신과수연구회 11월워크숍2(김경희(산과 염기, 산화), 백종희(녹색형광단백질))

산과 염기 그리고 산화

                        김경희(수일고)

Bluemellow라는 꽃잎을 지시약으로 하여 산성과 염기성에 따라 색이 변화하는 것을 알아보는 재미있는 실험이었다.

Bluemellow는 약용식물로 안토시안이라는 지시약의 성질을 갖는다

처음에 뜨거운 물에 Bluemellow을 넣으면 푸른색으로 변화한다.

여기에 레몬(산성)을 짜서 넣으면 붉은색으로 변화한다. 그리고 다시 식소다(염기성물질)를 넣으면 노란색으로 변화한다.

차를 마시면서 식용지시약에 의해 색이 변화하게 하는 것이 재미있었다.

소금물의 전기분해성질을 이용하여 메틸에팅하는 것도 하였다.

Green Fluorescent Protein 박테리아를  이용한 다양한 생명공학 실험

(녹색형광 단백질 박테리아)

                                                                  백 종 희 (광주 중앙고)

1. 녹색형광 단백질이란?

Aequorea victoria

녹색 형광 단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)은 1962년 일본의 해양생물학자인 시모무라 오사무가 해파리 Aequorea victoria의 형광 물질을 연구하는 도중 처음 발견되었으며, 1969년 Hasting 과 Morin에 의해 녹색 형광 단백질로 명명되었다. GFP는 생체 내에서 칼슘에 의해 활성된 발광단백질(Photoprotein)이나 루시페레이스-옥시루시페린 복합체의 에너지를 운반하는 에너지 전달 수용체로 작용하며, 에쿼린(Aequorin)으로부터 에너지를 받아 508nm의 녹색 형광을 방출하는 2차 형광 단백질로서 작용한다. 세포에 이 GFP를 암호화하고 있는 DNA나 mRNA가 존재할 경우, 이내 GFP 단백질이 세포 내에서 합성되어 강한 형광을 발한다. 발현 정도를 조사하고 싶은 유전자에 GFP를 암호화하는 서열을 연결하면 실제 조사하길 원하는 유전자가 발현하는 장소에서 GFP가 형광을 발현하게 되므로, 유전자의 발현을 조사하는데 많이 사용한다. 특히 관찰이 용이하고 독성을 지니고 있지 않다는 장점으로 인해, 유전자의 발현의 유무와 장소, 시간 측정 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이와 기능적으로 유사한 노랑 형광 단백질(YFP), 청록색 형광 단백질(CFP)도 개발되었으며 이 외에도 적색, 청색등 다양한 색의 형광 단백질이 만들어져있다. 이렇게 다양한 형광 단백질은 여러 단백질의 지역분포를 한번에 알아보고자 할 때 유용하게 사용된다. 2008년 시모무라 오사무, 마틴 챌피, 로저 첸이 녹색 형광 단백질의 연구를 통해 노벨화학상을 수상했다

2. 생물학적 마커로서의 장점

녹색 형광 단백질은 기본적으로 생물 연구에 있어서 원하는 것을 보기 위한 표지자로서 사용된다. 녹색 형광 단백질이외에도 표지자 기능을 할 수 있는 도구들을 여러 가지가 있지만 특별히 녹색 형광 단백질만이 가지는 특징이 있어서 녹색 형광 단백질이 매우 인기있는 수단으로 이용된다. 그 특징은 다음과 같다.

• 녹색 형광 단백질은 짧은 길이의 단백질 조각으로서 단위체만으로도 그 기능을 할 수 있다. 즉, 해파리에서 녹색 형광 단백질 유전자 이외에 형광을 내기 위해 필요한 추가적인 요소가 없다. 대부분의 경우 한 동물에서 특수한 기능을 담당하는 단백질은 본체 뿐만 아니라 그 기구를 잘 작동하게 해 주기 위한 다른 효소들이 필요하다. 하지만 녹색 형광 단백질은 빛을 받아서 형광을 내는 단백질이므로 형광체(fluorophore)만 있으면 기능이 가능하며, 그 외에 반응을 위한 이온 등의 보조인자도 필요하지 않다. 따라서 손쉽게 다른 유전자 속에 주입해 형광 발현을 확인할 수 있다.
• 녹색 형광 단백질은 살아있는 세포가 스스로 유전자를 발현하고 단백질을 생성해서 만들어 지는 것이므로 세포에게 독성이 없다. 따라서 이전의 많은 염색 방법들과 다르게 세포가 살아있는 상태에서 원하는 것을 관찰할 수 있다는 뛰어난 장점이 있다.
  

3. 녹색형광단백질의 이용

(1) 단백질의 위치 확인

위치를 확인하고자 하는 단백질 유전자를 녹색 형광 단백질과 연결해서 유전자를 조작해 주면 개체 내에서 특정 단백질이 어떤 모양으로 어디에 위치하는지를 알 수 있다. 예를 들어서 액틴 프로모터 뒤에 녹색 형광 단백질을 넣어준 꼬마선충(C.elegans)을 보면 액틴의 가는 섬유가 녹색 형광으로 빛이 나는 모습을 형광 현미경 아래에서 관찰 할 수 있다.

(2) 세포 내 물질의 메커니즘 및 운동성 확인

녹색 형광단백질은 세포의 모습을 관찰할 수 있다.

이전의 방법에서는 특정시점에서 정지한 모습만 관찰할 수 있었던 것에 반해, 녹색 형광 단백질은 단백질이 이동하는 모습이나, 자극에 대한 반응 등 세포가 살아있어야만 알 수 있는 많은 것들을 보여준다.

예를 들어 시냅스에서의 반응연구, 인간면역결핍바이러스-human immunodificiency vius-HIV의 감염 경로, 암세포의 전이, 발생과정에서 특정 단백질의 역할 등의 많은 것을 알 수 있다.

(3) 동물에서 유전자 발현 확인

녹색 형광 단백질에 관련된 기사를 검색해보면 여러 가지 실험동물에서의 녹색 형광 단백질 발현이 성공했다는 이야기를 볼 수 있다. 그런데 왜 여러 동물에서 녹색 형광 단백질이 발현되는 것을 확인하고 싶은 것일까? 왜냐하면 우리가 동물개체를 통해 생산하고자 하는 많은 유용한 유전자들의 발현이 가능할 지도 모른다는 의미를 가지기 때문이다. 체세포 복제를 통해 인슐린 유전자를 발현하는 닭을 만들 때 우리가 주입한 인슐린 유전자가 올바르게 들어갔는지 아닌지를 확인하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이 때 원하는 자리에 녹색 형광 단백질을 넣어보면 태어난 개체에서 형광이 나오는지 여부를 보고 성공이냐 실패냐를 알 수 있을 것이다.

가장 최근의 성과로서 충북대 동물바이오신약 장기개발사업단 에서 형질전환형광한우송아지를 탄생시켰다.^[2] 이전의 연구에서 생쥐, 닭, 물고기 등에서 녹색 형광 단백질을 발현한 적은 있지만 소와같이 큰 동물에서 발현한 사례는 처음이다. 소와 같이 큰 동물에서 유전자 생산을 할 수 있을 가능성이 열림에 따라서, 고가의 치료의 단백질을 현재 생산하는 품질보다 더 우수한것으로 만들 수 있게 될 것이다.

4. GFP 박테리아를 이용한 다양한   분자생물학 실험법에 대한 이해와 실험 능력 배양

생물과 전공자가 아닌 사람은 이해하기가 좀 어려운 점이 많았다.