나뭇잎 교과서

효소의 이용

효소는 세포 속에서만 일하지 않습니다. 빨래를 하고, 고기를 연하게 하고, 혈당을 재고, 감염병을 진단하는 데에도 효소가 쓰입니다. 효소의 어떤 특성이 각 쓰임에 알맞은지 짝지어 보고, 직접 사례를 조사해 발표할 때 무엇을 확인해야 하는지 알아봅니다.

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효소의 이용

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사람의 효소는 40 °C만 넘어도 일을 잘 못하고, 60 °C쯤이면 대부분 변성된다. 그런데 미국 옐로스톤 국립 공원의 70 °C가 넘는 온천에서 사는 세균이 발견되었다. 이 세균의 효소는 90 °C에서도 멀쩡하다. 이 효소는 DNA를 하루 만에 수십억 배로 늘리는 기술을 가능하게 했다. 효소의 어떤 성질을 어떻게 이용한 것일까?

그림 1. 사람 효소(주황)와 고온성 세균 효소(파랑)의 온도에 따른 활성(모식). 고온성 효소는 최적 온도가 높고, 사람 효소가 변성되는 온도에서도 구조를 유지한다.
먼저 알아야 할 것효소의 특성과 최적 온도(효소의 종류와 특성), 단백질의 변성, DNA의 이중 나선과 수소 결합(핵산과 단백질).

2.5.1효소를 이용하는 까닭

효소는 상온과 상압에서도 반응을 빠르게 하고, 원하는 기질에만 작용하여 부산물이 적다. 그래서 높은 온도와 압력이 필요한 화학 공정 대신 효소를 쓰면 에너지를 아끼고 환경 오염을 줄일 수 있다. 세탁 세제에 넣은 단백질 분해 효소와 지방 분해 효소는 찬물에서도 얼룩을 분해하고, 식품 공장은 아밀레이스로 녹말에서 물엿을 만든다. 병원에서는 포도당 산화 효소로 혈당을 잰다. 손가락 끝의 피 한 방울을 묻히는 혈당 측정 막대에는 이 효소가 발라져 있어, 포도당이 산화될 때 흐르는 작은 전류로 농도를 읽는다.

정리 2.5.1 효소를 이용할 때 고려할 점

효소를 산업에 쓰려면 원하는 반응에 대한 기질 특이성, 공정 조건(온도, pH)에서의 안정성, 대량으로 얻는 방법을 함께 따져야 한다. 극한 환경의 생물은 그런 조건에서 일하는 효소의 좋은 공급원이다.

2.5.2중합 효소 연쇄 반응

DNA를 늘리려면 이중 나선을 95 °C쯤으로 데워 두 가닥으로 떼고, 55 °C쯤으로 식혀 짧은 시작 가닥(프라이머)을 붙인 뒤, 72 °C에서 DNA 중합 효소가 새 가닥을 잇게 한다. 이 세 단계를 한 번 하면 DNA가 두 배가 된다. 그런데 사람이나 대장균의 DNA 중합 효소는 95 °C에서 변성되어 매번 새로 넣어야 했다. 온천 세균에서 얻은 Taq 중합 효소는 95 °C를 견디므로 처음에 한 번만 넣으면 수십 번을 되풀이할 수 있다.1

그림 1에서 온도를 70 °C에 두면 사람 효소는 활성이 거의 없지만 고온성 효소는 가장 잘 일한다. 고온성 효소는 아미노산 사이의 결합이 더 많고 단단하게 접혀 있어 열에 쉽게 풀리지 않는다.

95 °C두 가닥 분리 55 °C프라이머 결합 72 °C새 가닥 합성 한 주기마다 DNA가 2배
그림 2. 온도를 세 단계로 바꾸는 주기를 되풀이하면 DNA가 지수적으로 늘어난다.

2.5.3예제 풀이

예제 2.5.2

DNA 분자 10개에서 시작하여 중합 효소 연쇄 반응을 30주기 하면 DNA는 대략 몇 개가 되는가? 한 주기에 3분이 걸린다면 몇 시간이 걸리는가? 사람의 효소를 썼다면 효소를 몇 번 넣어야 하는가?

한 주기마다 2배가 되므로 \(10 \times 2^{30} \approx 10 \times 1.07 \times 10^9 \approx 1.1 \times 10^{10}\)개, 곧 약 100억 개이다. 걸리는 시간은 \(30 \times 3 = 90\)분, 1시간 30분이다.

사람의 효소를 쓰면 95 °C 단계마다 효소가 변성되므로 30주기 동안 30번 새로 넣어야 한다. 시간도 오래 걸리고 시험관을 매번 열어야 해 다른 DNA가 섞일 위험도 크다. 그래서 고온성 효소 하나가 유전자 검사, 감염병 진단, 범죄 수사의 DNA 감식을 빠르고 값싸게 만들었다.

아래 탐구 카드에서 효소가 실험실 밖 어디에서 일하고 있는지 더 찾아보자.

