1-2. DNA의 구조 (2)

• 들어가기 전에
  첫 포스팅에서 말했다 시피, 이 포스팅은 전격 반말 포스팅으로 진행됩니다!
• 생물학적 지식은 아직도 밝혀지고 있는 만큼, 제가 잘못 쓴 용어와 내용이 많을 수 있습니다. 언제든 지적은 겸허히 받아들이겠습니다!

2015.11.23 새벽에 올린 글에서 살짝 수정된 부분이 있어!바로, Rosalind Franklin을 소개하는 과정에서 'DNA와 관련된 실험에서 처음 나오는 여성 과학자' 라는 내용을 삭제한 것이야. 사실 포스팅을 할 때에도 큰 의미 없이 서술한 내용이었지만, 일부 독자들이 피드백을 주는 과정에서 '남성 과학자'라는 표현은 사용하지 않는데 '여성 과학자'라는 표현을 굳이 사용한 것에 대해 의견을 보내줬어. 물론 과학자 중에 여성이 거의 없었던 그 당시의 사회상을 반영하고 있다고 생각할 수는 있지만, 그럼에도 불구하고 그렇게 쓰지 않아야 사람들이 과학에 종사하는 여성들에 대해 좀 더 자연스러운 시선을 가지게 되지 않겠느냐...는 의견이었단다. 

나도 이 피드백을 받고 다른 사람들에게 의견을 물어봤고, 비슷한 의견들을 말해주더라구! 나는 사실 이야기의 흐름을 좀 더 자연스럽게 하고, 몰입도를 높이기 위해 한 마디 정도를 넣었던 것이었어. 하지만 다시 생각해보니 이런 목적을 위해 그런 문구를 사용한다는 것 자체가, 나 자신이 Franklin이 여자였던 것을 부자연스럽게 느끼고 있었다는 걸 반영한다는 것을 깨닫게 되었지. 그래서 수정된 버전에서는 별다른 수식어 없이 그냥 Franklin을 소개하도록 바꿨어. 

덕분에 반성도 하고, 생각도 많이 하게 되었지. 앞으로 글을 쓰면서, 나도 모르는 사이 나타나는 이런 모습이 있다면 얼마든지 피드백을 부탁해! 더 높은 퀄리티의 글이 탄생하는 것은 물론, 고민을 통해 서로가 더 성숙해지는 계기로 삼을 수도 있을거야. 아무튼, 이런 종류의 피드백은 언제든지 환영이니 앞으로도 많은 관심 부탁하구, 나도 앞으로 조심스럽게 글을 쓰도록 할게. 

한 번 더 우려먹는 이미지 출처

복습 : DNA의 반쪽 만들기

1. 5탄당
2. 염기 : A, G, C, T
3. 인산기
4. 기본 구조체(단위체)의 연결

까지로, DNA의 반쪽을 만들었어. 다들 기억하지? 이제 나머지 반쪽을 만드는 이야기를 해볼건데, 이건 굉장히 역사적으로 중요한 스토리야. DNA의 이중나선 구조를 밝혀내는 실험들을 함께 뒤쫓아가면서 그당시 사람들의 생각을 살펴보도록 하자!

DNA는 어떻게 생겼는데? (2)

DNA가 이중나선 double helix 구조라는 사실은 익히 알려진 사실이야. 그럼 왜? 어떤 과정을 통해 double helix라는 사실을 알 수 있었을까? 1950년, 지금으로부터 60년쯤 전으로 거슬러 올라가보자.

1950년

Gosling & Wilkins의 첫 번째 크리스탈 구조

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이분은 런던 대학교의 Wilkins’ lab에서 당시 Ph.D를 지내고 있던, Raymond Gosling 이라는 사람이야. 당시 Wilkins’ lab에서는 X-ray 회절을 사용해서 원자구조를 밝혀내는 것이 유행하고 있었나봐. Gosling은 DNA도 이렇게 한 번 보자! 라고 제안을 하게 되지. X-ray 회절이 어떤 것인지 궁금하다면, 위키피디아를 참고하도록 하자!간단히 말하자면, 원자 구조에 따라서 X-ray가 지나가지 못하는 부분이 생기고, 거기에 그림자가 생긴대. 그 모양을 좀 더 정확히 분석해보자…는 얘기야. 사실 난 그 결과를 어떻게 분석하는지는 잘 모르지만… DNA를 찍었더니 이렇게 나왔다고 하더라구.

