DNA 흔들리는 나선, RNA와 차이

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DNA 흔들리는 나선

- Size ≫ Nano
- 물의 aquaporin 통과속도 : 초당 30억개
- 태풍보다 20배 이상 빠른 Air
- 물분자의 강력한 진동
- 아보가도르수

- 단백질 운동 : 접기, 풀기
- 키네신 : 세포의 화물트럭
- DNA : 생명의 요동
- 단백질 모터 : ATP합성, 편모운동
- 플라스틱 : 고분자의 운동
- 패랭의 실험 : 등황

얼어붙은 나선, 흔들거리는 사슬

DNA의 구조는 이중나선이다. 그러나 그것이 DNA 분자에 대한 모든 것을 설명해줄 수 있을까?
노팅엄 대학의 과학자인 찰리 로틴같은 사람에게 묻는다면 그 대답은 분명히 ‘아니오’일 것이다. 로틴과 그 연구진은 원자 크리고 된 DNA 컴퓨터 모형을 이용해 세포에서 DNA가 물 분자에 잠겨 있다는 사실을 고려하면서 분자가 물리적으로 어떻게 행동하는지 계산했다. 로턴의 동영상은, DNA가 칭송받기를 기다리며 새침하게 가만히 앉아 있는 것이 아니라 꼬이고 감기는 분자 야수 같다는 것을 보여주었다. 틀림없이 DNA는 살아 있고 움직였다. DNA는 가만히 있을 수가 없다.
그렇다면 왜 로틴의 DNA 모형과 많은 실제 생체 분자들은 클릭과 왓슨식으로 매우 얌전하고 정적인 구조가 아닐까? 알려진 바와 같이 생명은 대부분 중간세계에 살고 있기 때문이다. 그 세계에서는 모든 것이 가만히 있을 수가 없다.
이 책에서 자주 이야기한 대로, 크기가 모든 것을 좌지우지한다. 그렇다면 DNA분자는 얼마나 클까? 이것은 생각보다 미묘한 질문이다. 대부분의 사람들에게 전형적인 ‘분자’의 크기를 물어보면 그들은 예를 들면 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 된 물 분자 같이 원자 보다 약간 더 큰 것을 생각할 것이다. 그것은 지름이 1나노미터의 10분의 1정도다. 다시 말해서 작다. 실제로 중간세계의 물질이 아니다.
그러나 분자가 꼭 작을 필요는 없다. 어떤 의미에서 DNA는 거인이다. 그것은 화학물질(‘염기’라고 한다.)로 된 사슬로서, 풀어놓는다면 길이가 최대 1밀리미터에까지 이른다.
DNA는 세포핵 안에 저장되면 매우 복잡하게 공 모양으로 감긴다. 보풀이 감긴 것 같은 구로서 지름이 수십 나노미터 정도다.  DNA는 물에 둘러싸여 있다. 간단히 말해서 DNA는 중간세계의 거주자다.
당연히 그것은 실제로 얼어붙어 있는 나선이 아니다. 크릭과 왓슨의 DNA 구조는 우리 머릿속에 DNA가 아름다운 화학 조각품으로의 그려지도록 잘못된 인상을 심는 데 일조했다. 하지만 크릭과 왓슨의 구조가 틀린 것은 아니다. 다만 불완전할 뿐이다. 만일 DNA가 조각이라면 그것은 살아 있고 변화하며 끊임없이 움직이는 조각이다.
DNA의 단위체인 염기들이 여러 개 모여서 커지면 그 구조는 유명한 이중나선이 된다. 이 크기에서 화학적 상호작용은 물 분자들이 공격, 다시 말해서 필연적인 브라운 운동의 마구잡이식 움직임에도 견딜 수 있을 정도로 강해진다. 이것은 유전 기억을 보호하는 DNA의 목적에 매우 중요하다. 염기 서열이 작은 크기에서 안정하지 않다면, 그것이 계속이어져서 재배열된다면, 유전 정보는 믿을 만하게 저장될 수 없을 것이다. 진화는 적용하지 못하고 우리가 여기에 있지도 못할 것이다. 따라서 크릭과 왓슨의 이중나선을 환호하며 맞이해야 한다.
그러나 수십 수백 개의 염기 서열로 된 큰 크기에서 염기들 사이의 지역적 화학 상호작용의 효과는 점점 약해진다. 이런 크기에서는 DNA 사슬이 주위에서 공격하는 물 분자보다 훨씬 더 커서 분자의 일부분은 브라운 운동의 지배를 받으며 어쩔 수 없이 진동을 하고 좌충우돌한다.
DNA가 생명의 심장이라면 이 심장은 영원히 끊임없이 움직이고 있다.

