기말고사 총정리 노트

교수님 출제 스타일 (녹음 전체에서 반복): 단답이 아니라 “키워드 + 왜(이유/메커니즘)”를 적어야 점수가 나옵니다. “외워서 그냥 쓰면 안 되고 이해해서 풀어라”를 계속 강조했어요. 그림·표로 비교하는 문제(원핵 vs 진핵, 형질전환 vs 형질도입 등)가 특히 많습니다.

범위 정리: 강의계획서상 기말 범위는 분리·정제·추출·크로마토·효소지만, 실제 수업은 순서를 바꿔 미생물 육종 + 유전자 재조합 단백질 생산을 기말 핵심으로 다뤘습니다(녹음에서 직접 출제 예고). 그래서 이 노트도 그쪽을 가장 두껍게 다룹니다. 중간 범위(발효의미·배지·발효공정)는 “초압축” 복습으로 뒤에 넣었습니다.

정의: 동일한 대사 과정에 관여하는, 서로 다른 효소를 암호화하는 여러 유전자를 하나의 단위로 묶어 한꺼번에 조절(전사)하는 구조.

왜 묶나(이유): 예를 들어 A→B 대사에 효소 3개(유전자 1·2·3)가 모두 필요하면, 셋이 항상 같은 양으로 함께 나와야 효율적. 따로 조절하면 비효율적이라 하나의 스위치로 통째 제어.

역할: 글루코스가 부족할 때, 글루코스+갈락토스가 결합된 이당류 락토스를 분해해 글루코스를 얻기 위한 유전자 시스템. 평상시(글루코스 풍부)엔 꺼져 있음.

구성

음성 조절 메커니즘 (negative control)

• 글루코스 풍부 / 락토스 없음: 억제자가 오퍼레이터에 붙어 → 전사 OFF. (할 필요 없으니 잠금)
• 글루코스 부족 / 락토스 존재: 락토스가 억제자에 붙어 떼어냄(유도자, inducer) → 오퍼레이터 열림 → 전사 ON → 효소 생산 → 락토스 분해.
• 락토스 2가지 역할: ⓐ 분해되는 기질, ⓑ 억제자를 떼어내는 유도자. (둘 다 함)

유전공학자들이 자연의 lac operon에서 lacZ를 끄집어내 벡터(플라스미드)에 넣어 활용. β-galactosidase가 기질을 분해해 색이 나오는 성질을 “목적 유전자가 들어갔는지” 확인하는 데 씀.

• 자연의 lacZ에는 제한효소 절단부위가 없음 → 사람들이 염기를 인위적으로 치환해(코돈 3번째 자리 위주로, β-gal 기능은 유지) 여러 제한효소가 자를 수 있는 MCS를 lacZ 안에 만들어 넣음.
• 이 MCS에 목적 유전자를 삽입하면 lacZ가 파괴됨 → β-galactosidase 안 만들어짐 → 기질(X-gal) 분해 안 됨 → 흰색(=삽입 성공).
• 목적 유전자 안 들어가면 lacZ 정상 → β-gal 생산 → X-gal 분해 → 파란색(=삽입 실패).

선별 3단계 (형질전환 후)

1. 1차 — 항생제: 항생제 배지에서 살아남으면 플라스미드 보유(=항생제 저항성 유전자 있음). 플라스미드 유무만 확인.
2. 2차 — X-gal 청백선별: 흰색=목적 유전자 삽입 성공, 파란색=실패(self-ligation 등). 목적 유전자 삽입 유무 확인.
3. 3차 — 염기서열 분석(sequencing): 방향·서열까지 정확히 들어갔는지 최종 확정.

복제(replication) DNA→DNA = 클로닝 / 전사(transcription) DNA→RNA / 번역(translation) RNA→단백질. 발현(expression) = 전사+번역으로 목적 단백질을 만드는 것.

1. 복제원점(ori): 숙주 안에서 자가복제하는 시작점. 없으면 증식 불가.
2. 항생제 저항성 유전자: 1차 선별 마커. 항생제 분해 효소를 만들어 플라스미드 보유 균만 생존.
3. MCS(다중클로닝부위): 여러 제한효소가 자를 수 있는 부위 모음. 목적 유전자를 넣는 자리. 경우의 수가 많을수록 활용도↑. 단, 같은 제한효소 부위는 플라스미드에 딱 1곳만 존재해야 함(여러 곳이면 어디 들어갔는지 확인 불가).
4. lacZ: 2차 선별(청백선별)용. MCS는 보통 lacZ 안에 박혀 있음.