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이 그림을 보고, 두 사람이 결론 내린 내용은 이렇게 된대.

1. DNA가 일정한 구조를 가지기는 하는 구나!
2. 저 모양은, ‘꼬인 나선’ 구조에서 나오는 X-ray 회절 사진이니까, DNA도 비슷하게 생겼겠구나!

이 때부터 약간, ‘나선’에 대한 암시가 생기고 있었다는 거지.

1951년

위에서 얻어진 결과를, 1951년에 학회에서 발표하자 많은 과학자들이 DNA를 구조를 밝히는 작업에 뛰어들게 돼. 그 중에 Watson 과 Crick 도 있었지!

Watson 과 Crick의 만남

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이 분이 바로 James Watson이야. 생화학을 공부하다가, 생명체의 기본 원리를 이해하려면 유전학과 DNA에 대한 연구가 기본이 되어야 한다는 삘을 받고 DNA 구조 연구에 몰두하신 분이지. 그래서 Wilkins’ lab 에 들어가고 싶어했는데, 자리가 없어서 다른 연구실로 들어갔는데, 마침 거기서 Crick을 만났다고하네.

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이 분은 Francis Crick인데, 원래는 물리학자였어. 역시나 X-ray 회절을 통해 단백질 구조를 밝혀내는 일을 하고 싶어했다고 해. 그런데 Watson이 너무 DNA 구조 연구를 하고싶어서, 단백질 구조 밝혀내는 일을 1순위로 하지 못했나봐. 원문에도 보면, ‘Interrupted’라고 표현이 되어있네 ㅋㅋㅋ

여튼, 이 두 사람의 역사적인 만남이 시작되었어. 함께 DNA 의 구조를 밝히자는 목표를 가지고, 연구를 시작하게 되지.

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정말 역사적인 사진인 것 같아. ㅋㅋㅋ 비록 표정은 고된 연구에 지쳐있지만...ㅠㅠㅠ

Watson&Crick 의 첫 번째 모델 : triple helix

사실 Watson 과 Crick 이 처음으로 제안한 모델은 Triple helix 였어. 염기가 바깥으로 팔을 뻗고 있고, 중간에서 인산기가 금속 원자를 통해 결합하고 있는 아래와 같은 구조였지.

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그런데 사실, 마그네슘이 존재하기 위해서는 굉장히 물이 부족한 상태여야 해. 마그네슘은 물을 만나서 $Mg(OH)_2$가 되어 앙금이 되거든. 게다가 마그네슘 이온들은 물 분자들에게 둘러싸여있기 때문에, 반응 하기가 굉장히 어렵다고 해.

Watson&Crick 은 굉장히 흥분한 상태로 사진을 찍은 사람에게 가서, ‘사진을 찍을 때 DNA에 정말 그렇게 물이 없었나요?!?!’라고 물어봤어. 하지만, 그들이 예측한 것 보다 10배 정도의 물이 더 있었다는 슬픈 사실만을 듣게 되지.

1952년~1953년

Pauling의 모델

그러던 와중에, 1953년에 Linus Pauling 이 DNA의 구조를 밝혔다는 소문을 듣게 돼. Pauling 이 누구냐면, 바로 전기음성도의 그 Pauling이야.

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이 분이 제안한 구조는, 3중 나선 구조야. 짠!

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Pauling은 당-인산기를 backbone으로 갖는 3중 나선 구조를 제안했어. 당연히, 이 소식을 들은 Watson & Crick 은 깜짝 놀랐지. 본인들 입장에서는 제발 틀리기를 바라면서 논문을 엄청 읽어봤을 거야. 그런데, 다행..이라는 표현이 맞는지는 모르겠지만, 치명적인 오류 하나가 발견이 돼. 바로..

• 인산기가 수소 원자와 결합하고 있다.

는 성질이었는데, 이렇게 되면 DNA는 산성을 가질 수가 없거든. (-) 전하를 가질 수도 없고, 그냥 중성 분자가 되어버릴거야. 그래서 Pauling이 제안한 저 구조는 저때는 존재할 수 없는 구조였고, Watson & Crick 은 계속해서 DNA의 구조를 찾기 위한 연구를 진행하게 돼.

Frankline의 두 번째 크리스탈 구조

Wilkins’ lab에는 X-ray 회절 사진을 찍는 또다른 사람이 있었는데, 바로 아래의 Rosalind Franklin이야.  

