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더무스 아쿠아티쿠스

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목차

1. 개요

더무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)는 1969년 토마스 D. 브록과 허드슨 프리즈에 의해 명명된 호열성 세균 종으로, 옐로스톤 국립공원의 온천에서 처음 발견되었다. 이 세균은 65~70°C에서 가장 잘 성장하며, 다양한 열 안정성 효소의 공급원으로서, 특히 중합효소 연쇄 반응(PCR)에 사용되는 Taq 중합효소로 유명하다. Taq 중합효소의 발견은 DNA 연구에 혁명을 일으켰으며, 캐리 멀리스에게 1993년 노벨 화학상을 안겨주었으나, 이 과정에서 국립공원관리청과 옐로스톤 국립공원은 재정적 이익을 얻지 못해 논란이 있었다.

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더무스 아쿠아티쿠스
기본 정보
학명Thermus aquaticus
명명자Brock and Freeze, 1969
타입 균주YT-1
생물 분류
도메인Bacteria
문Deinococcus-Thermus
강Deinococci
목Thermales
과Thermaceae
속Thermus
종Thermus aquaticus
Thermus aquaticus

2. 역사

1960년대, 과학자들은 온천에서 서식하는 고온성 세균의 생존 한계 온도가 약 55°C라고 생각했다.[36] 그러나 연구 결과, 더 높은 온도에서도 생존하고 번성하는 세균들이 발견되었다. 1969년, 인디애나 대학교의 토마스 D. 브록과 허드슨 프리즈는 옐로스톤 국립공원의 머쉬룸 샘(Mushroom Spring)에서 새로운 호열성 세균 종인 더무스 아쿠아티쿠스(''Thermus aquaticus'')를 발견하고 보고했다.[37] 이 세균은 이후 전 세계의 유사한 열 서식지에서도 발견되었다.

이 발견은 훗날 캐리 멀리스의 중합효소 연쇄 반응(PCR) 기술 발명으로 이어져 DNA 연구에 혁명을 일으켰고, 멀리스는 1993년 노벨 화학상을 수상했다.

2. 1. 더무스 아쿠아티쿠스와 PCR

DNA 중합효소는 1976년 더무스 아쿠아티쿠스에서 처음으로 분리되었다.[45] 이 DNA 중합효소는 내열성(최적 온도 72 °C, 95 °C에서도 변성되지 않음)을 가지고 있어, 다른 DNA 중합효소보다 더 순수한 형태로 분리할 수 있다는 장점이 있었다. 이후, 캐리 멀리스와 세투스 사(Cetus Corporation)의 연구자들은 중합효소 연쇄 반응(PCR) 과정에서 DNA 변성 단계마다 대장균 중합효소를 추가할 필요 없이, 더무스 아쿠아티쿠스에서 추출한 ''Taq'' 중합효소를 사용할 수 있음을 발견했다.[46] 이 효소는 클론, 시퀀스, 변형을 거쳐 상업적 판매를 위해 대량 생산되었다.[47] 1989년 ''Science''지는 Taq 중합 효소를 최초의 '올해의 분자'로 선정했다.[48]

캐리 멀리스는 ''Taq'' 중합효소를 활용하여 PCR 기술을 개발함으로써 DNA 연구에 혁명을 일으켰고, 이 공로로 1993년 노벨 화학상을 수상했다.[49] PCR은 의료 진단, 유전학, 법의학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

캐리 멀리스가 PCR을 발견한 후, 세투스는 그에게 1만 달러를 지급했다. 그러나 세투스는 나중에 PCR 특허를 F. 호프만-라 로슈(로슈)에 3억달러에 매각했다. 로슈는 그 이후 PCR 특허로 막대한 이익을 얻어, 2022년 PCR 관련 연간 판매액이 54억달러에 달했다. PCR은 대한민국의 코로나19 대응에도 핵심적인 역할을 수행했다.