플라스미드 자체 특징

• 숙주 염색체와 별개로 자가복제하는 원형(circular) 2가닥 DNA. (선형이면 끊어진 비정상 상태 → 복제 안 됨, “왜 원형이냐” 출제)
• 항생제 내성 같은 “여분 기능”을 주는 공생적 존재. 빼고 넣기 쉬워 유전자 운반체(vector)로 사용.
• 4대 요소를 갖춘 벡터는 자연에 없는 인공(제조형) 플라스미드 — 좋은 요소만 모아 합성한 것.

• ① 환경 바꾸기 (배지·온도·pH 조절) — 한계가 있음.
• ② 유전자 레벨 — ⓐ 염색체 직접 돌연변이(영향 예측 어려워 비선호) / ⓑ 플라스미드 이용(본체는 그대로 두고 원하는 유전자만 실어 넣음 → 가장 효과적, 현재 주류).

1. 목적 유전자 확보 (진핵이면 mRNA→역전사효소→cDNA)
2. 재조합 DNA 제작 (벡터 + 목적유전자, 같은 제한효소로 자르고 DNA 연결효소로 결합)
3. 숙주에 도입·증식 (형질전환)
4. 형질전환체 선별 (1차 항생제 → 2차 청백선별)
5. 유전자 확인 (sequencing)
6. 목적 물질·활성 확인

제한효소 — 점착말단 > 평활말단

cohesive(sticky) end는 서로 상보적으로 붙어 결합 효율이 높아 blunt end보다 유리. 벡터와 목적 유전자를 같은 제한효소로 잘라 끝 모양을 맞추고, DNA 연결효소(ligase)로 이음.

샷건법 + 농축

shotgun법=목적 DNA를 무작위로 잘라 마구 삽입. 원하는 조각을 골라내려면 농축 필요(아가로스 겔 전기영동 + agarase로 추출).

• 인트론 제거(splicing): 엑손만 이어 붙임.
• 5′ cap(캡 모자): 5′ 말단에 화학물질 부착 → 핵 통과·리보솜 인식.
• 3′ poly-A tail: 3′ 말단에 아데닌(A) 다수 부착 → 안정성.

• ① 접힘(folding): 샤페론(chaperone) 단백질이 입체구조로 접어줌. 1차 구조만으론 기능 못 함.
• ② 변형(modification): 당화(glycosylation)·인산화(phosphorylation)·지질 부착 등 화학기 부착.

① 열충격법 (heat-shock)

1. competent cell 제작: 숙주를 CaCl₂로 전처리 → Ca²⁺(양이온)가 세포막의 음전하 + 플라스미드의 음전하(인산기) 사이에 salt bridge를 만들어 반발을 중화하고 막을 약화. = “플라스미드를 받아들일 능력을 가진 세포.”
2. 얼음에 보관(competent cell + 플라스미드).
3. 42℃로 갑자기 60초 열충격: 안팎 온도차로 막이 순간적으로 벌어짐 → 플라스미드 진입. 왜 42℃·60초? 세균 막 유동성 최적 온도가 42℃, 60초는 바깥만 데우고 안은 차게 유지(열평형 방지).
4. 회복(recovery): 37℃ 영양배지에서 ~1시간 → 막 회복, 플라스미드 안 빠져나가게.

→ 장치 필요 없이 싸고 간단. 한국에서 주로 이 방법.

② 전기천공법 (electroporation)

• electrocompetent cell: 케미칼(염) 대신 물·글리세롤로 세척해 염을 최대한 제거한 상태. (전기 펄스 시 염이 있으면 스파크·발열로 균이 죽음)
• 전기 펄스로 막에 구멍 → 플라스미드 진입. 구멍이 커서 큰 플라스미드도 가능.
• 단점: 전기천공기(기계)가 비쌈 → 잘 안 씀.

• ATG = 개시코돈 = 메티오닌(Met)으로 번역 시작. (필요 시 번역 후 제거)
• CNBr(시안화브롬): 메티오닌 뒤를 절단 → 융합단백질에서 목적 부위만 잘라냄. somatostatin 생산 예. (SS 이황화결합도 함께 고려)
• IPTG: 분해 안 되는 락토스 유사체. 억제자에 영구 결합해 operator를 계속 열어 둠 → 재조합 단백질을 끊김 없이 발현. (락토스를 쓰면 분해되어 다시 꺼지므로 IPTG 사용)

1. 플라스미드 아예 안 들어간 균 → 1차(항생제)에서 탈락.
2. 플라스미드는 들어갔으나 목적 유전자 없음(self-ligation) → 2차(청백)에서 파란색.
3. 플라스미드 + 목적 유전자 둘 다 → 흰색 = 우리가 원하는 것.

