[생명공학실험]DNA 복제 증명

DNA가 유전물질인 것을 증명한 실험들

1. 그리피스의 폐렴 쌍구균 형질 전환 실험

1928년에 발표된 그리피스의 형질 전환 실험은 죽은 병원성 세균의 알려지지 않은 어떤 화학적 성분이 살아 있는 세균에 병원성을 갖도록 유전적 변화를 일으킨다는 것을 증명하여 유전 물질의 형질 전환 기능을 보여 주었다. 그리피스는 폐렴 쌍구균을 실험에 이용하였으며, 폐렴 쌍구균 중 S형균은 병원성을 나타내지만, R형균은 병원성이 없다.

 

그리피스의 형질 전환 실험 과정과 결과,

① 살아 있는 S형균을 주사하였더니 쥐가 폐렴에 걸려 죽었다.

② 살아 있는 R형균을 주사하였더니 쥐가 폐렴에 걸리지 않았다.

③ S형균을 가열하여 죽인 후 주사하였더니 쥐가 죽지 않았다.

④ 열처리한 S형균과 살아 있는 R형균을 함께 쥐에게 주사하였더니 쥐가 폐렴에 걸려 죽었으며, 죽은 쥐의 혈액에서 살아 있는 S형균이 발견되었다. 죽은 쥐에서 추출한 S형균은 다른 쥐를 폐렴에 걸리게 하는 병원성을 계속해서 나타냈다.

 

결론적으로 죽은 S형균에 들어 있는 열에 강한 어떤 물질이 살아 있는R형균을 S형균으로 형질 전환시켰다.

그리피스는 형질 전환을 일으키는 물질의 화학적 성분을 규명하지는 못하였으나, 이후 죽은 병원성 세균(S형균)의 추출물에 구성 성분 각각에 대한 선택적 분해 효소를 처리하여 형질 전환을 일으킨 유전 물질이 DNA라는 것을 증명하는 실험(1944년 에이버리의 형질 전환 실험)이 가능하도록 하였다.

 

2. 에어버리 폐렴 쌍구균 형질 전환 실험

1944년 에이버리는 동료들과 함께 S형균의 세포 추출물을 구성 물질별로 분리하여 이에 대한 분해 효소를 사용, 그리피스가 사용한 것과 유사한 형질 전환 실험을 수행하였다.

 

에이버리의 형질 전환 실험 과정은,

① 가열하여 죽인 S형균을 부수어 세포 추출물을 얻었다.

② 세포 추출물을 여러 개로 나눈 후 각각 다당류 분해 효소, 단백질 분해 효소, DNA 분해효소, RNA 분해 효소로 처리하였다.

③ 효소로 처리한 추출물에 R형균을 넣어 함께 배양한 후, S형균의 존재 유무를 확인하여 형질 전환 여부를 확인하였다.

 

에이버리 형질 전환 실험 결과 DNA를 포함한 추출물만이 형질 전환을 일으킨다는 사실을 알아내었다.

① S형균의 세포 추출물에 단백질 분해 효소, 다당류 가수 분해 효소, RNA 가수 분해 효소를 처리한 경우에는 형질 전환이 일어나 S형균이 생겨났다.

② DNA 가수 분해 효소를 처리한 경우에는 S형균이 발견되지 않았다. → S형균으로 형질 전환이 일어나지 않은 것을 의미한다.

③ S형균 추출물 속의 성분 중 DNA가 살아 있는 R형균을 S형균으로 형질 전환시킨 물질이다. 따라서 DNA가 유전 물질이다.

