글: 척척박사 · 일간 블로그 쇼
DNA 두 가닥이 붙어 이중나선을 만든다는 이야기는 익숙합니다. 그런데 이번 연구는 그 이야기가 아닙니다.
이미 각각 이중나선으로 완성된 DNA 두 분자가 서로 가까이 다가가 맞물리는 과정입니다.
여기서 문제가 하나 생깁니다. DNA는 음전하를 띱니다. 같은 전하끼리는 서로 밀어내야 합니다. 그런데 세포 안에서는 서로 비슷한 DNA가 가까이 붙어야 하는 일이 실제로 일어납니다. 유전자 재조합이나 유전자 침묵 같은 과정과 연결됩니다.
그럼 무엇이 둘 사이를 붙잡는 걸까요?
양전하를 띤 금속 이온이 중간에 들어갑니다
영국 요크대와 셰필드대 연구진은 원자힘현미경을 이용해 두 DNA 이중나선이 서로 맞춰지며 ‘지퍼처럼’ 붙는 장면을 관찰했습니다.
컴퓨터 시뮬레이션까지 결합해 보니 핵심 역할을 하는 것은 양전하를 띤 금속 이온이었습니다. DNA 표면에는 홈이 있는데, 이 이온들이 그 홈 사이에서 작은 다리처럼 작용합니다.
음전하와 음전하가 그냥 갑자기 사이가 좋아진 게 아닙니다.
중간에 양전하가 끼어 전기적 반발을 완화하고, 두 DNA가 홈과 홈을 정밀하게 맞출 수 있게 돕는 겁니다.
자석으로 비유하면 조금 위험하고, 지퍼 비유가 더 낫습니다. 지퍼의 양쪽 이빨이 스스로 서로를 끌어당기는 게 아니라 슬라이더가 두 줄을 적절한 위치로 몰아 넣어 맞물리게 하는 것과 비슷합니다.
물론 실제 DNA에서 금속 이온 하나가 거대한 슬라이더처럼 움직인다는 뜻은 아닙니다. 역할의 방향만 그렇습니다.
왜 이제야 직접 봤을까요?
이 현상은 20년 넘게 이론적으로 논의돼 왔지만, 두 DNA 이중나선이 실제로 정렬되고 결합하는 순간을 직접 포착하기는 어려웠습니다. 분자 수준에서 일어나는 데다 전하와 주변 이온 조건에 민감하기 때문입니다.
연구진이 포착한 건 아무 DNA 두 개가 무작정 붙는 장면도 아닙니다. 서로 맞는 짧은 DNA 조각들이 정밀하게 정렬되는 현상입니다. 홈의 위치가 맞고 주변 이온 조건이 갖춰져야 안정적인 결합이 가능해집니다.
이 점이 중요한 이유는 세포 안 DNA가 단순히 길게 감겨 있는 실 한 가닥이 아니기 때문입니다. 유전체는 접히고, 서로 다른 부위가 가까워지고, 때로는 서로 같은 서열을 찾아야 합니다.
유전자 재조합에서는 비슷한 DNA끼리 정확한 상대를 찾는 과정이 필요하고, 특정 유전자 침묵이나 염색체 구조에서도 DNA-DNA 상호작용이 관여할 수 있습니다.
20여 년 전부터 제안된 ‘DNA zipper’ 모델은 양전하 이온이 두 DNA 사이에서 전하를 중화하고 정렬을 돕는다고 설명해 왔습니다. 이번 연구는 그 아이디어를 원자힘현미경 영상과 분자동역학 계산으로 같이 확인했다는 데 의미가 있습니다.
생활 비유를 하나 더 하자면, 서로 싫어하는 두 사람이 갑자기 화해한 게 아닙니다. 둘 사이에 통역이 들어온 겁니다. 통역이 말을 잘 전달하면 가까이 앉을 수 있지만 통역이 사라지면 원래의 거리감이 다시 나타납니다.
여기서 통역 역할이 양전하 금속 이온입니다.
물론 세포 안은 실험용 용액보다 훨씬 복잡합니다. 단백질, 염색질 구조, 다양한 이온이 함께 있고 DNA가 실제로 어떤 부위에서 얼마나 자주 이런 방식으로 짝을 이루는지는 더 연구해야 합니다.
이번 결과가 해결한 건 질문 하나의 핵심 부분입니다.
둘 다 음전하인데 어떻게 첫 거리를 좁히느냐.
이제 그 질문에는 관찰된 메커니즘을 붙여 설명할 수 있습니다.
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