대장균 형질 전환

대장균에 앰피실린 저항 유전자와 해파리의 형광 단백질 유전자를 실은 플라스미드를 섞고, 얼음과 42 °C 물중탕을 오가는 열 충격을 주었다. 이 대장균을 앰피실린이 든 배지에 뿌렸더니 하룻밤 뒤 군체가 120개 자랐고, 아라비노스까지 든 배지의 군체는 자외선 아래에서 초록빛으로 빛났다. 플라스미드를 넣지 않은 대장균은 앰피실린 배지에서 하나도 자라지 않았다. 120개는 많은 것일까? 넣은 플라스미드 가운데 얼마나 세포 속으로 들어갔을까?

5.6.1살아남은 세포만 센다

형질 전환은 세포가 바깥의 DNA를 받아들여 새로운 형질을 얻는 것이다. 대장균은 보통 DNA를 잘 받아들이지 않지만, 염화 칼슘으로 처리해 막을 느슨하게 하고 짧은 열 충격을 주면 일부 세포가 플라스미드를 받아들인다. 그런데 받아들인 세포는 겉으로 구별되지 않으므로, 플라스미드에 앰피실린 저항 유전자를 함께 실어 둔다. 앰피실린 배지에서는 플라스미드를 받은 세포만 살아남아 군체를 이루므로, 군체 하나가 형질 전환된 세포 하나에서 시작된 것이다.

형광 단백질 유전자는 아라비노스가 있을 때만 켜지도록 조절 장치와 함께 실려 있다. 그래서 같은 형질 전환 세포라도 아라비노스가 없는 배지에서는 빛나지 않고, 있는 배지에서만 빛난다. 이것은 세균이 필요한 때만 유전자를 켜는 조절의 원리를 보여 준다. 대조 배지가 없으면 군체가 자라지 않은 까닭이 형질 전환의 실패인지, 세포가 죽었기 때문인지 가릴 수 없다.¹

5.6.2무균 조작과 안전

배지는 영양이 풍부해 공기 중의 세균이나 곰팡이도 잘 자라므로, 불꽃 근처에서 멸균한 도구로 다룬다. 실험에 쓰는 대장균은 사람에게 병을 일으키지 않는 실험실 균주이지만, 다 쓴 배지와 도구는 멸균한 뒤 버린다. 열 충격은 정확히 50초 안팎으로 하고 곧바로 얼음에 옮기는데, 너무 길면 세포가 죽고 짧으면 플라스미드가 덜 들어간다. 군체를 셀 때는 서로 붙은 군체를 둘로 셀지 정해 두고, 너무 많아 셀 수 없으면 묽혀 뿌린다.

5.6.3예제 풀이

뿌린 부피 속 플라스미드는 \(0.080 \times 0.10/0.51 \approx 0.0157\) μg이므로 효율은 \(120/0.0157 \approx 7.7 \times 10^3\) 군체/μg이다.

0.0157 μg은 \(1.57 \times 10^{-8}\) g이므로 플라스미드 분자는 \(1.57 \times 10^{-8}/(4.4 \times 10^{-18}) \approx 3.6 \times 10^9\)개이다. 군체가 120개이므로 약 3000만 분자에 하나꼴로 세포에 들어가 군체를 만들었다. 형질 전환은 아주 드문 사건이지만, 항생제 선택 덕분에 그 드문 세포만 골라 키울 수 있다. 즉 형질 전환은 저항 유전자로 성공한 세포를 골라내고, 군체 수를 DNA의 양으로 나눈 효율로 그 성공률을 비교한다.

아래 탐구 카드에서 대장균에 플라스미드를 넣는 형질 전환을 하고, 대조 배지와 함께 결과를 해석해 효율을 구해 보자.

1. 형질 전환은 1928년 영국의 그리피스가 폐렴균에서 처음 관찰했다. 죽은 독성 균의 무언가가 살아 있는 무독성 균을 독성으로 바꾸었는데, 1944년 에이버리가 그 물질이 DNA임을 밝혀 DNA가 유전 물질이라는 첫 증거가 되었다.