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진화 및 생물다양성의 이해

< 진화 및 생물다양성의 이해 >◎실험 목적; 진화(evolution)는 생물학에서 생물 집단이 여러 세대를 거치면서 변화를 축적하여 집단 전체의 특성을 변화시키고 나아가 새로운 종의 탄생을 야기하는 과정을 가리킨다. 몇몇 생물 종들 사이에서 발견되는 유사한 점을 통해서 우리는 현재의 모든 종이 이러한 진화를 거쳐서 먼 과거의 어떠한 공통의 조상으로부터 왔다는 사실을 유추할 수 있다. 이러한 진화가 일어난 원인에 대해 다윈은 ‘자연선택(Natural Selection)'을 주장했다. 자연선택은 생존에 적합한 형질을 지닌 종이 그렇지 않은 종에 대해 생존과 번식에서 유리하다는 이론이다. 이번 실험에서는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 이러한 자연선택이 일어나기 위한 조건들을 알아보고 실질적으로 어떻게 적용이 되는지에 대해 생각해 보았다.◎실험 방법EVODOTS 프로그램을 실행시켰다.실험1) 진화의 조건Dots vary in size로 설정해 놓은 다음,1) Selective survival (non-Random selection), Heritable, and Variable size2)Selective survival (non-Random selection), Heritable, and Non-variable size3)Selective survival (non-Random selection), Non-Heritable, and Variable size4)Variable & Heritable size, and Non Selective survival (Random selection)4가지 조건에서 3세대를 지나게 한 뒤 표현형 빈도수의 변화를 비교한 뒤 변이(variation), 유전(heritability), 선택(selection)이 생물 집단에 미치는 영향을 알아보았다.실험2) 돌연변이(mutation) & 개체군 크기(population size)의 영향Dots vary in visibility로 설정해 놓은 다음,1)Selective survival (non-Random selection) with mutation2)Selective survival (non-Random selection) WITHOUT mutation에 대해 각각 5세대를 지나기 한 뒤 표현형 빈도수 변화를 비교하였다.Selective survival (non-Random selection) with mutation으로 하여 개체군 크기를 50 과 200으로 설정하여 5세대 뒤에 표현형 빈도수의 변화를 비교하였다.실험3) 호랑이와 표범Dots vary in speed로 설정해 놓은 다음,Tiger 방식(특정 위치에 지나가는 점만 제거)과 Leopard 방식(무작위로 점을 제거)으로 각각 5세대씩 지난 후에 표현형 빈도수 변화를 비교하였다.◎실험 결과 및 논의실험1에서는 4가지 경우로 나누어 각각을 5세대 지난 후의 표현형 빈도수를 알아보았다. 첫 번째 조건은 대조군 역할로, 실험 결과 size가 큰 집단이 살아남기 힘듦을 알 수 있었다. 그리고 이로 인해 size가 작은 집단은 세대를 지날수록 점점 개체수가 많아졌다. 두 번째 조건은 한 가지 종류의 집단만을 가지고 실험을 한 것으로 세대가 지나도 변함이 없었다. 세 번째 조건은 형질이 매번 동일한 것으로 유전이 되지 않게끔 설정을 해놓은 상태였는데 size가 큰 집단이라고 꼭 3세대 후 사라지지는 않았다. 물론 숫자가 줄어드는 경향을 띄었지만 대조군만큼 압도적으로 줄어들지는 않았다. 마지막 네 번째 조건은 random selection을 하였는데 어떠한 size에 대해 경향성을 띄는 것 없이 집단이 줄어들고 늘어났다.(실험 1-1) (실험 1-2)(실험 1-3) (실험 1-4)실험결과를 토대로 진화에 대해 생각해보면 우선 만약 세대를 거듭해도 돌연변이가 생기지 않고 같은 집단으로 형질이 계속 유전이 된다면 실험 1-1과 1-2에서 size가 다르다 하더라도 진화가 일어나기는 힘들 것이다. 진화란 세대를 거치면서 집단 전체의 특성을 변화시키고 결국 새로운 종으로 나아가는 과정을 일컫는데 이러한 각 개체들의 특성을 변화시키기 위해서는 돌연변이가 일어나야 하기 때문이다. 