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[2022 봄호] 2-전기영동법

  • 신유빈
  • 2022-07-01 07:01:01

2022 SPRING 지식더하기 2

전기영동법

Electrophoresis

과학 실험에 관심이 있다면 한 번쯤 전기영동 실험을 해봤거나, 들어본 적이 있을 것입니다.
전기영동법Electrophoresis 이란 전기장을 이용하여 고분자를 모양, 크기, 질량 등에 따라 분리하는 방법이라고 할 수 있습니다.
부력은 유체와 관련된 다양한 힘과 운동 등 물리의 역학 관계의 많은 내용과 연관되어 있습니다.
부력의 원리와 유체의 연속 방정식까지 함께 알아볼까요?

겔 전기영동법의 원리

가장 먼저, 어떤 원리로 DNA나 단백질이 전기장 속에서 이동할 수 있는지 알아보겠습니다. DNA의 경우에는 인산기를 가지기 때문에 음전하를 띠므로, 인력에 의해 양극(+) 방향으로 끌려가게 됩니다. 단백질의 경우 여러 전하를 띨 수 있지만, 전기영동 시에는 SDSSodium Dodecyl Sulfate 라는 물질을 처리하여 단백질이 그 분자량에 비례하여 음전하를 띠도록 합니다. 이러한 이유로 DNA와 단백질이 음극에서 양극 방향으로 이동하게 되는 것입니다. 다음으로는 어떻게 전기영동법을 통해 물질이 분리되는지 살펴보겠습니다. 전기영동법에는 여러 종류가 있지만, 가장 널리 쓰이는 것은 바로 겔 전기영동법Gel Electrophoresis 입니다. 겔은 미세한 구멍이 많은 구조를 가지기 때문에, 분자가 구멍을 통과하며 이동 속도에 따라 분리됩니다. 전기장에서 전하를 가지는 물질이 겔을 통과하는 속도는 v= (v : 이동속도, q : 전하량, E : 전기장의 크기, f : 마찰 계수)로 나타낼 수 있습니다. 이때, 전기장의 크기(E)는 일정하므로 겔에서 분자의 이동 속도는 에 비례하게 됩니다. 즉, 전하가 크고 마찰력이 작을수록 빨리 이동하는 것이죠. 여기서 마찰계수인 f는 분자의 크기나 모양, 겔의 구멍 크기나 점도Viscosity 등의 영향을 받습니다.



전기영동 실험 시 겔에 빗 모양의 Comb 을 꽂아 Well 이라는 일련의 구멍을 만들고, 각 웰에 실험 하고자 하는 시료를 넣은 후 전기장을 걸어주는 방식을 사용하는데요. 이 경우 같은 겔을 사용하므로 시료 속 분자의 크기와 모양이 모두 같은 경우에는 분자량에 따라 분자들이 분리됩니다. 그리고 이는 앞선 공식에서 마찰 계수( f )에 해당하는 요인이 됩니다. 따라서, 가볍고 마찰 계수가 작은 분자는 상대적으로 빨리 이동하여 양극(+)에 가깝게 멀리 이동한 것을 관찰할 수 있고, 무거운 분자는 멀리 이동하지 못하여 음극(-)에 가깝게 위치하는 것을 관찰할 수 있습니다.

겔 전기영동법의 종류

겔 전기영동법은 사용되는 겔에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 아가로스 겔Agarose Gel폴리아크릴아마이드 겔Polyacrylamide Gel 이 그것인데, 폴리아크릴아마이드 겔을 사용하는 방법을 간단하게 PAGEPolyacrylamide Gel Electrophoresis 라고 줄여부르기도 합니다. 아가로스 겔은 폴리아크릴아마이드 겔에 비해 큰 구멍을 가져 큰 크기의 DNA를 분리하는 데 주로 사용되고, 폴리아크릴아마이드겔은 단백질이나 작은 크기의 DNA를 분리하는 데 주로 사용됩니다. 아가로스나 폴리아크릴아마이드의 농도에 따라 분리할 수 있는 분자 크기의 범위를 조절할 수도 있습니다.

