DNA 구조와 유전 물질의 규명

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20세기 중반까지 많은 과학자는 유전 물질이 단백질이라고 생각했다. 단백질은 20가지 아미노산으로 무한히 다양한 서열을 만들 수 있지만, DNA는 염기가 4가지뿐이라 너무 단순해 보였기 때문이다. 박테리오파지라는 바이러스는 단백질 껍질과 그 속의 DNA로만 되어 있다. 이 바이러스가 세균을 감염시킬 때 세균 속으로 들어가 새 바이러스를 만드는 것이 무엇인지 알면 유전 물질을 가릴 수 있다. 어떻게 확인했을까?

표지 (0 ³⁵S 단백질, 1 ³²P DNA)

그림 1. 허시와 체이스 실험. 감염 뒤 믹서로 흔들고 원심 분리하면, 단백질 표지(³⁵S)는 대부분 상층액의 빈 껍질에, DNA 표지(³²P)는 대부분 세균이 가라앉은 침전물에 있다.

먼저 알아야 할 것DNA와 뉴클레오타이드, 단백질의 구성 원소(세포와 물질대사), 원심 분리, 동위 원소.

1.5.1유전 물질을 찾는 실험들

1928년 그리피스는 열로 죽인 병원성 폐렴균과 살아 있는 비병원성 균을 섞어 쥐에게 주사하면 쥐가 죽고, 살아 있는 병원성 균이 나온다는 것을 발견했다. 죽은 균의 무언가가 산 균의 형질을 바꾼 것이다. 1944년 에이버리는 죽은 균의 추출물을 단백질 분해 효소로 처리해도 형질 전환이 일어나지만, DNA 분해 효소로 처리하면 일어나지 않음을 보였다. 그런데도 단백질 설을 믿는 과학자가 많았다.

정리 1.5.1 허시–체이스 실험의 논리

단백질에는 황(S)이 있고 인(P)이 거의 없으며, DNA에는 인이 있고 황이 없다. 그래서 ³⁵S로 단백질을, ³²P로 DNA를 따로 표지한 파지로 세균을 감염시키고, 세균 안으로 들어간 방사능을 보면 어느 쪽이 들어갔는지 알 수 있다.

1952년 허시와 체이스는 표지한 파지를 세균에 감염시킨 뒤 믹서로 흔들어 세균 표면에 붙은 파지 껍질을 떼어 내고 원심 분리했다. 그림 1에서 표지를 바꾸어 보자. ³⁵S는 대부분 상층액에, ³²P는 대부분 세균과 함께 침전물에 있었다. 그리고 세균에서 새로 나온 파지에서도 ³²P가 발견되었다. 즉 세균 속으로 들어가 새 파지를 만든 것은 DNA였다.¹

1.5.2이중 나선 구조

유전 물질이 DNA라는 것이 밝혀지자 그 구조가 큰 관심사가 되었다. 샤가프는 A와 T, G와 C의 양이 같다는 것을, 프랭클린은 X선 회절 사진으로 DNA가 일정한 간격의 나선이라는 것을 보였다. 왓슨과 크릭은 1953년 이 자료를 합쳐, 두 가닥이 반대 방향으로 꼬이고 염기가 A–T, G–C로 짝지은 이중 나선 모형을 제안했다. 이 구조는 한 가닥이 다른 가닥의 주형이 되어 복제될 수 있음을 곧바로 보여 주었다.

그림 2. 여러 실험이 차례로 유전 물질이 DNA임을 확인하고 그 구조를 밝혔다.

1.5.3예제 풀이

예제 1.5.2

³²P로 DNA를 표지한 파지 1개가 ³²P가 없는 배지의 세균을 감염시켜 새 파지 100개가 나왔다. DNA가 반보존적으로 복제된다면, 새 파지 가운데 ³²P를 가진 것은 최대 몇 개인가? ³⁵S로 단백질을 표지한 파지로 같은 실험을 하면 새 파지에서 ³⁵S가 발견되는가?

원래 파지의 DNA는 이중 가닥이고, 두 가닥 모두 ³²P를 가진다. 반보존적 복제에서는 원래 가닥이 각각 새 DNA 하나씩에 들어가므로, ³²P를 가진 새 파지는 최대 2개이고 나머지 98개는 ³²P가 없다.

³⁵S로 표지한 단백질 껍질은 세균 밖에 남으므로, 새 파지의 껍질은 모두 세균 속의 표지 없는 재료로 만들어진다. 따라서 새 파지에서는 ³⁵S가 발견되지 않는다. 즉 부모에서 자손으로 물질이 이어지는 것은 DNA뿐이며, 그것이 유전 물질의 조건이다.

아래 탐구 카드에서 바이러스가 세균 속으로 들여보내는 것을 확인하고, DNA가 유전 물질이고 이중 나선이라는 것이 밝혀진 과정을 따라가 보자.

믹서로 흔들어도 껍질이 모두 떨어지지는 않아, 침전물에도 ³⁵S가 20% 안팎 남았다. 그래서 허시와 체이스는 결과를 '대부분'으로 해석했고, 다른 실험과 함께 DNA 설이 받아들여졌다.

