생명 현상을 분자 수준에서 이해하려는 분자생물학(Molecular biology)은 20세기 과학의 가장 위대한 성과 중 하나입니다. DNA와 RNA 같은 nucleic acids, 그리고 proteins의 구조와 기능을 연구하며, 세포 내외에서 일어나는 biological activity의 근본 원리를 밝혀냅니다. 이 학문은 genetics, biochemistry, physics, mathematics, 그리고 bioinformatics까지 아우르는 다학제적 분야로, 눈에 보이지 않는 분자들이 생명의 정교한 설계를 어떻게 구현하는지 보여줍니다.
DNA 구조 발견과 분자생물학의 탄생
분자생물학이라는 용어는 1945년 영국 물리학자 William Astbury가 처음 사용했습니다. 그는 biological phenomena의 물리화학적 기반을 밝히는 접근법으로 이 분야를 정의했습니다. 하지만 진정한 분자생물학의 시작은 1953년 Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin과 그들의 동료들이 deoxyribonucleic acid(DNA)의 double helix 구조를 밝혀내면서부터입니다. 이 발견은 Rosalind Franklin의 X-ray crystallography 연구를 바탕으로 이루어졌으며, Maurice Wilkins와 Max Perutz가 중개 역할을 했습니다.
DNA 구조 발견 이전에도 많은 과학자들이 유전 물질의 본질을 탐구했습니다. 1869년 Friedrich Miescher는 nuclein이라는 물질을 처음 발견했고, 이것이 바로 DNA였습니다. 그는 고름이 묻은 붕대를 연구하면서 "phosphorus-containing substances"의 독특한 특성을 발견했습니다. 1919년에는 Phoebus Levene이 효모 실험을 통해 "polynucleotide model"을 제안했습니다. 1950년 Erwin Chargaff는 nucleic acids의 중요한 특성들을 밝혀냈는데, 특히 purines(adenine과 guanine)의 총농도가 항상 pyrimidines(cytosine과 thymine)의 총농도와 같다는 Chargaff's rule을 발견했습니다.
Watson과 Crick의 double helical structure 발견은 DNA replication의 가능한 메커니즘에 대한 추측까지 포함했으며, 1962년 이들은 Wilkins와 함께 노벨 생리의학상을 수상했습니다. 1961년에는 유전자가 단백질을 암호화할 때 DNA의 세 개 염기가 하나의 amino acid를 지정한다는 것이 밝혀졌습니다. 이것이 바로 triplet code이며, 각 triplet(codon)은 특정 amino acid를 지정합니다. 눈에 보이지 않는 분자 수준에서 이토록 정확한 규칙이 작동한다는 사실은 생명의 정교함을 실감하게 합니다.
유전 형질 전환을 밝힌 획기적 실험들
분자생물학 발전의 핵심에는 세 가지 획기적인 실험이 있습니다. 1928년 Frederick Griffith는 pneumococcus bacteria를 이용한 실험에서 virulence property를 발견했습니다. 그는 smooth strain(매끄럽고 독성이 있는)과 rough strain(거칠고 독성이 없는) 두 가지 균주를 사용했습니다. smooth strain은 glucose와 glucuronic acid polymer로 된 polysaccharide capsule 때문에 반짝이는 외관을 보였고, 숙주의 immune system이 이를 인식하지 못해 치명적이었습니다. Griffith는 같은 세대 내에서 gene transfer가 일어날 수 있다는 이론을 제시했으며, 이는 현재 horizontal gene transfer(HGT) 또는 genetic transformation으로 알려져 있습니다.
1944년 Oswald Avery, Colin MacLeod, Maclyn McCarty가 수행한 Avery–MacLeod–McCarty experiment는 DNA가 bacterial transformation을 일으키는 물질임을 실험적으로 증명했습니다. 당시에는 protein이 유전 정보를 전달하는 기능을 한다고 널리 믿어졌지만, 이들은 "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types"라는 논문을 통해 DNA가 hereditary material일 수 있다고 제안했습니다. 이 연구는 1930년대부터 Rockefeller Institute for Medical Research에서 진행된 "transforming principle" 규명 연구의 정점이었습니다.
1952년 Alfred Hershey와 Martha Chase가 수행한 Hershey–Chase experiment는 blender experiment로도 알려져 있습니다. 그들은 E.coli와 bacteriophage를 사용했으며, radioactive sulfur로 protein coat를, radioactive phosphorus로 DNA를 표지했습니다. 실험 결과 phage particle이 bacterium에 주입한 DNA가 progeny phage particles를 합성하는 데 필요한 모든 정보를 포함하고 있음이 증명되었습니다. 이를 통해 Transduction 이론이 탄생했으며, bacterial DNA가 bacteriophages의 단편을 운반하여 다음 세대로 전달하는 horizontal gene transfer의 한 형태임이 밝혀졌습니다.
