DNA

4일 전
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DNA의 정의

DNA(Deoxyribo nucleic acid)은 모든 생물에서 세대 간 유전 정보를 전달하는 분자로, 세포 내에서 단백질을 만드는 데 필요한 정보를 담은 ‘설명서’ 역할을 합니다. DNA는 두 가닥이 꼬여 있는 이중 나선(double helix) 구조를 가지며, 각 가닥은 당과 인산이 반복되는 뼈대로 이루어져 있습니다.

이 두 가닥은 네 종류의 염기(아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 사이토신(C))가 서로 짝을 이루어 연결됩니다. 아데닌은 항상 티민과, 구아닌은 항상 사이토신과 짝을 이루어 사다리의 ‘계단’처럼 서로 마주보고 결합합니다. 이러한 염기쌍 배열이 바로 유전 정보를 담은 ‘코드’이며, 이 코드의 순서에 따라 세포는 다양한 단백질을 합성합니다.

DNA 연구의 역사

1. 유전의 기초와 DNA의 발견 (1860년대 ~ 1940년대)

초기 연구는 "형질이 어떻게 전달되는가"라는 질문에서 시작하여, 그 실체가 DNA라는 분자임을 밝혀내는 과정이었습니다.

그레고르 멘델 (1865년): 완두콩 실험을 통해 유전 법칙을 발견하며 현대 유전학의 기초를 닦았습니다.
프리드리히 미셔 (1869년): 세포핵에서 '뉴클레인(Nuclein)'이라 불리는 물질을 처음으로 분리했는데, 이것이 훗날 DNA로 밝혀졌습니다.
에이버리, 매클라우드, 매카티 (1944년): 그리피스의 형질 전환 실험을 발전시켜, 유전 정보를 전달하는 물질이 단백질이 아닌 DNA임을 입증했습니다.

2. 이중 나선 구조의 규명 (1950년대)

DNA의 입체 구조가 밝혀지면서 유전 정보가 어떻게 복제되고 저장되는지 이해하게 되었습니다.

로잘린드 프랭클린 (1952년): X선 회절 사진(사진 51호)을 촬영하여 DNA의 나선 구조에 대한 결정적 증거를 확보했습니다.
왓슨과 크릭 (1953년): 프랭클린의 데이터와 샤가프의 법칙(A=T, G=C)을 종합하여 DNA 이중 나선 모델을 발표했습니다. 이 공로로 1962년 노벨 생리·의학상을 수상했습니다.

3. 유전 암호 해독과 염기서열 분석 (1960년대 ~ 1980년대)

DNA 정보를 읽고 복제하는 기술이 비약적으로 발전한 시기입니다.

니런버그와 코라나 (1960년대): DNA의 염기 3개가 하나의 아미노산을 지정한다는 '유전 암호(Codon)'를 완전히 해독했습니다.
프레데릭 생어 (1977년): DNA 염기서열을 읽을 수 있는 생어 시퀀싱(Sanger Sequencing)법을 개발하여 유전체 연구의 길을 열었습니다.
캐리 멀리스 (1983년): DNA의 특정 부분을 수백만 배로 증폭할 수 있는 PCR(중합효소 연쇄반응) 기술을 발명했습니다. 이는 현대 분자생물학의 가장 중요한 도구가 되었습니다.

4. 게놈 프로젝트와 유전자 편집 (1990년대 ~ 현재)

이제 인류는 유전체 전체를 읽는 것을 넘어 직접 교정하는 단계에 도달했습니다.

인간 게놈 프로젝트 (1990~2003년): 인류 최대의 과학 프로젝트 중 하나로, 인간 DNA의 약 30억 개 염기서열 전체를 해독 완료했습니다.
차세대 염기서열 분석 (NGS): 2000년대 중반부터 기존 생어 방식보다 훨씬 빠르고 저렴하게 유전체를 분석하는 기술이 보편화되었습니다.
크리스퍼 유전자 가위 (CRISPR-Cas9, 2012년~): 특정 유전자를 정밀하게 잘라내고 교정할 수 있는 기술이 개발되어 질병 치료와 육종 분야에 혁명을 일으키고 있습니다.