마무리

그리피스의 형질 전환, 에이버리의 효소 처리, 허시와 체이스의 방사성 표지 실험이 차례로 유전 물질이 DNA임을 보였고, 왓슨과 크릭은 이중 나선 구조를 밝혔다. 그래서 처음 질문의 답은 DNA이다. 황으로 표지한 단백질은 세균 밖에 남고, 인으로 표지한 DNA는 세균 속으로 들어가 새 바이러스에까지 전해졌다.

탐구 1

생물마다 DNA는 다른데, 왜 A와 T의 양은 늘 같을까?

핵산의 구조 · 염기 조성 실측값

G+C 비율 = 50 %

A ÷ T: —
G ÷ C: —
(A+T) ÷ (G+C): —
수소 결합/100 염기쌍: —

막대는 DNA 전체의 염기 비율(몰 %) 측정값으로, 자료에 따라 소수점 아래가 조금씩 다르다. 위의 사다리는 그 비율로 만든 16염기쌍짜리 예시 조각이며 실제 서열이 아니다.

질문1950년 무렵 샤가프는 여러 생물의 DNA를 분해해 네 염기의 양을 쟀다. 생물마다 비율은 제각각이었는데, 어떤 생물에서나 성립하는 규칙이 하나 있었다. 무엇일까?
복원DNA와 RNA는 뉴클레오타이드가 길게 이어진 핵산이다. 뉴클레오타이드는 인산, 5탄당, 염기로 이루어지고, 한 뉴클레오타이드의 당과 다음 뉴클레오타이드의 인산이 결합해 당–인산 뼈대를 만들며, 염기는 뼈대 옆으로 튀어나와 있다.
설명DNA는 두 가닥이 마주 보며 꼬인 이중 나선이다. 두 가닥의 염기는 A는 T와, G는 C와만 수소 결합으로 짝을 짓고(상보적 결합), A–T 사이에는 수소 결합이 2개, G–C 사이에는 3개이다. 그래서 이중 가닥 DNA 전체를 세면 A의 수와 T의 수, G의 수와 C의 수가 같을 수밖에 없다.
연결두 가닥은 방향도 반대이다(역평행). 한 가닥의 서열만 알면 다른 가닥의 서열이 정해지므로, DNA는 복제할 때 각 가닥을 틀로 새 가닥을 만든다. 반면 RNA는 당이 리보스이고 T 대신 U를 가지며 대개 한 가닥이라 이 규칙이 성립하지 않는다.
적용생물을 바꿔 가며 A ÷ T와 G ÷ C, 그리고 (A+T) ÷ (G+C)를 비교해 어느 값이 생물마다 달라지는지 보자. φX174 바이러스에서는 무엇이 다른지, ‘직접 만들기’에서 G+C 비율을 올리면 수소 결합 수가 어떻게 되는지도 확인해 보자.
판단A = T, G = C는 이중 가닥 DNA 전체에서 성립하는 관계이지, 네 염기가 25 %씩 같다는 뜻이 아니다. 또 측정값이 정확히 1.00이 아닌 것은 측정 오차 때문이다. 샤가프의 자료는 그 자체로 이중 나선을 증명하지는 않았지만, 1953년 왓슨과 크릭이 염기쌍 모형을 세울 때 중요한 근거가 되었다.

확인조건이 달라지면

어떤 세균의 이중 가닥 DNA에서 G가 전체 염기의 35 %였다. 이 DNA에서 A는 몇 %일까?

탐구 2

바이러스가 세균 속으로 들여보내는 것은 단백질일까, DNA일까?

허시와 체이스의 실험 · 유전 물질의 규명

믹서로 흔든 시간 = 4 분

상층액 (파지 껍질)의 방사능: —
침전물 (대장균)의 방사능: —
새로 생긴 파지에서: —

비율은 1952년 허시와 체이스의 결과를 바탕으로 한 대략값이다(흔들어 떼어 낸 ³⁵S 약 80 %, 같은 조건에서 ³²P 약 20~30 %). 흔드는 시간에 따른 변화는 경향을 보인 모식이다.

