인체의 원리

인체는 약 10조 개의 세포로 구성되어 있다. 생식에서부터 감염, 부러진 뼈를 고치는 것까지 모든 것이 세포 수준에서 일어난다. 미시적인 수준에서, 우리는 모두 세포로 구성되어 있다. 거울 속의 자신을 본다면, 여러분이 보는 것은 약 10조개의 세포가 200개의 차이점 유형으로 나뉜 것이다. 우리의 근육은 근육 세포로 이루어져 있고, 간 세포의 간이며, 심지어 우리 치아에 에나멜을 만들거나 눈에 선명한 렌즈를 만드는 매우 전문화된 종류의 세포들도 있다. 몸이 어떻게 작용하는지 이해하려면 세포를 이해해야 한다. 생식에서부터 감염, 부러진 뼈를 고치는 것까지 모든 것이 세포 수준에서 일어난다. 생명공학과 유전공학 같은 새로운 분야를 이해하려면 세포도 이해해야 한다. 논문이나 과학잡지를 읽는 사람이라면 요즘 유전자가 빅 뉴스라는 것을 알고 있다. 과학과 유전학은 의학, 농업, 그리고 심지어 법체계까지 빠르게 변화시키고 있다. 이 글에서는, 세포가 어떻게 작용하는지 완전히 이해하기 위해 분자 수준까지 파고들 것이다. 우리는 가능한 한 가장 간단한 세포인 박테리아 세포를 살펴볼 것이다. 박테리아가 어떻게 작용하는지를 이해함으로써, 여러분은 몸 안에 있는 모든 세포의 기본 메커니즘을 이해할 수 있다. 이것은 매우 개인적인 성격과 그것이 이러한 뉴스 기사들을 훨씬 더 명확하고 이해하기 쉽게 만든다는 사실 때문에 매력적인 주제다. 또한 세포가 어떻게 작용하는지 이해하면 다음과 같은 다른 관련 질문에 대답할 수 있을 것이다. 바이러스란 무엇이며 분자 수준에서 어떻게 작용할까? 항생제란 무엇이며 항생제는 어떻게 작용할까? 왜 항생제는 정상 세포를 죽이지 않는 걸까? 비타민은 무엇이며, 왜 우리는 그것들을 매일 먹어야 할까? 독은 어떻게 작용할까? 적어도 세포 수준에서 살아 있다는 것은 무엇을 의미할까? 이 모든 질문들은 세포가 어떻게 작용하는지 이해하게 되면 분명한 해답을 가지고 있다. 여러분의 몸은 약 10조 개의 세포로 이루어져 있다. 인간의 가장 큰 세포는 사람의 머리카락 직경 정도지만, 대부분의 인간 세포는 더 작다. 아마도 사람의 머리카락 직경의 10분의 1 정도일 것이다. 지금 네 머리칼을 손가락으로 훑어보고 한 가닥을 봐. 그것은 매우 두껍지 않다. 직경이 100미크론 정도이다. 마이크론은 100만분의 1m이므로 100미크론은 1mm의 10분의 1이다. 일반적인 인간 세포는 머리카락 직경의 10분의 1(10미크론)일 수 있다. 여러분의 작은 발가락을 내려다 보십시오. 여러분이 얼마나 큰지에 따라 20억, 30억개의 세포가 될 수도 있습니다, 집 전체가 아기 완두콩으로 가득 찬다고 상상해보라. 만약 그 집이 너의 작은 발가락이라면, 완두콩은 세포다. 박테리아는 오늘날 존재하는 가장 단순한 세포에 관한 것이다. 박테리아는 하나의 자급자족하며 살아있는 세포다. 대장균 박테리아(또는 대장균 박테리아)는 전형적으로 인간 세포의 100분의 1 정도 크기(아마도 길이 1미크론, 폭 10분의 1미크론)이므로 현미경 없이는 보이지 않는다. 감염되면 박테리아는 큰 배 옆에 있는 작은 노 젓는 보트처럼 큰 세포 주위를 헤엄치고 있다. 박테리아는 인간 세포보다 훨씬 간단하다. 박테리아는 세포막이라고 불리는 바깥 포장지로 이루어져 있으며, 막 안에는 세포질이라고 불리는 물기가 있다. 세포질은 70%의 물일 수 있다. 나머지 30%는 아미노산, 포도당 분자, ATP와 같은 작은 분자와 함께 세포가 제조한 효소라고 불리는 단백질로 채워진다. 세포의 중심에는 DNA의 공(줄의 추가 공과 유사함)이 있다. 만약 이것을 하나의 긴 가닥으로 늘린다면, 박테리아에 비해 약 1000배 더 길어질 것이다. 대장균 박테리아는 독특한 캡슐 모양을 가지고 있다. 세포의 바깥 부분은 세포막으로, 여기 주황색으로 표시되어 있다. 대장균에서는 실제로 세포를 보호하는 두 개의 밀접하게 간격을 두고 있는 막이 있다. 막 안에는 수백만 개의 효소, 당류, ATP, 그리고 물에 자유롭게 떠다니는 다른 분자로 이루어진 세포질이 있다. 세포의 중심에는 DNA가 있다. 이것들은 끈으로 뭉쳐진 공과 같다. 박테리아에 있는 세포에 대한 보호는 없다. -- 첨가된 공은 세포질에서 대략 세포질 중앙으로 떠다닌다. 세포의 바깥쪽에는 플라겔라라고 불리는 긴 가닥이 붙어 있는데, 이것은 세포를 움직이게 한다. 모든 박테리아가 플라겔라를 가지고 있는 것은 아니며, 정자 세포 외에 어떤 인간 세포도 플라겔라를 가지고 있지 않다. 인간의 세포는 박테리아보다 훨씬 더 복잡하다. 그것들은 세포를 보호하기 위한 특별한 핵막, 미토콘드리아나 골지 몸체와 같은 추가적인 막과 구조, 그리고 다른 다양한 진보된 특징들을 포함하고 있다. 그러나 근본적인 과정은 박테리아와 인간 세포에서도 같기 때문에 박테리아부터 시작하겠다. 어느 순간, 어떤 세포 안에서 행해지고 있는 모든 작업은 효소에 의해 행해지고 있다. 효소를 이해한다면 세포를 이해하게 된다. 대장균과 같은 박테리아는 주어진 시간에 세포질 내에 떠다니는 약 1,000종의 효소를 가지고 있다. 효소는 아주 흥미로운 성질을 가지고 있어서 작은 화학 반응 기계를 만든다. 세포에 있는 효소의 목적은 세포가 화학 반응을 매우 빨리 수행하도록 하는 것이다. 이러한 반응은 세포가 필요에 따라 사물을 만들거나 분해할 수 있게 해준다. 이것이 세포가 자라고 번식하는 방법이다. 가장 기본적인 수준에서, 세포는 효소에 의해 가능하게 되는 화학 반응들로 가득 찬 정말 작은 가방이다.

효소

효소는 아미노산으로 만들어지며 단백질이다. 효소가 형성되면 100~1000개의 아미노산을 매우 구체적이고 독특한 순서로 끈으로 묶어 만든다. 그리고 나서 아미노산의 체인은 독특한 모양으로 접힌다. 그 모양은 효소가 특정한 화학적 반응을 수행하도록 한다. 효소는 특정한 화학적 반응을 위한 매우 효율적인 촉매 역할을 한다. 효소는 반응속도를 엄청나게 높인다. 예를 들어, 설탕 말토스는 두 개의 포도당 분자가 결합되어 만들어진다. 말타아제 효소는 결합을 깨뜨리고 두 포도당 조각을 자유롭게 할 수 있는 방식으로 형성된다. 말타아제가 할 수 있는 유일한 것은 말토스 분자를 분해하는 것이지만, 그것은 매우 빠르고 효율적으로 그것을 할 수 있다. 다른 종류의 효소는 원자와 분자를 결합시킬 수 있다. 분자를 분해하고 분자를 합치는 것이 효소가 하는 일이고, 세포가 제대로 작동하도록 하기 위해 필요한 각각의 화학 반응에 대한 특정한 효소가 있다. 말토스는 두 개의 포도당 분자가 서로 결합하여 만들어진다. 말타아제 효소는 말토오스 분자를 수용하여 결합을 깨뜨릴 수 있는 완벽한 형태의 단백질이다. 두 개의 포도당 분자가 방출된다. 단일 말타아제 효소는 초당 1000개의 말토오스 결합을 초과해 깨질 수 있으며, 말토오스 분자만 수용하게 된다. 말토스는 두 개의 포도당 분자가 서로 결합하여 만들어진다. 말타아제 효소는 말토오스 분자를 수용하여 결합을 깨뜨릴 수 있는 완벽한 형태의 단백질이다. 두 개의 포도당 분자가 방출된다. 단일 말타아제 효소는 초당 1000개의 말토오스 결합을 초과해 깨질 수 있으며, 말토오스 분자만 수용하게 된다. 효소의 기본 작용 위에 있는 도표를 보면 알 수 있다. 몰토오스 분자는 근처에 떠서 몰타아제 효소의 특정 부위에서 포획된다. 효소의 활성 부위는 결합을 깨뜨리고, 그 다음 두 포도당 분자가 떠다닌다. 유당 소화장애가 있는 사람들에 대해 들어봤을 수도 있고, 직접 이 문제를 겪었을 수도 있다. 문제는 유당인 우유 속의 설탕이 포도당 성분으로 분해되지 않기 때문에 발생한다. 따라서 소화할 수 없다. 유당 내성인 사람들의 장세포는 유당을 분해하는 데 필요한 효소인 유당효소를 생산하지 않는다. 이 문제는 인체에 한 가지 효소가 부족하면 어떻게 문제를 일으킬 수 있는지를 보여준다. 유당불내증인 사람은 우유를 마시기 전에 유당효소 한 방울을 삼키면 문제가 해결된다. 많은 효소 결핍은 고치기 쉽지 않다. 박테리아 안에는 약 1,000종의 효소가 있다. 모든 효소는 세포질 속에 자유롭게 떠다니며 그들이 인식하는 화학물질이 떠다니기를 기다린다. 세포에 대한 반응이 얼마나 중요한지, 그리고 그 반응이 얼마나 자주 필요한지에 따라 각각의 다른 유형의 효소에는 수억 또는 수백만 개의 복사본이 있다. 이 효소들은 에너지를 위해 포도당을 분해하는 것에서부터 세포벽을 쌓는 것, 새로운 효소를 만들고 세포가 번식할 수 있게 하는 것까지 모든 것을 한다. 효소는 세포 안의 모든 일을 한다. 단백질은 아미노산의 모든 사슬이다. 아미노산은 어떤 단백질의 구성 요소 역할을 하는 작은 분자다. 지방을 무시하면 체중에 따라 단백질이 약 20% 정도 된다. 그것은 약 60%의 물이다. 몸의 나머지 대부분은 미네랄(예를 들어 뼈의 칼슘)으로 이루어져 있다. 아미노산은 산성인 아미노산과 카르복실을 함유하고 있어 아미노산이라고 불린다. 위의 그림에서 두 개의 아미노산의 화학 구조를 볼 수 있다. 각각의 윗부분이 같다는 것을 알 수 있다. 그것은 모든 아미노산의 사실이다. 하단에 있는 작은 사슬은 한 아미노산에서 다음 아미노산으로 변하는 유일한 것이다. 일부 아미노산에서는 가변 부분이 상당히 클 수 있다. 인간의 몸은 20개의 다른 아미노산으로 구성되어 있다. 자연에는 아마도 100개의 다른 아미노산이 있을 것이다. 당신의 신체에 관한 한 두 가지 다른 종류의 아미노산이 있다. 필수 아미노산과 비필수 아미노산이 있다. 비필수 아미노산은 몸에서 발견되는 다른 화학물질로 인해 몸이 만들어낼 수 있는 아미노산이다. 필수 아미노산은 생성될 수 없으며, 따라서 그것들을 얻는 유일한 방법은 음식을 통해서이다. 우리 식단의 단백질은 동물과 식물성 둘 다에서 나온다. 대부분의 동물 공급원(고기, 우유, 계란)은 "완전한 단백질"이라고 불리는 것을 제공하는데, 이것은 그들이 필수 아미노산을 모두 포함하고 있다는 것을 의미한다. 식물성 공급원은 보통 필수 아미노산이 부족하거나 누락되어 있다. 예를 들어 쌀은 이졸레우신이나 리신에서 낮다. 하지만, 다른 식물성 소스들은 다른 아미노산이 부족해서, 다른 음식들을 결합함으로써 당신은 하루 종일 필수 아미노산을 모두 얻을 수 있다. 어떤 채소원은 단백질을 꽤 많이 함유하고 있다. 견과류, 콩, 콩은 모두 단백질이 풍부하다. 그것들을 결합함으로써 모든 필수 아미노산의 완전한 커버리지를 얻을 수 있다. 소화기관은 모든 단백질을 아미노산으로 분해하여 혈류로 들어갈 수 있게 한다. 그리고 나서 세포들은 아미노산을 효소와 구조 단백질을 형성하는 빌딩 블록으로 사용한다.

효소는 어떻게 작동할까?