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이 분은, 처음에 찍었던 DNA X-ray 사진 말고 또 다른 모양을 가진 사진을 찍게 돼. 아래 사진의 왼쪽이 첫 번째로 찍었던 사진이고, 두 번째가 Franklin에 의해 새로 찍힌 사진이야.

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사실 왼쪽에 있는 사진은 나중에, A-DNA라고 이름 붙여졌고 오른쪽에 있는 사진은 B-DNA라고 이름 붙여졌어. B-DNA가 훨씬 더 일반적인 구조고, A-DNA는 DNA에서 물이 부족할 때 가지는 구조라고 나중에 알려졌어.

알고보니 두 번째 사진을 찍을 때는, DNA가 실수로 밤새도록 상온에 방치된 상태였다는 거야. 그래서 원래 찍었던 X-ray 사진은 A-DNA였지만, 물을 많이 먹으면서 B-DNA가 되었다는 거지.

어쨌든, 저 사진 한 장으로 Watson & Crick은 helix 구조에 대한 확신을 가지게 되었어.
저 사진이 왜 하필 Helix 에 대한 증거냐면….

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………뭐 이렇다고 하네 ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ ㅠㅠ

Watson&Crick 의 두 번째 모델

계속해서 triple helix 구조를 연구했지만 base pairing이 어떻게 이루어지는지에 대한 해답이 나오지 않자, 약간 관심을 돌려서 double helix라고 가정하고 model 을 만들어봤어.

첫 번째 model 과의 차이점 몇 가지를 찾아보자면,

1. 염기가 helix 안 쪽으로 들어오고, 인산기가 helix의 바깥쪽으로 나간 구조를 가지고 있다.
2. 때문에, helix 안쪽에서 염기들 끼리 어떻게 결합하고 있는지에 대한 모델을 새로 제안해야했다.

는 거지. 첫 번째 모델을 거의 완전히 뜯어고쳤다고 해도 과언이 아니야. 그래서 처음으로 이들이 제안한 모델은, helix 바깥쪽으로 인산기가 뻗어있고, 안쪽에서 염기들끼리 결합하고 있는 거였어. 그런데……그게…….

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요런 구조였어. 뭔가 이상하지 않아? A가 A랑 결합을 하고있어. 마찬가지로, C-C, G-G, T-T의 결합으로 base pairing 을 한다는 model 을 제안한거였지.

그래서 이 구조를 like-with-like structure 이라고 이름지었어. 물론 지금은 이 구조가 틀렸다는 것을 알지만, 그 당시에는 X-ray 회절 사진만 가지고 낼 수 있는 가장 최고의 결과였고, 심지어 모든 것이 딱딱 맞아 떨어졌기 때문에 거의 이 구조로 확정이 되어가는 분위기였대.

Chargaff 의 법칙 : 두번째 모델의 오류

• 첫 번째 오류는 Chargaff의 법칙을 통해 알 수 있어.

Chargaff가 누구냐고? 그 유명한 샤가프! 이렇게 생긴 사람이야.

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이분이 무슨 법칙을 발견했었지? 바로 DNA 속에 들어있는 염기의 비율이 일정하더라!라는 법칙이었지.

$$\frac{A}{T} = \frac{G}{C} =1$$

즉, DNA에서는 Adenine 과 Thymine의 개수가 같고, Guanine 과 Cytosine의 개수가 같다는 법칙이야. Watson & Crick 이 제시한, 같은 염기끼리 서로 결합하는 모델은 Chargarff의 법칙을 설명하기엔 조금 모자랐던 거야.

• 또 다른 오류는 유기화학적 지식을 통해 알 수 있어. 이건 keto-enol tautomerization 에 대한 지식이있어야 하니, 잠시 확인하고 오자!

보통 keto form 이 더 안정하고 자연계에 더 많이 존재할 수 있어. 그런데 막상 같은 염기끼리 결합한다고 해놓고 보니까, enol form 을 가진 상태로 결합을 하더라는 거지. 훨씬 더 불안정한 구조인데 말이야. 아래 그림을 보면 이해될거야.

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그렇지? Guanine 과 Thymine의 OH부분에서 수소결합이 일어난다는 가정을 했는데, 알고보니 그 OH 부분은 딱히…..불안정하고…존재하기도 힘들고….한 부분이었다는 거지.