질문박테리오파지(T2)는 단백질 껍질 속에 DNA가 들어 있는 바이러스로, 대장균에 달라붙은 뒤 20여 분 만에 새 파지 100여 개를 만들어 낸다. 새 파지를 만드는 설계도로 세균 안에 들어가는 것은 단백질일까, DNA일까?
복원단백질에는 황(S)이 있고 인(P)은 거의 없으며, DNA에는 인이 있고 황은 없다. 그리고 방사성 동위 원소는 방사선을 내므로 적은 양도 추적할 수 있다.
설명허시와 체이스는 한 집단의 파지는 단백질을 ³⁵S로, 다른 집단은 DNA를 ³²P로 표지해 각각 대장균에 감염시켰다. 잠시 뒤 믹서로 흔들어 세균 표면에 붙은 파지 껍질을 떼어 내고 원심 분리하면, 무거운 대장균은 가라앉고(침전물) 가벼운 파지 껍질은 위에 남는다(상층액). 그 결과 ³⁵S는 대부분 상층액에서, ³²P는 대부분 침전물(세균 안)에서 검출되었고, 새로 생긴 파지에서는 ³²P만 일부 발견되었으므로, 세균 안으로 들어가 다음 세대로 전해진 것은 DNA였다.
연결이 실험은 그리피스의 형질 전환 실험(1928)과, 형질 전환 물질이 DNA임을 보인 에이버리의 실험(1944)에 이어 DNA가 유전 물질이라는 결론을 굳혔다. 그리고 이듬해 왓슨과 크릭은 샤가프의 규칙과 프랭클린의 X선 회절 사진을 바탕으로 이중 나선 모형을 발표했다(읽기).
적용두 표지를 바꿔 보며 방사능이 어디에 남는지 비교해 보자. 그리고 믹서로 흔들지 않으면 ³⁵S가 어디에서 검출될지, 그렇다면 이 실험에서 흔드는 단계가 왜 꼭 필요한지 생각해 보자.
판단결과는 100 % 대 0 %가 아니었다. 흔들어도 껍질이 다 떨어지지 않아 침전물에 ³⁵S가 약 20 % 남았고, ³²P도 일부 상층액에 있었다. 그래도 과학자들은 두 표지의 차이가 뚜렷하고 새 파지에 ³²P만 전해진다는 사실을 근거로 결론을 내렸다. 즉 한 번의 실험 결과는 늘 오차와 함께 해석해야 한다.

확인조건이 달라지면

만약 유전 물질이 단백질이었다면, ³⁵S 표지 실험의 결과는 어떻게 나왔어야 할까?

읽기 3

DNA가 유전 물질이고 이중 나선이라는 것은 어떻게 밝혀졌을까?

읽기 · 유전 물질 규명의 과학사

단백질은 20가지 아미노산이 길게 이어진 물질이고, DNA는 4가지 뉴클레오타이드(단위 분자)가 길게 이어진 물질이다. 그래서 20세기 초에는 재료가 20가지인 단백질이 4가지뿐인 DNA보다 복잡한 정보를 담기에 알맞아 보였지만, 이 생각은 약 25년에 걸친 실험들로 뒤집혔다.

연도 · 연구자	한 일	알아낸 것
1928 그리피스	병원성(S형) 폐렴균을 열로 죽여 비병원성(R형) 살아 있는 균과 섞어 쥐에 주사 → 쥐가 죽고, 살아 있는 S형 균이 나옴	죽은 균의 어떤 물질이 살아 있는 균의 형질을 바꿈(형질 전환)
1944 에이버리 등	S형 균 추출물을 단백질 분해 효소, RNA 분해 효소, DNA 분해 효소로 각각 처리 → DNA 분해 효소로 처리했을 때만 형질 전환이 일어나지 않음	형질 전환 물질은 DNA
1950 샤가프	여러 생물의 DNA 염기 조성 분석	A = T, G = C (종마다 A+T와 G+C의 비율은 다름)
1952 허시·체이스	³⁵S, ³²P로 파지를 표지해 대장균 감염	세균 안으로 들어가 다음 세대로 전해지는 것은 DNA
1952 프랭클린·윌킨스	DNA 섬유의 X선 회절 사진 (사진 51)	DNA는 일정한 간격의 나선이며, 인산–당 골격이 바깥쪽에 있음
1953 왓슨·크릭	위 자료를 종합해 분자 모형을 만듦	두 가닥이 반대 방향으로 꼬인 이중 나선, A–T와 G–C의 상보적 염기쌍 → 복제 방식을 곧바로 암시

발표 자료를 만들 때생각해 볼 점

발표 자료를 만들 때는 각 실험의 가설, 변인 통제, 결과, 결론을 한 장씩 정리하면 흐름이 잘 보이며, 에이버리 실험에서 세 가지 효소를 나눠 쓴 것이 대조 실험이다. 또 에이버리의 결과가 나온 뒤에도 많은 과학자가 단백질설을 버리지 않았는데, 추출한 DNA에 단백질이 섞였을 수 있다는 반론 때문이었고, 다른 방법을 쓴 허시와 체이스의 실험이 결론을 굳혔다.

그리고 프랭클린의 X선 사진은 본인의 동의 없이 왓슨과 크릭에게 보여졌고, 그는 1958년 세상을 떠나 1962년 노벨상(왓슨, 크릭, 윌킨스)을 함께 받지 못했다. 과학의 성과가 어떻게 인정되는지도 과학사의 한 부분이다.

판단왓슨과 크릭이 DNA를 발견했다는 말은 틀렸다. DNA는 1869년 미셔가 처음 분리했고, 두 사람은 여러 사람의 자료를 종합해 그 구조를 제안했기 때문이다. 이렇게 큰 발견은 대개 여러 연구가 쌓인 결과이다.

확인조건이 달라지면

에이버리의 실험에서 단백질 분해 효소로 처리한 추출물로도 형질 전환이 일어났다는 결과가 뜻하는 것은?