그렇지만 현실과 적용해서 생각해보면 size가 다양할수록 진화가 일어날 가능성은 더 높아진다. 한 가지 종류의 집단만 서식하고 있는 지역이면 다른 종과의 교류가 전혀 일어날 수 없을뿐더러 포식과 피식 관계도 없어서 개체 수 유지와 더불어 그 지역 생태계 유지에도 악영향을 끼치기 때문이다. 형질이 만약 세대를 거치면서 조금씩 변화할 수 있다면(실험 1-3) 종의 다양성에 기여할 수 있고 곧 이것이 진화로 이어질 가능성이 있다. 실험 1-1같은 상황이라면 size가 큰 집단이 사라진 후에 다시 나타날 경우가 오지 않기 때문에 종이 점점 단순해질 것이다. 마지막으로 형질에 따라 선택적으로 생존을 하는 경우와 그렇지 못한 경우(실험 1-1과 1-4)를 비교해보면 선택적인 경우가 진화가 일어나는데 있어서 도움이 됨을 알 수 있다. 만약 형질이나 기타 외부 상황과 관계없이 random하게 집단이 피식되고 세대를 거치게 된다면 환경에 잘 적응한 집단이나 형질이 우수한 집단역시 생존에 이점을 지니지 않게 된다. 이렇게 되면 다윈의 자연선택설에는 맞지 않게 되므로 형질에 따라 선택적으로 생존이 이루어 졌을 때 진화가 일어날 가능성이 더 높다고 할 수 있겠다.실험 2에서는 3가지 경우로 나누어 돌연변이와 개체군 크기가 어떠한 영향을 끼치는지 알아보았다. 먼저 첫 번째 조건에서는 돌연변이가 일어나게끔 설정을 하였는데 5세대 후에 처음에는 없던 개체가 새롭게 생겨났음을 알 수 있었다. 또한 color가 진하면 진할수록 눈에 띄지 않아 마우스로 클릭(포식)하는데 어려웠다. 상대적으로 밝은 개체가 눈에 잘 띄어서 밝은 색의 개체 수는 많이 감소했음을 알 수 있었다. 두 번째 조건은 돌연변이가 일어나지 않는 상태에서 세대를 지나게 하는 것이었다. 앞서 실험했던 실험 1-1과 같은 경우와 비슷하게 돌연변이가 일어나지 않으므로 세대가 지나면서 점점 종이 줄어드는 모습을 볼 수 있었다. 2-2같은 경우에 진한 색의 개체수가 더 밝은 색의 개체보다 처음보다 많이 줄었는데 그 이유는 포식하는 데 있어서 우연의 일치, 실험자의 약간의 의도 등으로 인해 발생한 결과인 것 같다. 마지막 조건에서는 돌연변이가 일어날 수 있게 설정하고 대신 2-1과 다른 점은 개체수를 200으로 놓고 실험을 하였다. 밝은 색의 개체수가 조금 줄어든 것을 볼 수 있었고 처음에는 없던 개체가 새로 생겨 꽤 많이 수가 증가했음을 볼 수 있었다.(실험 2-1) (실험 2-2)(실험 2-3)앞서 실험1에서 1-1과 1-3을 비교한 것과 비슷하게 돌연변이가 일어나는 지의 유무(실험 2-1과 2-2) 중 돌연변이가 일어났을 때 진화에 더 영향을 줄 수 있다. 돌연변이가 일어나 기존에 있던 개체와 조금 다른 개체가 생겨난다면 우선 종의 다양성에 기여하는 결과이고 만약 이 돌연변이 개체가 환경에 잘 적응하게 되어 번식한다면 이 또한 새로운 종으로 굳어질 가능성도 있기 때문이다. 그렇지만 돌연변이가 일어나지 않게 된다면 2-2의 결과처럼 포식하기 쉬운 밝은 색 개체부터 차근차근 사라지게 될 것이다. 그리고 2-1과 2-3을 비교하여 개체수가 차이가 어떤 영향을 주는지 알아보면 우선 같은 5세대를 지나게 하였는데 새롭게 생긴 개체의 숫자가 개체수가 많은 경우 더 많이 발생하였다. 이는 돌연변이로 새로 생긴 개체들이 더 빠르게 종족을 퍼트려 환경에 잘 적응할 수 있음을 의미한다. 개체 수 증가가 천천히 일어난다면 다른 종으로부터의 위험에 쉽게 노출된다든지 외부 환경에 적응하는 데 어렵기 때문이다. 이로부터 개체수가 크면 클수록 돌연변이 개체의 수나 그 유지에 도움이 됨을 알 수 있다.실험 3에서는 포식하는 방법을 차이를 두어 각각 어떠한 결과가 나오는지 비교하였다. 먼저 Tiger방식에서는 포식자가 가만히 있고 포식자로 오는 개체들을 잡아먹는 것이기 때문에 포식자로부터 얼마나 자주 접근하는가가 중요했다. 그래서 결과를 살펴보면 빨리 움직이는 개체들은 5세대가 지나자 모두 사라져버렸고 속도가 느린 개체들은 그 수가 증가했음을 알 수 있었다. 둘째로 Leopard방식에서는 포식자가 움직이는 개체들을 포식하는 방법이었기 때문에 속도가 빠른 개체들은 포식하기 쉽지 않았고 상대적으로 느릿하게 움직이는 개체들이 결국 사라져버렸다. 5세대가 지난 후에 결과를 처음과 비교하니 이와 같은 결과가 극명하게 드러났다.

