생명과학 고3 유전자와 유전 물질 심화

반보존적 복제

Q: 왜 하필 질소로 표시했나요?

질소는 염기에 들어 있어 DNA를 만들 때 반드시 새로 공급받아야 하고, 15N은 방사선을 내지 않으면서 14N보다 무거워 밀도 차이를 만들어 주기 때문입니다. 덕분에 세포를 죽이지 않고도 '언제 만들어진 가닥인지'를 무게로 표시할 수 있었습니다.

DNA 복제 시 원래 두 가닥 각각이 새 가닥의 주형이 되어, 딸 DNA에 모두 한 가닥씩 원본이 보존됨을 메셀슨-스탈 실험으로 검증한다.

DNA가 복제될 때 원래 두 가닥이 각각 주형이 되어, 만들어진 두 딸 DNA가 모두 '원본 가닥 하나 + 새 가닥 하나'로 이루어지는 방식입니다.

두 짝이 헤어져 각자 새 짝을 만나는 것과 같습니다. 원래 커플이 그대로 남고 새 커플이 따로 생기는 것이 아니라, 모든 커플에 옛 사람이 한 명씩 섞여 있습니다.

쉽게 말하면

DNA 복제의 방식으로는 원래 세 가지가 후보였습니다. 원본 이중 나선은 그대로 남고 완전히 새로운 이중 나선이 따로 생긴다는 보존적 복제, 딸 DNA마다 원본 가닥이 하나씩 들어간다는 반보존적 복제, 원본과 새 부분이 한 가닥 안에서 토막토막 섞인다는 분산적 복제입니다. 셋 다 '똑같은 DNA 두 개'라는 결과는 설명하므로, 결과만 봐서는 구별할 수 없었습니다.

메셀슨과 스탈은 DNA에 '무게 표시'를 하는 방법으로 이를 구별했습니다. 질소는 염기에 들어 있으므로, 대장균을 무거운 질소( $^{15} N$ )만 든 배지에서 여러 세대 키우면 DNA 전체가 무거워집니다. 이 대장균을 가벼운 질소( $^{14} N$ ) 배지로 옮기면, 이후 새로 만들어지는 가닥에는 가벼운 질소만 들어갑니다. 세대마다 DNA를 뽑아 밀도에 따라 층이 나뉘도록 원심분리하면, 무거운 DNA·중간 DNA·가벼운 DNA가 서로 다른 높이에 띠로 보입니다.

결과는 이렇습니다. 1회 복제 후에는 중간 무게 띠 하나만 나타났습니다. 보존적 복제라면 무거운 띠와 가벼운 띠가 따로 보여야 하므로, 이것으로 보존적 복제가 탈락합니다. 2회 복제 후에는 중간 무게 띠와 가벼운 띠가 1:1로 나타났습니다. 분산적 복제라면 모든 분자에 원본 조각이 조금씩 섞여 있어 가벼운 띠가 따로 생길 수 없으므로, 이것으로 분산적 복제도 탈락합니다. 남는 것은 반보존적 복제뿐입니다.

이 실험이 좋은 이유는 1세대 결과만으로는 결론이 나지 않는다는 데 있습니다. 반보존적과 분산적은 1세대에서 똑같은 예측을 하기 때문에, 반드시 2세대까지 봐야 갈라집니다. 가설을 구별하려면 '가설마다 다른 예측을 내놓는 지점'을 찾아야 한다는 것을 보여 준 실험입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

세대별 띠의 비율

$^{15} N$ DNA를 $^{14} N$ 배지로 옮긴 뒤, 1세대에는 중간 띠만 나옵니다. 2세대에는 중간과 가벼움이 1:1, 3세대에는 1:3, 4세대에는 1:7이 됩니다. 중간 띠의 양은 변하지 않는데 가벼운 DNA만 계속 늘어나기 때문입니다.
예시 2

원본 가닥은 어디로 갔을까

처음 DNA 한 분자에 든 $^{15} N$ 가닥은 딱 2개뿐이고, 이 가닥들은 없어지지 않고 계속 남아 각각 다른 딸 DNA 속에 들어 있습니다. 그래서 몇 세대가 지나든 $^{15} N$ 을 품은 DNA 분자는 항상 2개입니다. 전체 분자 수는 $2^{n}$ 개로 늘어나므로 그 비율만 점점 작아질 뿐입니다.
예시 3