입체 구조를 가지는 단백질의 경우, 그 모양 때문에 분자의 크기에 따라 분리하기가 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 사용하는 것이 바로 SDS PAGE인데요. 앞서 언급하였듯 SDS는 단백질이 본래 가지고 있는 전하를 제거하고 음전하를 띠도록 합니다. 또한 단백질의 입체 구조를 풀어 선형으로 만들고, 일정 개수의 아미노산에 일정한 SDS 분자가 결합함으로써 단백질의 전하량이 분자량에 대체로 비례하도록 만듭니다. 이 방법을 통해 다양한 전하와 모양을 가지는 단백질을 효과적으로 분리할 수 있게 되었습니다.


여기까지 전기영동법에 대해 알아보았는데요. 전기영동법은 생명과학, 또는 화학 관련 실험에 필수적인 실험 기술입니다. 이 글이 흥미로웠다면 함께 자주 수행되는 PCRPolymerase Chain Reaction 의 원리나 전기영동법의 다른 종류에 대해서도 조사해 보는 것은 어떨까요?


[1] 박창호, 「전기영동 (가용성 생성물의 회수 및 정제11)」, 『생물분리공정』, 2020.8.3.
https://www.cheric.org/files/education/cyberlecture/e200803/e200803-1401.pdf 
[2] 김동욱, 「전기영동」, 『미생물학백과』, 2020.10.30.
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5894293&cid=61232&categoryId=61232 
[3] Al-Tubuly A.A., 「SDS-PAGE and Western Blotting」, 『Diagnostic and Therapeutic Antibodies: Methods in Molecular Medicine, vol 40』, 2000.
  https://doi.org/10.1385/1-59259-076-4:391


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[2021 가을호] 4 - 생명과학과가 본 올림픽

  • 신유빈
  • 2021-12-24 07:03:27

2021 AUTUMN 공대생이 보는 세상 4

생명과학과가 본 올림픽
Dept. of Life Sciences





와~ 우리나라 여자 배구팀이 4강까지 진출했어!

4강 상대 팀은 브라질이라는데… 어? 브라질 선수 중 한 명이 도핑이 적발되어 출전하지 못했다고 하네.

이러한 도핑 테스트는 어떤 원리로 도핑 여부를 알아내는 걸까?

도핑 Doping이란 운동선수가 경기력을 높이기 위해 금지된 방법을 사용하는 행위를 의미해. 예전에는 약물 도핑이 대부분이었다면, 요즘은 기술이 발전하면서 다양한 형태의 도핑이 등장하고 있어. 그중 하나인 뇌 도핑은 뇌의 특정 부분에 전기 자극을 가해서 균형 감각이나 지구력 등을 일시적으로 향상하는 도핑 방법이야. 또, 신체 능력에 관여하는 유전자를 선수의 유전자에 삽입하는 ‘유전자 도핑’이나 적혈구를 많이 포함한 혈액을 수혈하여 잠시 산소 공급을 늘리는 ‘혈액 도핑’도 있어.

도핑 여부를 확인하는 가장 대표적인 방법은 무엇일까?

바로 기체 크로마토그래피 Gas Chromatography를 활용한 기체 크로마토그래피-질량분석법 GC/MS이야. 기체 크로마토그래피는 기체의 흡착성을 통해 물질을 분리하는 방법으로, 분석하고자 하는 시료를 기체화하여 주입하면 운반체 기체를 따라 칼럼 Column이라 불리는 부분으로 이동해. 이 칼럼 안에는 고정상이라는 물질이 들어 있는데, 시료가 이곳을 통과하면서 고정상과의 흡착성에 의해 다른 속도로 이동하며 분리되지. 그리고 GC/MS는 여기에 질량분석계를 연결하여 물질의 질량 스펙트럼을 얻는 기술이야.
기체 크로마토그래피-질량분석기(GC/MS)의 구성
GC/MS를 통한 도핑 테스트 과정을 간단히 설명하면, 선수들의 소변에 유기 용매를 넣어 섞은 뒤 원심분리기에 돌리면 소변과 유기 용매가 분리돼. 그럼 이 유기 용매를 휘발시켜 GC/MS를 통해 녹아 있는 금지 약물을 검출하는 거지. 이 외에 혈액의 적혈구나 헤모글로빈 수치를 검사하는 혈액 검사를 통해 혈액 도핑을 적발하기도 해.