자연과학| 2010.09.10| 4페이지| 1,000원| 조회(446)

생물다양성, 진화, 생물학실험, EVODOTS

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Bioinformatics

< Bioinformatics >◎실험 목적; DNA 서열을 분석하는 방법의 발달에 따라 현재 수많은 종의 게놈 서열이 밝혀져 있으며, 이로부터 만들어지는 단백질이나 RNA 서열 정보 또한 많은 수로 늘어나고 있다. 또한, 특정 조건에서의 유전자들의 발현량, 그들의 산물 및 상호작용들에 대한 정보가 Transcriptomics, Proteomics, Metabolomics와 같은 방법들을 이용하여 대규모로 얻어지고 있다. 이와 같이 데이터의 양이 급격히 증가함에 따라 이를 수작업으로 다룬다는 것은 불가능하게 되었으며, 이로부터 유용한 지식을 얻어내기 위해서는 수학, 통계학, 전산학을 기반으로 하는 방법론들이 필요로 하게 되었다. 이처럼 생물체로부터 얻어진 대량의 데이터로부터 유용한 지식을 얻어내기 위한 전산/통계/수학적인 도구를 통칭하여 생물정보학(Bioinformatics)이라고 한다. 이번 실험에서는 Bioinformatics 연구 활동 중 DNA sequencing에 대해 알아보고 인터넷 사이트를 이용해 sample에 대한 여러 가지 정보를 알아보았다.◎실험 방법1. Sample sequence 하나를 선택하여 nucleotide blast를 한 뒤 어떤 유전자인지 결과를 분석하였다.2. 해당 유전자가 생성하는 단백질을 protein blast로 찾았다.3. Protein이 가진 conserved domain을 찾아서 구조를 확인하였다.4. 다른 생물체에 homolog가 있는지 확인하였다5. DNA sequence의 Restriction Enzyme site를 찾아보았다◎실험 결과 및 논의사용한 sample은 sequence 19를 하였다.(그림 1)(그림 1: 미지의 sequence 분석)그 중 맨 위에 sequence를 선택하였다. 그 sequence에 대한 description은 (Human chitotriosidase precursor mRNA, complete cds)이었다.(그림 2)(그림 2: 선택한 sequence에 대한 설명)Organism을 보니 ‘Homo Sapiens’로 되어 있다. 그리고 그 아래 mRNA 라고 나와 있다. 이 sequence는 Homo Sapiens의 mRNA 임을 알 수 있다. 동그라미 표시한 protein의 amino acid 서열을 복사하여 protein blast를 하였다.(그림 3)(그림 3: conserved domain에 대한 summary)(그림 4)(그림 4: conserved domain에 대한 자세한 설명 / domain 그림)이들 중 GH18_chitinase이라는 domain을 알아보았다.이 domain은 chitin과 N-acetylglucosamine의 polymer를 가수분해한다. Bacteria나 fungi, viruses, plants 등에 있고 이 domain의 구조는 여덟 가닥의 alpha와 bete barrel로 이루어져 있다.(그림 5: GH18_chitinase)주어진 Human과 Mouse의 protein 서열을 이용해 align해보았다.(그림 6)(그림 6: Human과 Mouse의 align 그래프)오른쪽 위로 일차선으로 되었을 때 거의 일치함을 의미한다. 따라서 주어진 Human과 Mouse의 protein 서열은 거의 일치함을 알 수 있다. Identities = 388/462로 약 84%이고 Positives = 407/461로 약 88% 그리고 Gap = 1/461로 거의 0%의 수치가 나왔다. Identities와 Positives의 수치가 높을수록 일치하는 정도가 높아지고 약 90%가 넘으면 대개 일치한다고 본다. 위 경우 90%에는 미치지 못하였지만 거의 90%에 가까우므로 둘의 protein 서열은 거의 일치한다고 생각할 수 있다.(그림 7)(그림 7: align된 서열)마지막으로 주어진 puc19 vector 서열을 가지고 restriction enzyme site search를 했다.(그림 8)(그림 8: search한 결과 / single cut enzymes)ORF는 총 8개가 있다. 그림에서는 최소 ORF의 길이를 100 a.a로 설정해 놓아 3개만 표시되었다. DNA의 염기는 A,T,G,C총 4개가 있는데 A와 T는 이중 수소 결합을 하고 G와 C는 서로 삼중 수소 결합을 한다. 그래서 G와 C의 비율이 높으면 높을수록 DNA의 구조가 더 안정된 상태가 된다. puc19 vector같은 경우 GC의 비율이 51% AT의 비율이 49%정도로 나왔다. single cut은 워낙 그 수가 많아 화면에 다 표시되지 못하였다.

자연과학| 2010.09.10| 4페이지| 1,000원| 조회(210)