박테리아와 인간 세포 안에는 모든 종류의 효소가 작용하고 있고, 그 중 많은 효소들은 믿을 수 없을 정도로 흥미롭다. 세포는 내부적으로 효소를 사용하여 에너지를 성장시키고 재생산하며 생성하며, 세포벽 바깥에서도 효소를 배설하는 경우가 많다. 예를 들어 대장균 박테리아는 음식 분자를 분해하기 위해 효소를 배설하여 세포벽을 통과하여 세포 안으로 들어갈 수 있다. 여러분이 들어본 효소 중 일부는 다음과 같다. 프로테아제는 긴 단백질을 펩타이드라고 불리는 작은 체인으로 분해할 수 있는 모든 효소다. 펩티다제는 펩타이드들을 개별 아미노산으로 분해한다. 프로테아제와 펩티다제는 세탁 세제에서 종종 발견된다. 그것들은 단백질을 분해함으로써 천의 핏자국과 같은 것들을 제거하는데 도움을 준다. 어떤 프로테아제는 매우 전문화된 반면, 다른 것들은 아미노산 체인의 거의 모든 체인을 분해한다. AIDS 바이러스와 싸우는 약물에 사용되는 프로테아제 억제제에 대해 들어보았을 것이다. 에이즈 바이러스는 생식 주기의 일부 동안 매우 전문화된 보호제를 사용하며, 프로테아제 억제제는 바이러스의 번식을 막기 위해 그것들을 차단하려고 한다. 아밀라아제는 녹말 사슬을 작은 설탕 분자로 분해한다. 너의 침에는 아밀라아제가 들어있고 너의 소장도 들어있다. 몰타아제, 락타아제, 수크레이즈(이전 절에서 설명)는 단당을 개별 포도당 분자로 분해하여 마무리한다. 리파제는 지방을 분해한다. 셀룰라제는 셀룰로오스 분자들을 더 간단한 당으로 분해한다. 소와 흰개미의 내장에 있는 박테리아는 셀룰라아제를 배설하는데, 이렇게 해서 소와 흰개미는 풀이나 나무 같은 것을 먹을 수 있게 된다. 박테리아는 세포벽 밖에서 이 효소를 배설한다. 환경 속의 분자는 조각으로 분해되기 때문에(단백질들은 아미노산으로, 녹말은 단당 등으로 분해된다) 세포질 속으로 세포벽을 통과하기에 충분히 작다. 대장균은 이렇게 먹는다. 세포 내부에서는 수백 개의 고도로 전문화된 효소들이 세포가 삶을 영위하는데 필요한 극히 구체적인 임무를 수행한다. 세포 안에서 발견되는 더 놀라운 효소들 중에는 다음과 같은 것들이 있다. 에너지 효소는 10개의 효소로 구성된 세트로 세포가 글리콜리분해를 수행할 수 있게 한다. 또 다른 8개의 효소는 구연산-산소 사이클을 제어한다. 이 두 과정은 세포가 포도당과 산소를 아데노신 3인산염 또는 ATP로 변화시킬 수 있도록 한다. 대장균이나 인간 세포와 같은 산소를 소비하는 세포에서 포도당 분자는 36개의 ATP 분자를 형성한다. 산소 없이 생명을 유지하는 효모세포 같은 것에서는 글리코시스만 발생하고 포도당 분자당 ATP 분자 2개만 생산한다. ATP는 '업힐' 화학반응을 일으켜 효소에 동력을 공급할 수 있는 연료분자다. 많은 박테리아가 제한 효소를 생산할 수 있는데, 제한 효소는 체인의 매우 구체적인 패턴을 인식하고 그러한 패턴에서 그것을 파괴한다. 바이러스가 자신의 세포를 박테리아에 주입하면 제한효소가 바이러스를 인식해 잘라내 번식하기 전에 바이러스를 사실상 파괴한다. 그것의 가닥을 따라 움직이고 이를 수리하는 전문 효소가 있다. 그 가닥을 풀어 번식시킬 수 있는 다른 효소이다. 이 모든 효소는 어딘가에서 나와야 하므로 세포의 효소를 생산하는 효소가 있다. 리보핵산은 세 가지 형태로 이 과정에서 큰 비중을 차지한다. 세포는 정말로 화학 반응의 집합에 지나지 않으며, 효소는 그러한 반응을 적절하게 만들어낸다. 세포막이 온전하고 그것이 제 기능을 하는 데 필요한 모든 효소를 만들고 있는 한, 세포는 살아 있다. 그것이 제대로 기능하는 데 필요한 효소는 세포가 포도당으로부터 에너지를 만들어내고 세포벽을 구성하는 조각들을 구성하고 재생산하며 물론 새로운 효소를 생산하도록 한다. 그렇다면 이 모든 효소들은 어디에서 오는 것일까? 그리고 세포가 필요할 때 그것들을 어떻게 생산할까? 만약 세포가 단지 화학적 반응을 일으키는 효소의 집합체일 뿐 세포가 하는 일을 하게 만드는 것이라면, 어떻게 일련의 화학적 반응들이 그것이 필요로 하는 효소를 만들어낼 수 있으며, 어떻게 세포가 재생산할 수 있을까? 생명의 기적은 어디에서 오는 것일까? 이러한 질문에 대한 답은 디옥시리보핵산 즉 디옥시리보핵산에 있다. 당신은 세포, 염색체, 유전자에 대해 확실히 들어본 적이 있다. 그것은 세포가 새로운 효소를 생산하는데 도움을 준다. 세포 안의 그것은 실제로 뉴클레오티드나 염기라고 불리는 네 개의 다른 부분으로 이루어진 패턴일 뿐이다. 4개의 다른 모양만을 가진 블록 집합이나 4개의 다른 문자만을 가진 알파벳을 상상해 보라. DNA는 긴 줄의 블록이나 글자다. 대장균 세포에서 패턴은 약 400만 블록이다. 만약 여러분이 이 단일 스탠드를 확장한다면, 그것은 1.36mm 길이로, 박테리아 자체가 1,000배 작다는 것을 고려하면 꽤 긴 길이일 것이다. 박테리아에서, 가닥은 끈으로 뭉쳐진 공과 같다. 1,000피트(300미터)의 믿을 수 없을 정도로 얇은 실을 손에 쉽게 넣을 수 있다고 상상해 보아야 한다. 인간의 세포는 약 30억 블록, 즉 대장균보다 거의 1,000배나 길다. 인간의 세포는 너무 길어서 부가적인 접근법이 통하지 않는다. 대신 인간의 세포는 염색체라고 불리는 23개의 구조로 촘촘히 감싸서 더욱 단단하게 포장해 세포 안에 넣는다. 세포의 놀라운 점은 이것이다. 이것은 세포에게 단백질을 만드는 방법을 알려주는 패턴에 지나지 않는다. 그것이 DNA가 하는 전부다. 대장균 세포에 있는 400만 염기들은 대장균 세포가 삶을 살기 위해 필요로 하는 1,000여 개의 효소를 만드는 방법을 세포에 알려준다. 유전자는 단순히 효소를 형성하는 템플릿의 역할을 하는 그것들의 한 부분이다. 이것이 효소로 어떻게 변하는지 전체 과정을 살펴봐서 어떻게 작용하는지 이해할 수 있다.

여러분은 아마도 "이중 힐렉스"라고 불리는 DNA 분자에 대해 들어본 적이 있을 것이다. 이것은 긴 나선형으로 두 줄이 꼬인 것과 같다. 이것들은 4개의 서로 다른 뉴클레오티드로 이루어진 염기쌍으로 모든 세포에서 발견된다. 각 염기쌍은 서로 접합된 두 개의 상호 보완적인 뉴클레오티드로 형성된다. 알파벳의 네 가지 기본은 다음과 같다. 아데닌과 티민은 항상 한 쌍으로 결합하고, 시토신과 구아닌은 한 쌍으로 결합한다. 결합의 염기쌍은 사다리 같은 구조를 형성한다. 본딩은 베이스 사이의 각도에서 발생하기 때문에 전체 구조가 나선형으로 꼬여 있다. 결합의 염기쌍은 사다리 같은 구조를 형성한다. 본딩은 베이스 사이의 각도에서 발생하기 때문에 전체 구조가 나선형으로 꼬여 있다. 대장균 박테리아에서, 이 사다리의 길이는 약 400만 쌍이다. 양쪽 끝이 서로 연결되어 고리를 형성하고, 그 후 고리는 세포 내부에 맞도록 추가된다. 이 반지는 모두 게놈으로 알려져 있으며, 과학자들은 이를 완전히 해독했다. 즉, 과학자들은 대장균의 세포를 형성하는 데 필요한 염기쌍 400만 개를 모두 정확히 알고 있다. 인간 게놈 프로젝트는 일반적인 인간의 세포에서 30억 개 정도의 염기쌍을 모두 찾아내는 과정에 있다. 유전자는 촉진자, 효소와 정지 코돈으로 구성된다. 위에 두 개의 유전자가 보인다. 대장균 박테리아에 있는 긴 가닥은 약 4,000개의 유전자를 암호화하고, 그 유전자들은 언제든지 대장균 세포질에 약 1,000개의 효소를 명시한다. 많은 유전자들이 중복된다. 유전자는 촉진자, 효소와 정지 코돈으로 구성된다. 위에 두 개의 유전자가 보인다. 대장균 박테리아에 있는 긴 가닥은 약 4,000개의 유전자를 암호화하고, 그 유전자들은 언제든지 대장균 세포질에 약 1,000개의 효소를 명시한다. 많은 유전자들이 중복된다. 당신은 이전 절에서 효소가 특정한 순서로 배열된 20개의 다른 아미노산으로부터 형성된다는 것을 기억할 것이다. 따라서 질문은 다음과 같다. 4개의 뉴클레오티드로 이루어진 이것에서 20개의 다른 아미노산을 함유한 효소로 어떻게 갈 것입니까? 이 질문에 대한 두 가지 답이 있다. 리보솜이라고 불리는 극도로 복잡하고 놀라운 효소는 여기에서 생성된 메신저 RNA를 읽고 아미노산 체인으로 변환시킨다. 적절한 아미노산을 선택하기 위해, 리보솜은 20개의 아미노산을 위해 인코딩하기 위해 뉴클레오티드를 세트로 가져간다. 이것이 의미하는 것은 이것의 사슬의 모든 염기쌍이 효소에 있는 하나의 아미노산을 위해 암호화된다는 것이다. 따라서 이가닥에 일렬로 있는 세 개의 뉴클레오티드를 코돈이라고 한다. 왜냐하면 이것들은 4개의 다른 염기들로 구성되어 있고, 코돈에는 3개의 염기들이 있기 때문에, 그리고 4 * 4 * 4 = 64이기 때문에 코돈에는 64개의 가능한 패턴이 있기 때문이다. 20개의 가능한 아미노산만 존재하기 때문에, 이것은 약간의 중복성이 있다는 것을 의미한다. 몇몇 다른 코돈들이 동일한 아미노산을 위해 인코딩할 수 있다. 또 유전자의 끝을 표시하는 정지 코돈도 있다. 그래서 이 가닥에는 아미노산을 특정 효소를 형성하기 위해 명기하는 100~1000개의 코돈(300~3000개의 염기)이 있고, 그 다음에는 체인의 끝을 표시하기 위한 정지 코돈(stop codon)이 있다. 사슬의 시작 부분에는 발기인으로 불리는 베이스의 한 부분이 있다. 따라서 유전자는 촉진자, 특정 효소의 아미노산을 위한 코돈 세트, 그리고 정지 코돈으로 구성된다. 그것이 유전자가 전부다. 효소를 만들기 위해서, 세포는 먼저 여기에 있는 유전자를 메신저 RNA로 옮겨야 한다. 전사는 RNA 중합효소라는 효소에 의해 수행된다. RNA 중합효소는 촉진자의 Strand에 결합하여 두 가닥의  연결을 해제한 다음 Strand 중 하나를 RNA Strand로 보완 복사한다. RNA, 즉 리보핵산은 단일 가닥 상태에서 사는 것이 행복하다는 점을 제외하면 DNA와 매우 비슷하다. 그래서 RNA 중합효소의 일은 여기에 있는 유전자의 복사본을 메신저 RNA의 한 가닥으로 만드는 것이다. 그리고 나서 메신저 RNA의 가닥은 자연에서 가장 놀라운 효소인 리보솜에 떠오른다. 리보솜은 메신저 RNA 가닥에서 첫 번째 코돈을 보고, 그 코돈에 맞는 아미노산을 찾아 잡고, 다음 코돈을 보고, 정확한 아미노산을 찾아 첫 번째 아미노산에 꿰맨 다음 세 번째 코돈을 찾아내는 등 다양한 활동을 한다. 즉 리보솜은 코돈을 읽고 아미노산으로 변환하여 아미노산을 함께 꿰매어 긴 사슬을 형성하는 것이다. 마지막 코돈(정지 코돈)에 이르면 리보솜이 체인을 풀어준다. 아미노산의 긴 사슬은 물론 효소다. 그것은 그것의 독특한 모양으로 접혀지고, 자유롭게 떠다니며 효소가 하는 어떤 반응이든 수행하기 시작한다. 분명히 앞 페이지에 기술된 과정은 간단하지 않다. 리보솜은 큰 분자 기계에 결합된 효소와 리보솜 RNA의 극도로 복잡한 구조다. 리보솜은 ATP에 의해 도움을 받는다. ATP는 리보솜이 메신저 RNA를 따라 걸을 때, 그리고 아미노산을 함께 꿰맬 때 힘을 준다. 또한 20개의 다른 개별 아미노산의 매개체 역할을 하는 20개의 특수 분자의 집합체인 tRNA의 도움을 받는다. 리보솜이 다음 코돈으로 내려가면서, 정확한 아미노산으로 완성된 정확한 tRNA 분자가 제자리에 움직인다. 리보솜은 tRNA에서 아미노산을 분해하여 자라나는 효소의 사슬에 꿰매어 준다. 그런 다음 리보솜은 "빈" tRNA 분자를 배출하여 정확한 유형의 또 다른 아미노산을 얻을 수 있다. 보시다시피, 모든 세포 안에는 세포가 살아있게 하는 다양한 과정이 있다. 세포가 필요로 하는 모든 효소를 규정하는 극도로 길고 매우 정밀한 분자가 있다. RNA 중합효소 효소는 서로 다른 유전자의 시작점에 있는 이것의 가닥에 붙어 있고, 유전자의 세포를 mRNA 분자로 복사하는 것이 있다. mRNA 분자는 리보솜에 떠오르는데, 리보솜은 이 분자를 읽고 그것이 암호화하는 아미노산 줄을 꿰맸다. 일련의 아미노산은 리보솜에서 떨어져 나와 그것의 독특한 모양으로 접혀져 그것의 특정한 반응을 촉진하기 시작한다. 어떤 세포의 세포질은 리보솜, RNA 중합체, tRNA, mRNA 분자와 효소를 가지고 헤엄치고 있으며, 모두 서로 독립적으로 반응을 수행하고 있다. 세포 안의 효소가 활발하고 필요한 효소가 모두 이용 가능한 한 세포는 살아 있다. 흥미로운 사이드 노트: 효모세포 한 다발을 채취해 효소를 배출하기 위해 과식(예를 들어 믹서기에 넣음)하면, 그 결과로 생긴 수프는 살아있는 효모세포가 하는 종류의 일(예를 들어, 설탕에서 이산화탄소와 알코올을 생산함)을 어느 정도 해낸다. 그러나 세포가 더 이상 온전하지 않고 따라서 살아 있지 않기 때문에 새로운 효소가 생산되지 않는다. 결국 기존 효소가 닳아 없어지면서 국물이 반응을 멈춘다. 이때 세포와 국물이 '디디어졌다'는 것이다.