3. 생물학

더무스 아쿠아티쿠스는 65°C에서 70°C에서 가장 잘 성장하며, 50°C에서 80°C의 온도에서도 생존할 수 있다. 세포 외 및 세포 내 단백질 가수 분해 효소와 펩타이드 가수 분해 효소뿐만 아니라 세포막을 가로지르는 아미노산 및 올리고펩타이드에 대한 수송 단백질이 있어, 주로 환경에서 단백질을 섭취한다.[38] 이 세균은 화학 합성을 통해 에너지를 얻는 화학영양생물이다.[38] 그러나 이상적인 환경을 공유하는 남세균의 온도 범위와 다소 겹치기 때문에 때때로 공생으로 살아가며 광합성을 통해 성장 에너지를 얻는다.[38] 더무스 아쿠아티쿠스는 일반적으로 호기성 호흡을 하지만, 균주 중 하나인 ''Thermus aquaticus'' Y51MC23은 혐기성으로 자랄 수 있다.[5][22]

더무스 아쿠아티쿠스의 유전 물질은 하나의 염색체와 네 개의 플라스미드로 구성되어 있으며, 완전한 게놈 시퀀싱을 통해 수많은 유전자좌에서 CRISPR 유전자가 밝혀졌다.[6][23][38]

4. 형태

더무스 아쿠아티쿠스는 일반적으로 직경 0.5μm에서 0.8μm의 원통형 모양이다. 짧은 막대 모양의 길이는 5μm에서 10μm이다. 긴 필라멘트 모양은 길이가 크게 변하고 경우에 따라 200μm을 초과한다. 더무스 아쿠아티쿠스는 막대 모양으로 응집하는 경향을 보인다. 여러 개체의 연합은 직경 10μm에서 20μm의 구형체를 형성하며, 이는 로턴드 바디(rotund body)라고도 불린다.[39][40] 이 군체는 이전에 생각했던 것처럼 세포 외피 또는 외막 구성 요소로 구성되지 않은 대신 개조된 펩티도글리칸 세포벽으로 만들어져 있다. 더무스 아쿠아티쿠스의 생존에 있어 그들의 정확한 기능은 아직 알려지지 않았지만 일시적인 음식과 뉴클레오타이드 저장을 포함하는 것으로 보거나, 콜로니의 부착과 조직화에 역할을 할 수도 있다는 이론이 있다.[41]

5. 효소

더무스 아쿠아티쿠스는 Taq 중합효소를 비롯한 다양한 열 안정성 효소의 공급원으로 중요하게 여겨진다. 1970년 프리즈와 브록은 더무스 아쿠아티쿠스의 열 안정성 알돌레이스에 대한 연구 논문을 발표했다.[42]

이 유기체에서 분리된 다른 효소로는 DNA 연결효소, 알칼리성 인산 분해 효소, NADH 산화 효소, 아이소시트르산 탈수소효소, 아밀로말테이스, 과당 1,6-다이포스페이트 의존 L-젖산 탈수소효소 등이 있다.

5. 1. 알돌레이스 (Aldolase)

1970년에 프리즈(Freeze)와 브록(Brock)은 더무스 아쿠아티쿠스(T. aquaticus)에서 유래한 열안정성 알돌라아제 효소를 설명하는 논문을 발표했다.[8][27]

5. 2. RNA 중합효소

1974년, 더무스 아쿠아티쿠스에서 DNA 의존 RNA 중합효소가 분리되었으며, 이 효소는 전사 과정에 사용된다.[43][9][28]

5. 3. ''Taq'' I 제한 효소

대부분의 분자생물학자들은 1970년대 후반 또는 1980년대 초에 더무스 아쿠아티쿠스에서 유용한 제한 효소를 분리하면서 이 유기체를 알게 되었다.[44] ''Taq''이라는 용어는 '''''T'''hermus '''aq'''uaticus''를 줄인 말로, 제한 효소에 Sal이나 Hin과 같이 원래 유기체의 속과 종에서 따온 짧은 이름을 붙이는 관습에서 비롯되었다.

