2. DNA의 발견

DNA의 발견 


1869년 스위스의 젊은 화학자 프리드리히 미셔(Johann Miescher)는 세포핵에 있는 화학 물질에 관심이 많았다. 그는 고름의 백혈구에서 추출한 물질을 분석하여 “핵물질”이라고 이름지었다. 수년 후에 그는 인을 함유한 산(acid)을 그 물질로부터 분리하였고 그것을 “핵산”이라 명명하였다. 미셔는 유전자를 구성하는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 발견하였던 것이다. 그러나 그 후 75년이 지나도록 이 분자의 중요성은 알려지지 않았다. DNA의 발견과 그것이 유전 물질이라는 것을 알아내기까지 이렇게 긴 시간이 흐른 것은 아이러니한 일이다. 과학자들은 유전 정보가 큰 분자 속에 기록되어 있을 것이라고 생각했다. 그들은 마치 한 단어가 여러 글자들로 이루어져 있는 것처럼 작은 소단위의 연결체로 되어 있는 큰 분자들만이 유전 정보를 담을 수 있다고 생각하였던 것이다. 따라서 과학자들은 크고 복잡한 단백질 분자들이 이런 기능을 하는 데 적합하다고 여겼다. DNA는 너무 작고 단순하기 때문에 생명체를 이루는 방대한 유전 정보를 담기에는 적합하지 않다고 생각해 왔던 것이다. 

1928년 영국의 과학자 프레드 그리피스(Fred Griffith)는 현재 Streptococcus pneumoniae(폐렴쌍구균)으로 불리우는 bacterium pneumococcus에서의 형질 전환 (transformation) 실험을 통해 과학자들의 그릇된 생각을 바로잡았다. 이 실험에서 두 종류의 박테리아가 이용되었는데, 하나는 결핵을 일으키는 치명적인 박테리아 (smooth형; colony가 반질반질하고 전염성의 특성을 갖음)였고 다른 하나는 그것의 돌연변이형으로 병을 전혀 일으키지 않는 박테리아였다.(rough형; colony가 덜 반질반질하고 크기가 작음, 전염성이 없음)  그리피스는 무해한 변종 박테리아를 쥐에 주사하였고 EH한 치명적인 박체리아를 미리 열처리하여 죽인 후 다른 쥐에 주사하였다. 예상대로 두 경우 모두 쥐는 병에 걸리지 않았다. 그러나 무해한 변종의 박체리아를 열처리를 가해 죽인 박테리아와 함께 주사한 경우에는 대분분의 쥐가 이틀 이내에 죽었다. 처음에 과학자들은 죽은 박테리아가 살아난 것에 놀라 이 사실을 밎지 않았고 죽은 박테리아의 치명적 성질이 무해한 박테리아로 전달되었다는 “형질 전환 인자” 이로는을 의심하였다. 하지만 이 형질 전환 인자는 결국 유전 물질이었고, 이로 인해 죽은 박테리아로부터 살아 있는 박테리아로 치명적 성질이 전달되었던 것이다. 만약 이때 이 형질 전환 인자가 잘 연구되고 정립되었다면 과학자들은 유전자가 무엇으로 되어 있는가 하는 것을 알 수 있을 것이다. 

그 나머지 수수께끼는 1944년 뉴욕의 에이버리(Oswald Avery)와 그의 동료 과학자인 Colin MacLeod, Maclyn McCarty에 의해서 결국은 풀리게 되었다. 이들은 그리피스가 했던 실험과 유사한 형질 전환 실험을 하였고 전염성있는 박테리아 세포로부터 형질 전환하는 물질의 화학적 성질을 정의하고자 하였다. 즉 수년 동안에 걸쳐 박테리아를 갈아 추출물을 정제, 분리하고 화학 물질을 가하여 형질 전환을 일으키는 물질을 순수하게 분리하고 동정해 내고자 한 것이다. 먼저 추출물로부터 유기용매를 사용하여 단백질을 제거해 보니, 추출물은 아직 형질전환할 수 있었다. 다음 이들은 다양한 효소 사용하는 것을 시도하였다. 단백질을 파괴시키는 트립신(trypsin), 키모트립신(chymotrypsin)은 형질전환에 아무 영향을 끼치지 못한다는 것을 알게 되었다. RNA를 분해하는 ribonuclease 역시 마찬가지였다. 이 두 실험은 형질 전환 물질로써 단백질이나 RNA는 아니라고 결론이 나왔다. 반면 Avery와 그의 동료들은 DNA를 분해하는 DNase(deoxyribonuclease) 효소가 치명적 성질의 박테리아 세포 추출물의 형질 전환하는 능력을 파괴시킨다는 것을 알게 되었다. 즉 그들이 마지막에 발견한 것은 결구 DNA였고 유전 정보를 전달하는 것은 DNA가 틀립없다고 결론짓게 된 것이다. 순수 정제된 형질 전환 물질이 DNA라는 가설을 뒷받침해 주는 데는 직접적인 물리적, 화학적 분석이 있었다. Avery와 그의 동료들이 사용한 분석 도구에는 4가지가 있다. 

먼저 1) 초원심 분리(ultra centrifugation)이다. 그들은 형질 전환하는 물질을 초원심분리기에 집어 넣어 물질의 크기를 측정하였다. 형질 전환하는 능력을 가진 물질은 빠른 속도로 초원심 분리기 튜브 바닥에 가라않았는데, 이는 DNA의 성질 중 하나인 매우 높은 분자량을 의미한다. 2) 전기영동(electrophoresis)이다. 그들은 형질 전환하는 물질을 전기장에 놓음으로써 얼마나 빨리 이동하는가를 관찰하였다. 형질 전환 물질은 상대적으로 빠른 운동성을 보였는데 이 역시 DNA의 성질을 설명해 준다. 그 이유는 DNA는 질량에 비해 charge가 큰 편이기 때문이다. 전기영동에서의 이동하는 속도는 (-)charge를 많이 띄면 띌수록, 분자 크기가 작을수록 빨리 이동한다. 3) 자외선 흡수 분광기(ultraviolet absorption spectrophotometry)이다. 그들은 분광기 안에 형질 전환하는 물질이 들어 있는 용약을 놓고 어떤 종류의 자외선을 강하게 흡수하는지를 관찰하고자 하였다. 확인해 본 결과 형질 전환하는 물질의 흡광 스펙트럼은 DNA와 일치하였다. 즉 그 물질들이 가장 강하게 흡수한 빛의 파장은 260nm였고, DNA의 흡광도를 가장 많이 나타내는 파장 역시 260nm인 것이다. 반면 단백질의 흡광도가 가장 높게 나타나는 위치는 280nm이다. 4) 기초 화학 분석 (elementary chemical analysis)이다. 분석 결과 형질 전환하는 물질들의 N/P ratio(질소와 인의 비)는 상대적으로 P의 양이 많아 비는 작은 것이 확인되었는데, 이 역시 DNA의 성질과 같다고 할 수 있다. 반면 단백질은 N/P ratio가 높다. 즉 질소의 함량이 높고, 인이 거의 없다고 할 수 있는데 이는 인을 가지고 있는 아미노산이 거의 없기 때문이라고 해석할 수 있다. 

단백질의 발견