재생산

모든 생물의 특징은 생식 능력이다. 박테리아 번식은 또 다른 효소적 행동일 뿐이다. 중합효소라는 효소는 그 옆에 작용하는 몇 가지 다른 효소와 함께 이것의 가닥을 걸어 내려가 복제한다. 즉, 중합효소는 이중나선을 분열시켜 각각의 두 가닥을 따라 새로운 이중나선을 만들어 낸다. 일단 루프 끝에 도달하면 대장균 세포에 떠 있는 두 개의 분리된 루프 복사본이 있다. 그런 다음 세포벽을 가운데에 고정시키고, 두 개의 고리를 양쪽으로 나누어 스스로 반으로 갈라진다. 적절한 조건 하에서, 대장균 세포는 20분 또는 30분마다 이렇게 갈라질 수 있다. 세포의 성장, 루프 복제, 분열의 효소적 과정은 매우 빠르게 일어난다.

독과 항생제

이제 세포의 생명은 세포질 속에 떠 있는 풍부한 효소 수프에 의존하고 있음을 알 수 있다. 수프의 균형을 좌우로 흐트러뜨려 여러 가지 독이 작용한다. 예를 들어 디프테리아 독소는 세포의 리보솜의 작용을 자극하여 작용하여 리보솜이 mRNA 가닥을 따라 걸을 수 없게 한다. 반면, 데스캡 버섯의 독소는 RNA 중합효소의 작용을 자극하여 DNA 전사를 중단시킨다. 두 경우 모두 새로운 효소의 생산이 중단되고 독소의 영향을 받는 세포는 더 이상 성장하거나 번식할 수 없게 된다. 항생제는 인간의 세포를 손상시키지 않고 그대로 두면서 박테리아 세포를 파괴하는 데 효과가 있는 독이다. 모든 항생제는 인간 세포 안에 있는 효소와 박테리아 안에 있는 효소 사이에 많은 차이가 있다는 사실을 이용한다. 예를 들어, 대장균 리보솜에 영향을 미치지만 인간의 리보솜을 해치지 않는 독소가 발견되면, 효과적인 항생제가 될 수 있다. 스트렙토마이신은 이런 식으로 작용하는 항생제의 예다. 페니실린은 최초의 항생제 중 하나이다. 그것은 세포벽을 쌓는 박테리아의 능력을 약화시킨다. 박테리아 세포벽과 인간 세포벽은 매우 다르기 때문에 페니실린은 특정 종의 박테리아에는 큰 영향을 미치지만 인간 세포에는 영향을 미치지 않는다. 설파제는 박테리아에서 뉴클레오티드의 생성을 관리하는 효소를 불능화시켜 효과가 있지만 사람에서는 효과가 없다. 뉴클레오티드가 없으면 박테리아는 번식할 수 없다. 새로운 항생제에 대한 검색이 효소 수준에서 내려오면서 인간 세포에 영향을 주지 않고 박테리아를 죽이는 데 악용될 수 있는 박테리아 세포의 효소 차이를 사냥하는 것을 볼 수 있다. 어떤 항생제의 불행한 문제는 그것이 시간이 지남에 따라 효과가 없어진다는 것이다. 박테리아는 너무 빨리 번식해서 돌연변이가 일어날 확률이 높다. 당신의 몸에는 항생제가 죽이는 수백만 개의 박테리아가 있을 수 있다. 그러나 그 중 한 개만 항생제에 면역성을 갖게 하는 돌연변이를 가지고 있다면, 그 한 세포는 빠르게 번식을 한 다음 다른 사람에게 퍼질 수 있다. 대부분의 세균성 질병은 이 과정을 통해 자신에게 사용되는 항생제의 일부나 전부에 면역이 되었다.

바이러스

바이러스는 정말 놀랍다. 비록 그들이 살아 있는 것은 아니지만, 바이러스는 살아있는 세포의 기계를 납치함으로써 번식할 수 있다. 바이러스 입자는 DNA나 RNA 한 가닥을 감싼 바이러스성 재킷으로 구성된다. 이 재킷과 짧은 가닥은 박테리아보다 천 배 작은 극소량일 수 있다. 이 재킷은 보통 세포의 바깥쪽에 결합할 수 있는 화학 물질 "피엘러"가 박혀 있다. 일단 도킹하면, 바이러스 세포 안으로 주입되어, 재킷은 세포의 외부에 남겨진다. 가장 간단한 바이러스에서는 DNA나 RNA 가닥이 현재 세포 안에서 자유롭게 떠다니고 있다. RNA 중합효소는 가닥을 필사하고 리보솜은 바이러스가 지정하는 효소를 만들어 낸다. 바이러스가 만들어내는 효소는 새로운 바이러스 재킷과 바이러스의 다른 성분들을 만들어낼 수 있다. 간단한 바이러스에서, 재킷은 복제된 가닥을 중심으로 자가 조립된다. 결국 세포는 새로운 바이러스 입자로 가득 차서 세포가 터져서 입자들이 새로운 세포를 공격할 수 있게 된다. 이 시스템을 이용하면 바이러스가 다른 세포를 번식시켜 감염시킬 수 있는 속도가 놀랍다. 대부분의 경우 면역체계는 항체를 생성하는데, 항체는 바이러스 입자와 결합하여 새로운 세포에 붙는 것을 막는 단백질이다. 면역체계는 또한 바이러스성 재킷으로 장식된 세포를 발견함으로써 감염된 세포를 탐지할 수 있으며, 감염된 세포를 죽일 수도 있다. 바이러스가 살아 있지 않기 때문에 항생제는 바이러스에 아무런 영향을 주지 않는다. 죽일 건 없어! 면역은 바이러스가 번식하기 시작하자마자 올바른 항체를 생산하는 방법을 알 수 있도록 인체에 사전 감염시키는 방식으로 작용한다.

유전병

많은 유전적 질병은 한 사람이 단일 효소의 유전자를 놓치기 때문에 발생한다. 다음은 유전자의 누락으로 인해 야기되는 몇 가지 일반적인 문제들이다. 유당불내증은 유당을 소화하지 못하는 것은 유당효소 유전자가 누락되어 발생한다. 이 유전자가 없으면 유당효소는 장세포에 의해 생성되지 않는다. 알비니즘은 알비노에서 타이로시나아제 효소의 유전자가 빠져서 생기는 유전병이다. 이 효소는 태양탄, 머리카락 색깔, 눈 색깔로 이어지는 색소인 멜라닌의 생성을 위해 필요하다. 티로시나제가 없으면 멜라닌도 없다. 낭포성 섬유증에서는 낭포성 섬유증 트랜스템브레인 전도성 조절기라는 단백질을 제조하는 유전자가 손상된다. 브리태니커 백과사전에 따르면: 낭포성 섬유증 환자의 7번 염색체 유전자에서 발견된 결함(또는 돌연변이)은 아미노산 페닐알라닌이 결핍된 단백질의 생성을 유발한다. 이 결점이 있는 단백질은 어떻게 해서든 폐와 내장을 일렬로 늘어뜨리는 막을 가로질러 소금과 물의 움직임을 왜곡시켜, 이 표면들을 보통 덮는 점액의 탈수 현상을 초래한다. 두껍고 끈적끈적한 점액이 폐에 축적되어 브론치를 꽂고 호흡을 어렵게 한다. 이것은 종종 포도상구균 또는 녹농균과 함께 만성 호흡기 감염을 초래한다. 만성 기침, 재발성 폐렴, 폐 기능의 점진적 상실이 폐질환의 주요 발현으로 낭포성 섬유증을 가진 사람의 사망원인이 가장 많다. 다른 유전질환으로는 타이삭스병(헥소사미나미디제 A 효소의 유전자 손상으로 인해 뇌에 화학물질이 축적되어 파괴된다), 겸상세포빈혈(헤모글로빈을 생성하는 유전자의 부호화 이상), 혈우병(혈액막염인자에 대한 유전자의 부족), 근위축증(g의 결함) 등이 있다. X염색체 에네(ine)). 인간의 게놈에는 약 6만 개의 유전자가 있으며, 그 중 5000개가 넘는 유전자가 손상되거나 없어지면 유전질환으로 이어진다고 알려져 있다. 많은 경우에 한 가지 효소의 손상이 생명을 위협하거나 망가뜨리는 문제로 이어질 수 있다는 것은 놀라운 일이다.

세포로의 전달

분자 복제는 개별 유전자나 세그먼트를 분리, 분석, 합성, 복제할 수 있는 가능성을 가져와서 재조합 세포를 만들어낸다. 격리 및 정화 후 표적 시퀀스는 복제 벡터인 적절한 운반체 분자에 장착해야 한다. 복제 벡터는 유기체 내에서 전이나 전파를 위해 외래 세포가 삽입되는 작은 조각으로 자가 복제 능력이 있다. 벡터의 목적은 복제된 유전자 또는 여전히 재조합된 세포의 복사 수를 증가시킬 필요가 있는 높은 수준의 효율적인 발현을 허용하는 것이다. 복제 횟수를 늘릴 필요가 있다. 이미 재조합된 분자를 갖는 것 외에도, 단일 복사본은 조합되는 분자를 구성하기에 충분하지 않다. 시험관내 조작, 정화 및 대상 세포로의 전달은 한 권의 복사가 불가능하다. 따라서 재조합형 구조는 복사 번호를 증가시키기 위해 전파되어야 한다. 그러한 단편들을 복사하는 편리한 방법은 유기체의 복제 기계를 사용하여 복제 벡터에 기증자 세포를 삽입하는 것이다. 분자 복제의 본질은 제한핵을 사용하여 시작 모집단의 분자를 관리 가능한 크기의 조각으로 잘라낸 다음, 그것들을 독립적인 복제가 가능한 모든 시퀀스인 리피콘에 부착하고, 결과 혼합분자를 적절한 숙주세포로 전달하는 것이다. 세포분열에 의한 증식 허용 왜냐하면, 리티콘은 세포 내부에서 복제될 수 있기 때문에(흔히 높은 복사 번호로), 첨부된 표적 세포도 복제할 수 있기 때문에, 결과적으로 세포 기반 증폭의 형태가 된다. 원칙적으로, 세포 시스템 내부에서 스스로 복제할 수 있는 그것의 분자는 복제 벡터로서 작동할 수 있지만, 작은 크기, 세포간의 이동성, 쉬운 생산과 검출 메커니즘과 같은 많은 요인들이 고려되어야 한다. 특정 애플리케이션에 사용되는 호스트 셀의 유형은 주로 복제 절차의 목적에 따라 달라질 것이다. 이용된 숙주세포는 변형된 박테리아, 곰팡이 세포(예: 효모) 또는 스틸 바이러스로서, 빠른 세포분열을 위한 능력과 주요 벡터 요건에 참석하기 위해 가장 많이 사용되는 박테리아 시스템(예: 대장균)이다. 벡터는 자연적 세포외 재생체 또는 경우에 따라 염색체 재생체에서 발생하는 복제의 기원을 가질 수 있다. 구조 이외에도 벡터에는 표식 유전자와 같이 재조합 세포를 선택할 수 있는 시퀀스가 포함되어야 하며, 3위에는 이것을 삽입할 수 있는 제한 부위가 포함되어야 한다. 복제 벡터의 종류는 플라스미드, 페이즈, 코스메이드, 포마미드, 인공 염색체, 바이러스 벡터, 트랜스포존이다. 이들 각각은 이 절에서 간략하게 설명될 것이다.

플라스미드 벡터

플라스미드는 작은 원형 이중 가닥의 분자로 세포 안에 세포외 단위로 존재한다. 세포에서, 그들은 자가복제, 복사 번호 유지에 대한 능력을 가지고 있다. 복사 번호의 용량 때문에 단일 복사 플라스미드 또는 다중 복사 플라스미드로 분류할 수 있다. 단일복사 플라스미드는 세포당 하나의 플라스미드로 유지되며, 대신 세포당 10-20개의 복사물로 유지되는 다코피 플라스미드는 세포당 하나의 플라스미드로 유지된다. 또 다른 종류의 플라스미드는 복제 제어 완화를 받고 있는 것으로 구성되며, 셀당 최대 1000부까지 누적될 수 있으며, 복제 벡터로 사용된다. 플라스미드 벡터는 박테리아 세포에서 작동하도록 설계되었다. 이러한 벡터에 있는 중요한 특성은 호스트 셀에서 동일한 것을 검출하는 것이다. 보통 검출 메커니즘은 항생제 내성을 통해 이루어진다. 선택된 숙주 세포 변종은 특정 항생제에 민감하며 플라스미드는 이 항생제에 내성을 부여하는 유전자를 포함하도록 설계되었다. 검출에 대한 또 다른 접근방식은 β-갈락토시다아제 유전자 보완을 통한 것으로, 숙주세포는 β-갈락토시다아제 유전자 파편을 포함하는 돌연변이이며 플라스미드 벡터는 동일한 유전자의 다른 파편을 포함하도록 설계된다. 이렇게 하여 변환기능보충이 발생하고 플라스미드를 통합한 숙주세포가 β-갈락토시다아제 생산이 가능하다. 기능 β-갈락토시다아제 활성은 무색의 기질인 Xgal)을 청색 제품으로 변환하여 접근할 수 있다. 두 가지 방법 모두 클론의 선택에 효율적이며, 그 사용은 개인의 선호도에 따라 달라진다. P. K. 굽타에 따르면 플라스미드 개발 복제 벡터의 세 가지 단계가 있었다. 첫 번째는 플라스미드가 박테리아 결합을 통해 유전자를 전달하거나 접근성 감지 시스템이 없는 세균 게놈에 통합될 수 있기 때문에 플라스미드 pSC101, ColE1, pCR1이 자연적으로 발생하며 효율적인 복제에 적합하지 않은 플라스미드 pSC101을 포함했다. 또 다른 단점은 복제에 대한 제한 사이트가 두 곳 이하라는 점이다. 자연적으로 발생하는 플라스미드의 단점은 pBR313과 pBR322로 겹쳤다. pBR313은 그 시퀀스의 50%가 비필수성으로 너무 컸다. 그 크기 감소는 pBR322를 가져왔는데, 이것은 수년 동안 주로 사용되었다. 두 번째 단계는 플라스미드 크기를 줄이는 데 의존하는데, 변환 효율성과 벡터 크기는 비례적인 역 관계를 가지기 때문이다. 따라서 pAT153, pXf3, pBR327 등을 포함한 pBR322의 변형이 나타났다. 이 플라스미드 벡터는 항생제 내성의 선택 메커니즘을 포함한다. 세 번째 단계에는 알파 완성 선택을 위한 시퀀스 통합(위 설명), 단일 Strand M13 페이지의 시퀀스 통합, 시퀀스 템플릿 생산, 그리고 또한 시험관내 전사 또는 다량의 외래 단백질의 발현을 위한 프로모터의 시퀀스 통합이 포함된다. 이 단계에서는 pUC, pGEM, M13과 같은 플라스미드가 개발되었다. 요즘은 애플리케이션 필요에 따라 구매할 수 있는 플라스미드가 상용화되고 있다.