 

생명의 청사진에 적합한 DNA 의 역동적 구조
생명과학  양병찬 (2016-08-05 09:31)


 

새로운 연구결과에 의하면, "(DNA의 나이든 사촌인) RNA가 변화를 흡수하려고 할 때는 두 토막이 나는 반면, DNA는 스스로 자신을 일그러뜨려 형태를 바꿈으로써 어떤 화학적 손상도 보상할 수 있다"고 한다. 이번 연구로 인해, '생명의 청사진이 RNA가 아니라 DNA로 구성된 이유'가 마침내 해명된 것으로 보인다. 또한, 이번 연구로 인해 생물학 교과서를 다시 써야 할 판이다.
"이중나선구조와 같이 핵심적인 것에 대해, 이러한 기본적 속성이 뒤늦게 밝혀진 건 놀라운 일이다. 우리는 이 같은 기초적 생명분자를 깊이 이해하기 위해 계속 정진해야 한다"라고 듀크 의대의 하심 알-하시미 박사는 말했다.

1953년, 왓슨과 크릭은 세계 최초로 DNA의 이중나선구조 모델을 발표하고, A와 T, G와 C가 어떻게 서로 들어맞는지를 예측했다. 지금쯤 당신은 그 형성과정에 매우 익숙할 것이다. 두 개의 DNA 가닥이 염기쌍의 결합을 통해 연결되어 사다리 단(ladder rung)을 형성하고, 이것이 뒤틀린 DNA 사다리를 지탱하는 과정 말이다.

과학자들은 '염기쌍들이 왓슨과 크릭이 예측한 방식으로 결합한다'는 증거를 찾아내기 위해 애썼고, 그것을 소위 왓슨-크릭 염기쌍이라고 불렀다. 그런데 1959년 생화학자인 카르스트 후그스틴은 또 하나의 A-T 염기쌍 그림을 그리는 데 성공했다. 그것은 약간 더 뒤틀린 기하학적 모양으로, 하나의 염기가 다른 염기에 대해 180도 회전한 형태다. 그 이후로, 과학자들은 DNA의 이미지에서 왓슨-크릭 염기쌍과 후그스틴 염기쌍을 동시에 관찰해 왔다.

그러나 지금으로부터 5년 전, 알-하시미가 이끄는 듀크 의대의 연구진은 지금껏 전혀 보지 못했던 뭔가를 발견했다. 내용인즉, DNA 염기쌍이 왓슨-크릭 결합형태와 후그스틴 결합형태 사이에서 지속적으로 왔다갔다 한다는 것이었다. 이것은 DNA 구조에 완전히 다른 차원과 다른 수준의 유연성을 덧붙였다.

그때의 발견 내용은 이랬다: "DNA의 어떤 부위에 단백질 결합이 있거나 염기에 화학손상이 있을 경우, DNA는 후그스틴결합을 사용한다. 그러다가 손상이 수리되거나 단백질이 방출되고 나면, DNA는 다시 왓슨-크릭 결합으로 복귀한다.

5년 전의 발견은 그 자체만으로도 대단한 것이었지만, 이제 알-하시미가 이끄는 연구진은 세계 최초로 "RNA는 그런 능력을 갖고 있지 않다"는 사실을 추가로 밝혀냈다. 이는 과학자들이 수년간 궁금하게 여겨왔던 문제를 설명할 수 있는 것으로 보인다. 그 문제란 "DNA는 생명의 청사진을 형성할 수 있는데, RNA는 왜 안 되나?"라는 것이었다.

