 이유는 계면활성제와 마찬가지로 DNA의 관찰을 용이하게 하기 위함이다. 소금의 경우는 알콜을 넣어줬을 때 DNA가 잘 뭉치게 도와주며 무색이고 음전하를 띠는 DNA는 Na+이온과 결합하여 흰색으로 되므로 관찰하기에 편리해진다.

 

2) DNA가 RNA보다 안정적인 이유 두 가지를 서술하시오.

DNA가 RNA보다 안정적인 이유는 두 가지가 있다. 첫 번째는 당의 종류가 다르기 때문이고 두 번째는 분자의 구조가 다르기 때문이다.

① 당의 종류

DNA는 당으로 디옥시리보스를 가지고, RNA는 리보스를 가진다. RNA의 리보스는 탄소 5개를 가진 5탄당이고 DNA의 디옥시리보스는 리보스의 2번 탄소에서 –OH(하이드록시기)가 –H로 바뀐, 즉 산소가 하나 빠진 당이다. 하이드록시기는 반응성이 커서 불안정한 상태인데, 이 때문에 중합반응에 참여하는 3‘-OH를 제외하고 하이드록시기를 하나 더 가진 RNA가 DNA보다 불안정하다고 할 수 있다.

② 분자의 구조

DNA는 이중나선 구조로 되어있고, RNA는 단일가닥으로 되어있다. 그러므로 DNA는 이중가닥이기 때문에 구조적으로도 단일가닥인 RNA보다 안정적이고 두 개의 가닥으로 염기와 정보를 보관하기에도 유리하다.

3) 모형 DNA 이중 나선 구조의 특징

DNA는 세포가 유전정보를 저장하는데 일조를 하고, 2가닥의 폴리뉴클레오타이드를 가지는 고분자 화합물이다. 뉴클레오타이드는 염기, 인산, 당으로 구성되어 있다. 또한 DNA의 당을 디옥시리보스라고 부르는데 디옥시리보스는 5탄당이며 2번 탄소는 산소를 가지고 있지 않다. 퓨린의 속하는 아데닌과 구아닌은 각각 피리미딘의 티민과 사이토신과 결합이 된다. 이것들은 이중 나선 안 쪽에 있으며 소수성을 띤다. 또한 인산과 당은 음전하를 가지며 바깥쪽에서 back bone을 형태를 가진다. 

뉴클레오타이드는 5번 탄소에서 3번 탄소로 연결된다. 이중 나선의 한 가닥이 5에서 3 방향으로 놓여져 있다면 반대쪽은 3에서 5방향으로 놓여져 있는데 이것을 역평행 구조라고 부른다. 실험에서 사용한 모형은 B-DNA이며, 반시계 방향으로 1 회전에 10개의 염기쌍이 들어간다. 모형에서의 디옥시리보스는 붉은색의 오각형 모양을 가지며 C-T, A-G의 염기쌍대로 바르게 연결했다.

 

4) 이중나선의 종류

이중나선의 종류에는 일반적인 B형의 이중나선뿐만 아니라 다른 종류들도 있다. 다른 유형으로 A-DNA, Z-DNA가 있다. DNA 이중나선을 관찰해보면 홈이 넓게 패이는 부분과 좁게 패이는 부븐으로 구분할 수 있는데 넓게 패이는 부분을 주홈이라 하고 좁게 패이는 부분을 부홈이라고 한다. 

A-DNA 이중나선을 살펴보면 나선의 기울기가 수직축에 대해 약 30° 기울 어져 있는 것을 알 수 있다. 또한 A-DNA는 나선 사이의 홈이 비슷하게 패여 주홈과 부홈을 구분하기 어렵다. 또한 B형보다 나선에 놓이는 염기 쌍이 1개 더 많아 11개이다. Z-DNA는 B-DNA와 나사의 회전방향이 거울상 대칭을 이루고 있으며 B형보다 2개 더 많은 12개의 염기쌍을 가지고 있다. 따라서 Z형은 B형보다 길게 보인다.

 

참고 문헌

1. 식물로부터 유전물질을 추출하는 방법에 관한 연구. 2007. 박기석 외 2인. 서울대학교

2. 최신유전학 2nd, 범한서적, 김상구 외 4명, p.247, 286-308, 934

3. Lehninger생화학 3nd, 서울외국서적, 김선희 외 8명, p.333-337