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미생물이야기 바이러스는 다른 생물들처럼 DNA나 RNA를 유전물질로 이용하고 유전정보 복제를통해 증식하므로 생물처럼 보인다.
2013-08-14 16:01:56
이엠생명과학연구원

유전자 조작 음식이 해롭니마니 해서 세상이 시끄럽다. 유전자 조작은 유전공학을 이용해 원래는 가지고 있지 않은 유전자를 집어 넣어 발현시키는 기법이다. 외부 유전자를 생체 속에 집어넣는데는 크게 두가지 방법이 사용된다. 하나는 바이러스를 이용하는 것이고, 다른 하나는 세균의 플라스미드를 이용하는 방법이다. 유전자를 전달시켜주는 전달체를 벡터 (vector)라고 부르는데, 바이러스 벡터는 원래 바이러스 단백질을 만드는 유전자를 없애고 도입하고 싶은 유전자를 대신 집어넣은 바이러스를 사용한다. 즉, 바이러스 속의 유전정보만 바꾸고 껍데기 단백질은 그대로 가진채로 삽입되는 것이다. 따라서, 바이러스 벡터는 스스로 숙주세포에 감염되어 들어갈 능력을 그 자체로 지니고 있다. 혹시나, 유전자 치환이 덜 되었거나 돌연변이라도 일어나면, 원래의 야생 바이러스가 다시 발현할 가능성이 항상 존재한다. 

이에 비해 플라스미드 벡터는 유전자 자체만으로 이루어져 있으므로, 그 자체로는 감염력이 없어서 세포 내로 넣어줄 다른 방법이 필요하다. 유전자가 세포내로 들어간다고 반드시 단백질로 발현되는 것은 아니므로 유전자 조작은 유전자 전달과 발현의 두단계로 이루어 진다고 생각해야 한다. 

대장균같은 원핵세포는 한가닥의 DNA가 유전체를 이루고 있는데, 유전체 전체의 길이는 한줄로 죽 늘이면 세포 길이의 천배를 넘는다. 그러나 유전체가 염색체의 형태로 차곡차곡 접혀있어서 세포안에 다 들어갈 수가 있다. 그런데 대장균같은 하등 생물에서는 유전체를 이루는 유전자말고도 비교적 짧은 유전정보를 담은 DNA들이 별도로 존재하는데, 이들을 플라스미드라고 부른다. 플라스미드는 세포간 교환도 가능해서 한 세포가 획득한 유전정보가 플라스미드를 통해 다른 세포로도 전달될 수 있다. 항생제 저항 능력이 세균사이에 빠르게 확산된 것도 플라스미드의 교환에 의한 것으로 생각되는데, 심지어는 다른 종류의 균사이에서도 플라스미드 교환이 가능하다. 진핵생물인 경우에는 유전물질들이 핵막에 의해 세포질로부터 분리되어 있고, 플라스미드는 가지지 않는 것으로 보인다. 

플라스미드를 이용해서 외부의 유전자를 전달, 발현시키기 위해서는 벡터를 조심스럽게 디자인해야한다. 우선, 만들고 싶은 단백질을 암호화하는 cDNA뿐만 아니라, 유전자 발현을 도와줄 수 있는 촉진자(promoter)+강화자(enhancer) 서열을 포함하며, intron과 변역 촉진 영역, 3' 말단에 필요한 polyA 꼬리를 달아주기도 한다. 또한 배양과 선택, 정제를 위해서 복제시작점 (ORI: Origin of replication), 항생제 내성 유전자, 표시자 (marker)등이 필요할때도 있다. 이렇게 필요한 DNA 구조를 만들고 나면 pBR322같은 상용화된 플라스미드에 삽입하면 벡터가 만들어진다. 만들어진 벡터는 세균속에 삽입되고, 감염된 세포는 항생제 내성을 이용해서 쉽게 정제해서 증폭시킬 수 있다. 증폭된 세포로부터 플라스미드를 다량 얻을 수 있다. 플라스미드는 순도가 중요한데, RNA나 다른 단백질, 혹은 잘라진 DNA 조각들로 오염되면 좋은 결과를 얻기가 어렵다. 현재 상용화되어 있는 DNA 정제 kit 만으로는 충분히 깨끗한 플라스미드를 얻을 수 없는 경우가 많아서 추가적인 추출이나 재결정이 요구되기도 한다. 통상적으로 플라스미드의 정제는 세균배양, 용균, 폴리에틸렌 글리콜을 이용한 침전, CsCl-ethidium bromide계에서의 고속원심분리, 음이온 교환 크로마토그라피 등이 이용된다.

 

일단 플라스미드가 만들어지면 전달체와 결합하여 감염에 사용된다. 유전자 발현 부분은 5' 말단에서 3'말단으로 옮겨가면서 자동복제/핵잔류서열, 조직선택적 촉진자, 촉진자-강화자, 인트론, 번역 강화자, cDNA (정작 만들고 싶은 단백질 서열), polyA 꼬리를 만드는 서열 순서로 만들어진다. 핵잔류서열은 정전기적인력이나 소수성을 이용하여 플라스미드가 염색체에 잘 들러붙도록 도와주는 역할을 한다. 각 염색체나 플라스미드는 복제가 시작되는 점인 ORI를 가지고 있어야 하는데, 이는 100-200 염기쌍으로 이루어지고 중합효소가 결합하는 자리가 된다. 복제는 양방향으로 이루어지는 대장균의 경우 분당 45,000개의 염기가 만들어진다. 대충 10개 정도의 염기가 DNA 상에서 한바퀴를 이루니까 분당 DNA 분자가 4,500번이나 풀리면서 돌아간다는 얘기다. 엄청 빠르네. 

