플라스미드

박테리아는 자신의 염색체 외에 스스로 복제할 수 있는 작은 유전물질을 가지고 있는데 이것을 플라스미드(plasmid)라고 한다. 박테리아 염색체는 평균 수 백만 kb인 반면, 플라스미드는 대개 1 kb에서 200 kb 이내이며, 원형의 이중가닥인 DNA로 구성되어 있다. 플라스미드는 박테리아의 성장에 필수적인 요소는 아니지만 항생제 내성과 같이 박테리아가 살아가는데 유리하게 만드는 유전자를 가지고 있다. 플라스미드는 접합, 형질전환, 형질도입과 같은 수평적 유전자전달(horizontal gene transfer)에 의하여 한 박테리아에서 다른 박테리아로 이동한다. 플라스미드는 유전자클로닝의 벡터로 이용할 수 있어 재조합DNA기술을 발전시키는데 커다란 역할을 하였다.

목차

1952년 미국의 저슈아 레더버그(Joshua Lederberg)는 박테리아에서 자신의 염색체 이외에 독립적으로 존재하는 DNA로 구성된 유전물질을 발견하였다. 1968년 이러한 유전물질을 정의하기 위하여 "플라스미드"라는 용어가 제안되었고, 이것은 기존에 알고 있는 바이러스와는 다른 유전물질로 염색체외 유전인자(extrachromosomal genetic element)를 의미하고, 플라스미드는 박테리아의 염색체와 독립적으로 복제가 일어난다. 플라스미드는 대개 원형의 이중가닥 DNA로 구성되어 있다(그림 1).

그림 1. 박테리아의 염색체와 플라스미드 (출처: 한국분자·세포생물학회)

플라스미드는 크게 접합성 플라스미드와 비접합성 플라스미드로 분류할 수 있다. 접합성 플라스미드는 유전물질의 이동을 돕는 tra 유전자를 가지고 있어 박테리아 사이에 접합(conjugation)을 통하여 플라스미드의 이동을 자유롭게 한다. 비접합성 플라스미드는 접합할 수 있는 능력이 없어 접합성 플라스미드의 도움을 받아야 다른 박테리아로 이동할 수 있다.

플라스미드는 기능에 따라 다음의 5 가지로 분류할 수도 있다.

tra 유전자를 가지고 있어 박테리아에게 접합할 수 있는 능력을 준다. F는 생식력(fertility)에서 유래하여 이 플라스미드를 가지고 있는 박테리아는 접합할 수 있고, 성선모(sex pili)를 만들 수 있다.

박테리아에게 항생제나 독소에 저항성(resistance)를 부여한다. R-플라스미드에는 항생제를 분해할 수 있는 효소를 만드는 유전자가 있다.

다른 박테리아를 죽일 수 있는 독소인 박테리오신(bacteriocin)의 한 종류인 콜리신(colicin)을 만드는 유전자를 가지고 있다.

박테리아에 톨루엔과 같은 물질을 분해할 수 있는 능력을 제공한다.

박테리아를 병원성이 나타나도록 만든다.

플라스미드는 대개 박테리아의 내부에서 박테리아 염색체와 독립적으로 존재한다. 그러나 일부 플라스미드는 박테리아 염색체에 삽입되는 경우가 있다. 박테리아 염색체에 삽입할 수 있는 능력을 가진 플라스미드를 "에피솜(episome)"이라 한다. 박테리아 염색체에 삽입된 에피솜은 독립적으로 복제할 수 없어 박테리아 DNA가 복제할 때 에피솜도 같이 복제된다. 때에 따라 삽입된 에피솜은 박테리아 염색체에서 빠져나와 다시 독립된 플라스미드로 존재할 수 있다. 플라스미드 중 한 종류인 F-플라스미드 또는 F-인자(F-factor)를 가진 박테리아(F⁺ 세포)에서 F-인자가 박테리아 염색체에 삽입되면 Hfr 균주(High frequency of recombination strain)라 하는데, 이런 경우 F-인자를 가지지 않은 F^- 박테리아에 접합을 통하여 박테리아 염색체 일부를 쉽게 이동시킨다.

플라스미드는 재조합DNA기술에서 클로닝에 가장 많이 사용되는 벡터이다. 클로닝에 사용하는 플라스미드 벡터에는 DNA복제원점과, 삽입유전자의 유무 존재를 구별할 수 있는 마커, 제한효소로 플라스미드를 자르고 원하는 유전자를 삽입하는 다중클로닝 부위(multiple cloning site, MCS, 또는 폴리링커)가 있다(그림 2). 플라스미드 벡터를 적절한 제한효소로 자른 후 동일한 제한효소로 자른 유전자를 삽입할 수 있다. 플라스미드에 클로닝할 수 있는 DNA절편의 크기는 최대 15 kb이다. 이러한 플라스미드를 형질전환(transformation)을 이용하여 박테리아에 삽입한 후 박테리아를 배양하면 다량의 원하는 유전자를 얻을 수 있다. 이렇게 삽입된 유전자는 유전자의 발현이나 특성을 연구하는 실험실에서 유용하게 이용되고, 다량의 단백질을 생산하는 데 사용된다.

그림 2. pUC19 플라스미드 (출처: 위키피디아, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PUC19.svg)

플라스미드에 클로닝된 유전자는 다량의 단백질을 생산하는 데 이용된다. 사람의 인슐린 유전자나 성장호르몬 유전자를 클로닝 벡터인 플라스미드에 삽입한 후 박테리아를 배양하면 박테리아는 자신의 유전자와 마찬가지로 플라스미드에 있는 유전자에서도 단백질을 생산한다. 대량 배양된 박테리아에서 원하는 플라스미드에서 생산된 단백질만 순수 정제하면 의약품으로 이용될 수 있다. 실제로 현재 생산되는 인슐린이나 성장호르몬은 이렇게 박테리아에서 생산된다.

플라스미드 중에는 분해 플라스미드가 있다. 분해 플라스미드를 포함하고 있는 박테리아는 사람에게 해로운 유해물질을 분해할 수 있는 능력을 가지고 있다. 바다에 원유가 유출된 경우 분해 플라스미드를 가지고 있는 박테리아를 오염지역에 대량으로 배포하면 박테리아가 원유를 분해하여 바다를 정화시킬 수 있다. 공해물질이 다량 함유된 토양이나 오수에도 분해 플라스미드를 가진 박테리아를 처리하여 토양이나 오수를 정화시킬 수 있다.

수평적 유전자전달(horizontal gene transfer), 유전자 외인자(extrachromosomal genetic element), 접합(conjugation), 에피솜(episome), Hfr 균주(High frequency of recombination strain), 다중클로닝 부위(multiple cloning site, MCS).

Molecular biology of the gene (Watson저, 5판, Pearson Benjamin Cummings, Cold Spring Harbor Laboratory Press).