5. 4. DNA 중합효소 (Taq pol)

DNA 중합효소는 1976년 더무스 아쿠아티쿠스에서 처음으로 분리되었다.[45] 이 DNA 중합효소는 내열성(최적 온도 72°C, 95°C에서도 변성되지 않음)을 가지고 있으며, 다른 공급원에서 얻을 수 있는 것보다 더 순수한 형태로 분리할 수 있다는 장점이 있었다. 이후, 캐리 멀리스와 세터스 코퍼레이션(Cetus Corporation)의 다른 연구자들은 이 효소를 중합효소 연쇄 반응(PCR) 과정에서 짧은 DNA 조각을 증폭하는 데 사용할 수 있음을 발견했다.[46] இதனால் DNA의 열 변성 사이클이 반복될 때마다 대장균 중합효소 효소를 추가할 필요가 없어졌다. 이 효소는 분자 클로닝되었고, DNA 염기 서열 결정되었으며, 더 짧은 'Stoffel 조각' 생산을 위해 변형되었고, 상업적 판매를 위해 대량 생산되었다.[47] 1989년 ''사이언스''(Science)지는 Taq 중합효소를 첫 번째 "올해의 분자"로 선정했다.[48] 1993년, 캐리 멀리스는 PCR에 대한 공로로 노벨 화학상을 수상했다.[49]

5. 5. 기타 효소

더무스 아쿠아티쿠스의 높은 최적 온도는 연구자들이 다른 효소가 활동을 잃는 조건에서 반응을 연구할 수 있도록 해 주었다. 이 유기체에서 분리된 다른 효소로는 DNA 연결효소, 알칼리성 인산 분해 효소, NADH 산화 효소, 아이소시트르산 탈수소효소, 아밀로말테이스, 과당 1,6-다이포스페이트 의존 L-젖산 탈수소효소가 있다.

6. 논란

더무스 아쿠아티쿠스에서 추출한 효소의 상업적 사용에는 논란이 있었다. 브록의 연구 이후, 이 유기체의 표본은 공공 저장소인 미국 유형 배양 균주 보존소(American Type Culture Collection)에 보관되었고, 세터스(Cetus)를 포함한 다른 과학자들이 그곳에서 이 유기체를 얻었다. 1990년대에 ''Taq'' 중합효소의 상업적 잠재력이 분명해지면서, 국립공원관리청(National Park Service)은 그 사용을 "거대한 ''Taq'' 횡령"이라고 명명했다.[17] 현재 국립공원에서 연구하는 연구원들은 나중에 발생하는 이익의 일부를 국립공원관리청에 돌려주는 "이익 공유" 계약에 서명해야 한다.