생물학실험, bioinformatics, DNA sequencing

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DNA

< DNA >◎실험 목적; DNA(deoxyribonucleic acid)란, 자연에 존재하는 2종류의 핵산 중에서 디옥시리보오스를 가지고 있는 핵산으로, 유전자의 본체를 이루며 디옥시리보핵산이라고도 한다. 주로 세포 내에서 생물의 유전 정보를 보관하는 물질이다. 결합되어 있는 염기에 의해 구분되는 네 종류의 뉴클레오티드가 중합되어 이중 나선 구조를 이룬다. 미생물학 실험에서 많은 양의 DNA를 확보하는 것은 매우 중요한데 이를 위해 형질전환(Transformation)을 이용한다. 형질전환이란 박테리아 세포에 자극을 주어 Plasmid DNA를 받아들일 수 있는 상태로 만드는 것으로 외부 DNA를 숙제 세포 내로 도입시켜 배양한 후, 우리가 필요한 DNA를 얻는 방법이다. 이는 숙주 세포를 다량 배양한 뒤 이 세포가 본래 가지는 chromosomal DNA와 plasmid DNA를 분리할 수 있기 때문에 가능한 방법이다. 이번 DNA관련 실험은 총 3주에 걸쳐서 진행되었다. 1주차 실험에서는 Recombinant DNA plasmid가 들어있는 E.coli로부터 직접 plasmid를 추출하였고 이어서 2주차 때는 추출한 DNA를 competent cell에 주입시킨 후 형질전환을 시키고, 배지를 만들어 cell을 배양시키는 작업을 하였다. 마지막으로 3주차 실험에서는 재조합한 DNA가 제대로 되었는지 확인하기 위한 작업으로 제한효소를 이용하여 DNA를 자른 후 전기영동을 하여 확인해보았다. 실험 보고서는 시간 순이 아닌 절차 순으로 재구성하여 정리하였다.◎실험 재료; Echerichia coli(Competent cell : DH5α), plasmid DNA(pUC19 vector), 마이크로 피펫, 소/대형 원심분리기, E-tube, Ice, plasmid DNA purification kit, buffer(Resuspension buffer, Lysis buffer, Neutralization buffer), spreader, 알코올 램프, LA Platplate 만들기1. 플라스크의 100ml 정도의 선까지 오도록 압력밥솥에 물을 넣었다.2. LB Broth 2.5g, Bacto agar 2.0g, 물 100ml을 플라스크에 넣고 흔들어서 섞어준 다음 압력밥솥에서 15분 끓였다.3. 끓인 후 불을 끄고 압력밥솥의 김을 끝까지 빼주고, 배지를 따뜻하게 느껴질 정도까지 식혀주었다.4. 2개의 dish를 준비해서 하나는 LB가 어느 정도 식었을 때 Amp 100ug/ml을 넣었고 다른 하나는 그대로 식혀주었다.? Competent cell을 20㎕과 DNA 1ng을 넣은 후 약하게 voltexing 하였다.? 42도에 45초 정도 heatshock을 준 뒤 약하게 voltexing 하였다.? LA plate에 tube 내용물을 뿌려주고 spreader을 이용하여 펴주었다.? 37도에서 12~16시간 incubation시켰다.? Amp를 넣은 plate에서 Bacteria가 자란 LB중 1ml을 E-tube로 옮겼다.? 12,000rpm 30초(또는 3,000rpm 15분)간 원심분리하고 상층액을 완전히 버렸다.? Resuspension buffer를 250㎕넣고 vortexing을 하여 pellet을 완전히 풀어주었다.? Lysis buffer를 250㎕넣고 inverting해주었다.? Neutralization buffer를 350㎕넣고 inverting해주었다.? 12,000rpm에서 10분간 원심분리한 뒤, 상층액을 column에 옮겼다.? 12,000rpm에서 1분간 원심분리하고 collection tube에 있는 용액을 버렸다.? Washing bufferA 700㎕를 넣고 1분 원심분리하고 collection tube의 용액을 버렸다.? Washing bufferB 700㎕를 넣고 1분 원심분리하고 collection tube의 용액을 버렸다.? 빈 collection tube에 column을 끼우고 12,000rpm에서 1분 동안 원심분리 하였다.? column을 E-tube에 옮기고 50㎕의 elucutSingle cutDouble cutD?W(ul)141312131210X buffer(ul)2222210X BSA(ul)22222DNA(ul)22222NotⅠ(ul)?11?1SalⅠ(ul)??111(37도에서 30분간 반응시켰다.)? 반응시키는 동안 Gel을 만들었다.? Gel 만들기1. 1x TAE 50ml, agarose 0.5g을 넣었다.2. 전자렌지에 2분정도 돌린 후 식힌 다음 Etbr을 조금 넣은 후 판에 붓고 comb을 꼽은 후 20분 식혔다.? ElectroPhoersis kit를 준비하였다.? 1x TAE를 표시선까지 붓고 반응시켰던 Sample과 6x Dye 2ul을 섞은 뒤 Marker와 함께 Loading하였다.? kit를 20-30분간 켜서 Sample을 running하여 결과를 확인하였다.