1958년 Matthew Meselson과 Franklin Stahl의 Meselson–Stahl experiment는 "the most beautiful experiment in biology"로 불립니다. 이들은 DNA replication이 semiconservative하다는 Watson과 Crick의 가설을 지지했습니다. 더 무거운 nitrogen isotope를 사용하여 parent DNA를 표지 하고, 연속적인 replication cycle 후 DNA의 질량 변화를 추적했습니다. 아주 작은 변화 하나가 이처럼 생명 현상의 근본 원리를 밝히는 열쇠가 될 수 있다는 점이 놀랍습니다.
현대 분자생물학 기술과 미래 전망
2020년대 초 분자생물학은 vertical과 horizontal 기술 발전으로 정의되는 황금기에 진입했습니다. Vertically하게는 biological processes를 atomic level에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 novel technologies가 등장했습니다. Horizontally 하게는 sequencing data가 더 저렴해지고 다양한 과학 분야에서 활용되면서, 개발도상국의 산업 발전과 개별 연구자들의 접근성을 높이고 있습니다. CRISPR-Cas9 gene editing 실험은 이제 $10,000 미만으로 novel organisms에서 구상하고 실행할 수 있게 되었습니다.
Molecular cloning은 DNA sequence of interest를 plasmid vector로 분리하고 전달하는 기술로, 1960년대에 처음 개발되었습니다. Polymerase chain reaction(PCR)은 특정 DNA sequence를 복사하거나 수정할 수 있는 매우 versatile한 기술입니다. 완벽한 조건에서 PCR은 단일 DNA molecule을 2시간 이내에 10억 7천만 개의 molecules로 증폭할 수 있습니다. Reverse transcription PCR(RT-PCR), quantitative PCR 등 다양한 변형 기술들이 개발되어 RNA 증폭과 DNA/RNA molecules의 정량적 측정이 가능해졌습니다.
Gel electrophoresis는 molecules를 크기별로 분리하는 기술로 molecular biology의 핵심 도구입니다. DNA backbone의 negatively charged phosphate groups 때문에 DNA는 electric current를 가하면 agarose gel을 통해 양극 쪽으로 이동합니다. Bradford protein assay는 1975년 Marion M. Bradford가 개발한 기술로, Coomassie Brilliant Blue G-250 dye의 독특한 특성을 활용하여 protein molecules를 빠르고 정확하게 정량화합니다. 이 방법은 Lowry procedure와 biuret assay보다 훨씬 빠르고 정확합니다.
Southern blot, northern blot, western blot, eastern blot 등의 blotting 기술들도 중요합니다. Southern blot은 Edwin Southern이 발명한 기술로 특정 DNA sequence의 존재를 확인하는 방법입니다. Northern blot은 특정 RNA molecules의 존재를 연구하며, western blot은 특정 proteins를 혼합물에서 검출하고 정량화합니다. DNA microarray는 microscope slide에 붙은 single-stranded DNA oligonucleotide fragments의 집합으로, gene expression profiling이 가능합니다. 100 micrometre diameter의 매우 작은 spots에 대량의 정보를 배치하여 건강한 조직과 암 조직 같은 서로 다른 조직의 gene expression을 비교할 수 있습니다.
분자생물학은 현미경보다 더 깊은 세계를 보여줍니다. Biochemistry, genetics와 밀접하게 연결되어 있으며, bioinformatics와 computational biology 같은 컴퓨터 과학 기술도 활용합니다. Molecular genetics는 2000년대 초반부터 가장 두드러진 하위 분야 중 하나이며, cell biology, developmental biology, population genetics, phylogenetics 등 다른 생물학 분야들도 molecular biology로부터 정보를 얻습니다. 눈에 보이지 않는 분자들이 정확한 규칙에 따라 움직이며 생명 현상을 결정한다는 사실은 생명의 경이로움을 새삼 깨닫게 합니다.
분자생물학은 생명을 작은 단위에서 들여다보는 학문으로, 처음에는 낯설 수 있지만 DNA와 proteins의 개념을 이해하면 생명의 정교한 설계를 실감하게 됩니다. 아주 작은 변화가 성장이나 질병으로 이어질 수 있다는 점에서 molecular biology는 medical applications와 pharmaceutical industry에도 핵심적이며, gene therapy와 molecular medicine의 기반이 됩니다. 기술 발전과 함께 분자생물학은 계속 진화하며, 생명 현상에 대한 우리의 이해를 더욱 깊게 만들고 있습니다.
[출처]
Molecular biology - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_biology