종류

• 염기 수준: 치환(substitution) · 첨가(addition) · 결손(deletion)
• 효과: missense(아미노산 바뀜) · nonsense(종결코돈 생성) · frameshift(틀 이동, 첨가·결손 시)

변이원(mutagen)

DNA 수복(repair)

광회복 · 제거수복 · 재조합수복 · SOS 수복(변이를 남기는 응급 수복).

변이주 종류: 영양요구성(auxotroph) · 약제내성 · 온도감수성 · suppressor.

분리법

• 직접법 / 내성균 선택법
• 레플리카법(Lederberg): 영양요구성주 선별. 완전배지 콜로니를 최소배지에 도장 찍어 비교.
• 여과농축법 / 페니실린 농축법(Davis): 자라는 야생형만 페니실린으로 죽이고 안 자라는 영양요구주를 농축.

효소 활성 조절

• 피드백 저해(feedback inhibition): 최종산물이 앞쪽 효소 활성을 억제.
• 알로스테릭(allosteric) 조절 · ATP 에너지 충전도(energy charge).

효소 합성 조절

• 피드백 억제(repression): 최종산물이 효소 합성(전사) 자체를 억제.
• 구성효소(항상 발현) vs 유도효소(필요 시 발현; lac operon이 대표).
• 이화물질 억제(catabolite repression) = 포도당 효과: 포도당이 있으면 다른 당 분해 효소 억제(CAP-cAMP 관여).

분기경로 조절

동위효소(isoenzyme) · 협주(concerted) · 협동(cooperative) · 축적(cumulative) · 순차(sequential) 피드백.

생산: 배양시간이 중요. 구성효소 vs 유도효소 구분.

정제 흐름 (점점 정밀해지는 순서)

1. 염석((NH₄)₂SO₄) / 유기용매 침전 — 1차 농축
2. 이온교환 크로마토그래피
3. 겔여과(분자크기)
4. 친화성 크로마토그래피(가장 특이적)
5. 한외여과(농축·탈염)

• 응집·부유: 응집제(백반·칼슘염·철염)로 미세입자 뭉치기.
• 여과: 규조토 여과(곰팡이·효모처럼 큰 균체). depth filter vs cross-flow.
• 원심분리: 세균·방선균처럼 작은 균체. basket·decanter·disk·tubular형.

침전: 염석 · 유기용매 · 등전점(isoelectric) 침전.

추출: 유기용매 추출(항생물질·지질) · 수성 2상 추출(PEG·덱스트란) · 초임계 CO₂ 추출.

크로마토그래피 4종

마무리: 건조(분무건조·드럼건조) / 결정화.

협의: 무산소(혐기) 호흡으로 당·유기물에서 ATP를 얻는 대사. 광의: 미생물이 효소로 물질을 화학변화시켜 유용 산물을 만드는 것(산소 무관, 현대적).

진정한 발효=젖산발효+알코올발효(혐기). 초산발효는 산소를 쓰므로 협의 발효 아님.

• 3대 영양: 탄소원 · 질소원 · 무기염(+생장인자).
• 천연배지 vs 합성배지. 산업용은 값싼 천연원료(당밀·옥수수침지액 등).
• 배지 멸균(고압증기), pH·소포제 관리.

상위공정(USP, upstream): 미생물·원료·기기 3요소를 최적화해 생산성 확보.
하위공정(DSP, downstream): 분리·정제·제품화·폐기물 처리.

배양 형식

• 회분(batch) · 유가(fed-batch, 기질저해·catabolite 회피) · 연속(continuous).
• 표면배양 / 액내배양(아미노산·핵산·항생물질) / 고체배양(양조·효소).

발효 경과형

증식관련형(균체·젖산·알코올) / 비관련형(항생물질) / 중간형.

• 표준형 통기교반조: 임펠러(paddle 반경류 / turbine / propeller 축류), sparger 통기관.
• 교반식 / 펌프식 / 자흡식(Waldhof·Vogelbusch).
• 산소공급 3단계(기포→배지→세포). 무균기술: 스팀 실링, 발효조 내압을 높게 유지(외부 오염 차단).

답안 작성 공식

① 정확한 용어(영어 약자는 풀이까지) → ② 한 문장 메커니즘/이유(“왜”) → ③ 예시. 비교 문제는 표·항목으로 대조. cDNA·흰색·협의/광의 같은 “정확한 단어”를 흐리지 말 것.