한국에서의 반(反)도핑에 대해 더 알고 싶다면?
손정현 KIST 도핑콘트롤센터장 인터뷰

공정한 경기를 위해서는 도핑 테스트가 중요할 것 같아. 정당하게 실력을 키워 경기에서 멋진 모습을 보여주는 우리 선수들, 정말 대단하지 않니? 그럼 난 다른 경기 보러 가야겠다, 안녕~!
[1] 손정현 KIST 도핑콘트롤 센터장의 화상 인터뷰, 2021년 7월 30일.
[2] 2. 최성신, 「기체 크로마토그래피(GC)를 이용한 고무 첨가제와 추출물의 분리 분석 기법」, 『고무기술』 제21권 제2호 (2020), 68~77쪽.

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[2021 여름호] 1-세상의 근간, 기본 입자와 표준 모형

  • 신유빈
  • 2021-07-23 07:00:28

2021 SUMMER 기획특집 1

세상의 근간, 기본 입자와 표준 모형

Muon g-2, The Crisis of Standard Model


수많은 발전을 거듭한 물리학에서 가장 기본이 되는 이론은 무엇일까요?
다양한 답변이 나올 수 있겠지만, 우주의 모든 물질을 이루는 기본 입자들에 대한 이론인 ‘표준 모형’이 바로 그중 하나라고 생각되는데요.
물질을 이루는 입자를 넘어, 우주에 존재하는 모든 힘의 상호작용을 매개하는 입자들까지 설명해내기 위해 과학자들은 꾸준히 노력해왔습니다.
그러던 중, ‘뮤온 g-2’ 실험으로 인해 물리학의 근간을 이루는 표준 모형이 위기를 맞이했다고 하는데요.
공들여온 이론이 깨질 위험에 처했을 때, 이 실험을 진행한 과학자들은 오히려 환호했다고 합니다.
과연 표준 모형과 뮤온 g-2 실험은 무엇이고, 과학자들은 어째서 환호를 했을지, 지금부터 함께 알아봅시다!



표준 모형의 위기, 뮤온 g-2
4월 8일, 세계 최고이자 최대의 입자물리연구소 중 하나로 꼽히는 페르미 연구소에서
물리학계를 뒤흔든 뮤온 g-2 실험의 결과를 발표하였습니다.
이 결과로 인해 거의 완전하다고 인식되어 온 표준 모형에 새로운 가능성이 제시되면서, 사람들의 관심이 높아지고 있습니다.
여기서 표준 모형이란, 누구나 한 번쯤 의문을 가졌을 만한 ‘세상은 무엇으로 이루어져 있을까?’라는 질문에 대한
물리학자들의 답이라고 할 수 있습니다.
2013년에는 오랜 기간 물리학계의 과제였던 힉스 입자까지 발견되면서,
표준 모형은 인류가 현재까지 관측한 거의 모든 입자와 그들의 상호작용을 설명할 수 있을 정도까지 발전하였습니다.
그렇다면 세상을 이루는 기본 입자에는 어떤 것이 있으며, 이것을 통합하는 표준 모형은 정확히 무엇을 의미하는지 구체적으로 알아볼까요?


페르미온과 보손

우주를 이루는 기본 입자 Elementary Particle는 크게 물질을 구성하는 주된 입자인 페르미온 Fermion과 입자 간의 상호작용을 매개하는 입자인 보손 Boson으로 나눌 수 있습니다. 이러한 페르미온과 보손에는 어떤 입자들이 포함될까요? 아래 그림을 보며 함께 이해해 봅시다.


페르미온과 보손

먼저 페르미온은 6개의 쿼크Quark와 6개의 렙톤Lepton으로 구성됩니다. 그리고 6개의 쿼크와 6개의 렙톤은 또다시 3개의 세대로 구분되며, 1세대에서 3세대로 갈수록 질량이 커지는 특성을 보입니다. 1세대 쿼크는 Up 쿼크와 아래Down 쿼크, 2세대 쿼크는 맵시Charm 쿼크와 야릇한Strange 쿼크, 그리고 3세대 쿼크는 꼭대기Top 쿼크와 바닥Bottom 쿼크를 의미합니다. 렙톤의 경우에는 1세대 렙톤에 전자와 전자 중성미자, 2세대 렙톤에 뮤온과 뮤온 중성미자, 마지막으로 3세대 렙톤에 타우와 타우 중성미자를 포함합니다. 다음으로 보손은 입자 간의 상호작용을 전달하는 역할을 합니다. 이들은 크게 게이지 보손과 힉스 보손으로 나뉘며, 게이지 보손은 다시 강력을 전달하는 글루온과 전자기력을 전달하는 광자, 그리고 약력을 전달하는 W 보손과 Z 보손으로 구성됩니다.