3. 허시와 체이스의 박테리오 파지 증식 실험

1902년 서턴의 염색체설과 1910년 모건의 유전자설에 의해 유전자는 염색체에 있다는 것이 증명되었다. 염색체를 구성하는 성분은 DNA와 단백질이며, 앞선 에이버리의 실험에서 DNA가 유전 물질일 것이라는 실험 결과가 있었으나, 많은 사람들이 이것을 믿지 못했다. 오히려 20여 가지의 아미노산 서열에 따라 그 종류가 매우 많은 단백질이 더 유전 물질일 가능성이 높다고 생각하였다. 결국, 1952년 허시와 체이스의 박테리오파지 실험에 의해 유전자는 단백질이 아닌 DNA라는 것이 증명되었다.

대장균을 감염시키는 T2라는 박테리오파지는 세균을 감염시키는 세균성 바이러스로서, 일반적으로 파지라고 줄여 쓰기도 한다. 감염이 되면 파지의 유전자는 숙주 세포로 들어가 새로운 파지 입자를 합성한다. 박테리오파지는 단백질(껍질 부분)과 DNA로만 이루어져 있으므로 박테리오파지 유전자는 단백질과 DNA 둘 중 하나에 포함될 수밖에 없다.

단백질 껍질과 DNA 중 어떤 물질이 유전 물질인지 알아보기 위해 방사성 동위 원소인 32P 또는 35S이 들어 있는 배지에서 박테리오파지를 대장균에 감염시켜 DNA가 32P으로 표지된 박테리오 파지와 단백질이 35S으로 표지된 박테리오파지를 각각 얻었다.

 

박테리오파지의 DNA를 32P으로 표지한 경우

① 32P으로 표지된 박테리오파지를 대장균과 함께 배양하여 박테리오파지를 대장균에 감염시키면 박테리오파지의 유전 물질이 대장균 내로 유입된다.

② 믹서(교반기)를 이용하여 박테리오파지의 유전 물질이 유입된 대장균과 대장균의 표면에 붙어 있는 박테리오파지의 남은 부분을 분리한다.

③ 원심 분리하면 대장균의 내부로 들어간 것(박테리오파지의 유전 물질)은 시험관의 아랫부분에 침전되고, 대장균의 표면에서 떨어져 나온 박테리오파지의 남은 부분은 시험관 윗부분의 용액 내에 포함된다.

④ 32P에 의한 방사선을 검출하여 보면시험관의 침전물(대장균의 내부)에서 방사선이 나타난다.

박테리오파지의 DNA를 32P으로 표지한 경우

 

⑤ 추가 확인 사항：새로 생긴 박테리오파지의 방사선을 검출하여 보니 방사선이 나타났다.

⑥ 결론：대장균 내부로 유입된 박테리오파지의 유전 물질은 DNA이다.

 

박테리오파지의 단백질 껍질을 35S으로 표지한 경우,

① 35S으로 표지된 박테리오파지를 대장균과 함께 배양하여 박테리오파지를 대장균에 감염시키면 박테리오파지의 유전 물질이 대장균 내로 유입된다.

② 믹서(교반기)를 이용하여 박테리오파지의 유전 물질이 유입된 대장균과 대장균의 표면에 붙어 있는 박테리오파지의 남은 부분을 분리한다.

③ 원심 분리하면 대장균의 내부로 들어간 것(박테리오파지의 유전 물질)은 시험관의 침전물에 포함되고, 대장균의 표면에 붙어 있던 박테리오파지의 남은 부분은 시험관 윗부분의 용액 내에 포함된다.

④ 35S에 의한 방사선을 검출하여 보면 시험관의 용액(대장균 바깥쪽)에서 방사선이 나타난다.

박테리오파지의 단백질 껍질을 35S으로 표지한 경우

 

⑤ 추가 확인 사항：새로 생긴 박테리오파지의 방사선을 검출하여 보니 방사선이 검출되지 않았다.

⑥ 결론：박테리오파지의 단백질 껍질 부분은 대장균의 내부로 유입되지 않는다. 따라서 박테리오파지의 단백질은 유전 물질이 아니다.