람다 페이지

박테리오파지 람다는 대장균을 감염시키는 박테리아 바이러스다. 복제 벡터로서의 그것의 효용성은 람다 게놈의 모든 것이 그 기능에 필수적인 것은 아니라는 사실에 달려 있다. 람다 게놈은 구조 단백질에 필수적인 유전자를 가진 왼쪽 부위가 있고 오른쪽 부위는 복제와 용해를 위한 유전자를 가지고 있으며, 중간 부위는 비필수인 통합과 재조합을 위한 유전자를 가지고 있다. 람다 벡터에는 삽입 벡터와 교체 벡터의 두 가지 가능한 유형이 있다. 삽입 벡터는 하나 이상의 제한 효소에 대한 하나의 인식 부지만 가지고 있어 람다 게놈에 파편을 삽입할 수 있다. 람다 입자는 37~52kb의 분자를 통합하며, 람다 게놈을 일부 제거하기 위해 더 긴 삽입물을 채택해야 한다. 교체 대상 지역은 중간으로 23kb 이상의 외래 파편을 삽입할 수 있는 지역이다. 이 벡터는 대체 벡터로 알려져 있다. 대체 벡터는 통합과 재결합 기능을 제공하기 위해 도우미 페이지를 사용하는 데 필요한 호스트 세포 염색체에 통합될 수 없다. 반면에, 이 벡터에는 두 개의 제한 사이트가 있는데, 복제 중에 페이징 게놈의 전체 섹션이 교체된다.

M13 페이지

M13은 특정 대장균을 감염시키는 필라멘트성 세균이다. 복제 벡터로서의 당신의 매력 있는 것은 그 게놈에 있는 잠재 벡터에 대한 바람직한 크기를 포함하고 있다; 생식 바이러스 입자가 방출될 때 숙주를 죽이지 않기 때문에 감염된 대장균 세포 배양으로부터 쉽게 준비된다. 게다가, M13은 염기서열 분석과 돌연변이 유발 접근법을 위한 단일 좌초 세포를 만드는 복제 벡터로 사용된다. M13 게놈은 길이가 6407bp인 단일 가닥의 분자다. 이 박테리오파지는 F-필리(결합-능률 세포에서 발견되는 파괴 단백질 첨가제)를 운반하는 박테리아만을 감염시키며, 이는 남성 특유의 것이다. 세포 안으로 들어가면 복제형태로 알려진 이중 가닥 분자로 전환되는데, 이는 게놈 100여 개를 만드는 템플릿이다. 이 시점에서 복제는 비대칭이 되고, 게놈의 단일 가닥 복사본이 생성되어 M13 입자로 압출된다. 숙주세포가 자원을 가져오지 않는 특성은 비감염세포보다 성장과 분열이 느리다.

코스모스

코스미드는 특정 배열, 즉 코스모스 사이트를 위한 것이 삽입되는 플라스미드 입자다. 이러한 벡터 개발의 목표는 큰 조각의 복제이다. 그것들은 람다 벡터 시퀀스와 결합된 플라스미드 시퀀스로 구성되며, 이 두 벡터의 특성을 하나로 결합하려고 한다(포장/감염 메커니즘에 의해 람다 벡터로 전이되고 대장균 세포에 도입되었을 때 플라스미드로 작용한다). 장점은 재조합 분자를 도입하는 매우 효율적인 방법과 최고의 람다 대체 벡터보다 2배 더 큰 복제 용량으로 구성된다. 반면에 페이징 벡터 대신 우주선을 사용함으로써 얻는 이익은 사용이 용이하고 복제된 시퀀스의 추가 처리 측면에서 손실로 상쇄된다. 코스미드 복제 벡터를 사용하는 방법론은 분자를 생성하면서 복제를 위한 분해된 벡터와 대상 세포를 결합하는 데 있다. 아메리카 대륙 분자는 보통 코스미드를 먼저 선형화하여 각각의 끝이 코스미드를 갖게 함으로써 생성된다. 그리고 나서 선형 코스미드를 밤으로 자른다.오버행 시퀀스 GATC로 끈적끈적한 끝을 생성하는 HI. 외래 파편도 Mbol과 함께 소화되는데, Mbol은 또한 GATC 오버행을 발생시킨다. 부분소화로 인해 일부 부위가 절개되지 않고 게놈의 많은 부분이 분리될 수 있다. 이 부분들은 코스미드의 두 반쪽과 혼합되어 리가제를 사용하여 결합된다. 따라서 이러한 분자들은 포장 추출물과 섞여서 페이징 헤드로 포장되어 감염된다. 대장균 세포는 우주체에 감염되고, 감염 후 코스미드는 플라스미드 벡터로 원형화하여 증식한다.

책략가

Phagmids는 플라스미드와 박테리오파지 둘 다의 바람직한 특징을 결합한다. 이 구조는 M13과 같이 필라멘트성 박테리오파지의 한 부분을 가진 플라스미드로 구성되는데, 플라스미드와 페이지는 복제의 두 가지 다른 기원을 가지고 있다. 선택된 페이지 시퀀스에는 페이지 입자로의 복제 및 조립에 필요한 모든 시스 작용 요소가 포함되어 있다. 이러한 벡터는 몇 킬로바이트의 삽입물을 성공적으로 복제할 수 있게 해준다. 대장균에 적합한 변형률 변환 후 재조합 페이징으로 박테리아 세포를 필라멘트 도우미 페이징으로 슈퍼감염시켜 페이징 원점과 페이징을 활성화한다. 플라스미드는 고립된 단일 세포를 생성하는데, 이것은 페이지 입자로 분비된다. 이 입자에는 재조합된 계략과 도우미 페이지가 섞여 있다. 선택은 보통 β-갈락토시다아제 유전자 보완과 항생제 내성에 의해 이루어진다. 페이지는 반대 방향으로 기원을 가진 벡터 쌍을 이용할 수 있으며, 그 결과 두 가닥을 나타내는 하나의 좌초된 분자가 생성된다. 합성을 시작하기 위한 프라이머가 복제 사이트와 인접한 페이그미드의 시퀀스에 특별히 바인딩되도록 설계된 경우, 이 혼합된 단일 가닥 집단은 염기서열에 직접 사용될 수 있다. 우주와 계략 모두 복합 벡터로 특징지어진다.

박테리아 인공염색체

박테리아 인공염색체는 대장균의 기능적 다산성 플라스미드를 기반으로 하는 단일복사 세균 벡터로서, 300~350kb 사이의 매우 긴 조각 삽입을 받아들일 수 있고 토종 게놈의 많은 구조적 특성을 유지할 수 있다. BAC 벡터는 자체 복제를 조절하고 복사번호를 제어하는 유전자를 가진 F인자로 인해 다른 세균계보다 우수하다. 이러한 규제 유전자는 단방향 복제와 parA 및 parB를 매개하는 OriS와 repE이며, 복사 번호를 셀당 1~2개로 유지한다. 복제 부문에는 람다 박테리오파지 cosN과 P1 loxP 사이트; 2개의 복제 사이트가 포함된다. 복제 사이트 옆에는 염색체 보행을 위한 RNA 탐침을 생성하고 벡터-삽입 접합부에 삽입된 세그먼트의 염기서열 분석을 위한 T7 및 SP6 추진기가 있다. CosN 및 loxP 사이트는 복제본을 순서에 따라 배열하기 위해 제한 사이트 매핑에 사용할 수 있는 편리한 엔드 생성 기능을 제공한다. BAC는 대형 삽입물의 유지 외에도 호스트 내 구조적 안정성, 높은 복제 효율성 및 복제된 그것의 손쉬운 조작을 가지고 있어 복잡한 게놈에서 라이브러리를 구축하고 그에 따른 복잡한 게놈 구조의 신속한 분석에 크게 활용되고 있다. 삽입물과의 재조합을 위해 효소 소화 리게아제를 사용한다. 적절한 대장균을 전기수술로 변환하여 진행하였으며, 우선 액체배지에서 부드럽게 흔들린 후 LB판까지 퍼지면서 유능한 세포가 배양된다. 재조합된 세포의 선택은 잡종화 절차에 의해 이루어진다.

동물 바이러스

바이러스 벡터는 그들이 감염시키는 세포 안에서 그들의 게놈을 효율적으로 운반하기 위한 특별한 분자 메커니즘 때문에 유전자 치료를 위해 유전 물질을 세포로 전달하는데 흔히 사용된다. 이 과정은 살아있는 유기체(체내) 내부 또는 세포 배양체(체외)에서 수행될 수 있으며, 변환 유전자를 발현하는 세포의 빈도를 증가시키기 위해 자주 사용된다. 복제에 벡터 바이러스를 처음 사용한 것은 시미안 바이러스 40에 근거한 것으로, 레서스 마카크에서 유래된 다원성 바이러스로서, 배양 중인 많은 종류의 포유류 세포를 감염시키는 강력한 종양 바이러스다. SV40 게놈은 크기가 5.2kb로 바이러스 복제에 관여하는 단백질의 유전자 코딩과 바이러스 캡시드 단백질의 유전자 코딩이 들어 있다. 패킹 제한 때문에 SV40으로 복제하는 것은 기존의 유전자를 외래 파편으로 대체하는 것을 포함한다. 포유류의 유전자 복제에 사용되는 다른 종류의 바이러스는 아데노바이루스, 유피오마비루스, 아데노 관련 바이러스, 헤르페스 심플렉스 바이러스, 포스바이러스, 그리고 최근에는 레트로바이러스가 있다. 아데노비루스는 SV40의 삽입 단점을 해결하기 위해 왔으며, 파편 복제가 최대 8kb까지 가능했다. 반면에, 더 큰 게놈 때문에, 아데노바이러스는 다루기 어렵다. 표현은 일시적일 수 있고 면역 반응으로 인해 체내 전이가 손상될 수 있다. 파필로마비루스는 안정적인 변형 세포 라인이 장점인 삽입 세포에 대한 용량도 높다. 아데노 관련 바이러스는 아데노바이러스에 동시에 감염된 세포에서 발견되는 경우가 많기 때문에 이런 이름이 붙는다. 복제 주기를 완료하기 위해 아데노 관련 바이러스는 이미 아데노바이러스에 의해 합성된 단백질을 사용하며, 이는 도우미 바이러스처럼 작용한다. 도우미 바이러스가 부족하여 아데노 관련 바이러스의 게놈을 숙주로 통합시켰다. 이 벡터의 주요 장점은 유전자 치료와 같이 복제 유전자를 엄격하게 검사할 필요가 있다는 연구에 중요한, 항상 같은 위치에 있는, 정의된 삽입 사이트로 구성되어 있다. 헤르페스바이러스는 감염 인간 바이러스를 단순화 바이러스로서 포함하며, 벡터처럼 가장 많이 사용된다. HSV는 152kb로 감싸진 이중 가닥으로, 더 큰 외래 파편운반, 높은 전도 효율 및 대기 시간 설정 가능성과 같은 장점을 가지고 있다. Pox바이러스 벡터는 코어에 200kb가 있고 최대 25kb o의 외래 파편을 가지고 있는 이중 스트랜드이다. 유전자는 바이러스 게놈에 안정적으로 통합되어 생물학적으로 활성 분자의 효율적인 복제와 발현이 이루어진다. 많은 바이러스가 감염에 의해 숙주세포를 죽이기 때문에 단기 변이 실험 이외의 다른 것이 바람직하다면 특별한 기술이 필요하다. 소에 사마귀가 생기는 BPV는 세포당 약 100개의 분자가 존재하는 다코피 플라스미드의 형태를 취하고 있는 생쥐세포에서 특이한 감염주기를 갖고 있어 특히 매력적이다. 이 감염은 세포의 죽음을 가져오지 않으며, BPV 분자는 유사시 딸 세포로 전달된다. 가장 많이 사용되는 바이러스 벡터는 레트로바이러스로, 외부 세포를 임의의 위치에 삽입하지만 안정성이 매우 높은 변환된 세포에 통합될 수 있는 전염성 바이러스다. 경쟁적이거나 불완전한 복제일 수 있다. 복제 경쟁 바이러스 벡터는 바이러스 합성에 필요한 모든 유전자를 포함하고 있으며, 일단 감염이 일어나면 계속해서 그들 자신을 전파한다. 이러한 벡터는 삽입된 약 8-10 kb를 통합할 수 있어 많은 게놈 시퀀스의 도입을 제한할 수 있다. 이것은 복제 결함이 있는 벡터를 일반적인 선택으로 만들었다. 이 벡터들은 코딩 영역을 다른 유전자로 대체하거나 삭제했다. 이들 바이러스는 목표 세포를 감염시킬 수 있지만 세포 용해와 사망으로 이어지는 전형적인 라이틱 경로를 지속하지 못한다. RNA 형태의 바이러스 게놈은 바이러스가 세포에 들어가 DNA를 생성할 때 역변환되며, 이후 바이러스 통합효소에 의해 임의의 위치에서 게놈에 삽입된다. 현재 프로바이러스로 불리는 벡터는 게놈에 남아 세포가 분열할 때 세포의 자손에게 전해진다. 통합의 현장은 예측할 수 없어 문제가 될 수 있기 때문에, 레트로바이러스 벡터의 주된 단점은 줄기세포가 전도를 위해 적극적으로 분할되어야 하는 요건을 포함하고 있으며, 이는 줄기세포에서 널리 사용되고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 좋은 예로는 렌즈콩 벡터가 있다. 렌티바이러스는 숙주 염색체에 통합되어 분열되지 않는 세포를 감염시키는 기능을 가진 레트로 바이러스들의 하위 집합체다. 렌티바이러스 벡터 시스템에는 인간 바이러스뿐만 아니라 비인간 유래 바이러스(펠린 면역결핍 바이러스, 등거리 전염성 빈혈 바이러스)도 포함될 수 있다. 그리고 안전상의 이유로 렌티바이러스 벡터는 절대로 복제에 필요한 유전자를 지니고 있지 않으며, 야생형 잠재 전염성 바이러스의 발생을 방지한다.

