13 생명공학 1

13.1 생명공학이란? 식품, 약품, 또는 다른 상품을 만들기 위해 생물체나 세포 또는 생물학적 분자들을 이용하거나 변형하는 것 빵, 맥주, 포도주 등을 만들기 위해 효모 세포를 사용 식물과 동물의 선택적 육종 멕시코의 한 건조한 동굴에서 발견된 8,000년- 10,000년 정도 된 외호박 조각은 일반 야생종보다 씨앗이 더 크며 껍질이 더 두껍다. 약 10,000년 전부터 개와 양, 염소, 돼지, 낙타 등 선택적으로 육종 선택적 육종은 재배 식물과 동물이 야생종들과 유전적으로 다르게 되는 원인임

13.1 생명공학이란? 유전 공학(genetic engineering): 유전 물질을 변형하기 위해 사용하는 직접적인 방법 방법: 생물체의 유전자가 제거, 첨가, 또는 변형되는 것 이용 질병에 대한 보다 나은 치료법을 개발하기 위해 호르몬이나 백신 등 가치 있는 생물 분자를 생산하기 위해 농업에서 식물과 동물을 개선하기 위해 주요기술: 재조합 DNA(recombinant DNA) 다른 생물체의 유전자나 유전자 일부를 포함한 개조된 유전자 효모, 바이러스, 박테리아에서 다량 생산, 다른 종에게 전이 가능 형질전환체(transgenic) = 유전자변형생물체(genetical modified organisms GMOs) : 다른 종에서 유래되었거나 변형된 DNA가 발현되는 식물과 동물 멕시코의 한 건조한 동굴에서 발견된 8,000년- 10,000년 정도 된 외호박 조각은 일반 야생종보다 씨앗이 더 크며 껍질이 더 두껍다. 약 10,000년 전부터 개와 양, 염소, 돼지, 낙타 등 선택적으로 육종 선택적 육종은 재배 식물과 동물이 야생종들과 유전적으로 다르게 되는 원인임

13.2 자연에서 DNA 재조합은 어떻게 일어나는가? 유성 생식은 DNA를 재조합한다 박테리아 염색체 DNA 조각 플라스미드 플라스미드가 세포질 내에서 복제된다 플라스미드에 의한 형질전환 DNA 절편에 의한 형질전환 DNA 조각이 염색체에 삽입된다 유성 생식은 DNA를 재조합한다 형질전환은 다른 박테리아 종으로부터 DNA를 조합한다 - 형질전환이란 박테리아가 플라스미드(plasmid)라는 작은 원형 DNA 분자를 얻을 때 일어난다

바이러스는 종간 DNA를 전이한다 그림 13-2 전형적 바이러스의 생활주기 바이러스 바이러스 DNA 세포질 핵 숙주 세포 바이러스가 숙주세포로 들어간다. 숙주세포 DNA 바이러스가 자신의 DNA를 숙주세포에 내놓는다. 일부 바이러스 DNA(적색)는 숙주세포의 DNA (청색)에 삽입된다. 바이러스가 감염성 있는 숙주세포에 붙는다. 바이러스 DNA 재조합 바이러스 바이러스 단백질 바이러스의 유전자는 바이러스 단백질과 바이러스 유전자 복제 단백질을 암호화한다. 일부 숙주세포의 DNA가 복제된 바이러스 DNA(적색/청색)에 붙는다. 숙주세포가 터지면서 새롭게 조립된 바이러스가 방출된다. 만 약 재조합 바이러스가 두 번째 세포를 감염시키면, 첫번째 세포 로부터 두번째 세포로의 유전자 전이가 일어난다. 새로운 바이러스가 조립된 다. 일부 숙주세포 DNA는 재조 합된 바이러스에 의해 운반된다. 5

13.3 생명공학은 법의학에서 어떻게 이용되는가? 중합효소연쇄반응은 DNA를 증폭시킨다 1986년 Cetus 회사의 Kary B. Mullis가 개발 PCR (polymerase chain reaction; 중합효소연쇄반응) 선택된 DNA 조각을 수십 억, 수천 억 배 복제하는데 사용 Mullis는 1993년 노벨 화학상을 공동 수상 DNA 중합효소는 DNA의 프라이머가 붙은 자리를 복제될 DNA 복제의 시작 장소로 인식 PCR은 인공적으로 만들어진 프라이머 DNA를 사용 특정 DNA 조각을 복사하기 위해 PCR은 DNA 조각의 각 끝에 상보적인 두 개의 DNA 프라이머가 필요 한 프라이머는 이중 나선 중 한 가닥에 상보적이고 다른 프라이머는 다른 가닥과 상보적

그림 13-3 PCR은 특정한 DNA 염기 서열을 복제한다. DNA 한 분자로부터 유전자나 DNA 조각의 복사본을 10억개 정도 만들 수 있다. 법의학, 클로닝, 형질전환체를 만드는 등 많은 목적으로 사용된다. 증폭될 DNA 조각 194F (90C) 122F (50C) 158F (70C) 새로운 DNA 가닥 primers DNA 중합효소 원래의 이중가닥 DNA 절편 PCR 반복 수 1 2 3 4 etc. 열처리로 DNA 가닥을 분리한다. 냉각으로 프라이머와 DNA 중합효소가 결합한다. 새로운 DNA 가닥이 합성된다. DNA 복사본 1 2 4 8 16 etc. 1회 PCR 단계 각 PCR 반복 단계는 DNA의 복사본의 수를 배가시킨다. 7