DNA의 상세 구조

1. 기본 단위: 뉴클레오타이드 (Nucleotide)

DNA는 수많은 뉴클레오타이드가 사슬처럼 연결된 폴리뉴클레오타이드입니다. 하나의 뉴클레오타이드는 다음의 세 가지 성분으로 구성됩니다.

인산 (Phosphate group): DNA 사슬의 골격을 형성하며 음전하를 띱니다.
당 (Deoxyribose): 5개의 탄소로 이루어진 오탄당입니다. RNA의 리보스와 달리 2번 탄소에 산소가 없는 것이 특징입니다.
염기 (Nitrogenous Base): 실제 유전 정보를 담고 있는 핵심 부분입니다.

2. 4종류의 염기와 상보적 결합

DNA에는 네 가지 종류의 염기가 있으며, 이들은 항상 정해진 짝과만 결합하는 상보적 결합 원리를 따릅니다.

분류	염기 종류	상보적 짝궁	결합 방식
퓨린 (Purine)	아데닌(A), 구아닌(G)	A-T / G-C	수소 결합
피리미딘 (Pyrimidine)	티민(T), 사이토신(C)	T-A / C-G	수소 결합

수소 결합의 차이: A와 T 사이에는 2중 수소 결합이, G와 C 사이에는 더 강력한 3중 수소 결합이 형성됩니다. 이 결합 덕분에 두 사슬이 안정적으로 붙어 있을 수 있습니다.

3. 이중 나선 구조의 특징

1953년 왓슨과 크릭이 밝혀낸 이 구조는 다음과 같은 물리적 특성을 가집니다.

역평행 구조 (Antiparallel): 두 개의 가닥은 서로 반대 방향으로 달립니다. 한 가닥이 $5' \rightarrow 3'$ 방향이라면, 맞은편 가닥은 $3' \rightarrow 5'$ 방향입니다.
당-인산 골격 (Sugar-Phosphate Backbone): 당과 인산이 바깥쪽에서 단단한 뼈대를 형성하여 안쪽의 염기를 보호합니다.
주홈(Major groove)과 부홈(Minor groove): 나선이 꼬이면서 생기는 홈들은 단백질이 DNA의 특정 염기서열을 인식하고 결합하는 통로 역할을 합니다.

4. 구조적 안정성

DNA의 나선 구조는 단순히 예쁜 모양이 아니라 생존을 위한 선택입니다.

염기들이 안쪽으로 소수성 결합을 하며 쌓여 있어 수용액 상태에서도 매우 안정적입니다.
이중 가닥이기 때문에 한쪽 가닥이 손상되어도 반대쪽 가닥의 정보를 바탕으로 완벽하게 복구(Repair)가 가능합니다.

마치며

인간을 포함한 모든 생물은 DNA를 가지고 있으며, 인간의 경우 DNA는 23쌍의 염색체 속에 조직되어 있습니다. 염색체 안에는 수만 개의 유전자가 존재하는데, 각 유전자는 하나 이상의 단백질을 만드는 데 필요한 정보를 담고 있습니다. DNA는 핵 내에 대부분 존재하지만, 미토콘드리아에도 소량의 DNA가 들어 있어 세포 호흡을 담당하는 단백질을 만들 때 사용됩니다.

DNA는 복제 능력을 가지고 있어 세포가 분열할 때 동일한 유전 정보를 정확히 복사하여 자손 세포에 전달합니다. 또한 DNA의 염기 서열은 전사(transcription) 과정을 거쳐 RNA로 옮겨지고, 이어지는 번역(translation) 과정을 통해 아미노산 서열이 만들어지며 단백질이 합성됩니다. 이렇게 DNA가 가진 유전 정보는 세포의 구조와 기능, 그리고 생물의 형질을 결정하는 기본 토대가 됩니다.

결과적으로 DNA는 유전적 다양성과 생명의 연속성을 가능하게 하는 핵심 분자입니다. 이중 나선 구조와 염기쌍 규칙이라는 간단한 원리가 복잡한 생명체를 만들어내는 기반이 된다는 점에서, DNA는 현대 생명과학과 생명공학에서 가장 중요한 개념으로 다뤄집니다.

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