트랜스폰스

트랜스폰스 원소는 직접 절단 및 붙여넣기 메커니즘을 통해 이동하는 반복적인 시퀀스로서 게놈에 존재하는 자연적인 유전적 원소들이다. 이 과정은 분자의 통합을 위해 이전에 인정된 메커니즘과는 무관하며, 시퀀스 호몰로지 없이도 발생한다. 따라서, 그것들은 유전자 변형에서 기능 유전체학, 유전자 치료까지 도구로 사용될 수 있다. 트랜스포존은 이동에 필요한 유전자 부호화 트랜스포세제를 수용하는 단말 역반복반복에 의해 구성된다. 트랜스포존은 세포에서 분리되고 이후 새로운 시퀀스 환경으로의 통합이 수반되는, 전이라고 알려진 "절단과 붙여넣기" 메커니즘을 통해 이동한다. 전이성 벡터의 개발은 플라스미드 시스템에 기초하며, 도우미 플라스미드와 기증자 플라스미드가 있다.

미국인들은 인간, 동물에 대해 어떻게 생각하는가? 남성과 여성, 즉 대부분이 동의하지 않는 것으로 조사 결과 밝혀졌다.유전병으로 죽는 신생아들은 아직도 여전히 많다. 우리는 그들을 구하기 위해 그들의 유전자를 수정해야 할까? 모기는 내년에 50만 명을 죽일지도 모른다. 과학자들이 질병의 확산을 늦추기 위해 벌레를 조작했다면 어떨까? 그리고 구피는 빛나야 할까? 이 문제는 퓨 리서치 센터에서 실시한 조사에서 수천 명의 미국인에게 제기된 질문들 중 하나이다. 이 질문들에 대하여 대중들은 과연 어떻게 생각하고 있을까? 지난 7월 발표된 1차 조사는 인간의 편집과 가공에 대해 조사했다. 2차 질문에서는 다른 동물들의 세포를 수정하는 것에 질문을 던졌다. 이 조사는 미국인들이 유전자 공학에 대한 미래에 대해 엇갈린 의견을 가지고 있다는 것을 보여주고 있다. 대부분의 사람들은 신생아에게 영향을 미칠 유전 질환을 고치거나 동물이 필요로 하는 사람들을 위해 장기를 기를 수 있도록 바꾸는 것과 같은 특정한 건강 증진 변화를 선호한다. 즉 인간에게 이익이 되는 것은 선호하는 편이다. 그러나 스스로 빛을 내는 애완동물이나 더 똑똑한 아기들을 만드는 것은 과학을 너무 오용하는 것이라고 대다수의 응답자가 답변했다. 그 조사는 또한 깊은 인구통계학적으로 많은 차이를 나타낸다는 것을 보여준다. 일반적으로 남성은 여성보다 유전공학을 더 많이 지지하는 편이다. 흑인과 히스패닉 응답자들은 백인들에 비해 유전자 수정에 대해 약간 낮은 지지도를 나타내었다. 그리고 인간을 편집하는 것에 관해 가장 극렬히 반대하는 사람들은 종교인들과 회의론자들이다. 대부분의 남성의 55퍼센트는 영양가 높은 고기를 만드는 것을 선호했다. 10명 중 4명은 필요할 경우 인간 배아에 유전자 편집을 할 수 있다고 답했으며 24%는 아이들을 더 똑똑하게 만드는 데 찬성한다고 답변했다. 반대로 여성은 답변자의 3분의 1만이 메가미트를 원했다. 만약 배아 연구가 필요하다면 4명 중 1명은 인간에게 유전자 편집을 허용할 것이라고 답변했다. 그리고 13퍼센트만이 더 똑똑한 아기들을 허용하는데에 동의했다. 울리 매머드와 같은 멸종된 동물을 부활시키는 것에 대해서는 남성의 41%가 찬성했다. 그러나 여성들은 약 20퍼센트만의 여성들이 좋은 방법이라고 답했다. 일부 과학자들은 멸종된 종을 되살리는 것이 우리의 삶에 대한 이해를 높이고 보존 노력을 향상시킬 수 있다고 주장하고 있지만 이는 과학자들의 의견일 뿐이다.

조사에 차이가 나는 이유

연구에 참여하지 않았던 펜실베이니아대 생명윤리센터의 설립자인 아서 캐플런은 성별의 차이가 부분적으로 문화에 의해 창조된 "기술과 공학 솔루션"에 대한 남성 선호 때문일 수 있다고 생각한다. 동물공학의 특정한 적용에 반대하는 응답자들만이 왜 그들이 하는 방식으로 투표했는지를 물었다. 수족관을 빛나게 하는 것은 가장 선호도가 낮은선택지였다. 반대하는 77%의 응답자 중 절반가량은 자원 낭비라고 생각했고 12%는 자연 섭리에 간섭한다고 믿었으며 8%는 '신의 계획에 대한 반란'이 될 것이기 때문에 반대했다. 변형육을 만드는 데 주저하는 사람들 중, 의도하지 않은 결과에 대한 우려와 부정적인 장기 건강 영향의 가능성이 1위를 차지했다. 동물 대 인간 이식에 대해 속이 메스꺼운 사람들은 동물의 고통과 인간에게 해를 끼칠 수 있는 가능성을 언급했다. 동물에 대한 유전자 수정에 대한 질문에서, 18퍼센트에서 31퍼센트에 이르는 상당수의 응답자들이 그들이 반대표를 던진 이유를 모르거나 말하지 않았다. "아마 그들은 그 생각을 어떻게 표현해야 할지 모를 것이다." 라고 캐플란이 말했다. 캐플런은 생명윤리학 연구에서 "유크인자"라고 불리는 개념을 사용한다. 그것은 인생을 엉망으로 만드는 것이 단지 잘못되었다고 느낄 수 있다는, 말할 수 없는 감각을 포착하기 위한 것이다. 그러면서 그는 "좋은 논쟁은 아니지만 해결해야 할 문제"라고 말했다." 캐플란은 곤충 공학에 대한 지원 수준에 의해 "놀라웠다". 전체 응답자의 70%가 질병 확산을 막기 위해 모기를 개조하는 것에 찬성한다고 답했다. 신생아들의 유전질환을 고치는 것만이 72%의 지지를 얻어 더 높은 투표율을 보였다. 현재 뉴욕대 교수인 캐플런은 유전자 변형이 적절할지에 대한 신뢰가 깊이 뿌리박고 있지 않다는 직감을 갖고 있다. 그는 "나는 '공학적 동물이 장기를 얻는 것을 좋아하지 않는다'고 말하는 것은 한 가지"라고 말했다. "오빠에게 간이 필요하다고 하는 것은 별개의 일인데, 간도 없고. 돼지한테 하나 뺏어오는 것은 어떨까?" 일반 과학 퀴즈에 의해 측정된 "과학 지식이 높은" 응답자들은 유전자 공학을 훨씬 더 지지할 가능성이 높았다. 대부분의 사람들은 장기이식과 더 영양가 있는 육류를 허용하도록 동물을 개조하는 것을 지지한다. 가장 큰 차이점은 신생아에게 영향을 미칠 심각한 유전질환을 바로잡는 것이었다. 과학 시험에서 가장 높은 점수를 받은 과목 중 86%가 찬성했다. 점수가 낮은 사람들 중, 58명만이 그것이 적절하다고 말했다. 그러나 사람들의 응답과는 달리 유전자 조작 동물들은 그들은 이미 현재에 실존하고 있다. 2015년 미국 식품의약국은 더 빨리 자라도록 변형된 대서양 연어를 생산하는데 승인했다. 태평양 치누크 연어와 대양 주둥이의 유전자 파편 두 개 덕분에, 유전자 변형 아쿠어드밴티지 연어는 3년이 아닌 1년 반 만에 출하가 가능한 사이즈에 도달할 수 있다. 물론 이 양식 제품은 아직까지는 전체 연어 시장에서 아주 작은 부분을 차지하고 있다. 과학자들이 DNA를 편집하는 방법에 대한 새로운 진보가 더 변형된 동물의 개발을 가속화하고 있다. 미네소타 생명공학 회사인 재조합 등에서는 정부가 특정 종류의 유전자 편집에 대해 어떻게 평가하는지 재고해 줄 것을 정부에 청원하고 있다. 오래된 기술들은 종종 한 종류의 유기체에서 다른 종류의 유기체로 옮겨야 했다. 이제 더 정확한 도구들은 연구자들이 동물의 게놈 안에서 특정 글자를 삭제하거나 다시 입력하도록 하고 있다. 유전자 재조합은 이런 방식으로 뿔이 없는 젖소를 생산해 왔다. 2016년에 퓨는 미국인들에게 유전자 변형 작물에 대해 어떻게 생각하느냐는 질문으로 조사를 했었다. 조사 대상 성인 중 39%는 유전자 변형 성분의 식품이 GM 작물이 안전하다는 압도적인 과학적 증거에도 불구하고 그것이 덜 건강하다고 생각한다고 말했다. 캐플란은 "특히 몬산토는 GMO의 출시를 망쳤다"고 말했다. 라벨에 저항하고 농약 습관을 바꾼다는 점을 농민들에게 강조함으로써 소비자들은 어둠에 잠겼다고 그는 주장했다. 유전자 조작 모기가 허가되지 않은 유전자 조작 모기가 GMO 작물보다 더 높게 여론 조사를 한다는 사실은 아마도 곤충을 수정하려는 과학자들이 이미 그들의 주장을 뒷받침하는 일을 더 잘 해냈다는 것을 캐플란에게 시사한다. 내 생각에 사람들은 곤충의 유전자를 수정하는 것보다 동물, 그리고 인간의 유전자를 수정할수록 반감이 더욱 강해지는 것 같다. 곤충은 인간과는 거리가 멀기 때문이라고 생각해 그다지 가깝게 느끼지 않지만 그것이 동물이나 인간의 배아가 될 때 자신의 일이 되기 때문에 원초적인 두려움을 느끼는 것이다. 물론 유전자 수정은 좋은 방향으로의 발전을 위해 하는 것이다. 또 그래야만 한다. 하지만 모든 일에는 어두운 면도 발생하는 것이 필연적이다. 유전자 수정을 했을 때 곤충, 동물, 인간, 그리고 생태계에 실제적으로 어떤 영향이 미칠지는 아직 아무도 장담할 수 없다. 그래서 유전자 수정에 대한 문제는 조심스럽게 다뤄져야 한다는 것이다. 과학에는 좋은 목적을 가진 수단으로써의 기술들이 많이 발전해왔다. 하지만 그 이면에는 항상 부작용이나 부정적인 영향을 끼치는 일들이 존재해왔다. 인간의 배아를 수정해 유전병을 치료하는 것은 좋은 일이다. 하지만 그것이 또 다른 건강상의 문제를 일으킬 수 있는 확률도 있다. 또한 유전자를 수정해 태어난 일명 슈퍼 아기가 태어났을 때 유전자를 수정하지 않고 자연적으로 태어난 아이들과의 격차는 사회적 문제로도 이어질 수 있다. 우리는 이것에 대한 충분한 대비가 되어 있을까?

과연 그것은 믿을만한정도입니까?

GE의 지지자들은 한 유기체에서 다른 유기체로 유전자를 옮기는 결과는 구체적이고 정확하며 예측 가능하며 따라서 안전하다고 주장해왔다. 그들은 또한 그것이 유기체의 유전자와 생태계에 관측 가능하거나 예측 가능한 영향만 미칠 것이라고 주장한다. 사실, 과학자들은 단일 서열을 선택된 유기체의 게놈 내의 특정 위치에 정확하게 삽입하는 데 필요한 기술을 아직 완벽히 하지 못했다. 많은 이점이 DNA, 유전자, 게놈에 대한 우리의 증가하는 지식으로부터 왔다. 예를 들면 다음과 같다. 법의학적 검사 및 식별, 유전자 장애 진단, 유전자 활동을 직접 관찰하는 마이크로 어레이 기술, 작물발달을 위한 유전자 선택을 돕는 표지판 등이다. 그러나 유전공학 기술의 많은 측면은 평가와 입법이 필요한 윤리적 문제를 제기한다. 여기 몇 가지 예가 있다. 생명체 특허는 일부 가치 있는 의학 연구를 억제한다. 임상 장애와 관련된 유전적 특징을 확인하는 것은 환자에게 어려운 딜레마를 일으키는 경우가 많다. GE 식품 작물의 항생제 내성 표식 유전자는 일부 항생제가 효과적이지 않게 되는 원인이 될 수 있다. GE 기술을 이용하여 생성되어 환자에게 약으로 투여되는 단백질은 면역체계에 의해 이물질로 식별되어 부작용, 심지어는 죽음까지도 유발할 수 있다. 생물자원의 통제 유지를 위해 종자 살균 기술을 사용하는 것은 농가의 종자 절약에 대한 전통적인 권리를 부정한다. 이는 현명한 농업 관행을 교란시키고 농민들을 다국적 기업의 운명에 취약하게 만든다. 다양한 GE 식품의 일일 섭취 효과에 대한 장기적이고 독립적인 안전성 테스트는 수행되지 않았다. 인간 자원 봉사자들에 대한 연구는 유전자변형 콩을 함유한 단 한 끼의 식사 후에 유전자변형 DNA가 내장의 박테리아로 건너갔다는 것을 증명했다. 이것과 그 기능에 대한 우리의 지식은 아직 원시적이다. 연구소는 실험실 가금의 엄격한 통제 하에 계속되어야 한다. GE는 선택적 사육과 같을까? 아니다. 선택적 사육은 유전자가 대부분 구조와 기능이 유사한 밀접하게 관련된 품종이나 종을 교차하는 것을 포함한다. 원예가들은 두 종류의 장미를 건너서 새로운 품종을 만들 수 있고, 말은 엉덩이로 건너갈 수 있지만, 과학자들은 상추로 쥐를, 감자로는 두꺼비를, 딸기를 가진 물고기는 자연스럽게 건너갈 수 없다. 종래의 번식 기법과 잡종화는 유전공학과는 매우 다른 기술이다. 유전공학은 어떻게 이루어질까? 유전적 기능이 유기체의 어떤 특성과 연관되어 있는 한 부분이 먼저 격리된다. 이것의 일부 기능적 염기서열은 상당히 정밀하게 식별될 수 있다. 격리된 유전자 정보를 새로운 숙주의 게놈에 삽입한다. 이를 위해서는 새로운 숙주의 게놈을 침범해 그 안에 외래 세포서열을 삽입할 수 있는 벡터(Vector)로 이루어진다. 가장 일반적으로 삽입된 염기서열은 대상 세포에서 새로운 유전자의 발현을 장려하는 트랜스젠(선택된 유전자 정보), 마커 유전자(일반적으로 항생제 내성을 부여함) 및 촉진자 염기서열로 구성된다. 대상 세포에 외국 트랜스젠이 발현되면 그 결과 새로운 단백질이 일반적으로 생성된다. 벡터 화물을 표적 게놈에 편입시키는 것은 여전히 뺑소니 과정이다. 유전자는 매우 복잡하고 거의 이해되지 않는 관계에서 작동한다. 새로운 숙주의 어느 지점에서든 변화는 예측할 수 없는 방법으로 게놈 전체의 유전자의 기능에 영향을 미칠 수 있다.