다양한 기본 입자들의 특성을 더 자세히 알고 싶다면?

기본 입자 더 알아보기


페르미온과 보손은 여러 가지 차이점을 가지지만, 가장 큰 차이점은 바로 ‘스핀’이 다르다는 것입니다. 페르미온은 반정수($±1/2$, $±3/2$ 등)의 스핀을, 보손은 정수($0$, $±1$ 등)의 스핀을 가집니다. 스핀은 입자의 기본 성질 중 하나로, 각운동량의 단위를 가지는 물리량입니다. 각운동량은 회전운동하는 물체의 운동량을 의미하는데요. 회전하는 물체의 회전 반지름(r)에 질량($m$)과 선속도($v$)를 곱한 물리량, 즉 $L=mrv$라는 식에 의해 계산할 수 있습니다. 그러나 기본 입자의 스핀은 실제 회전에 의해 생기는 성질은 아닙니다. 복잡한 양자역학 이론에 의하면 실제로 자전 등의 운동을 하지는 않지만, 그와 동일한 물리적 특성을 가지는 것이라고 볼 수 있습니다. 여기까지 기본 입자를 나누는 가장 대표적인 분류, 페르미온과 보손, 그리고 그 둘을 구분하는 ‘스핀’에 대해 알아보았습니다.

기본 입자, 그리고 표준 모형

이번에는 스핀을 제외하고 기본 입자를 나누는 다른 방법들에 대해서도 한번 알아볼까요? 먼저 기본 입자는 입자반입자로 나눌 수 있습니다. 반입자는 다른 성질은 입자와 모두 같고 전하 등 일부 성질만 반대인 것을 말합니다. 이러한 입자와 반입자는 충돌하면 쌍소멸Pair Annihilation이라고 부르는 현상에 의해 큰 에너지를 방출하게 됩니다. 한 예로 전자, 양전자(전자와 전하의 부호만 반대인 입자)가 충돌하여 보손의 한 종류인 광자Photon 두 개를 만드는 현상을 들 수 있습니다. 반대로 에너지를 가해 입자와 반입자를 만드는 현상은 쌍생성Pair Production이라고 부릅니다. 쌍소멸과 쌍생성 모두에서 전체 에너지와 운동량은 보존됩니다.

페르미온은 강입자경입자로도 나눌 수 있는데요. 이들을 나누는 기준은 강력Strong Force의 작용 여부로, 강력이 작용하는 입자가 강입자, 작용하지 않는 입자가 경입자(렙톤)입니다. 여기서 강력은 원자핵 안의 양성자나 중성자와 같은 핵자 사이에 작용하는 강한 결합력을 의미합니다. 강입자에는 중입자와 중간자가 포함됩니다. 중입자는 세 개의 쿼크가 매개 입자인 글루온에 의해 결합하여 있는 것을 의미하며, 중간자는 쿼크와 반(反)쿼크가 하나씩 서로 속박된 것을 의미합니다. 경입자는 앞에서 살펴본 렙톤과 같은 의미로, 강력이 작용하지 않고 그보다 약한 약력Weak Force이 주로 작용하는 입자를 말합니다.

이렇게 여러 가지 기본 입자들과 그 특성에 대해 간단히 살펴보았는데요. 이렇게 복잡한 기본 입자들의 상호작용을 설명하는 것이 바로 표준 모형Standard Model입니다. 물리학자들은 강력, 약력, 전자기력, 중력으로 대표되는 네 가지 상호작용을 설명할 수 있는 하나의 통합된 이론이 있으리라 생각해왔고, 그중 기본 입자와 강력, 약력, 전자기력의 상호작용을 통틀어 표준 모형이라고 칭한 것이죠. 현재까지 약력과 전자기력을 통합하는 데 성공하였습니다. 그러나 강력의 경우에는 아직 통합되지 않았으며 중력은 아직 양자역학적 기반이 마련되지 않았다는 한계가 존재합니다.