◎실험 결과 및 discussion먼저 Amp 첨가 여부를 조작변인으로 하여 12~16시간정도 키웠던 dish를 비교해 보았다. Amp를 넣어준 dish에서는 많은 수의 colony들이 관찰되었다. Colony의 숫자나 크기는 조에 따라서 차이를 보였지만 비슷한 결과를 얻을 수 있었다.(위 실험결과의 대한 사진은 결과에 대한 설명을 위한 참고용이다.)Amp를 첨가하지 않은 dish에서는 colony가 생기지 않고 전체적으로 작은 알갱이들이 dish 전체에 분포해있는 모습을 관찰할 수 있었다. Amp를 첨가한 배지에서 colony가 형성된 것은 Amp에 대해 내성 유전자를 가지고 있지 않은 플라스미드 DNA은 죽고 내성유전자를 가지고 있는 DNA만이 살아남은 것이다. 그런데 Amp를 첨가하지 않은 배지에서는 Amp 내성유전자를 가지고 있지 않아도 살아갈 수 있는 환경이기 때문에 대부분의 DNA가 증식할 수 있었고 이로 인해 군체를 형성하지 않고 dish에 전체적으로 퍼뜨려져 자란 것 같다.제한효소를 처리한 후 전기영동을 한 결과는 다음과 같다.왼쪽에 사진은 우리조가 실험한 것에 대한 결과이다. Marker를 이용해 크기를 살펴보면 가장 굵은 밴드의 이는 다른 종류의 DNA가 아니라 DNA의 형태가 달라서 이동하는 속도가 달라서 생기게 된 결과이다. 플라스미드 DNA에는 supercoiled DNA, nicked DNA, linearlized DNA가 있다. nicked DNA은 이중으로 된 플라스미드의 한쪽 strand가 끊어져서 풀린 모양이고 linearlized DNA는 두 strand가 모두 절단되어 선형을 이룬 모양이다. supercoiled DNA이 체적이 가장 작고 그 다음으로 nicked DNA, linearlized DNA 순으로 큰데 체적이 커지게 되면 gel을 통과하기 힘들어지기 때문에 전기영동을 했을 때 이동하는 속도가 차이난다. 그래서 no cut일 때 single band가 나오지 않는 것이다. 제한효소를 이용해 플라스미드 DNA를 잘라주면 모두 linearized 되어 하나의 뚜렷한 band를 관찰할 수 있다. 제한효소를 NotⅠ과 SalⅠ을 사용한 경우 2개의 band가 관찰되는데 우리가 사용한 플라스미드 DNA(pGEX-4T3)을 보면 SalⅠ과 NotⅠ의 부위가 가깝다. 그래서 잘린 가닥 중 한 가닥이 다른 한 가닥보다 많이 기다란 형태를 띠게 되었다.miniprep을 할 때 다양한 종류의 buffer을 사용하였는데 대표적으로 Resuspension / Lysis / Neutralization buffer가 있다. 가장 먼저 사용하는 Resuspension buffer에는 glucose와 Tris·Cl (pH 8.0), EDTA (pH 8.0), RNase A가 들어있는데 Resuspension buffer를 사용하는 목적이 cell을 풀어주는 역할에 맞게 그 다음에 사용될 lysis buffer가 모든 cell에 균일하게 처리될 수 있도록 한다. EDTA는 calcium ion을 제거하여 나중에 세포벽을 깨는데 도움을 주고, glucose는 세포가 완전히 깨지게 되면 chromosomal DNA가 plasmid DNA와 섞이기 때문에 삼투압을 조절하여 외형을 유지시키는 enaturation하는 역할을 하게 된다. 마지막으로 Neutralization buffer은 산성용액으로, chromosomal DNA와 엉켜 가라앉히기 위해 사용된다. Neutralization buffer를 첨가하면 용액에 덩어리가 진 모습을 볼 수 있었는데 이는 chromosomal DNA 와 potassium, SDS등의 혼합물이라고 생각할 수 있다. 추가로 위 실험에서 washing buffer A/B, elution buffer를 사용하였는데 washing buffer는 플라스미드 외에 다른 물질은 없애고 플라스미드만 resin에 붙게 하고 elution buffer는 resin과 플라스미드를 떼어내어 플라스미드를 얻게 하는 역할을 한다.일반적으로 생물은 Chromosomal DNA와 Plasmid DNA가 있다.(플라스미드가 들어있는 세균을 그린 그림)Chromosomal DNA에는 우리가 흔히 일컫는 염색체 속에 존재하는 DNA를 일컫는다. DNA에는 생명 현상의 정보를 담고 있는 것으로 기본 단위는 뉴클레오티드이다. 뉴클레오티드는 인산, 당, 염기로 이루어져 있고 DNA인 경우 2중 나선 구조이고 RNA는 단일 사슬 구조이다. DNA는 염기의 종류에 따라 A,G,C,T 4가지로 분류된다. RNA의 염기는 DNA의 것과 유사하지만 T대신 U인 차이점이 있다. 이들 염기는 서로 상보적인 결합을 하여 구조를 이룬다. 핵 속의 염색사에 존재하여 신호를 받아 단백질을 합성하거나 유전 정보를 저장하고 있어 자손의 유전자에 영향을 주는 중요한 역할을 담당한다. Plasmid DNA란 chromosomal DNA와 달리 염색체 밖에 존재하는 DNA이다. 복제기점(replication origin)과 항생제 저항성 유전자(Antibiotics selection marker), MCS로 이루어져 있는 고리 모양의 구조이다. Plasmid DNA는 chromosomal DNA에 영향을 받지 않고 스스로 복제를 할 수 있어서 cloning에 이용된다. 박테리아의혀졌다.