게다가, Adenine 과 Guanine은 고리가 두 개라서, 상대적으로 큰 분자인 반면에 Thymine 과 Cytosine은 고리가 한 개라서 작은 분자거든. 그러면 고리가 두 개인 놈들이 안에서 결합을 하면 거기는 상대적으로 sugar backbone 사이의 거리가 길어지고 고리가 한 개인 놈들은 짧아질텐데, 그 차이를 어떻게 극복할 것인가..에 대한 문제가 있었대.

그래서 Watson & Crick 은 또다시 시무룩 해졌지.

마침내, Final 모델!

몇 번에 걸친 시도 끝에, 마침내 그들은 Final model 을 발표해. 이게 바로 우리가 그렇게 많이 봤던 구조야. 짜잔!

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Adenine은 Thymine 과 2개의 수소결합을 하고, Guanine은 Cytosine과 3개의 수소결합을 하고있어. 이렇게 되면 위에서 얘기했던 오류들이 전부 해결이 되고, 다른 증거들도 딱딱 맞아 떨어지게 되더래.
그래서 논문을 뙇! 퍼블리쉬했지. 짜잔! 정말 간단하지?

그리고 1962년

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Watson & Crick 은 그 업적을 인정받아서, 노벨상을 수상하게 돼.

여기까지

정말 DNA 구조 하나 밝히는데 엄청난 노력이 필요했음을 알 수 있네. 그런데 생각해봐야할 게 있어.
위에서 얘기했던 Rosalind Franklin 의 역할은, 정말 중요했어. 어찌보면 Franklin의 실수로 인해 결국 DNA의 구조를 밝혀낼 수 있었던 거라고도 해석할 수 있겠지. 하지만 Franklin은 별로 각광받지 못했고, 사람들이 기억하는건 1953년에 Watson & Crick 이 발견했더라! 는 것 뿐이란 말이지 ㅠㅠ
그 때문에 Watson & Crick 의 업적을, ‘위대하다’고 칭송해서만은 안된다…는 의견도 꽤 있는 것 같아. 생각은 각자 자유지만, 여튼 DNA의 구조가 밝혀지는 데에는 정말 많은 사람들의 조언과 실험이 함께 했다는 사실 하나만큼은, 기억했으면 해 ^^

DNA는 어떻게 그릴건데?

그렇다면, 잠깐 짚고 넘어갈 내용이 있어. DNA를 그릴때….

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절대 이렇게 그려서는 안돼. ‘Groove’라고 하는 것을 잘 살려줘야만 한다구. 이중 나선이 딱 일정한 간격으로 배열되어서 규칙적으로 있는 모양을 기대했다면 No!
간격이 넓은 곳도 있고, 좁은 곳도 있는 형태의 구조를 이루고 있어. 그걸 ‘major/minor groove’라고 표현하지.

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이런 그림이 가장 정확한 DNA를 표현하고 있다고 생각하면 돼. 위에 있는 그림처럼 그렸다면, 어디가서 참새가 들려주는 생명과학을 읽었다는 말은 하지 말….

다음 시간 예고

나도 이렇게 자세히 공부한 적은 이번이 처음인데, 정말 웹사이트에 적혀있는 대로 ‘living with a double helix’라는 표현이 맞구나 싶을정도로, 많은 노력을 기울였다는 생각이 들었어. 어떤 과학적 사실 하나를 밝히는데에 이렇게 많은 노력이 필요하다는 사실을 실감했으면…하고 이번 포스팅은 특별히, 좀 자세히 써봤어! 어쨌거나, DNA의 나머지 반쪽을 그릴 수 있었으니 완벽한 DNA를 완성!

다음 포스팅에서는, DNA의 종류와 RNA의 모양, 그리고 잡다한 다른 얘기들을 좀 더 해볼까 해. 이렇게 DNA의 구조에 대한 포스팅도 마무리가 될 것 같아!

마지막으로, 완벽히 이번 포스팅의 결론을 정리해둔 사진 한 장을 보고 다른 웹사이트로 넘어가도 괜찮을 것 같네!ㅋㅋㅋ 수고했어~

이미지 출처

참고한 책, 페이지

• http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/dna/dna7_1.htm

• http://undsci.berkeley.edu/article/0_0_0/dna_03

• D. Peter Snustad, Michael J. Simmons, ‘Genetics’, 6th Ed., Willey, 2012

• Robert F. Weaver, ‘Molecular Biology’, 5th Ed., McGraw-Hill, 2012