촉진자는 50-500 염기쌍으로 이루어지고 mRNA cap 자리와 RNA 중합효소가 결합하는 자리를 제공한다. 촉진자는 전사의 개시속도를 증가시켜주는 역할을 담당한다.TATA 상자가 유명한 촉진자 서열중의 하나이며 mRNA cap 자리보다 25개 염기쌍 정도 위에 자리잡고 있다. 촉진자 서열은 종간에도 상당한 유사성을 가진다고 알려져 있다. 대충, 세포내로 들어간 DNA의 1% 정도만이 핵으로 들어가서 mRNA를 만든다고 한다. 만약 세포질에서 바로 mRNA를 만들 수 있으면 훨씬 발현 효율을 높일 수 있을 거다. 그런 목적으로 강한 전사활성을 가진 세균파지 T7의 RNA 중합효소를 벡터로 만들어 세포질 속으로 함께 넣어주기도 한다. 원하는 단백질이 제대로 만들어지는지 확인하기 위해서 다양한 보고자 (reporter) 유전자들이 사용되는데, 루시퍼라제, GFP (green fluorescent protein)등의 형광발생 단백질, 베타-갈락토시다제, 클로람페니콜 아세틸전달효소 등이 많이 사용된다. 

유전자의 전달 방법으로는 미세주사법, 유전자총등의 기계적 방법, 전기충격법, 초음파, 삼투충격, 얼렸다 녹이기등의 물리적방법, 문어발 양이온, 전해질고분자, 마이셀, 지질/리포좀 등과 화학적 결합을 이루도록 하는 방법, 그리고 바이러스나 세균의 감염력을 이용하는 생물학적 방법으로 나눌 수 있다. 드물게는 아무런 처리없이 홀딱 벗은 DNA를 근육주사해서 발현에 성공한 예도 있었다. 바이러스 벡터의 경우, 가장 흔한 예는 아데노 바이러스와 레트로 바이러스이다. 아데노 바이러스는 일반적인 감기를 유발하는 바이러스로서 숙주세포의 유전체로 삽입되지 않기 때문에 감염/발현 효과가 짧은 대신 비교적 안전하다. 반면 레트로 바이러스는 숙주세포의 유전체에 영구히 삽입될 수 있으므로 발현이 오래가기는 하지만 위험 가능성이 높다. 

생물과 무생물의 중간쯤이라고 불리는 바이러스는 우선 무지 작다. 숙주 생물이 없으면 거의 활동을 하지않고 있다가, 숙주 속에 들어갔을 때만 생명현상을 발휘한다.  어찌나 작은지 심지어는 박테리아속에 들어가서 사는 놈들도 있는데, 이런 놈들은 박테리오파지라고 부른다. 

박테리오파지 사이트: http://www.phage.org/

바이러스는 다른 생물들처럼 DNA나 RNA를 유전물질로 이용하고 유전정보 복제를통해 증식하므로 생물처럼 보인다. 그러나, 생명활동을 유지하는 데 필요한 효소 등을 거의 가지고 있지 않아서 그 자체로는 전혀 생물처럼 보이지 않는다. 가지고 있는 도구라면, 숙주 세포에 뚫고 들어가는 데 필요한 드릴, 절단기, 뭐 이런 거 하고, 일단 숙주 생물속으로 들어간 뒤 숙주의 기구들을 가동시키는 마스터 키 정도이다. 보통은 단백질 외투를 입고 있는데, 숙주로 들어갈 때는 홀랑 벗고 알몸으로 들어갔다가 숙주로 하여금 유전물질도 더 만들게 하고, 외투도 만들게 해서 한 벌씩 입고는 숙주 세포를 째고 나온다. 숙주없이는 단백질 외투 속에서 정말 죽은 듯이 가만있어서, 무기물처럼 결정으로도 만들어진다. 

 


 

숙주의 도움없이는 독립적인 생물활동을 할 수 없다는 점에서 바이러스는 생물이라고 부르기에는 뭔가 부족하다. 기원에 있어서도 바이러스는 이미 존재하던 기존의 생물 유전정보 일부가 증식 능력을 획득해서 분리된 것이 아닌가 추측된다. 사람 몸에서 손가락이나 눈 하나가 증식 능력을 얻어서 독립한 걸로 상상해 보면 어떨까.

바이러스를 완벽한 생물체로 치지않는다면, 가장 단순한 생물은 얼마나 많은 유전자를 가지고 있어야 할까. 실제로 제놈 프로젝트를 통해 가장 적은 수의 유전자를 가진 생물의 유전정보를 분석하던지, 여러 생물에서 공통으로 발견되는 유전자를 필수적인 유전자로 가정해서 생물현상을 유지하기 위한 최소한의 유전자 집합을 찾으려는 노력이 진행되고 있다. 충분한 정보가 얻어진다면, 드디어 인공생명도 만들 수 있을까?   




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