표준 모형의 발전, 그리고 질량을 부여하는 힉스장

표준 모형은 과학자들의 노력으로 지속적으로 발전하고 있는데요. 약력과 전자기력의 통합 외에 표준 모형의 발전 과정에서 중요한 발견이라 손에 꼽히는 것이 있습니다. 바로 힉스 입자와 힉스장입니다. 힉스 입자에 대해서 이해하려면 먼저 게이지 이론Gauge Theory에 대한 이해가 필요합니다. 게이지 이론은 게이지 보손이 어떻게 페르미온을 구성하는 두 부류의 입자인 쿼크와 렙톤의 상호작용을 매개하는지 설명하는 이론입니다. 이 이론에 의하면 입자들은 시공간에 변화를 주어도 물리 현상이 변하지 않는다는, ‘게이지 대칭성’이라는 성질을 가집니다. 하지만 게이지 이론에는 게이지 보손의 질량이 없다고 가정하였다는 한계가 있었습니다. 게이지 보손 중 한 종류이자 질량이 없는 광자가 매개하는 전자기력은 게이지 이론으로 설명이 가능하지만, 약력을 매개하는 게이지 보손들은 분명 0이 아닌 질량을 가지고 있었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 ‘자발적 대칭성 깨짐'Spontaneous Symmetry Breaking이라는 개념이 도입되었습니다. 이는 이론적으로는 입자 간에 대칭성이 있으나 현실에서는 그렇지 않다는 것을 의미하는데, 이러한 발상이 성립하기 위해서는 새로운 메커니즘이 있어야 했습니다. 그렇게 등장한 것이 입자에 질량을 부여하는 힉스장Higgs Field입니다.


힉스장과 질량

힉스장은 힉스 입자Higgs Boson에 해당하는 자기장이나 전기장과 같은 장입니다. 다만 힉스장은 자기장이나 전기장과는 다르게, 각 점에 방향에 대한 정보 없이 크기값만이 대응되는 스칼라장이죠. 위 그림에서, 중심 부분은 힉스장이 0인 상태이고 바깥으로 갈수록 힉스장이 커집니다. 우리 우주는 힉스장이 0이 아닌 특정 지점에서 최소의 에너지를 가지면서 안정됩니다. 우주 초기에 입자들이 0이 아닌 힉스장과 상호작용하면서 질량을 획득하였을 것이라고 추측하는 것이죠. 이러한 힉스 입자의 개념이 처음으로 제시된 이후 50년이 넘도록 발견되지 않다가, 2013년 CERNConseil Européenne pour la Recherche Nucléaire에 의해 공식적으로 발견되면서 물리학계에 커다란 반향을 가져오기도 하였습니다.


힉스장이 어떻게 입자에 질량을 부여하는지 더 쉽게 이해하고 싶다면?

힉스장 더 알아보기



지금까지 세상을 구성하는 기본 입자와 표준 모형에 대해 알아보았습니다.
기본 입자는 페르미온과 보손으로 나눌 수 있으며, 이들은 스핀이 다르게 나타난다는 중요한 특성을 가집니다.
이러한 기본 입자의 상호작용을 설명하기 위해 물리학자들은 표준 모형을 고안하여 현재까지 약력과 전자기력을 통합하였으며,
여기서 그치지 않고 기본 입자들에 질량을 부여하는 힉스장까지 발견하였습니다.

현재의 표준 모형이 있기까지 과학자들이 오랜 시간을 거쳐 표준 모형의 개념을 도입하고 밝혀왔듯,
기본 입자에 관한 연구는 여전히 활발하게 진행되고 있습니다.
특히 양자역학에 기반하여 입자들의 물리적 특성을 밝히고자 하는 노력이 이루어지고 있는데요.
앞서 언급한 입자의 스핀 또한 현대에 와서 양자역학적으로 해석되고 있기도 합니다.
그렇다면 지금까지 양자역학적 시선에서는 어떤 발견을 해왔을지, 다음 꼭지에서 알아보도록 할까요?


