박테리아 형질전환

1928년, 박테리아학자 프레드릭 그리피스(Frederick Griffith)는 폐렴을 일으키는 폐렴쌍구균 Streptococcus pneumoniae에 대한 백신을 연구했습니다. 그리피스는 쥐를 이용해 병원성과 비병원성 균주를 연구했습니다. 오직 병원성 균주만이 숙주 쥐를 죽였습니다.

그리피스는 병원성 균주를 죽이고 그 잔해를 살아있는 비병원성 균주과 섞었을 때 뜻밖의 발견을 했습니다. 이 혼합물이 숙주 쥐를 죽였을 뿐만 아니라, 병원성 자손을 생성하는 살아있는 병원성 박테리아도 포함하고 있었습니다. 그리피스는 비병원성 균주가 죽은 병원성 균주로부터 무언가를 받아서 병원성 균주로 변하게 되었다고 결론지었습니다. 그는 이것을 변형 원리(transforming principle)라고 불렀습니다.

그리피스의 연구 당시 유전 물질의 정체를 둘러싼 뜨거운 논쟁이 있었습니다. 초기의 많은 증거들은 단백질을 유전 분자로 포함시켰습니다. 세균 변형에 대한 그리피스의 실험은 DNA가 유전 물질이라는 것을 증명하는 초기 데이터를 제공했습니다.

박테리아는 형질전환(transformation)을 통해 외부 DNA를 통합합니다. 형질전환은 자연적으로 발생하지만, DNA 클로닝(DNA cloning)을 위해 실험실에서도 유도되기도 합니다. 특정 유전자를 클로닝하기 위해 과학자들은 독립적으로 복제할 수 있는 원형 DNA 분자인 플라스미드(plasmid)에 유전자를 삽입할 수 있습니다. 플라스미드는 항생제 내성 유전자를 포함하고 있습니다. 박테리아는 형질전환을 통해 플라스미드를 흡수하고, 과학자들은 그 박테리아를 항생제에 노출시킵니다. 살아남은 박테리아 집락(colony)은 항생제 내성 유전자를 포함한 플라스미드를 가지고 있습니다. 뒤이은 DNA 분석은 플라스미드 속 유전자의 존재를 확인할 수 있습니다. 과학자가 원하는 유전자를 가진 박테리아 집락은 증식하고, 이를 더 많은 플라스미드나 단백질을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

박테리아는 왜 외부 DNA를 흡수할까요? 유성생식하는 유기체와 달리, 박테리아는 자신을 복제합니다. 이분법(binary fission)이라고 불리는 이 번식 방법은 유전적 변이를 위한 기회를 거의 제공하지 않습니다. 많은 돌연변이(mutation)가 해롭지만, 동시에 돌연변이는 다양성을 불러오기도 합니다. 형질전환뿐만 아니라 접합(conjugation)과 형질도입(transduction)을 통해 유전자를 공유하는 것은 원핵생물이 진화할 수 있도록 합니다.