자연과학| 2010.09.10| 5페이지| 1,000원| 조회(129)

형질전환, DNA, 전기영동, 생물학실험

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세포 분열 관찰

< 세포 분열 관찰 >◎실험 목적; 다세포 생물인 경우 한 개체는 수많은 세포로 이루어져 있다. 각각의 세포는 현미경을 통해서만 볼 수 있을 정도로 작다. 이들 세포 역시 크기가 커지면서 자란다. 그러나 세포가 커지면 커질수록 부피에 대해 표면적이 작아져 물질교환에 어려움을 갖게 될 뿐만 아니라 세포가 커지면 핵으로부터 나온 신호가 제대로 전달되지 않는 부분이 있을 수 있다. 이와 같은 이유로 인해 세포는 체세포분열(mitosis)나 감수분열(meiosis)와 같은 세포 분열 방법을 통해 작은 크기를 유지하는 것이다. 단세포 생물같은 경우에는 세포 분열이 곧 생식이 되므로 세포 분열은 매우 중요한 것이라 할 수 있겠다. 이번 실험에서는 양파의 뿌리를 이용해서 세포 분열을 관찰했다. 양파세포 관찰을 통해 각각의 체세포분열 과정에 대해 알아보고 어떤 특징이 있는지 알아보았다. 더불어 미리 준비된 Lily 슬라이드도 관찰하였다.◎실험 재료; 양파의 뿌리 끝, 메스, 슬라이드글라스, 커버글라스, 1N HCl, 스포이드, 알코올램프, 클램프, 여과지, 아세트산카민, 현미경◎실험 방법1. 준비된 양파의 뿌리 끝을 꺼내 뿌리 끝에서부터 2~3 cm정도 잘라서 슬라이드 글라스 위에 놓았다.2. 여과지로 수분을 제거하고 45% 아세트산카민 용액을 몇 방울 떨어뜨린 후 끓이지 말고 1분정도 가 열하였다.3. 해부침을 이용하여 잘게 찢었다.4. 다시 45% 아세트산카민 용액을 한 방울 떨어뜨린 후 5~10분 기다렸다.5. 커버글라스를 덮고 여과지를 덮은 후 가볍게 누른 다음 현미경을 통해 관찰하였다.◎실험 결과 및 논의우선 가장 저배율로 관찰하였는데 상 위에 한가득 세포들이 보였다. 양파 세포의 핵은 아세트산카민 용액에 의해 염색이 되어 붉게 보였다. 그러나 세포 분열 중인지 여부는 관찰하기 힘들었고 단지 작은 점으로만 핵을 볼 수 있었다. 배율을 조금 높여 400배로 관찰하였더니 조금 자세히 들여다 볼 수 있었다.(400X) (400X)희미하긴 하지만 세포분열 중인 양파 세포를 관찰할 수 있었다. 염색체가 중앙에 배열되는 시기인 중기와 이제 막 염색체로 응축이 되어 서로 엉켜있는 시기인 전기와 염색체가 양 극으로 나뉘어 있는 시기인 후기를 볼 수 있었다. 그러나 상이 흐릿하기도 하고 세포 분열 중인 세포 속 염색체의 정확한 동향을 파악하기 힘들어서 세포분열 시기를 모두 생각해 볼 수는 없었다. 더 고배율인 1000배로 관찰하고자 했으나 상이 잡히지 않았다. 슬라이드를 만들 때 양파를 얇게 찢지 못해서 우선 상이 겹쳐보여 관찰하기 힘들었는데 이 때문에 고배율로 했을 때 상을 찾을 수 없었던 것 같다. 그래서 양파 슬라이드를 추가로 더 만들어서 실험을 했으나 아쉽게도 1000배로 관찰하는 것은 하지 못했다.(1000X)대신 첨부자료를 통해 간접적으로나마 1000배일 때 양파세포를 관찰하였다. 확실히 400배일 때보다는 염색체가 좀 더 자세히 보였다. 세포분열 시기의 상태도 그래서 더 명확히 알 수 있었다. 특히 위에 첨부된 저 사진에 있는 세포 중에 중앙에 후기와 말기 상태인 듯한 세포모습은 세포분열관찰 실험의 하이라이트라 해도 될 만한 것인 것 같다. 최대한 양파 뿌리 끝을 사용하고 뿌리를 얇게 만들기 위해서 여러 가지 방법을 동원하여 슬라이드를 만들었지만 1000배 관찰에는 실패하였다. 이를 직접 눈으로 관찰하지 못해서 아쉽다.추가로 Lily 세포도 관찰하였다. 이 관찰은 미리 준비된 슬라이드를 이용하였다.위 사진은 Lily 세포의 전기(prophase)상태 사진이다. 전기는 염색사가 응축되어 염색체가 되는 시기이다. 그래서 아직 염색체가 중앙으로 배열된다던지 양끝으로 나뉘는 모습은 없다. 이제 서서히 염색체로 응축이 되어 분열준비를 하는 시기로, 핵막 안으로 염색사와 염색체들이 모여있는 것을 볼 수 있었다.Genome이란, 유전자와 염색체의 합성어로 세포의 정상적인 기능이 가능하도록 모든 유전자를 갖고 있는 1세트의 염색체를 말한다. 생물의 모든 세포 속에는 핵이 있고 핵 속에는 일정한 수의 염색체가 있다. 또한 염색체에는 부모로부터 물려받은 유전정보를 가진 DNA가 있다. DNA는 핵산의 하나이다. 핵산은 뉴클레오티드로 불리는 단량체로 구성된 거대하고 복잡한 폴리머이다. 각 뉴클레오티드는 5개의 탄소 원자로 구성된 당 분자와 인산기, 질소염기로 불리는 질소를 포함한 분자로 구성되어 있다. 뉴클레오티드를 구성하는 당 분자의 구조에 따라 DNA RNA로 구분된다. DNA는 단백질 합성에 대한 원래의 청사진 역할을 하는 핵산으로서, 디옥시리보오스 형태의 단, 인산, 그리고 질소염기로 특정 서열을 보이는 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민을 함유하고 있다. Chromatin이란, 염색질이라고 한다. 진하게 염색된 부분을 염색질이라고 하는데, 이것은 착색된 물질이라는 뜻이다. 염색질은 단백질과 조합된 DNA의 긴 분자로 구성되어 있다. DNA분자는 세포를 구성하고 유지하는데 필요한 청사진인 세포의 유전정보를 함유하고 있다. 염색질은 핵 속에 느슨하게 배열된 DNA이다. Chromosome이란, 염색질이 짧고 조밀한 구조로 단단하게 꼬인 것으로 염색체라고 한다. 염색질과 실제로는 같은 분자이지만 구조적인 배열이 다르다.세포 분열을 하는 이유는 위에서도 설명하였지만 세포의 물질교환이 효율성과 신호전달의 원활함을 위해 필연적으로 발생하는 분열이다. 또한 단세포생물의 경우에는 세포분열이 곧 생식이므로 종족유지에 중요하고 다세포생물은 분열을 통해 생장을 한다. 감수분열을 하면 염색체와 DNA의 양이 절반으로 줄어드는데 세대를 거듭해도 자손의 염색체 수가 항상 일정하게 유지되기 위함이다. 만약 절반으로 줄어들지 않은 상태에서 부모의 배우자가 만난다면 자손의 염색체수와 DNA양은 부모의 2배가 되기 때문에 감수분열을 통해 그 수를 맞추는 것이다.