[참고문헌]
1. Ethan Siegel, 「Ask Ethan: What’s The Difference Between A Fermion And A Boson?」, 『Forbes』, 2017.4.1. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/01/ask-ethan-whats-the-difference-between-a-fermion-and-a-boson/?sh=36434f201c72
2. 권성준, 「[MHN 과학] 보존과 거시세계의 양자역학, 2001 노벨 물리학상: 보스-아인슈타인 응축」, 『문화뉴스』, 2020.6.5. http://www.mhns.co.kr/news/articleView.html?idxno=409472
3. 이종필, 「힉스 입자, 질량을 부여하다」, 『물리산책』, 2009.9.20. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3566979&cid=58941&categoryId=58960
4. 권성준, 「[MHN 과학] 이상한 입자의 세계, 1945 노벨 물리학상: 파울리 배타 원리」, 『문화뉴스』, 2020.5.8. http://www.mhns.co.kr/news/articleView.html?idxno=407292 .
5. 김수동, 「존재하는 물질이 있다면 반존재하는 반물질도 있다」, 『KOREA IT TIMES』, 2015.1.2. koreaittimes.com/news/articleView.html?idxno=43777
6. 강양구, 「노벨상 ‘힉스 입자’? 강남에서 ‘말춤’ 추는 싸이!」, 『프레시안』, 2013.10.9. https://www.pressian.com/pages/articles/69433#0DKU


기획특집 ② - 밝혀지는 양자 세계, 기본 입자들의 물리적 특성 편으로 이어집니다.

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[2021 봄호] 간암과 간경변을 일으키는 간염바이러스를 찾아라!

  • 신유빈
  • 2021-05-14 07:00:34

2021 SPRING Hello Nobel
노벨상
간암과 간경변을 일으키는 간염바이러스를 찾아라!
2020 노벨 생리의학상



하비 올터 Harvey J. Alter

미국 국립보건원 부소장

마이클 하우턴 Michael Houghton

캐나다 앨버타대학교 교수

찰스 라이스 Charles M. Rice

미국 록펠러대학교

특정 질병을 일으키는 바이러스를 찾아내는 연구는 그 병에 대한 진단, 예방, 및 치료법의 개발에 필수적이다.

2021년 3월 현재, 1억 2천만 명 이상이 확진되었고, 260만 명 이상의 목숨을 잃게 만든 코로나19 SARS-CoV-2 바이러스가 우리의 사회, 경제, 문화 활동을 전면적으로 바꾸어 놓았습니다. 앞으로도 상당 기간 심각한 질병을 일으키고, 여러 가지 사회 활동을 제약할 것으로 생각됩니다. 그렇지만 다행히 이제 이 바이러스에 대한 백신들이 개발되어, 차차 이 바이러스로부터 자유로워질 것으로 생각되고 있습니다. 이렇게 코로나19에 대한 백신을 개발할 수 있었던 것은 중증 급성 호흡기 증후군 SARSSevere Acute Respiratory Syndrome를 일으키는 원인자인 바이러스가 무엇인지를 찾아낸 덕분입니다. 바이러스를 발견한 후 그 유전자는 어떻게 구성되어 있는지, 이 바이러스가 생산하는 단백질들의 종류와 역할은 무엇인지, 어떤 단백질에 대한 면역 반응을 유도하면 백신으로 작동할 수 있을지를 예측할 수 있게 되어 최종적으로 백신이 개발될 수 있었습니다. 이 모든 연구는 특정 병을 일으키는 바이러스가 무엇인지를 밝히는 것에서 시작됩니다. 코로나19의 경우에는 중증 급성 호흡기 증후군이 확산되던 2020년 초기에 곧바로 이 병을 일으키는 바이러스(SARS-CoV-2)를 규명할 수 있었기 때문에, 이 병을 진단하는 법을 금방 개발하여 병이 확산되는 것을 상당히 저지할 수 있었습니다. 또한 그 덕분에 이른 시간 내에 이 바이러스에 대한 백신도 개발할 수 있었던 것입니다. 그렇지만 모든 감염성 질병의 원인자를 이렇게 쉽게 찾아낼 수 있는 것은 아닙니다. 세계 4대 감염 질환으로 꼽히는 C형 간염 바이러스의 경우에는 의학자(하비 올터)와 여러 바이러스 학자(마이클 하우턴, 찰스 라이스 등)들이 20년이 넘게 지속해서 연구한 끝에 이 중요한 질병을 일으키는 바이러스가 무엇인지를 규명할 수 있었습니다.

Non-A, non-B hepatitis (NANBH) 바이러스의 정체를 밝히다.