그 문제에 대한 답변은 이렇다. "DNA는 화학적 손상을 흡수하여 그것을 해결하는 데 적당한 반면, RNA는 너무 뻣뻣해서 손상을 흡수하려다가 망가지고 만다." 그렇다면, 유전정보를 다음 세대에 전달하는 데 적절한 구조는 RNA가 아니라 DNA라는 이야기가 된다.


 

"DNA의 경우, 이 같은 변형은 일종의 손상이며, 그것은 염기를 뒤집어서 후그스틴 염기쌍을 형성함으로써 쉽게 흡수할 수 있다. 이와 대조적으로, RNA의 경우에는 동일한 변형이 이중나선구조를 심각하게 파괴한다"라고 이번 논문의 공저자 중 한 명인 주휘칭 박사는 말했다. "이번 연구는 '유전정보의 두 전달자(DNA와 RNA)의 차이점'에 대한 교과서 내용을 바꿀 것이다"라고 듀크 대학교의 보도자료는 언급했다(http://today.duke.edu/2016/08/dynamicdna).

알-하시미가 이끄는 연구진은 RNA와 DNA를 이용하여 이중나선 구조를 만들어 봄으로써 이상과 같은 내용을 이해할 수 있었다. 또한 고급 영상화 기법을 이용하여 염기쌍의 결합을 관찰했다. 관찰 결과, DNA 염기의 약 1%가 언제나 후그스틴 염기쌍으로 변하지만, RNA의 경우에는 그런 현상이 나타나지 않는 것으로 확인되었다.

연구진은 모든 조건 하에서 RNA 이중나선 구조를 테스트해 봤지만, 그중에서 후그스틴 염기쌍으로 변하는 것은 아무 것도 없었다. RNA를 강제로 후그스틴 염기쌍으로 만들어 봤더니, RNA 가닥은 곧 망가지는 것으로 나타났다. "이는 RNA 이중나선 구조가 DNA 이중나선 구조보다 더 빽빽하기 때문이다. 하나의 염기가 방향을 바꾸려면 다른 염기를 건드리거나 원자들을 이동시켜, 전체 구조가 갈가리 찢어진다"라고 연구진은 설명했다.

"간단하고 아름다운 DNA 이중나선 구조에는 놀랄 만큼 복잡한 구조가 숨어 있고, 완전히 새로운 층(layer)과 차원(dimension)이 존재하지만, 우리는 지금껏 마땅한 도구가 없어서 그것을 들여다볼 수 없었다"라고 알-하시미는 말했다. “'DNA가 RNA를 제치고 생명의 청사진이 된 것은, DNA가 매우 유연하기 때문이다'라는 가설을 검증하려면, 좀 더 많은 후속연구가 필요하다. 이번 연구결과가 검증된다면, 지구상의 생명체들이 DNA 이중나선 구조를 보유하는 쪽으로 진화한 이유를 이해하는 데 도움이 될 것이다"라고 그는 덧붙였다.

왓슨과 크릭이 DNA 나선구조를 발견한 지 60여 년이 지났지만, '우리를 오늘날의 모습으로 만들어준 분자'에서 아직도 새로운 사실을 발견할 수 있다니, 참으로 멋진 일이다. 이번 연구결과는 8월 1일 《Nature Structural & Molecular Biology》에 실렸다.

※ 출처: http://www.sciencealert.com/scientists-think-they-finally-know-why-our-genes-are-made-of-dna-not-rna

※ 원문정보:
1. Huiqing Zhou, Hashim M. Al-Hashimi et al., "m1A and m1G Potently Disrupt A-RNA Structure Due to the Intrinsic Instability of Hoogsteen Base Pairs,” Nature Structural and Molecular Biology, Aug. 1, 2016 (http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/full/nsmb.3270.html)

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