  1. 중합 효소 연쇄 반응(PCR)은 1983년 멀리스가 고안하여 1993년 노벨 화학상을 받았다. Taq는 이 효소를 가진 세균 Thermus aquaticus의 이름에서 따왔다.
마무리

효소는 온화한 조건에서 특정 반응만 빠르게 일으켜 세제, 식품, 의료, 연구에 널리 쓰이며, 쓸 때는 기질 특이성과 공정 조건에서의 안정성을 따진다. 그래서 처음 질문의 온천 세균 효소는 DNA 가닥을 떼는 95 °C에서도 변성되지 않아, 한 번 넣고 주기를 수십 번 되풀이하는 중합 효소 연쇄 반응을 가능하게 했다.

읽기 1

효소는 실험실 밖 어디에서 일하고 있을까?

읽기 · 효소 이용 사례와 조사 방법

식혜를 만들 때는 밥에 엿기름물을 부어 따뜻하게 둔다. 몇 시간 뒤 밥알이 떠오르고 단맛이 나는 것은 엿기름 속 아밀레이스가 녹말을 엿당으로 분해했기 때문이다. 이렇게 사람들은 효소라는 말을 알기 훨씬 전부터 효소를 써 왔다.

1효소가 쓰이는 곳

분야효소하는 일
가정프로테이스, 리페이스, 아밀레이스세탁 세제에 넣어 단백질·기름·녹말 얼룩을 분해. 낮은 온도에서도 잘 빨림
파파인(파파야), 브로멜레인(파인애플), 액티니딘(키위)고기의 단백질을 부분 분해해 연하게 함(연육제)
아밀레이스, 프로테이스, 리페이스소화제 성분
식품엿기름의 아밀레이스식혜, 조청, 맥주를 만들 때 녹말을 당으로 분해
키모신 (레닛)우유 단백질(카세인)을 응고시켜 치즈를 만듦
락테이스젖당을 포도당과 갈락토스로 분해한 우유(젖당 불내증인 사람용)
포도당 이성질화 효소포도당을 더 단 과당으로 바꿔 액상 과당을 만듦
의료·검사포도당 산화 효소혈당 측정지에서 포도당만 골라 반응해 전류나 색 변화를 만듦
조직 플라스미노젠 활성제(t-PA)혈전을 녹이는 약으로 뇌졸중·심근 경색 초기 치료에 사용
Taq DNA 중합 효소PCR로 DNA를 증폭해 감염병 진단, 유전자 검사
산업·환경셀룰레이스식물 섬유를 당으로 분해해 바이오 에탄올 생산, 청바지 탈색 가공
PET 분해 효소2016년 페트병 조각을 먹고 사는 세균에서 발견. 플라스틱 재활용 연구에 쓰임

2왜 굳이 효소를 쓰나

화학 촉매로도 같은 반응을 할 수 있는 경우가 많지만, 효소는 상온과 상압에서 작동해 에너지가 적게 들고, 기질 특이성이 높아 원치 않는 부산물이 적다. 대신 온도와 pH에 민감하고 값이 비싸다는 단점이 있다. 그래서 효소를 작은 알갱이나 막에 붙여 두고 기질 용액을 흘려보내는 고정화 효소를 쓰는데, 효소를 생성물에서 쉽게 떼어 내 여러 번 재사용할 수 있고 연속 공정으로 만들 수 있다. 또 필요한 성질을 가진 효소를 극한 환경의 미생물에서 찾거나, 유전자를 바꾸어 더 튼튼한 효소를 만들기도 한다.

3사례를 조사해 발표할 때

사례를 조사할 때는 효소 이름만 적지 말고 기질, 생성물, 작용 조건(온도와 pH)을 함께 찾아 표로 정리하고, 그 효소가 어디에서 왔는지(식물, 동물, 미생물, 유전자 재조합)와 왜 그 효소를 골랐는지를 설명한다. 자료는 제품 광고보다 교과서, 학술 자료, 공공 기관 자료를 우선하고 출처를 적는다. 그래서 “효소 음료를 마시면 소화가 잘된다”처럼 효소가 위산과 소화 효소에 분해된다는 사실을 무시한 주장은 근거를 따져 본다.

가능하면 간단한 실험으로 확인한다. 예를 들어 생파인애플과 통조림 파인애플을 각각 젤라틴 용액에 넣어 굳는지 비교해 볼 수 있다.

판단‘효소 식품을 먹으면 몸속 효소가 늘어난다’는 주장은 근거가 약하다. 먹은 효소도 단백질이라 위에서 변성되고 소화 효소에 분해되어 아미노산으로 흡수되기 때문이다. 몸의 효소는 먹은 효소가 아니라 세포가 유전 정보에 따라 새로 만든다. 반면 락테이스 알약처럼 음식과 함께 먹어 장에서 바로 작용하게 만든 제품은 효과가 확인되어 있다.

확인조건이 달라지면

젤라틴(단백질)으로 과일 젤리를 만들 때, 생파인애플을 넣으면 굳지 않지만 통조림 파인애플을 넣으면 잘 굳는다. 그 까닭은?

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