참조

[1] 웹사이트 Thomas Brock's essay "Life at High Temperatures" http://bioinfo.bact.[...]
[2] 논문 "Thermus aquaticus, a Nonsporulating Extreme Thermophile" 1969
[3] 서적 Geysers of Yellowstone, The University Press of Colorado 2008
[4] 웹사이트 Discovering Life in Yellowstone Where Nobody Thought it Could Exist (U.S. National Park Service) https://www.nps.gov/[...] 2024-03-26
[5] 간행물 Modern Mat-Building Microbial Communities: a Key to the Interpretation of Proterozoic Stromatolitic Communities Cambridge University Press 1992-06-26
[6] 논문 Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23 2015
[7] 논문 Fine Structure of ''Thermus aquaticus'', an Extreme Thermophile 1970
[8] 논문 Thermostable Aldolase from Thermus aquaticus 1970
[9] 논문 DNA-Dependent RNA Polymerase From the Thermophilic Bacterium ''Thermus aquaticus'' 1974
[10] 논문 A single cleavage of Simian virus 40 (SV40) DNA by a site specific endonuclease from Thermus aquaticus, ''Taq'' I 1978-02
[11] 논문 Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus 1976-09-01
[12] 논문 Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase https://pubmed.ncbi.[...]
[13] 논문 High-level expression, purification, and enzymatic characterization of full-length Thermus aquaticus DNA polymerase.
[14] 논문 The Molecule of the Year 1989-12
[15] 웹사이트 Nobel Lecture – The Polymerase Chain Reaction https://www.nobelpri[...] 1993-12-08
[16] 논문 The effects of business practices, licensing, and intellectual property on development and dissemination of the polymerase chain reaction: case study 2006
[17] 뉴스 The Search for Private Profit in the Nation's Public Parks https://www.nytimes.[...] 2006-11-28
[18] 문서 Brock TD and Freeze H (1969). "Thermus aquaticus, a Nonsporulating Extreme Thermophile". J. Bact. 98 (1): 289–97.
[19] 웹사이트 Thomas Brock's essay "Life at High Temperatures" http://bioinfo.bact.[...]
[20] 논문 "Thermus aquaticus, a Nonsporulating Extreme Thermophile" 1969
[21] 서적 Geysers of Yellowstone, The University Press of Colorado 2008
[22] 간행물 Modern Mat-Building Microbial Communities: a Key to the Interpretation of Proterozoic Stromatolitic Communities Cambridge University Press 1992-06-26
[23] 논문 Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23 2015
[24] 논문 "Thermus aquaticus, a Nonsporulating Extreme Thermophile" 1969
[25] 논문 Fine Structure of ''Thermus aquaticus'', an Extreme Thermophile 1970
[26] 논문 Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23 2015
[27] 논문 Thermostable Aldolase from Thermus aquaticus 1970
[28] 논문 DNA-Dependent RNA Polymerase From the Thermophilic Bacterium ''Thermus aquaticus'' 1974
[29] 논문 A single cleavage of Simian virus 40 (SV40) DNA by a site specific endonuclease from Thermus aquaticus, ''Taq'' I 1978-02
[30] 논문 Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus 1976-09-01
[31] 논문 Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase https://pubmed.ncbi.[...]
[32] 논문 High-level expression, purification, and enzymatic characterization of full-length Thermus aquaticus DNA polymerase.
[33] 논문 The Molecule of the Year 1989-12
[34] 논문 The effects of business practices, licensing, and intellectual property on development and dissemination of the polymerase chain reaction: case study 2006
[35] 뉴스 The Search for Private Profit in the Nation's Public Parks https://www.nytimes.[...] 2006-11-28
[36] 웹사이트 Thomas Brock's essay "Life at High Temperatures" http://bioinfo.bact.[...]
[37] 저널 "''Thermus aquaticus'', a Nonsporulating Extreme Thermophile" 1969
[38] 저널 Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23 2015
[39] 저널 "''Thermus aquaticus'', a Nonsporulating Extreme Thermophile" 1969
[40] 저널 Fine Structure of ''Thermus aquaticus'', an Extreme Thermophile 1970
[41] 저널 Complete Genome Sequence of Thermus aquaticus Y51MC23 2015
[42] 저널 Thermostable Aldolase from Thermus aquaticus 1970
[43] 저널 DNA-Dependent RNA Polymerase From the Thermophilic Bacterium ''Thermus aquaticus'' 1974
[44] 저널 A single cleavage of Simian virus 40 (SV40) DNA by a site specific endonuclease from Thermus aquaticus, ''Taq'' I 1978-02
[45] 저널 Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus 1976-09-01
[46] 저널 Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase https://pubmed.ncbi.[...]
[47] 저널 High-level expression, purification, and enzymatic characterization of full-length Thermus aquaticus DNA polymerase.
[48] 저널 The Molecule of the Year 1989-12
[49] 웹사이트 https://www.nobelpri[...]


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