간암은 암 중에서 5번째로 많이 발생하는 암이고, 3번째로 많은 사망자를 내는 암입니다. 이때 간암의 80%는 B형 간염 바이러스나 C형 간염 바이러스의 감염에 의하여 유발됩니다. 따라서 B형과 C형 간염 바이러스에 감염되지 않도록 예방하며, 감염 여부를 진단하고, 감염자를 빨리 치료하는 것이 이 치명적인 암에 걸리지 않기 위해 꼭 필요합니다. 1970년대 초까지는 간염을 일으키는 바이러스로 A형과 B형 간염 바이러스 두 가지만 알려져 있었으며, 이들 바이러스에 감염되었는지의 여부를 진단하는 방법이 개발되어 있었습니다. 그런데 환자들을 수혈하는 과정에서 A형과 B형 간염 바이러스가 없다고 판정된 피를 수혈받은 많은 사람에게서 간염이 발생하는 것이 관찰되었습니다.

첫 번째 노벨상 수상자인 하비 올터 박사님은 그때까지 밝혀져 있지 않았던 새로운 바이러스가 이런 수혈에 의한 간염 문제를 일으키는 것으로 생각하고 그 사실을 검정하였습니다. 즉, 수혈을 통하여 새롭게 간염 환자가 된 사람의 혈액을 간염이 없는 침팬지에 주사해 본 결과 그 침팬지도 간염을 일으키는 것을 발견하였고, 그 침팬지는 A형과 B형의 간염 바이러스에는 감염되어 있지 않은 것을 확인함으로써 A형이나 B형이 아닌 새로운 간염 바이러스가 있다는 것을 최초로 밝혔으며, 각각 non-A, non-B 간염 바이러스라고 명명하였습니다. (1975년) 그렇지만 올터 박사님은 그 non-A, non-B 간염 바이러스가 어떤 종류의 바이러스인지는 전혀 알 수 없었으며, 따라서 그것을 진단할 방법도 개발할 수가 없었습니다.

Non-A, non-B 간염 바이러스의 정체를 규명하는 데 결정적인 역할을 한 것은 두 번째 수상자이신 마이클 하우턴 박사님 연구진입니다. 이 연구진은 non-A, non-B 바이러스가 감염되어 간염을 일으키고 있는 침팬지의 간세포에 있는 RNA들을 무작위로 뽑아낸 후에 역전사효소를 이용하여 cDNA library를 만들고, 이 cDNA에 있는 유전자들을 각각 대장균에서 발현하여 그 cDNA들에서 유래한 단백질들을 만들 수 있도록 하였습니다. 그리고 그 cDNA들을 가진 대장균 중에서 non-A, non-B 바이러스에 의해 간염을 일으키는, 침팬지의 혈장에 있는 항체에만 특이적으로 반응하고, 건강한 침팬지의 혈장에 있는 항체에는 반응하지 않는 단백질을 발현하는 대장균을 찾아내었습니다. 그리하여 결국 그 대장균에 존재하는 non-A, non-B 바이러스 유전자에서 유래한 cDNA를 찾아냈습니다. 또한 이 연구팀은 이 cDNA를 추적자probe로 이용하여 그것과 이웃하고 있는 바이러스 유전자를 차례로 찾아내는 방법을 사용하여 non-A, non-B 바이러스의 거의 모든 유전자들을 클로닝 하였습니다.




이 연구는 이 바이러스의 존재가 밝혀진 지 13년이나 지난 후인 1988년에 완료되었습니다. 이 연구팀은 클로닝 된 non-A, non-B 바이러스의 유전자들을 분석함으로써, 이 바이러스가 플라비바이러스과flavivirus family에 속하는 것을 밝혔고, 이것이 기존에 알려져 있던 바이러스와는 전혀 다른 것이어서 새로운 바이러스로서 C형 간염 바이러스hepatitis C virus: HCV라고 명명하였습니다. 그리고 클로닝 된 C형 간염 바이러스 유전자를 이용하여 이 바이러스에 대한 진단법을 개발하였습니다. 이 진단법의 개발로 사람들이 C형 간염 바이러스에 감염되었는지의 여부를 알 수 있게 되었으며, 수혈을 위한 피들을 모두 조사하여 C형 간염 바이러스를 함유한 피들을 제거할 수 있게 되어 더는 수혈을 통한 바이러스의 감염이 일어나지 않게 방지할 수 있게 되었습니다.