GE 생명공학의 대규모 농업 적용은 충분히 조사되지 않은 우리의 식량 공급에 아무 생각 없이 엄청난 영향을 끼쳤다. 안전성에 대한 주장은 엄격하고 독립적인 과학적 검토를 따르지 않는 의심스러운 가정에 근거한다. 유전자의 기능은 예측할 수 없는 방식으로 어떻게 영향을 받을까? 게놈에 새로운 세포를 삽입하면 다음과 같은 결과가 나올 수 있다. 중요한 유전자를 교란시킨다. 삽입의 뺑소니 과정에서는 확실하게 극복할 수 없다. 인체 식단에 이전에는 존재하지 않았던 알레르기 유발 물질 및 단백질의 생성한다. 또 독성 화학물질의 생성을 유발한다. 화학적 신호 전달 프로세스의 기능을 방해하며 숙주 내 다른 유전자의 기능을 억제하거나 불안정하게 하는 행위를 한다. 왜 우리는 GE 작물에 대해 걱정해야 할까? GE 작물, 특히 세계 농업 자원의 이 새로운 생산 방식으로의 전환에 대해 심각하게 우려하는 근거가 있다. 영국과 캐나다의 왕립 협회, 프랑스 식품안전청, 그리고 전세계 많은 저명한 과학자들과 의료 전문가들은 주의를 촉구했다. 이것들은 걱정거리들이다. 항생제 내성 마커 유전자는 GE 변종 유기체에 일반적으로 통합된다. 이러한 유전자의 추가 증식은 인간과 동물에게 해로운 미생물의 항생제 내성을 강화시킬 수 있다. 새로운 유전자를 세포에 기술하는데 사용되는 벡터는 종종 추가적인 수평적 유전자 전달을 촉진할 수 있는 특징을 가지고 있다. 삽입된 유전자 서열에 의한 그러한 특징의 보유는 불안정을 초래할 수 있으며, 비표적 종으로 후속적인 수평적 유전자 전달의 확률을 높일 수 있다. bt박테리아(바실러스 튜링겐시스)의 유전자로 공학적된 옥수수/마이즈가 식물의 모든 세포에서 bt 살충제를 생산한다. 그러한 독소를 대규모로 섭취했을 때의 역학 효과는 연구되지 않았다. 공학적 유전자는 목표 유기체 내에 남아 있지 않다. 그들은 옥수수/미즈 품종, 카놀라 품종, 유전자 변형 작물과 야생 친척들 사이를 가로지르고 있다. 유입된 유전자는 수평적 유전자 전이라는 과정에서 다른 종으로 전이되는 경우도 있다. 수평유전자전달이란 무엇입니까? 우리는 유전자가 교배되는 품종들 사이에서 자유롭게 움직인다는 것을 안다. 더 드물게 유전자는 한 종에서 다른 종으로, 대개 밀접하게 연관된 종들 사이에서 움직인다. 이러한 비교적 드문 사건은 다른 곳보다 미생물 세계에서 더 자주 발생한다.

이 과정을 HGT 또는 수평 유전자 전이라고 하며, 때로는 횡유전자 전이라고도 한다. 동물, 식물, 미생물과 같이 다른 왕국에서 온 종들 사이의 수평적인 유전자 전달은 진화적인 시간대에 조차 자연에서 극히 드물다. 하지만, 로체스터 대학의 과학자들은 숙주 종의 게놈 안에 살고 있는 박테리아 기생충의 전체 게놈의 복사본을 발견했다. 이는 수평적 유전자 전달이 이전에 믿었던 것보다 박테리아와 다세포 유기체 사이에서 더 자주 일어날 수 있음을 시사한다. 이 기생충은 전 세계 무척추동물의 70%에 해당하는 세포 안에 착상해 그들과 함께 진화해 왔다. 과학자들은 이 기생충인 Wolbachia가 세계에서 가장 번식력이 높은 기생충일 수도 있다고 결론지었다. 그것은 종을 침범하여 결국 숙주의 난자나 정자로 들어간다. 이로써 다음 세대의 숙주로의 통행이 보장되고, 그것과 숙주 사이의 어떤 유전적 교류도 훨씬 더 전승될 가능성이 높다. 앞서 일본 도쿄대 후카츠 연구팀에 의해 딱정벌레에서 월바키아 유전자가 발견됐고, J. 크레이그 벤터 연구소의 한 과학자는 일부 월바키아 유전자가 같은 게놈의 일부인 것처럼 과일파리 드로필라 아나나새의 유전자와 융합된 것처럼 보인다는 증거를 발견했다. 유전공학은 이제 생물권에서 HGT의 주요 원인이 되었다. 유전공학 기술을 이용해 한 숙주에게 소개된 새로운 유전자는 그들이 삽입된 방식 때문에 더 이상 전이되기 쉬울 수 있다.

신의 뜻을 벗어나다.

유전자 변형 식품에 대해 어떻게 생각하십니까? 이것은 매우 열정적인 반응과 많은 논쟁을 불러일으킬 수 있는 질문 중에 한가지이다. 어떤 사람들은 그것이 세계의 많은 인구가 겪고 있는 배고픔, 즉 기아의 문제를 종식시킬 수 있다고 주장하고 다른 사람들은 유전자 변형 식품을 이용하는 위험이 너무 크다고 생각한다.

분명한 것은 그것은 강력한 기술이다. 과학자들은 농작물이 더 생산적이거나 더 영양분이 풍부하고 내장에 더 좋은 것을 만들기 위해 다양한 현대 분자 기술을 사용할 수 있다. 농부들은 가뭄이나 염분(샐린) 토양과 같은 가혹한 환경 조건에 더 잘 견딜 수 있는 작물을 재배하거나 농약과 제초제 사용을 줄일 수 있다. 하지만, 잠재적으로 엄청난 혜택에도 불구하고, 일부 사람들은 그것이 인간의 건강이나 환경에 해로울 수 있다고 주장하거나, 윤리적 우려를 지적하면서, 어떤 종류의 유전자 변형에도 강하게 반대하고 있다. 수십 년간의 과학 연구는 이러한 우려에 대응하여 많은 증거를 제공해 왔다. 하지만 유전자 변형을 둘러싼 몇몇 대화를 완전히 파헤치기 전에, 우리는 관련된 것 이면에 숨겨진 근본적인 과학을 이해할 필요가 있다. 대체로 말해서, 유전자 변형은 새로운 것이 아니다. 사람들은 식물, 동물, 미생물의 유전자를 수천 년 동안 변형시켜왔다. 심지어 그들은 'gene'이 무엇인지 알기도 전에 말이다.

초기의 식물과 동물 사육자들은 그들이 원하는 결과를 얻기 위해 선택적 사육과 같은 방법, 즉 더 크고 달콤한 과일이나 충성스럽고 훈련하기 쉬운 개들을 선택했다. 더 큰 열매를 맺는 식물과 더 단 열매를 맺는 식물을 어떻게 더 크고 더 단 열매를 맺는지를 보여주는 간단한 도표 선택적 번식 기술을 사용하여 사람들이 유전학의 과학에 대해 알기 훨씬 전에 원하는 품질로 식물과 가축을 사육했다. 유전자의 과학에 대해 더 많이 알게 되면서, 우리는 기존의 번식 방법에 비해 훨씬 더 정밀하고 지시적인 방법으로 그러한 유전자들을 변화시킬 수 있는 기술을 개발할 수 있게 되었다. '유전자 변형'이라는 용어는 현재 많은 사람들이 일반적으로 이러한 현대 기술과 유전자 변형 유기체와 제품을 개발하는데 있어서의 그들의 역할을 구체적으로 언급하는 것으로 이해되고 있다. 각기 다른 장단점을 가지고 있는 여러 가지 기술과 기술이 사용되어 있기 때문에 아직은 매우 넓은 용어다. 그러나, 그것들은 모두 유기체에서 더 바람직한 특성을 달성하기 위해 특정한 유전자 기능을 추가, 삭제 또는 켜거나 끄는 것을 포함한다. 그렇다면 어떻게 유전자를 바꿀 수 있습니까? 유전자는 단백질을 만드는 지침을 제공하는 DNA의 일부분이며, 이것은 생명체에서 구조를 만들거나 기능을 수행할 수 있다. 모든 유기체는 유사한 성질을 공유하는 유전자를 가지고 있다. 유기체의 유전자 구성을 바꾸기 위해 과학자들은 해충에 대한 저항성 등 한 유기체에서 특정한 기능이나 특성을 생산하는 특정 유전자를 식별한 다음, 그 유전자를 복사하여 격리시켜 다른 유기체로 옮길 수 있다. 만약 성공한다면, 그 유전자는 변형된 동물, 식물 또는 미생물에서 그 기능이나 특성을 만들어낼 것이다. 유전자 변형을 보여주는 간단한 도표가 있다. 우리는 이제 유전자의 작용을 조작하거나 한 유기체로부터 유전자를 복사하여 다른 유기체로 옮길 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 전통적인 선택적 사육법으로, 자식은 양쪽 부모로부터 유전자의 혼합물을 얻는다. 이러한 유전자들은 원하는 형질을 만들어 내는 것을 책임지는 유전자들을 포함할 수도 있지만, 그들은 바람직하지 않은 형질을 만들어 내는 다른 원치 않는 유전자들을 그들과 함께 가져올 수도 있다. 또는 사육자는 원하는 유전자가 전혀 없는 많은 자손을 낳게 될 수도 있다. 뺑소니 칠 수 있는 느린 과정이다. 특정 유전자를 목표로 삼음으로써, 유전자 기술은 무작위 혼합에 의존하는 대신, 과정을 빠르게 할 수 있고 원하지 않는 모든 추가 수화물 없이도 매우 정확한 유전자 전달을 달성할 수 있다. 전통적인 번식 대 유전자 변형 전통적인 식물 번식 방법에 의해 생산된 식물들은 양쪽 부모로부터 유전자의 혼합물을 받는다. 유전자 변형은 혼합물이 아닌 특정한 유전자의 선택을 가능하게 한다. '자연'적인 것입니까? 유전적 변형을 위한 현대적인 기술은 일부 사람들에 의해 부자연스럽고, 따라서 건강하지 않거나 신뢰할 수 없는 것으로 인식될 수 있다. 삽입된 유전자가 우리가 알지 못하는 효과를 가질 수 있을까? 그것이 기존 유전자의 균형을 깨뜨려 식물이 더 많은 양의 자연 독소를 생산하게 하거나 영양 성분을 변화시킬 수 있을까? 현대의 유전자 변형 방법은 더 신중하고 정밀하지만, 수 천년 동안 인간의 개입이 있었든 없었든 간에 발생한 동일한 원리에 기초하여, 우리는 그러한 변화를 더 정확하게 달성하는 방법을 방금 알아냈다. 유전자 변형 유기체에서 어떤 변형 유전자가 독성 또는 알레르기성 단백질을 생성하지 않도록 하기 위한 엄격한 규정도 마련되어 있다. 규제 당국은 생물과 생산물이 상업적 생산을 위해 승인되기 전에 기존 생물과 생산물만큼 안전함을 보장한다. 유전자변형은 강력한 수단이다. 우리는 세계 식량 안보를 증진시킬 수 있고, 식품의 영양적 가치를 향상시킬 수 있으며, 살충제와 제초제를 덜 사용할 수 있고, 질병과 싸우는 새로운 방법을 개발할 수 있다. 물론 유전자변형은 안전하고 효과적으로 사용할 수 있도록 규정이 마련되어 있는 등 세심한 주의를 기울여 사용해야 한다.