자연과학| 2010.09.10| 3페이지| 1,000원| 조회(535)

세포분열, 생물학실험, 양파뿌리

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효소의 작용에 미치는 온도, salt, pH의 영향 평가A+최고예요

< 효소의 작용에 미치는 온도, salt, pH의 영향 >◎실험 목적; 촉매란 자신은 변하지 않으면서도 화학반응 속도를 빠르게 또는 느리게 하는 작용을 하는 물질로서 효소와 기질(반응 물질)의 복합체를 형성함으로써 기질 분자의 구조를 변화시킬 수 있는 활성화 에너지를 갖는다. 생물체 내에서도 이러한 촉매작용을 하는 물질이 있는데 그것이 바로 효소이다. 세포에는 수많은 효소가 존재하고 효소는 한 종류에만 반응하는 것도 있고 다른 여러 반응에 참여하는 효소들도 존재하고 있다.화학반응의 속도는 반응물이 어느 정도의 에너지를 받아 활성화되는 에너지에 의해서 결정이 된다. 열을 공급하면 일반적으로 반응이 빨리 진행되지만, 생체의 경우에는 일정한 온도에서 반응이 일어나는 특징이 있다. 이러한 특징은 수십만년 동안 생체가 끊임없는 적응과정을 통해 얻은 특징이며 이러한 특징은 생명체가 살아가는 데 있어서 중요한 역할을 한다. 위 실험에서는 온도뿐만 아니라 농도와 pH의 따라서 효소의 작용이 어떻게 일어나는지 알아볼 것이다. 이를 통해 생명체 내의 특성과 연결하여 특정 값에서 효소의 작용이 가장 활발하게 일어나는 이유에 대해서도 알아보게 될 것이다.◎실험 재료; α-amylase, 1% starch 용액, 0.1N Iodine 용액, pH 3.0, 7.0, 10.0 TE buffer, 증류수, 5%, 10%, 20% NaCl 용액, 40℃, 70℃항온수조(water bath), 시험관, 시험관대, 파이펫, 얼음, 온도계◎실험 방법1. 효소의 작용에 미치는 온도의 영향1) 6개의 시험관에 1~6까지 labeling 하였다.2) 각 시험관에 2㎖의 녹말용액과 TE buffer(pH 7.0) 1㎖, D.W 1㎖을 넣었다.3) ①,②번 시험관은 4℃(얼음), ③,④번 시험관은 40℃ water bath, ⑤,⑥번 시험관은 70℃ water bath에서 5분간 pre-warming하였다.3) 요오드를 20㎕씩 넣었다.4) ②,④,⑥번 시험관에 각 40㎕의 α-amylase을 넣어 잘 게 바뀌었는지 알아보고 효소의 활성을 추정하였다.2. 효소의 작용에 미치는 pH의 영향1) 시험관에 1~6까지 labeling 하였다.2) 2㎖의 녹말용액, D.W 1㎖을 넣어주었다.3) 1~6번 시험관에 각각 TE buffer pH 3.0, pH 7.0, pH 10.0 용액 1㎖을 넣고(2set) 잘 섞었다.4) 70℃ water bath에 5분간 pre-warming시킨 후, 요오드를 20㎕를 넣고, 1~3번 시험관에 α-amylase 40㎕를 가하여 잘 섞었다.5) 70℃ water bath에 10분간 incubation시킨 후, 요오드를 20㎕ 다시 넣고 pH 조건에 따른 색의 변화를 통해 효소의 활성을 추정하였다.3. 효소의 작용에 미치는 salt의 영향1) 시험관에 1~8까지 labeling 하였다.2) 2㎖의 녹말용액, TE buffer pH7.0 용액 1㎖을 각각 넣고 잘 섞어주었다.3) 1~8 시험관에 D.W, 5%, 10%, 20% NaCl 1㎖를 순서대로 2set 넣고 잘 섞어주었다.4) 70℃ water bath에 5분간 pre-warming시킨 후, 요오드를 20㎕를 넣고, ①~④ 시험관에 α-amylase 40㎕를 가하여 잘 섞었다.5) 70℃ water bath에 10분간 incubation시킨 후, 요오드를 20㎕ 다시 넣고 각 조건에 따른 색의 변화를 통해 효소의 활성을 추정하였다.◎실험 결과 및 논의· 1번실험sampleO.D1% starch 용액의 남아있는 양(ml)10.0310.09509220.0410.12576730.0280.0858940.0350.10736250.0590.18098260.0690.211656일반적으로 이론에 따르면 spectrophotometer를 이용해 흡광도를 측정하는 원리는 어떤 분자가 잘 흡수하는 특정한 파장의 빛을 투과시켜 흡광도를 측정함으로서 그 분자의 정량적인 분석, 즉 이 용액에는 이 물질이 얼마나 들어있는지 알 수 있게 한다. 위 실험에서는 620nm 파장의 빛을 이용하여 녹말이 담긴 시험해되지 않았을 시에는 O.D값이 높게 나왔을 것이며 효소가 녹말을 잘 분해하였다면 O.D값이 낮게 나왔을 것이다.우선 위 실험 데이터 값을 보면 1,3,5번 sample의 O.D값이 2,4,6,번 sample의 O.D값보다 작다. O.D값이 작다는 것은 효소가 녹말을 잘 분해하였다는 것인데 실험 방법에는 오히려 2,4,6번 sample에 α-amylase를 첨가하였고 1,3,5번 sample은 대조군으로 설정한 것이므로 실험과정 중에서 데이터의 순서가 뒤바뀐 듯 싶다. α-amylase가 녹말을 분해하는 작용을 하기 때문에 분해하여 요오드 색깔 역시 청남색에서 점차 적갈색으로 변화하는 것을 볼 수 있었을 것이다. 요오드의 원색은 보라색인데 녹말과 반응하면 청남색을 띄고 녹말이 분해되어 점점 더 작은 덱스트린이 될수록 적갈색을 띄기 때문이다.그리고 일반적으로 α-amylase는 70℃에서 가장 활발하다고 한다. 