그렇지만, 아직도 새롭게 찾아진 바이러스가 간염을 일으키는지는 100% 확인된 것은 아니었습니다. 왜냐하면 하우턴 박사팀이 만든 cDNA로는 바이러스를 생산할 수 없었기 때문입니다. 그 이후에 일본 과학자들에 의하여 하우턴 박사팀의 cDNA는 C형 간염 바이러스의 모든 유전자를 다 가지고 있는 것이 아니고, 3’ 쪽에 X-tail이라는 부위가 더 있어야 한다는 것이 밝혀졌습니다. 마지막으로, 찰스 라이스 박사팀이 X-tail까지 포함하는 완전한 C형 간염 바이러스 cDNA 클론을 만들고, 이것을 주형으로 이용하여 만든 RNA를 침팬지에 주사하여 간염이 발생하는 것을 보임으로써 하우턴 박사팀이 찾아낸 바이러스가 간염을 일으킨다는 것을 실험적으로 완전하게 증명하였습니다. (1997년)

이런 완전한 바이러스 클론이 만들어짐으로써, 그것을 이용하여 C형 간염 바이러스에 대한 치료제들을 개발할 수 있게 되었으며, 세계에 있는 7,200만 명의 C형 간염 바이러스 환자들이 간경변이나 간암과 같은 치명적인 병을 앓는 위험에서 벗어날 수 있는 길이 생겼습니다. 이상에서 살펴본 바와 같이 특정 질병을 일으키는 바이러스를 찾아내는 연구는 질병의 진단, 치료, 그리고 예방에 꼭 필요한 것이며, 때에 따라서는 병원성 바이러스를 찾는 것은 여러 연구자의 어렵고 긴 연구 과정을 통해서 이루어진다는 것을 알 수 있습니다. 여러분들도 질병을 일으키는 바이러스를 찾아내고, 그 바이러스에 대한 진단법을 개발하고, 백신과 치료제를 개발하는, 어렵지만 보람찬 연구에 동참하고 싶지 않으신가요?

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[2020 겨울호] 3 - 생명과학과가 본 고속도로∙귀성길

  • 신유빈
  • 2021-03-12 09:02:48

2020 WINTER 공대생이 보는 세상 3

생명과학과가 본 고속도로∙귀성길
Dept. of Life Sciences





귀경길에 차가 너무 많이 막혀서 벌써 밤이 되어 버렸어…

그런데 길 옆의 풀숲에서 뭔가 빛나고 있네? 정확히 무슨 동물인지는 모르겠지만 동물의 눈인 것 같아!
왜 사람과 다르게 일부 동물들은 밤에 눈이 빛날까?

야행성 동물은 사람과 달리 망막 뒤에 휘판 tapetum lucidum이라는 막이 하나 더 있다고 해. 이 막은 빛을 망막 쪽으로 반사하여 망막에서 느낄 수 있는 빛의 세기를 증가시키는 역할을 해. 덕분에 동물들이 빛이 많지 않은 밤에도 사물을 명확하게 볼 수 있는 거지! 이 휘판에서 눈으로 들어온 빛을 다시 반사하기 때문에 어두운 밤에 동물의 눈을 보면 밝게 빛나는 것처럼 보이는 거야.

이처럼 동물들의 눈은 사람과 구조적인 차이를 가지는 경우가 있는데, 동물들끼리도 각자 다른 눈을 가지고 있어. 예를 들어 고양이는 망막에 명암을 구분하는 간상세포를 사람의 6배 이상 가지고 있어서 밤에 잘 볼 수 있지만. 반대로 색깔을 보는 원추세포는 적어서 고양이가 낮에 보는 세상은 파스텔 톤일 것이라고 해. 이와 다르게 새들은 원추 세포를 네 종류나 가지고 있어서 그 밀도도 커서 굉장히 선명하게 세상을 볼 수 있어!


고양이가 낮에 보는 세상

그런데 혹시 밤에 차도에서 고라니 같은 야생동물을 만나면 불빛을 비추면 안 된다는 걸 알고 있니?

앞에서 말한 휘판 덕분에 야행성 동물들은 어둠 속에서 더 잘 볼 수 있지만, 오히려 빛을 너무 잘 흡수해서 차량 불빛과 같이 밝은 빛을 비추게 되면 빛을 흡수하는 세포들이 과하게 흥분하여 일시적으로 눈이 보이지 않게 된다고 해. 이 때문에 밝은 빛을 보면 자동차가 다가와도 쉽게 피하지 못해서 밤에 도로에서 로드킬을 당하는 동물들이 많다고 하니, 기억해 뒀다가 주변 사람들에게 알려주도록 하자!

ALIMI 26기 생명과학과 신유빈

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