이외의 기술

우리의 유목민 조상들이 사용하며 오늘날까지 계속되고 있는 식물 유전자 변형 방법 중 가장 쉬운 것은 단순한 선택이다. 즉, 유전적으로 이질적인 식물 집단을 검사하고, 지속적인 전파를 위해 미각성 및 수율 향상과 같이 가장 원하는 특성을 가진 식물인 "상위" 개인을 선택한다. 다른 것들은 먹히거나 버려진다. 우량식물의 씨앗은 신세대 식물을 생산하기 위해 뿌려지는데, 이들 식물의 전부 또는 대부분은 원하는 특성을 지니고 표현하게 될 것이다. 수년에 걸쳐 이러한 식물이나 그 씨앗을 저장하여 재생시켜, 우월한 식물의 개체수를 늘리고, 우월한 유전자형이 지배하도록 유전자를 이동시킨다. 이 아주 오래된 사육 방법은 현대 기술로 향상되었다. 현대적인 단순 선택 방법의 예는 마커 지원 선택으로, 분자 분석을 사용하여 모집단 내 하나 이상의 특정 병원체에 대한 질병 저항성 등 원하는 특징을 나타낼 가능성이 있는 식물을 검출한다. 마커 지원 선택을 성공적으로 적용하면 "우수한 특성"을 가질 수 있는 후보 개인을 식별하기 위한 더 빠르고 더 효율적인 메커니즘을 사용할 수 있다. 우월한 특성은 식물 기반 식단을 소비하는 길들여진 동물뿐만 아니라 인간에게도 이로운 것으로 여겨지는 것이다. 그것들은 생태학적 또는 진화적 맥락에서 식물에게 반드시 이로운 것은 아니다. 흔히 사육자에게 유익하다고 여겨지는 특성은 환경적 적합성의 관점에서 식물에 해롭다. 예를 들어, 식물에서 불쾌한 화학물질이 줄어들면 인간 소비자들에게 더 매력적일 뿐만 아니라 곤충과 다른 해충들에 의해 더 많은 먹이감을 끌어들여 관리되지 않는 환경에서 생존할 가능성이 낮아질 수 있다. 그 결과 경작된 작물 품종은 농장에서 탈출할 때 야생의 개체수를 거의 확립하지 못한다. 반대로, 식물의 질병에 대한 내성을 강화하는 몇몇 특성들은 인간에게도 해로울 수 있다. 교차 현상은 식물 사육자가 한 식물에서 꽃가루를 채취해 성적으로 양립할 수 있는 식물의 암술에 붓을 꽂아 양친의 유전자를 전달하는 잡종을 만들 때 발생한다. 잡종 자손이 꽃이 피는 성숙기에 이르면 부모로서도 사용할 수 있다. 식물 사육자들은 보통 두 식물의 유용한 특징들을 결합하기를 원한다. 예를 들어, 그들은 저조한 생식력과 씨앗의 수확량, 곤충이나 다른 질병에 대한 감수성, 또는 항염전 신진대사물의 생산과 같은 질병 내성 식물의 바람직하지 않은 유전적 특성을 남기면서, 고수익이지만 질병을 감지할 수 있는 다른 식물에 질병 저항 유전자를 첨가할 수 있다. 교차하는 식물에서 유전자와 형질을 재조합하는 무작위적 특성 때문에, 사육자들은 최소의 바람직하지 않은 특징을 가진 소수의 유용한 특징을 가지고 있는 사람들을 만들고 식별하기 위해 보통 수백 또는 수천의 잡종 조생물을 만들어야 한다. 예를 들어, 대다수의 자손은 원하는 질병 저항성을 보일 수 있지만, 질병에 강한 부모의 원치 않는 유전적 특징도 일부에 존재할 수 있다. 건널목은 여전히 현대식 식물 번식의 주축이지만, 사육자들의 도구 키트에 다른 많은 기술들이 추가되었다. 다양한 수단을 통해 종간 교차가 일어날 수 있다. 경작된 귀리와 그 허름한 상대적 야생 귀리와 같이 밀접하게 연관된 종들은 일반적으로는 그렇지 않지만 유전 정보의 교환을 위해 교차 폴린화 될 수 있다. 한 종의 유전자는 또한 어떤 조건 하에서 자연스럽게 더 먼 친척들의 게놈에 통합될 수 있다. 어떤 식물은 다른 종에서 유래한 유전자를 옮길 수 있는데, 이는 자연과 인간의 개입에 의해 전달된다. 예를 들어, 일반적인 밀 품종은 호밀로부터 유전자를 운반한다. 흔한 감자인 솔라눔 결핵은 S. 아카울 또는 S. 차코엔스와 같은 다른 종의 친척들과 건널 수 있다.

번역이라는 자연적 과정

염색체 공학은 비반복성 디옥시리보핵산 세포유전학적 조작에 주어진 용어로서, 가까운 종이나 먼 종의 염색체 일부가 염색체 번역이라는 자연적 과정을 통해 재조합된다. 시어즈는 해충이나 질병 저항성 등 달리 얻을 수 없는 특성을 농작물 종으로 옮기는 데 귀중한 것으로 증명된 이 과정에 대한 인간의 착취를 선도했다. 그러나, 염색체의 큰 부분을 전이하는 것 또한 다수의 중성적이거나 유해한 유전자를 전달했기 때문에, 이 기법의 효용성은 제한적이었다. 최근의 개선은 식물 사육업자들이 관심 유전자에 더 초점을 맞추면서 전달된 유전 물질을 제한할 수 있게 한다. 그 결과 염색체 공학은 상대적으로 작은 DNA 조각을 전송할 수 있는 능력에서 rDNA 기술과 더욱 경쟁적으로 발전하고 있다. 옥수수, 콩, 쌀, 보리, 감자 등 여러 작물종이 염색체 공학을 이용해 개량되었다. 때때로 종간 유전자 이전을 완료하기 위해서는 인간의 기술적 개입이 필요하다. 어떤 식물들은 교차폴린화 될 것이고 그 결과로 생긴 수정 혼성 배아는 발달하지만 성숙하고 싹을 틔울 수 없다. 현대의 식물 사육자들은 이 문제를 자연적으로 수분시킨 다음 성장을 멈추기 전에 식물 배아를 제거하여 그것이 발달을 완료할 수 있는 조직 문화 환경에 놓음으로써 이 문제를 해결한다. 이러한 배아 구조는이러한 학문으로 간주되지 않으며, 새로운 품종을 직접 도출하는 데 흔히 이용되는 것이 아니라 기증자와 수취인 모두의 중간적이고 부분적으로 양립할 수 있는 친족들을 통해 멀고 성적으로 양립할 수 없는 친척들로부터 유전자를 옮기는 중간 단계로 대신 사용된다. 최근 조직-문화 기술의 발전은 다른 식물 원천의 유전자를 재조합할 수 있는 새로운 기회를 제공했다. 세포융합이라고도 알려진 체성혼합에서는 배양 배지에서 자라는 세포가 보호벽을 벗겨내는데, 보통 펙티나아제, 셀룰라아제, 헤미셀룰라아제 효소를 사용한다. 원생세포라고 불리는 이 벗겨진 세포들은 서로 다른 원천에서 풀링되고, 전기 충격과 같은 다양한 기법의 사용을 통해 서로 융합된다. 두 개의 양성자가 융합하면, 그 결과 체성혼합물은 두 식물원으로부터 나온 유전 물질을 포함한다. 이 방법은 꽃가루에 기초한 혼합에 대한 물리적 장벽을 극복하지만, 기본 염색체 비호환성은 극복하지 못한다. 체성혼합물이 양립가능하고 건강하다면 새로운 세포벽을 키우고, 체성분열을 시작하며, 궁극적으로는 양친의 유전적 특징을 지닌 복합식물로 성장할 수도 있다. 원생성 유착은 쉽게 이루어지지만, 거의 모든 식물(및 동물)이 이 과정에 적합한 세포를 가지고 있기 때문에, 전체 유기체를 재생할 수 있는 것은 상대적으로 적고, 성적인 재생산이 가능한 것은 여전히 적다. 이 비유전공학 기술은 성공적이고 비옥한 잡종들의 결과적인 범위가 다른 종래의 기술을 사용하여 가능한 범위 이상으로 크게 확장되지 않았기 때문에 식물 번식에서는 흔하지 않다. 편백변형은 식물 세포가 체외에서 성장했을 때 발생하는 자발적 돌연변이에 붙여진 이름이다. 여러 해 동안 티스수 문화에서 재생된 식물들은 때때로 새로운 특징을 가지고 있었다. 1980년대에 이르러서야 두 명의 호주 과학자들은 이 현상이 유전적 변동성의 새로운 근원을 제공할 수 있다고 생각했으며, 이 변종 식물들 중 일부는 식물 사육자들에게 가치의 속성을 전달할 수 있을 것이라고 생각했다. 1980년대를 통해 전 세계의 식물 사육자들은 시험관내 식물을 재배하고 다양한 농작물에서 잠재적으로 가치가 있는 변종들의 재생산물을 채점했다. 아마와 같은 여러 농작물의 새로운 품종이 개발되어 상업적으로 출시되었다. 이러한 신품종에 대한 분자 분석은 그 당시 규제자에 의해 요구되지 않았으며, 변형 특성을 추진하는 근본적인 유전적 변화의 성격을 확인하기 위해 개발자들에 의해 수행되지 않았다. 소마클로날 변이는 여전히 일부 사육사들에 의해 사용되지만, 특히 개발도상국에서 이 비유전공학 기술은 예측 가능한 더 많은 이 기술에 의해 대체되어 왔다.

생물을 어디까지 변화시킬 수 있을까?

야광 동물? 공상과학 소설처럼 들릴지 모르지만, 그들은 몇 년 동안 존재해왔다. 전갈 독을 생산하는 배추? 이미 끝난 일이다. 다음에 백신이 필요하면 의사가 바나나만 줄 수도 있다. 이것들과 많은 다른 유전자 변형 유기체들이 오늘날 존재한다. 왜냐하면 그들의 DNA가 완전히 새로운 유전자를 만들기 위해 변형되고 다른 것과 결합되었기 때문이다.

여러분은 그것을 깨닫지 못할지도 모르지만, 이러한 유전자 변형 유기체들 중 많은 것들이 여러분의 일상 생활과 일상 식단의 일부분이다. 2015년 미국 옥수수와 콩의 93%가 유전자 조작 식품으로, 식료품점 진열대 가공식품의 60~70%가 유전자 조작 성분을 함유하고 있는 것으로 추정됐다. 여기 이미 존재하고 있는 가장 이상한 유전자 조작 동식물과 동물들, 그리고 곧 여러분의 길을 찾아올 많은 것들이 있다.

