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미생물은 어떻게 외부 DNA를 이용해 자신의 유전자를 바꾸는가? 세포변형의 비밀을 밝혀라!
미생물은 지구상에서 가장 오래된 유기체 중 하나일 뿐만 아니라, 주변 환경에서 이물질 DNA를 흡수하여 변형이라는 과정을 통해 자신의 유전적 특성을 바꿀 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 이 과정을 '세포적 능력'이라고 하며, 선천적 능력과 인위적 능력으로 나눌 수 있습니다. 자연적 역량이란 박테리아가 자연 환경에서 자연적으로 가지고 있는 능력이고, 인공적 역량이란 실험실에서 특정 처리를 통해 세포가 일시적으로 DNA를 투과할 수 있는 능력을 말합니다. 이러한 능력은 박테리아가 외부 환경의 변화에 빠르게 적응할 수 있게 할 뿐만 아니라, DNA를 복구하는 데도 도움이 됩니다.
자연적 능력의 발견은 1928년 과학자 프레드릭 그리피스가 특정한 죽은 병원성 박테리아 세포가 관련된 비병원성 세포로 변형될 수 있다는 것을 보여준 데서 시작되었습니다.
그 이후 과학자들은 이 "변환 인자"가 실제로 순수한 DNA라는 사실을 발견했는데, 이는 DNA가 유전 정보를 담고 있다는 최초의 강력한 증거가 되었습니다. 현재까지 다양한 박테리아, 특히
연구실에서 연구자들은 일반적으로 DNA를 제공하는데, 이는 유전자 조작된 조각이거나 플라스미드일 수 있습니다. DNA가 세포에 들어간 후, 뉴클레오티드로 분해되어 DNA 복제와 다른 대사 기능에 사용될 수 있습니다.
DNA는 세포 내부로 들어가면 DNA 복구 효소에 의해 세포의 유전체로 다시 조립될 수 있다. 이러한 재조합으로 인해 세포의 유전자형이 바뀌면 세포가 변형되었다고 합니다. 거의 모든 천연적으로 유능한 박테리아에서는 세포외 필라멘트의 일부인 IV형 필리가 세포 바깥에서 이중 가닥 DNA를 결합할 수 있습니다. 그런 다음 DNA는 다성분 단백질 복합체에 의해 막을 통과해 이동하는데, 이 과정은 DNA 가닥이 분해되면서 이루어집니다. 세포에 유입된 단일 가닥 DNA는 보존 단백질인 DprA에 의해 결합되고, DprA는 그 DNA를 RecA라는 단백질에 적재합니다. RecA는 고전적인 DNA 복구 경로를 통해 상동 재조합을 매개하는 단백질입니다.
자연적 용량 조절에 따르면 이 과정은 보통 엄격하게 조절되며 영양소 부족이나 불리한 조건에 의해 종종 촉발됩니다. 그러나 구체적인 유도 신호와 조절 메커니즘은 종마다 크게 다릅니다.
과학자들은 일부 전사 인자가 능력을 조절한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어 sxy(tfoX라고도 함)의 경우 발현은 5' 비번역 RNA 요소에 의해 조절됩니다. 동시에, 포자를 생성할 수 있는 박테리아는 일반적으로 포자 생성을 촉발하는 조건 하에서 변형이 가능한 박테리아도 갖고 있습니다. 따라서 포자 세포를 포함하는 배양액이나 군집에서는 유능 세포도 종종 발견됩니다. 자연적으로 능력이 있는 박테리아 대부분은 거의 동일한 효율로 모든 DNA 분자를 흡수하지만, 나이세리아과(Neisseriaceae) 및 파스퇴렐라과(Pasteurellaceae)와 같은 일부 박테리아과는 흡수 신호 서열이 포함된 DNA 조각을 우선적으로 흡수하는 경향이 있습니다.
한 가설에 따르면, 박테리아에서의 형질전환은 고등 생물에서의 성과 비슷한 역할을 해서 유전적 다양성을 증가시킬 수 있다고 합니다. 이 과정을 논의하는 데 대한 이론적인 우려는 여전히 남아 있지만, 전 세계 단백질 합성 전환에 드는 높은 비용이 이러한 가설을 어렵게 만듭니다.
게다가 DNA를 음식으로 섭취한다는 가설 역시 과학계의 주목을 받았다. 이 가설에 따르면 세포는 DNA를 흡수하여 뉴클레오티드를 얻는데, 이는 DNA와 RNA 합성에 필수적일 뿐만 아니라 합성 비용을 절감하기도 합니다. 사실, 자연적으로 유능한 박테리아 중 일부는 주변 환경에 핵산 분해효소를 분비하여 환경 DNA에서 이러한 자유 뉴클레오티드를 획득하기도 합니다.
다양한 종의 DNA 흡수 메커니즘에는 복잡한 상호작용이 있으며, 이런 상호작용은 선택적 재조합이나 기계적으로 효율적인 흡수와 관련이 있을 수 있습니다. 물론, DNA 손상에 대한 연구를 더욱 심도 있게 진행하면서 역경 속에서도 능력을 유도한 박테리아가 DNA 손상에 직면했을 때 더 잘 생존할 수 있다는 사실을 발견했으며, 이는 자연적인 능력과 변형이 DNA 복구에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. . .
박테리아 유전체의 복잡한 특성은 역량에 의해 유도되는 수평적 유전자 전이가 유전적 다양성을 촉진하는 데 필수적이며, 이는 진화의 기초라는 것을 뒷받침하는 충분한 증거를 제공합니다.
미생물이 외부 DNA를 통해 자기 자신을 변형할 수 있는 능력은 본질적으로 세포가 끊임없이 변화하는 환경 속에서 어떻게 생존하고 번식하는지에 대한 비밀을 보여줍니다. 하지만 이러한 변화의 전망에 직면했을 때, 미생물의 이러한 능력이 미래의 과학 연구와 생명공학의 발전에 어떤 영향을 미칠 것으로 생각하시나요?
