유전 물질의 실험적 증거(2-1) - 세균의 형질 전환 실험

◎ 유전 물질의 실험적 증거

1940년대에 과학자들의 노력으로 염색체를 분석한 결과, 염색체가 단백질과 DNA로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 유전 물질은 DNA와 단백질 중 어느 하나이거나, 아니면 두 물질의 복합체로 존재할 것이라고 추측할 수 있었습니다. 그리고 많은 과학자들은 생물의 형질이 매우 다양하다는 사실 때문에 형질을 결정하는 유전자도 다양한 모습으로 존재해야 한다고 믿었습니다. 이런 사실들을 종합해 본 결과, 유전 물질은 다양한 구조를 가질 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 유전 물질의 정체를 밝힌 실험에는 세균의 형질 전환 실험과 박테리오파지의 증식 실험이 있습니다.

▶ 세균의 형질 전환 실험

DNA가 유전 물질일 수 있다는 가능성은 1928년 폐렴 쌍구균을 이용한 그리피스의 실험에 의해 처음으로 제기되었습니다.

폐렴 쌍구균은 폐렴을 일으키는 병원성 세균으로, S형균과 R형균의 두 종류가 있습니다. S형균은 피막으로 둘러싸여 있어 표면이 매끄러워 보이므로 Smooth(매끄러운)의 첫 글자인 S를 따서 S형균이라고 합니다. 반면에 R형균은 돌연변이로 인해 피막을 형성하지 못하여 울퉁불퉁(Tough)하고, 쥐의 체내 면역 세포의 식균 작용에 의해 쉽게 제거되므로 병원성을 나타내지 않습니다.

① 실험 과정 및 결과

⓵ 살이 있는 S형균을 쥐에게 주사하였더니 쥐가 죽었다.

⓶ 살아 있는 R형균을 쥐에게 주사하였더니 쥐가 죽지 않았다.

⓷ 살아 있는 S형균을 가열한 후 쥐에게 주사하였더니 쥐가 죽지 않았다.

⓸ 살아 있는 R형균에 가열한 S형균을 혼합한 후 쥐에게 주사하였더니 쥐가 죽었으며, 죽은 쥐 속에서 살아 있는 S형균을 발견할 수 있었다.

 

② 결론

죽은 S형균에서 나온 어떤 물질이 살이 있는 R형균을 S형균으로 형질 전환시켰다. 그러나 형질 전환에 관여하는 것이 무엇인지는 알지 못했다.

 

그리피스는 이와 같은 실험을 통해 R형균이 죽은 S형균의 어떤 물질을 받아 유전적으로 형질 전환되어 S형균이 되었다고 생각했습니다. 그러나 그리피스는 형질 전환을 일으키는 물질이 무엇인지는 밝혀내지 못하고 1941년에 세상을 떠나고 맙니다.

결국 그가 남긴 숙제는 1944년 에이버리와 그의 동료들에 손에 넘겨졌습니다. 그들은 그리피스가 알아내지 못한, 형질 전환을 일으키는 물질의 본질을 밝히기 위한 실험을 계속하였습니다. 에이버리 등은 S형균의 세포 추출물과 R형균을 함께 배양했을 때 S형 균이 생긴다는 것을 알아내고, S형균의 세포 추출물이 형질 전환을 일으킨다고 생각했습니다. 그들은 이를 계기로 새로운 실험을 설계하게 되었습니다. 그 실험의 과정과 결과는 다음과 같습니다.

① 실험 과정 및 결과

가열 살균하여 죽은 S형균을 부순 다음 세포 추출물을 단백질 분해 효소, 탄수화물 분해 효소, 지질 분해 효소, DNA 분해 효소, RNA 분해 효소로 각각 처리한 후, R형균과 섞어 쥐에 주사하였더니 DNA 분해 효소로 처리한 추출물이 주입된 쥐만 살아남았다.

 

② 결론

죽은 S형균의 DNA가 R형균으로 들어가 R형균을 S형균으로 형질 전환시켰다.

 

그럼 에이버리는 위 실험의 결과로 형질 전환을 일으키는 물질이 DNA라는 것을 어떻게 추론할 수 있었을까요? 단백질 분해 효소, 탄수화물 분해 효소, 지질 분해 효소, DNA 분해효소, RNA 분해 효소는 각각 단백질, 탄수화물, 지질, DNA, RNA를 분해합니다. 그러므로 각 효소를 처리한 배지에는 그 효소가 분해할 수 있는 물질은 제거됩니다. 실험 결과, DNA 분해 효소를 처리한 배지에서 형질 전환된 폐렴 쌍구균이 발견되지 않았으므로, 에이버리는 R형균을 S형균으로 형질 전환시키는 물질이 DNA라는 것을 추론할 수 있었습니다.

이와 같은 실험 결과를 통해 형질 전환을 일으키는 물질이 DNA라고 결론지었는데, 그럼 형질 전환되는 것과 유전 물질은 어떤 관계가 있을까요? 형질 전환이라는 말은 한 생물체가 어떤 생물체로부터 새로운 유전자를 얻어 그 유전자를 발현시켜 새로운 물질을 만들어내는 것을 말합니다. 이처럼 형질 전환은 유전 물질이 옮겨가는 과정이므로, 형질 전환 물질의 본질을 알면 유전 물질의 본질을 알 수 있게 됩니다.