무거운 띠는 왜 다시 안 나오나

무거운 띠는 두 가닥이 모두 $^{15} N$ 일 때만 생깁니다. 그런데 $^{14} N$ 배지로 옮긴 뒤에는 새 가닥이 전부 가벼운 질소로 만들어지고, 원본 두 가닥은 서로 다른 분자로 흩어졌으므로 다시 만날 일이 없습니다. 그래서 1세대부터는 무거운 띠가 영영 나타나지 않습니다.

세 가설이 예측하는 실험 결과

복제 방식	1세대 예측	2세대 예측
보존적	무거운 띠 + 가벼운 띠 (1:1)	무거운 띠 + 가벼운 띠 (1:3)
반보존적	중간 띠 하나	중간 띠 + 가벼운 띠 (1:1)
분산적	중간 띠 하나	중간보다 조금 가벼운 띠 하나
실제 결과	중간 띠 하나	중간 띠 + 가벼운 띠 (1:1)

자주 하는 오해

1세대 결과만으로 반보존적이라고 결론짓기

이렇게 생각하기 쉬움1세대에서 중간 띠 하나가 나왔으니 반보존적 복제가 증명됐다

실제로는1세대 결과는 보존적 복제만 배제합니다. 반보존적과 분산적은 2세대를 봐야 갈립니다.

분산적 복제도 1세대에서는 모든 분자가 무거운 부분과 가벼운 부분을 반씩 가지므로 중간 띠 하나를 예측합니다. 두 가설이 서로 다른 예측을 하는 지점은 2세대입니다 — 반보존적은 가벼운 띠가 따로 생기고, 분산적은 여전히 띠 하나만 조금 가벼워집니다.

세대가 지날수록

^{15} N

DNA 분자 수가 반씩 줄어든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움중간 띠의 비율이 1/2, 1/4, 1/8로 줄어드니 원본이 든 DNA 분자도 반씩 줄어든다

실제로는

^{15} N

이 든 DNA 분자는 세대와 상관없이 항상 2개입니다. 줄어드는 것은 개수가 아니라 전체에서 차지하는 비율입니다.

원본

^{15} N

가닥은 애초에 2개뿐이고, 복제 과정에서 분해되거나 사라지지 않습니다. 이 가닥 하나가 딸 DNA 한 분자씩을 계속 차지하므로 중간 띠 분자는 2개로 고정입니다. 반면 가벼운 DNA는 세대마다 늘어나 전체가

2^{n}

개가 되니, 비율만 작아지는 것입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

DNA 복제고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 유전자와 유전 물질

돌연변이고3 연관과 교차고3 염색체 돌연변이고3 점 돌연변이고3 틀이동 돌연변이고3 DNA 구조고3 DNA 복제고3

자주 묻는 질문

Q1왜 하필 질소로 표시했나요?

질소는 염기에 들어 있어 DNA를 만들 때 반드시 새로 공급받아야 하고,

^{15} N

은 방사선을 내지 않으면서

^{14} N

보다 무거워 밀도 차이를 만들어 주기 때문입니다. 덕분에 세포를 죽이지 않고도 '언제 만들어진 가닥인지'를 무게로 표시할 수 있었습니다.

Q2중간 무게 띠는 왜 정확히 중간에 생기나요?

그 DNA는 무거운 가닥 하나와 가벼운 가닥 하나로 이루어져 있기 때문입니다. 무거운 DNA와 가벼운 DNA의 딱 중간 밀도를 가지므로, 원심분리하면 두 띠의 가운데 위치에 자리를 잡습니다.

Q3실험은 대장균으로 했는데 사람도 같은가요?

네, 반보존적 복제는 세포의 DNA 복제에 공통으로 적용됩니다. 대장균을 쓴 것은 세대가 짧아 세대별 결과를 빠르게 볼 수 있었기 때문입니다. 복제에 관여하는 효소의 종류나 복제 원점의 개수는 생물마다 다르지만, 가닥이 하나씩 나뉘어 보존된다는 원리는 같습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 유전자와 유전 물질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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