 

DNA의 반보존적 복제의 증명 실험

1. 1958년 메셀슨과 스틸에 의해 DNA의 복제가 반보존적이라는 것이 실험적으로 증명되었다. 

반보존적 복제 모형에 따르면 먼저 DNA를 구성하는 두 가닥의 사슬이 분리되어 분리된 사슬이 각각 주형이 되고, 상보적인 염기를 가진 뉴클레오타이드가 주형 가닥을 따라 늘어서면서 합성되어 새로운 DNA가닥이 만들어진다.

① DNA는 두 개의 상보적인 가닥을 가지고 있다. 각 염기는 A와 T, G와 C가 특이적으로 수소 결합을 통해 쌍을 이룬다.

 

② 복제의 첫 번째 단계는 DNA두 가닥의 분리이다. 각각의 기존 가닥은 새로운 상보적인 가닥의 염기 순서를 결정하는 주형으로 작용한다.

 

③ 뉴클레오타이드가 연결되어 새로운 가닥의 당-인산 골격을 형성한다. 새롭게 생성된 DNA들은 기존 가닥(진한 파란색)과 새롭게 생성된 다른 가닥(밝은 파란색)으로 이루어져 있다.

 

 

2. 실험 과정

① 대장균을 무거운 질소(15N)가 들어있는 배지에서 여러 세대에 걸쳐 배양하여 15N으로 표지된 DNA만을 갖는 어버이 세대(P) 대장균을 얻은 후 이 대장균에서 DNA를 추출하여 원심 분리한다.

② P세대 대장균의 일부를 가벼운 질소(14N)가 들어있는 배지로 옮기고 1회 분열시켜 1세대(G1)를 얻은 후, 이 대장균에서 DNA를 추출하여 원심 분리한다.

③ 1세대(G1) 대장균을 가벼운 질소(14N)가 들어있는 배지에서 1회 분열시켜 2세대(G2)를 얻은 후, 이 대장균에서 DNA를 추출하여 원심 분리한다.

 

3. 실험 결과

① 아버지 세대(P)의 DNA원심 분리 결과 DNA띠가 15N-15N(무거운 DNA)위치에 한 개만 나타난다.

DNA 2중 나선을 이루는 두 가닥이 모두 15N를 포함하기 때문이다. 대장균

 

② 1세대(G1)의 DNA 원심 분리 결과 DNA띠가 14N-15N(중간 무게의 DNA)위치에 한 개만 나타난다.

새로 생긴 DNA두 가닥 중 한 가닥은 기존의 것(15N)이고, 다른 한 가닥은 새로 합성된 것(14N)이기 때문이다. 그런데 보존적 복제 모델에 따르면 1세대에서 DNA띠는 15N-15N와 14N-14N(가벼운 DNA)위치에 한 개씩 나타나고 14N-15N 위치에는 나타나지 않아야 한다. 따라서 보존적 복제 모델은 기각되고 반보존적 복제 모델이나 분산적 복제 모델에 따라 DNA복제가 이루어진다고 생각할 수 있다. 대장균 1세대

 

③ 2세대(G2)의 DNA원심 분리 결과 DNA띠가 14N-15N 위치와 14N-14N 위치에 각각 한 개씩 나타난다.

1세대의 14N-15N DNA 각 사슬을 주형으로 14N 사슬이 새로 합성되기 때문이다. 그런데 분산적 복제 모델에 따르면 2세대에서 15N보다 14N가 더 많이 포함된 DNA가 만들어지므로 DNA띠는 14N-15N와 14N-14N 위치 사이에 한 개만 나타나야 한다. 따라서 분산적 모델은 기각되고, 반보존적 복제 모델에 따라 DNA 복제가 이루어짐을 알 수 있다.

 

4. 결론

복제 결과 새로 만들어진 DNA의 두 가닥중 한 가닥은 기존의 것이고, 다른 한 가닥은 새로 합성된 것이다. 즉, DNA는 반보존적으로 복제를 한다.