상식적으로도 만약 0℃일때 효소의 작용이 가장 활발하다면 침 속에있는 α-amylase가 제 기능을 하지 못할 것이다. 효소가 활발히 활동하였다는 것은 O.D값이 낮다는 걸로 알 수 있지만 위 실험 데이터에는 5번과 6번 sample의 O.D값이 크다. 데이터의 순서가 완전히 거꾸로 된 것인지 실험의 오차로 인한 것인지는 불분명하지만 우선 이론과는 거리가 먼 데이터이다.< ‘효소의 작용에 미치는 온도의 영향’ 실험 사진 >· 1번 재실험sampleO.D1% starch 용액의 남아있는 양(ml)10.0180.05521520.0060.01840530.0250.07668740.0190.05828250.0240.0736260.0290.088957재실험한 결과 1,3,5,번 sample이 대조군이고 2,4,6번 sample이 실험군인 실험내용이 데이터와 어느정도 예상한대로 나오게 되었다. α-amylase를 첨가한 2,4,6번 시험관에 녹말이 분해되어 O.D값이 대체로 대조군보다 낮게 나왔음을 알 수 있다. 그러나 온도가 올라감에 따라 대체로 O.D값의 변화가 한 labeling과 실험방법에 따라 진행이 필요하다는 것을 느끼게 해준 실험결과 이었다.위 두 표에서 구한 ‘1% starch 용액의 남아있는 양(ml)'에 대한 것은 starch의 양에 따른 O.D값의 'standard curve'그래프를 이용하여, spectrophotometer를 통해 얻은 O.D값을 대입해 남은 starch의 양을 구하는 방법을 이용하여 얻은 값이다. 다만 위 실험에서 우리는 starch용액의 양을 2ml 첨가하였기 때문에 2를 곱하여 남은 양을 구해주었다.x/0.652 x 2 = '남아있는 starch 용액의 양 (x = 실험을 통해 얻은 O.D값)· 2번실험sampleO.D1% starch 용액의 남아있는 양(ml)10.3180.9754620.0160.0490830.0090.02760740.0450.13803750.0140.04294560.0260.0797551,2,3번 시험관에 α-amylase를 첨가하였고 4,5,6번 시험관이 대조군이다. 그래프를 보면 1번을 제외하고 대체로 α-amylase를 넣은 시험관의 O.D값이 대조군보다 낮다. 그것은 α-amylase에 의해 녹말이 분해되었기 때문으로 추정할 수 있다. 그리고 이번 실험에서는 pH를 조작변인으로 하였는데 pH 3.0인 1번 시험관의 O.D값이 무척 높다. pH가 3.0이므로 효소가 첨가되더래도 효소가 제 기능을 할 수 없어서 녹말을 분해하지 못했다라고 생각할 수 있지만 대조군보다도 훨씬 높은 O.D값에 대해서는 단순히 pH에 의한 것 때문이라고 설명하기에는 무리가 있어 보인다. 대조군같은 경우에는 효소가 없기 때문에 단순히 시간이 오래 지나 침전되어 빛이 흡수되지 못했다고 생각한다 하더래도 1번 시험관 O.D값의 원인은 기계의 오차라던가 실험과정 중에 어떠한 오차로 인한 것인 것 같다. 하지만 pH가 산성일 때 효소가 작용하기 힘들다는 사실은 알 수 있었다. pH가 7.0인 sample 2와 10.0인 sample 3의 O.D값은 낮은데 아마도 α-amylase는 7.)10.0570.17484720.5011.5368130.6261.92024540.5811.78220950.0780.23926460.0630.19325270.0530.16257780.0670.2055211~4번 sample에 α-amylase를 첨가하였고 위 실험에는 차례대로 D.W, 5%, 10%, 20% NaCl 을 넣어 농도를 변화시켜 그에 따른 O.D값의 차이를 알아보았다. 위 실험 데이터를 보면 α-amylase를 첨가한 sample 1을 제외한 나머지 2~4는 대조군보다 큰 O.D값을 나타내었다. 1~4 내에서 생각을 해보면 이를 통해 α-amylase가 활동할 수 있는 최적의 환경은 D.W일 때라고 생각할 수 있다. 또한 sample1의 O.D값은 대조군보다도 대체로 낮기 때문에 어느 정도 설명 가능한 데이터인 것 같다. sample 2~4같은 경우에 O.D값은 매우 크게 나타난 것으로 보아 효소가 활성화되지 못하였고 더불어 salt가 흡광도에 기여한 측면도 있어 O.D값이 다른 sample에 비해 매우 크게 나타난 것 같다. 그러나 전체적으로 보았을 때 효소가 작용을 하지 않은데다가 salt의 영향까지도 있을 sample 6~8같은 경우에는 O.D값이 작게 측정되었기 때문에 sample 2~4의 O.D값 데이터에 어떠한 오차가 발생하였다고 생각할 수 있겠다. Set1(sample 1~4)과 Set2(sample 5~8)가 측정 시 서로 뒤바뀌었다고 하더라도 여전히 실험 데이터에 관련해 의문점이 남는다. 앞으로의 실험에서는 과정이 복잡할 땐 철저한 labeling으로 혼선이 생기지 않도록 주의하고 조금더 주의하며 실험하는 자세가 필요할 것 같다.Questions1) 효소는 어떤 특정 기질에만 작용하는 기질특이성이 있다. 종이는 셀룰로오스로 되어있기 때문에 종이를 소화시키기 위해서는 셀룰로오스를 분해할 수 있는 효소가 필요하다. 그렇지만 사람은 이러한 효소가 없기 때문에 종이를 소화시킬 수 없는 것이다. 한편 염소가 종이를 먹을 수 있는 것은 셀룰로오.

자연과학| 2010.09.10| 5페이지| 1,000원| 조회(283)

온도, 효소, pH, 농도, 생물학실험

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