[강신종 쌤의 ‘재미있는 과학이야기’(13)] DNA

DNA는 A, T, G, C로 이뤄진 이중나선 구조에요
박테리아들은 생존하기 위해 외부 DNA 받아들이죠

DNA 이중나선 구조

박테리아들은 오래전부터 생존 확률을 높이기 위해 어떤 전략을 선택했다. 그것은 외 부에서 다른 DNA(디옥시리보핵산)를 받아들여 유전적 성질을 변화시키는 형질전환 (transformation) 전략이었다. 이를 처음 발견한 사람은 영국의 과학자 프레드 그리피스다. 그는 1928년 폐렴쌍구균(Pneumococcus)을 이용한 실험으로 형질전환을 발견했다.

형질전환은 왜 일어나지?

폐렴쌍구균은 폐렴을 일으키는 유독한 균주인 S형과 폐렴을 초래하지 않는 무독한 균주인 R형이 있다. 그는 실험을 통해 열을 가해 죽은 S형 폐렴쌍구균을 생쥐에 주입하면 쥐가 폐렴에 감염되지 않으나, 살아 있는 R형과 열을 가해 죽인 S형 폐렴쌍구균을 섞어서 주입하면 쥐가 폐렴에 감염된다는 것을 발견했다. 그리피스는 살아 있는 폐렴쌍구균 R형이 S형으로 형질전환이 일어나 폐렴에 감염됐다는 결론을 얻었다.

1944년 분자생물학과 면역학의 선구자인 오즈월드 에이버리는 DNA가 유전 정보의 매개체로 작용하는지를 실험했다. 동료들과 함께 진행한 실험에서 그는 형질전환을 일으키는 물질은 DNA이며 DNA가 유전 물질임을 발견했다. 앨프리드 허시와 그의 제자인 마사 체이스는 DNA와 단백질로 이뤄진 가장 단순한 생명체인 박테리오파지(bacteriophage)를 이용한 실험을 통해 DNA가 유전 물질임을 밝혀내기도 했다.

DNA의 화학적 구조에 대한 고민도 해결됐다. 이런 노력은 동물, 식물, 미생물 할 것 없이 모든 생물체에 적용되는 ‘샤가프의 규칙’에서 출발했다. 에드윈 샤가프는 DNA의 염기를 정량적으로 분석해 아데닌(A)과 티민(T), 구아닌(G)과 사이토신(C)이 항상 1 대 1의 비율로 들어 있다는 사실을 발견했고, 이를 샤가프의 규칙이라고 명명했다.

제임스 왓슨(오른쪽)과 프랜시스 크릭

DNA 구조를 밝혀내다

제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 샤가프의 규칙과 DNA의 X선 회절 사진을 근거로 DNA가 이중나선 구조로 돼 있다고 유추했다. 얼마 후 이들은 ‘핵산의 분자 구조 및 생체 내 기능에 관한 연구’를 발표했다. DNA의 화학적 구조를 풀어낸 획기적인 발견이었다. 이들은 1962년 노벨 생리의학상을 받았다.

1869년에 스위스의 생물학자 요하네스 프리드리히 미셰르는 환자들의 고름(pus)에서 특정한 성분을 발견했다. 이 물질은 산성(酸性)을 나타내며, 인(燐)을 함유하는 유기화합물임을 알아냈다. 그는 여기에 ‘뉴클레인(nuclein)’이라는 이름을 붙였다. 1899년 리하르트 알트만은 뉴클레인이 핵 속에 들어 있는 산성 물질을 뜻한다는 의미를 붙여서 핵산(nucleic acid)이라고 불렀다.

새의 배설물이 굳어서 되는 암석인 ‘구아노’에서 염기 구아닌(Guanine)이 발견된 이후 1882년 독일의 알브레히트 코셀은 염기가 핵산의 한 성분으로 포함됐다는 것을 알아냈고, 1883년에는 미셰르가 명명한 ‘뉴클레인(nuclein)’에서 아데닌(Adenine)을 분리하는 등 DNA를 구성하는 염기의 발견에 많은 업적을 세웠다. 이후 새로 발견된 염기와 함께 A, T, C, G로 표기하기 시작했다. 지금도 우리는 그의 표기법을 쓴다.

아데닌(A)은 티민(T)과 두 개의 수소결합을 형성하고, 구아닌(G)과 사이토신(C)과 세 개의 수소결합을 형성한다. 염기는 각각 상대방의 물질과 특이적으로 결합하는 상보적 결합을 한다.

DNA의 구성물질은?

1893년 코셀이 핵산 속에 당이 존재한다는 것을 발견한 이후 1909년에 피버스 레빈과 월터 제이컵스는 효모(Yeast)의 핵산을 가수분해해 당을 결정(Crystals) 형태로 분리, 5개의 탄소를 가진 리보오스(Ribose)를 발견했다. 리보오스는 RNA를 구성하는 당(糖)이다. 그들은 1929년 핵산에서 리보오스와 다른 디옥시리보오스(deoxyribose) 결정체를 추출하는 데 성공했다. 디옥시리보오스는 DNA를 구성하는 당(糖)이다. 위와 같은 과정으로 DNA의 기본 구성단위인 뉴클레오타이드는 인산, 당, 염기 등 세 가지 물질로 구성돼 있다는 사실을 알게 됐다.

◆통합과학 성취기준

이 글은 고등학교 1학년 학생들 이 배우는 통합과학 중심으로 구 성됐으며 이번 호는 “생명체를 구 성하는 물질들은 기본적인 단위 체의 다양한 조합을 통해 형성됨 을 단백질과 핵산의 예를 통해 설 명한다”라는 성취 기준 중에서 핵 산을 중심으로 하고 있습니다.

강신종 < 용화여고 교사 >