짧은 반복서열(short tandem repeats, STRs) : DNA의 짧은 반복 서열의 차이로 각 개인을 구별 범죄 현장에서 나온 용의자의 DNA를 비교하기 위해 PCR로 DNA를 증폭&분석, 사람 신원 확인

전기영동 젤 전기 영동은 DNA 조각을 분리한다

그림 13-6 겔 전기영동과 DNA 탐침의 표지로 DNA 조각을 분리하고 확인한다. 전류가 겔을 통과하게 보낸다(홈이 있는 부분이 음극이고 반대쪽 끝이 양극이다). 전원공급기 피펫 겔 홈 전류로 인해 DNA 조각이 겔을 통과해 이동한다. 작은 조각의 DNA가 더 멀리 양 극쪽으로 이동한다. DNA “밴드” (아직 보이지 않음) 겔을 특별한 나일론 종이 위에 놓는다. 전류가 겔로부터 DNA를 나일론 종이 위로 이동하게 한다. 겔 나일론 종이 DNA가 붙은 나일론 종이를 원래의 DNA 샘플의 특정한 DNA 조각과 상보적 으로 표지된 DNA 탐침(적색) 용액에 담근다. DNA 탐침 용액(적색) 나일론 종이 상보적인 DNA 조각이 탐침(적색 밴드) 에 의해 표지된다. 12

그림 13-7 DNA 탐침과 상보적 DNA 서열과의 염기쌍 표지 (색을 띈 분자) 탐침 STR #1: 탐침이 염기쌍을 형성하여 DNA와 결합한다. DNA 탐침이 특정 염기 서열을 표지하기 위해 사용 DNA 조각을 방사 물질이나 색을 띈 DNA 탐침으로 표지 STR #2: 탐침이 염기쌍을 형성할 수 없어 DNA와 결합하지 못한다. 14

STR 명 D16: 염색체 16 위의 STR 반복 횟수 Penta D CSF 13명의 DNA 샘플 D16 15 Penta D 14 13 12 반복 횟수 11 10 9 CSF 8 13명의 DNA 샘플 D16 이 사람의 D16은 12번 반복됨 이 사람의 D16은 11번 반복됨 D7 15

13.4 생명공학은 농업에서 어떻게 이용되는가? 많은 작물들이 유전적으로 변형된다

그림 13-12 Bt 식물은 해충의 곤충 공격에 저항한다. 17

그림 13-9 제한효소는 특정 뉴클레오티드 염기서열의 DNA을 자른다. EcoRI 제한효소 특정 제한효소(EcoRI)가 GAATTC 염기서열에 결합하고 DNA를 절단하여 “접착 말단”을 지닌 DNA 조각을 형성한다. “접착 말단”의 단일가닥 이중 가닥 DNA 18

그림 13-10 DNA 클로닝을 위해 유전자를 플라스미드에 삽입 유전자 재조합 클로닝 할 유전자(청색)를 포함한 DNA 조각 플라스미드 플라스미드와 원하는 유전자를 포함한 DNA 조각을 같은 제한효소로 절단한다. 재조합 플라스미드 동일한 상보적 접착 말단을 가지고 있는 플라스미드와 유전자를 포함하고 있는 DNA 조각을 함께 섞는다. DNA 연결효소가 유전자를 플라스미드 내에 결합시킨다. 20

플라스미드 - 형질전환 박테리아가 Bt 유전자를 식물에 삽입한다

유전자변형 동물은 농업과 의약에 유용될 수 있다

그림 13-1 23

그림 13-12 Bt 식물은 해충의 곤충 공격에 저항한다. 24

Molecular Farming (Bio-Pharming)

13.5 생명공학이 어떻게 사람 유전체를 이해하는데 이용되는가? 인간 유전체 프로젝트”: 1990년에 시작 2003년에 99.99%의 정확도로 사람 유전체의 염기 서열을 결정 인간 유전체는 20,000~25,000개의 유전자, 전체 DNA의 약 2% 해당 나머지 98%의 DNA는 프로모터와 그 외의 부분 첫째, 기능이 알려지지 않는 많은 유전자들이 발견되었다. 생물학자들은 유전암호해독을 통해 이들 유전자가 암호화하고 있는 단백질의 아미노산 서열을 예측할 수 있음 둘째, 사람 유전자의 염기서열을 아는 것은 의학적 치료에 많은 영향을 줄 수 있다. 1990년까지 밝혀진 사람의 질병 관련 유전자는 100개 미만이었다. 2006년, 이 수는 1,800이상으로 증가했다. 셋째, “인간 유전체”는 동일하게 존재하지 않는다 지구상의 모든 사람의 DNA는 대부분 같다. 우리는 각자 자신만의 특유의 대립 유전자를 가지고 있다. 이 대립 유전자들이 여러 가지 의학적 질환- 겸상적혈구빈혈증, 낭포성 섬유증, 유방암, 알코올 중독, 정신분열증, 심장질환, 알츠하이머병 등을 유발함

13.6 생명공학은 의료 진단과 치료에 어떻게 이용되는가? DNA 기술을 유전병 진단에 이용할 수 있다

13.7 현대 생명공학의 주요한 윤리적 이슈는 무엇인가? 농업에서 유전자변형 생물체를 허락해야 하는가? GMOs의 식품은 먹기에 위험한가? GMOs는 환경에 해로운가? 인간의 유전체가 생명공학에 의해 바뀌게 되는가?

태아의 유전검사

그림 13-11 외래 DNA 삽입에 의한 수정란의 형질전환 위한 가늘고 날카로운 피펫 세포를 잡기 위한 부드럽 고 뭉뚝한 피펫 31