2007년, 한국 과학자들은 고양이A를 어둠 속에서 빛나게 하기 위해 변형시킨 다음, 고양이의 세포를 채취하고 다른 고양이들을 복제하여 솜털이 두껍고 형광색의 고양이들을 만들었다. 그들이 그렇게 한 방법은 다음과 같다. 연구원들은 터키 앙고라 암컷 고양이로부터 피부 세포를 채취하여 붉은 형광 단백질을 만들기 위한 유전자 지침을 삽입하기 위해 바이러스를 사용했다. 그리고 나서 그들은 복제를 위해 유전자 변형 핵물질을 난자에 넣었고, 복제된 배아는 기증된 고양이들에게 다시 이식되어 고양이들이 그들 자신의 복제의 대리모가 되었다. 대만에서의 초기 연구는 형광 녹색으로 빛나는 세 마리의 돼지를 만들었다. 우신치 국립대 동물과학기술연구소 부교수가 돼지 한 마리를 사진에 담았다. 야간조명처럼 두 배가 되는 애완동물을 만드는 이유가 뭘까? 과학자들은 형광 단백질로 동물을 조작하는 능력은 그들이 인간의 유전 질환을 가진 동물을 인공적으로 창조할 수 있게 해줄 것이라고 말한다. Eviropig, 즉 "프랑켄스와인"은 비평가들이 말하듯이, 인을 더 잘 소화시키고 처리하기 위해 유전적으로 변형된 돼지다. 돼지 비료는 인의 일종인 피타이트에 많이 들어 있어 농가들이 비료로 거름을 사용하면 이 화학물질은 분수령으로 들어가 물속의 산소를 고갈시키고 해양생물을 죽이는 해조류 개화를 일으킨다. 그래서 과학자들은 돼지 배아에 대장균 박테리아와 쥐의 세포를 추가했다. 이 수정은 돼지의 인산 생산량을 70%까지 감소시켜 돼지를 환경 친화적으로 만든다. 워싱턴대 과학자들은 지하수 오염물질을 뿌리로 흡수해 오염현장을 정화시킬 수 있는 포플러 나무를 엔지니어링하고 있다. 그리고 나서 그 식물들은 오염물질을 그들의 뿌리, 줄기, 잎에 통합되거나 공기 중으로 방출되는 무해한 부산물로 분해한다. 실험실 시험에서, 유전자 변형 발전소는 미국 슈퍼펀드 현장에서 가장 흔한 지하수 오염물질인 트리클로로에틸렌의 91%를 액체 용액에서 제거할 수 있다. 일반 포플러 식물은 오염물질의 3%만 제거했다. 과학자들은 전갈 꼬리에 독을 프로그램하는 유전자를 채취해 양배추와 결합하는 방법을 찾아냈다. 왜 독이 있는 양배추를 만들려고 했을까? 애벌레가 양배추 작물에 피해를 주는 것을 방지하면서 농약을 제한하기 위해서입니다. 이 유전자 조작 배추는 송충이가 잎을 물 때 송충이들을 죽이는 전갈 독을 만들어낼 것이다. 하지만 독소가 변형되어 사람에게 해롭지 않다. 튼튼하고 유연한 거미줄은 자연에서 가장 귀중한 재료 중 하나이며, 만약 우리가 그것을 상업적인 규모로만 생산할 수 있다면 인공 인대부터 낙하산 끈까지 일련의 제품들을 만드는데 사용될 수 있을 것이다. 2000년에 넥시아 바이오테크놀로지는 우유에서 거미줄 단백질을 생산하는 염소라는 답을 가지고 있다고 발표했다. 연구원들은 거미의 끌줄 실크 유전자를 염소의 세포에 삽입하여 염소가 우유에서만 실크 단백질을 만들 수 있도록 하였다. 이 "실크 우유"는 비오스테엘이라고 불리는 거미줄 같은 물질을 제조하는 데 사용될 수 있다. 아쿠아바운티의 유전자 변형 연어는 기존 품종보다 2배 이상 빨리 자란다. 사진에는 같은 연령의 연어와 유전자 변형 연어 두 마리가 뒤쪽에 있다. 이 회사는 이 물고기가 일반 연어와 같은 맛, 식감, 색, 냄새를 가지고 있다고 말하지만, 이 물고기가 먹어도 안전한지에 대한 논란은 계속되고 있다. 유전공학으로 만들어진 대서양 연어는 치누크 연어의 성장호르몬이 첨가되어 있어 연중 내내 생선이 성장호르몬을 만들어낼 수 있다. 과학자들은 이 호르몬의 "온 스위치" 역할을 하는 바다 입자라고 불리는 뱀장어 모양의 물고기의 유전자를 사용함으로써 이 호르몬을 활성 상태로 유지할 수 있었다. FDA는 2015년 미국에서 연어의 판매를 승인해 유전자 변형 동물이 미국에서 판매 허가를 받은 것은 이번이 처음이다. 플라브르 사브르 토마토는 상업적으로 재배된 최초의 유전자 조작 식품으로 인간의 소비 허가를 받았다. 캘리포니아에 본사를 둔 칼젠은 항이센스 유전자를 첨가함으로써 토마토가 부드러워지고 썩는 것을 막기 위해 토마토의 숙성 과정을 늦추는 한편 토마토가 자연적인 맛과 색을 유지할 수 있도록 해주기를 희망했다. FDA는 1994년 플라브르 사브르를 승인했지만 토마토는 매우 섬세해서 운반이 어려웠으며 1997년까지는 시판되지 않았다. 생산과 배송 문제 외에도 토마토는 매우 싱거운 맛이 나는 것으로 보도되었다: "플라브르 사브르 토마토는 개발된 품종 때문에 그렇게 맛이 좋지 않았다. 코넬 대학의 원예학 교수인 Christ Watkins는 "절약할 맛이 거의 없었다"고 말했다. 사람들은 곧 바나나 한 입만으로 B형 간염이나 콜레라 같은 질병에 대한 예방접종을 받을지도 모른다. 연구자들은 백신 생산을 위해 바나나, 감자, 양상추, 당근, 담배 등을 성공적으로 만들었지만 바나나가 이상적인 생산 및 배송 수단이라고 말한다. 변형된 형태의 바이러스가 바나나 사풀링에 주입되면, 바이러스의 유전 물질은 빠르게 식물 세포의 영구적인 부분이 된다. 그 식물이 자랄 때, 그 식물의 세포는 바이러스 단백질을 생산하지만 바이러스의 감염 부분은 생산하지 않는다. 사람들이 바이러스 단백질이 가득한 유전자 조작 바나나를 한 입 먹을 때, 그들의 면역 체계는 전통적인 백신처럼 질병과 싸우기 위해 항체를 형성한다. 소는 소화과정의 결과로 상당한 양의 메탄을 생산한다 - 그것은 풀과 건초를 포함하는 소의 고세포 식단의 부산물인 박테리아에 의해 생산된다. 메탄은 이산화탄소에 버금가는 온실 효과에 크게 기여하고 있기 때문에 과학자들은 메탄을 적게 생산하는 소를 유전적으로 설계하기 위해 노력해 왔다. 앨버타 대학의 농업 연구 과학자들은 메탄 생산을 담당하는 박테리아를 찾아내고, 보통의 소보다 25% 적은 메탄을 만들어내는 소떼를 설계했다. 나무는 더 빨리 자라고, 더 나은 목재를 생산하고, 심지어 생물학적 공격을 감지하기 위해 유전적으로 변형되고 있다. 유전자 조작 나무의 지지자들은 생명공학이 목재와 종이 제품에 대한 수요를 충족시키면서 삼림 벌채를 역전시키는데 도움을 줄 수 있다고 말한다. 예를 들어, 오스트레일리아의 유칼립투스 나무는 얼어붙은 기온에 견딜 수 있도록 변형되었고, 로블롤리 소나무는 나무에 경직성을 주는 물질인 리닌을 적게 하여 만들어졌다. 하지만, 비평가들은 디자이너 나무들이 자연 환경에 미치는 영향에 대해 충분히 알려져 있지 않다고 주장한다. 디자이너 나무들은 다른 단점들 중에서도 자연 나무로 유전자를 퍼뜨리거나 산불 위험을 증가시킬 수 있다. 그러나 USDA는 2010년 5월 생명공학 회사인 ArborGen에 남부 7개 주 26만 그루의 나무를 대상으로 현장 실험을 시작하도록 승인했다. 영국 과학자들이 난자에 암 퇴치 약을 생산하는 유전자 조작 암탉 품종을 만들었다. 이 동물들은 인간 유전자를 DNA에 첨가하여 인간 단백질이 난자의 흰자 속에 분비되도록 했으며, 피부암과 다른 질병을 치료하는 데 사용되는 약과 유사한 복잡한 약용 단백질도 함께 가지고 있다. 이 질병 퇴치용 계란은 정확히 무엇을 포함하고 있을까? 암탉은 악성 흑색종과 관절염 치료 잠재력이 있는 분자인 miR24와 다발성 경화증 현대적 치료법과 유사한 항바이러스제인 인간간페론 b-1a를 가진 알을 낳는다. 인간은 매년 대기에 약 9기가톤의 탄소를 더하고, 식물과 나무는 그 중 약 5기가톤을 흡수한다. 남아 있는 탄소는 온실 효과와 지구 온난화에 기여하지만, 과학자들은 이 과잉 탄소를 포획하는 데 최적화된 유전공학 식물과 나무를 만들기 위해 노력하고 있다. 탄소는 식물의 잎, 가지, 씨앗, 꽃에 수십 년을 저장할 수 있지만, 식물의 뿌리에 할당된 탄소는 수세기를 그곳에서 보낼 수 있다. 따라서, 연구원들은 지하에 탄소를 포획하고 저장할 수 있는 큰 뿌리 시스템을 가진 바이오 에너지 작물을 만들기를 희망한다. 과학자들은 현재 광범위한 뿌리 시스템 때문에 스위치그래스나 오수캐너스와 같은 다년생 동식물들을 유전적으로 변형시키는 작업을 하고 있다.

그것이 꼭 필요합니까?

우리의 경험은 작은 일만으로도 우리 인간은 개구리에서 양에 이르기까지, 심지어 우리 자신까지도 원하는 모든 것을 복제할 수 있다는 것을 말해주었다. 그래서 우리는 물건들을 복제할 수 있다.

하지만 우리가 왜 그러길 원했을까? 아래는 복제가 유용할 수 있는 몇 가지 방법이다. 의학적 목적을 위한 복제는 많은 사람들에게 혜택을 줄 가능성이 있다. 복제가 의학에서 어떻게 사용될 수 있을까? 연구자들이 인간 질병에 대해 배우는 많은 것은 쥐와 같은 동물 모델을 연구함으로써 얻어진다. 종종 동물 모델은 질병을 유발하는 돌연변이를 유전자에 실어 나르도록 유전적으로 조작된다. 이러한 유전자이전 동물을 만드는 것은 시행착오와 수 세대에 걸친 번식을 필요로 하는 시간집약적인 과정이다. 복제는 유전자이전 동물 모델을 만드는 데 필요한 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있고, 그 결과는 연구를 위해 유전적으로 동일한 동물의 집단이 될 것이다. 줄기세포는 우리 삶을 통해 신체를 만들고, 유지하고, 수리한다. 이것들은 줄기세포가 자연적으로 하는 과정이기 때문에 손상되거나 병든 장기와 조직을 치료하기 위해 조작될 수 있다. 그러나 한 사람으로부터 다른 사람에게로 옮겨진 줄기세포는 (골수 이식에서와 같은) 이질적인 것으로 보여지고, 대개 면역 반응을 유발한다. 일부 연구자들은 복제에 대해 유전적으로 동일한 줄기세포를 만들어내기 위한 방법으로 보고 있다. 이 세포들은 의학적 목적으로 사용될 수 있고, 어쩌면 전체 장기를 배양하는데도 사용될 수 있다. 그리고 질병에 걸린 사람으로부터 복제된 줄기세포는 배양균에서 배양되어 연구자들이 질병을 이해하고 치료법을 개발하는 데 도움을 줄 수 있도록 연구될 수 있다. 2013년 오레곤 보건과학대학의 과학자들은 인간 배아 줄기세포를 성공적으로 만들기 위해 복제 기술을 처음으로 사용했다. 기증자의 세포는 희귀한 유전 질환을 앓고 있는 8개월 된 아이에게서 나온 것이다. 멸종위기에 처한 종이나 멸종된 종의 부활을 시키기 위해 사용될 수도 있다.

당신은 쥬라기 공원 영화를 봤을지도 모른다. 마이클 크라이튼 소설을 원작으로 한 원작 장편영화에서 과학자들은 공룡을 복제하기 위해 수천만년 동안 보존된 DNA를 사용한다. 그러나 복제된 생물이 예상보다 똑똑하고 치열하다는 것을 깨닫자 그들은 어려움에 봉착한다. 정말 공룡을 복제할 수 있을까? 멸종된 공룡의 세포 원천이 잘 보존되어 있고, 현재 살고 있는 밀접하게 연관되어 있는 종으로, 난자 기증자 및 대리모의 역할을 할 수 있다. 공룡의 그것이 그렇게 오랫동안 손상되지 않고 살아남을 가능성은 극히 희박하다. 하지만 과학자들은 잘 보존된 조직 표본을 이용하여 최근에 멸종된 종들을 복제하기 위해 노력해왔다. 우글리 매머드를 포함한 멸종된 종들을 복제하기 위한 많은 프로젝트가 진행 중이다. 2009년에 과학자들은 멸종된 동물을 부활시키는 첫 번째 성공을 거두었다. 염소를 난자 기증자와 대리인으로 사용하여, 그들은 부카르도라고 불리는 야생 산 염소의 복제품을 여러 개 만들었지만, 가장 오래 생존한 복제품은 출생 직후에 죽었다. 그 노력이 결국 성공한다고 해도 유일하게 냉동 조직 샘플은 암컷에게서 나오기 때문에 암컷 복제만 생산하게 된다. 그러나 과학자들은 X염색체 하나를 제거하고 관련된 염소 종에서 Y염색체를 추가하여 수컷을 만들 수 있을 것이라고 추측한다. 생존하는 동물들이 건강하고 살아있는 세포를 기증할 수 있기 때문에 멸종위기에 처한 종들을 복제하는 것은 훨씬 더 쉽다. 사실, 구아와 반텡이라 불리는 소의 두 친척, 뮤플론 양, 사슴, 들소, 코요테를 포함한 몇몇 야생 종들이 이미 복제되었다. 하지만, 일부 전문가들은 복제가 한 종을 회복하는데 도움을 줄 수 있다고 회의적이다. 멸종위기에 처한 종들이 직면하고 있는 하나의 큰 도전은 유전적 다양성의 상실이며, 복제는 이 문제를 해결하는데 아무런 도움이 되지 않는다. 한 종이 높은 유전적 다양성을 가지고 있을 때, 어떤 개인은 전염병과 같은 환경적 도전에서 살아남을 수 있도록 도와줄 수 있는 유전적 변이를 가질 가능성이 더 높다. 복제는 또한 서식지 파괴와 사냥과 같은 종을 애초에 위험에 빠뜨리는 문제들을 다루지 않는다. 그러나 복제는 보존 과학자들이 그들의 도구 상자에 추가할 수 있는 또 하나의 도구일 수도 있다. 또 만약 당신이 정말 원한다면, 그리고 만약 당신이 충분한 돈을 가지고 있다면, 당신은 당신이 사랑하는 가족인 고양이를 복제할 수 있을 것이다. 적어도 미국의 한 생명공학 회사는 특권층과 유족들을 위해 고양이 복제 서비스를 제공했다. 하지만 복제된 고양이가 여러분이 알고 사랑하는 고양이와 똑같을 것이라고 가정하지 마십시오. 개인은 유전자 이상의 산물이다. 환경은 개성과 많은 다른 특징들을 형성하는데 중요한 역할을 한다. 2001년 12월 22일, CC라는 이름의 새끼 고양이가 복제된 최초의 고양이, 그리고 최초의 애완동물로서의 역사를 만들었다. 오른쪽에는 CC의 유전물질 기증자인 CC와 레인보우가 그려져 있다. 그런데 이 사진에서 뭔가 이상한 점을 눈치챘습니까? 만약 CC가 레인보우의 복제품이라면, 정확한 유전자 복제품이라면, 왜 다른 색깔일까? 정답은 X염색체에 있다. 고양이에게 있어, 코트 색깔을 결정하는 데 도움을 주는 유전자가 이 염색체에 존재한다. 여성인 CC와 레인보우 모두 X염색체가 두 개 있다. 말레스는 X염색체와 Y염색체가 한 개 있다. 두 고양이는 X염색체가 정확히 같기 때문에 한 마리는 검은색을, 다른 한 마리는 오렌지색을 나타내는 같은 두 개의 코트색 유전자를 가지고 있다. 그녀의 발육 초기, 레인보우의 각 세포는 원엔티어 X 염색체를 "꺼뜨려" 결과적으로 흑색 또는 주황색 유전자를 꺼버렸다. X-비활성화라고 불리는 이 과정은 암컷이 수컷보다 두 배나 많은 X-크롬 활동을 하는 것을 막기 위해 암컷에게 정상적으로 일어난다. 그것은 또한 무작위로 발생하는데, 이것은 다른 세포들이 다른 X 염색체를 꺼버린다는 것을 의미한다. 그래서 모든 여성 포유동물들처럼 레인보우는 모자이크로 발달했다. X-비활성화를 거친 각각의 세포는 하나 또는 다른 하나의 코팅 컬러 유전자를 비활성화시킨 세포들을 낳았다. 일부 패치는 더 복잡한 유전적 사건으로 인해 검정색, 다른 패치는 주황색, 그리고 다른 패치는 흰색으로 지정되었다. 레인보우 같은 모든 캘리코 고양이들은 이렇게 표시를 한다. CC는 오렌지 유전자를 가진 X-크롬이 비활성화된 레인보우의 체세포로 만들어졌기 때문에 다르게 보인다. 오직 흑색 유전자만이 활동적이었다. 흥미로운 것은 CC가 발달하면서 그녀의 세포가 불활성화 패턴을 바꾸지 않았다는 점이다. 따라서 레인보우와 달리 CC는 오렌지 코트의 색상을 특정하는 세포가 전혀 없이 발전했다. 결과는 CC의 흑백 호랑이 가죽이다.