분자생물학

분자생물학이란

 

분자생물학은 분자 수준에서의 생명 현상을 이해하고 그것이 우리가 눈으로 보는 생명 현상과 어떻게 연결되는가를 규명하는 학문입니다.

 

1953년 제임스 왓슨과 크릭이 DNA의 이중 나선을 발견한 시점에서 분자생물학이 탄생했다고 볼 수 있으며, 이후 분자생물학은 생화학과 유전학의 영역을 흡수해가며 급격하게 성장해왔습니다. 현재 생물학은 기본적으로 분자생물학을 배경으로 하고 있습니다. 세포 내 또는 세포 간에 이루어지는 여러 가지 형태의 상호 작용들을 해석하는 과정을 기본으로 합니다.

현재는 인간유전체분석사업(human genome project)이 끝나고, 이 정보를 기반으로 해 다양한 접근 방법이 시도되고 있습니다.

 

다른 생물학 분야들과의 관계

분자생물학 연구자들은 분자생물학 특유의 기법을 사용합니다(뒤의 기술부분을 참고). 유전학, 생화학의 다양한 기법들과 아이디어들을 융합시켜 발전해나가고 있습니다. 이들 분야 사이에 정확한 구분을 짓는다는 것은 사실 불가능합니다. 위의 도표는 세 분야의 관계를 도식적으로 나타낸 것입니다. 아래 설명을 참고하며 살펴보기를 권합니다.

• 생화학은 살아있는 유기체에서 일어나는 생명 활동 과정과 그 속에 존재하는 화학물질에 대해 다룹니다. 특히 생화학자들은 생체분자의 구조, 기능, 역할에 중점을 두고 연구합니다. 예를 들자면 생체 내에서 활성을 띠는 분자들의 합성과정을 연구하는 것이 대표적입니다.

• 유전학은 개체간 유전학적인 차이를 다룹니다. 대개 이러한 차이는 돌연변이 연구를 통해서 밝혀집니다. 여기서 돌연변이란 정상적인 개체(야생형)와 비교하여 하나 이상의 기능적 요소가 결핍되거나 과잉 보유한 상태를 말합니다.
• 분자생물학은 유전체의 복사, 전사 및 번역 과정 전체에서 분자적 기반을 연구하는 학문입니다. 이 분야의 주된 연구는 센트럴도그마(central dogma)의 흐름에 따른다. DNA의 전사로 인해 RNA가 되고 이것의 번역과정을 통해 최종적으로 단백질이 만들어지는 과정을 일컫는 센트럴도그마이론은 최근 새롭게 밝혀지고 있는 RNA의 기능에 의해 조금씩 수정되고 있습니다.

대부분의 분자생물학 연구는 정량분석을 거칩니다. 최근 컴퓨터 공학의 도입으로 개척된 생체정보학등 컴퓨터를 이용한 자동화된 연구 환경이 편리하게 작업을 도와줍니다. 2000년대 게놈프로젝트에 의해 부각된 분자 유전학(유전자의 구조와 기능을 밝히는 분야)이 현재 가장 활발한 분자생물학의 하위 분야입니다.

 

점점 더 많은 생물학 분야들이 분자에 많은 관심을 기울이고 있습니다. 세포생물학 이나 발생학처럼 직접적으로 분자 자체를 연구하는 분야도 있고, 분자생물학의 연구 테크닉을 응용하여 간접적으로 분자를 다루는 진화생물학도 있습니다. 일례로 생물물리학에는 철저하게 분자생물학을 연구하는 것이 오랜 전통으로 남아있습니다.

 

분자생물학에서 사용되는 기법들

1950년대 후반에서부터 60년대에 이르러 마침내, 분자생물학자들은 세포 및 기관에서 분자수준의 구성물질 분리,정제 및 파악이 가능해졌습니다. 이러한 구성성분에는 유전암호로서 기능하는 DNA, DNA의 전사체인 RNA 그리고 단백질이 있습니다.

 

Expression cloning

단백질의 기능을 알아내는 가장 기본적인 기법 중의 하나가 Expression cloning 입니다. 과정을 설명하자면 다음과 같은 특징을 갖습니다. 먼저 목표 단백질의 아미노산 서열을 암호화하고 있는 DNA를 플라스미드에 복제한다(PCR을 이용하거나 제한 효소를 이용합니다.).이렇게 만들어진 재조합 플라스미드를 expression vector 라 합니다. 이 플라스미드는 목표 단백질의 생산을 유도하는데 쓰이는 특징적인 프로모터와 함께 삽입된 DNA가 플라스미드로부터 유실되지 않도록 도와주는 항생제 내성 유전자(antibiotic resistance markers)를 가질 수 있습니다. 이제 만들어진 플라스미드를 박테리아 또는 동물 세포에 도입합니다. 박테리아에 플라스미드를 도입시키는 데는

• 형질전환(transformation)-DNA를 직접적으로 넣는 방법,
• 접합(conjugation)-세포 세포간 접촉을 통해
• 형질주입(transduction)-바이러스를 운반체로 사용.

이 세가지 방법이 사용됩니다. 동물세포와 같은 진핵세포의 경우에는 특별히 트랜스펙션(transfection)이라 부른다. 인산화칼슘(calcium phosphate) 트랜스펙션, 전기천공법(electrotransfection), 미세주입법(microinjection) 그리고 리포솜 주입법(liposome injection)등이 대표적인 트랜스펙션 방법입니다. 또한 바이러스나 박테리아를 운반자로 사용하여 진핵세포에 DNA를 도입할 수도 있습니다. 후자의 경우 종종 박토펙션(bactofection)이라 불립니다. 박토펙션에는 주로 (Agrobacterium tumefaciens)라는 박테리아가 사용됩니다. 도입된 플라스미드는 숙주의 게놈에 안정적으로 삽입될 수도 있지만 게놈과는 독릭접으로 떨어져서 존재할 수도 있습니다. 이 경우를 transient transfection이라 한다. 둘 중 어느 쪽이든, 목표 단백질을 암호화한 DNA는 숙주 세포 내에 존재하므로 지금부터 단백질은 발현 가능합니다. 프로모터에 결합하여 유전자 발현을 도와주는 다양한 시스템과 특정 신호 전달 물질들이 모두 존재하므로 가능한 것입니다. 일단 여기까지 진행되면 이제부터 연구자들은 숙주로부터 대량의 단백질을 추출합니다. 연구자들은 추출한 단백질이 다양한 환경에서 활성을 나타내는지 알아보는 실험을 하며, 3차 구조의 연구를 위하여 결정을 만들기도 합니다. 제약 산업에서는 목표 단백질에 작용하도록 개발된 신약의 성능을 알아보기도 합니다.