[생물학 레포트] 식물 DNA 추출 실험

 

 

 

1. Title : 식물 DNA 추출 실험

 

2. Date : 0000년 00월 00일

 

3. Name : 000

 

4. Purpose : 실생활에서 가까이 접할 수 있는 식물의 잎에서 DNA를 추출함으로써

식물 세포의 구조 및 DNA의 특성을 이해하고 추출한 DNA를 이용하여 다른 실험에 적용한다.

 

5. Materials

브로콜리, 99.9% 에탄올, 계면활성제, 소금, 막자사발, 가위(or 칼), 나무젓가락, 100mL 비커, 유리막대, 고운 체망, 증류수

 

6. Methods

① 증류수 50mL 에 소금 1g과 계면활성제 3mL을 넣고, 소금이 완전히 녹을 때까지

잘 섞어 소금-계면활성제액를 만든다.

 

② 브로콜리(or 바나나) 약 20g을 막자사발에 넣고 가위로 잘게 자른 후

막자로 아주 곱게 간다. (20g은 대략 주먹의 반크기로 브로콜리 1/4에 해당한다.)

 

③ 실험 전에 바로 만든 소금-계면활성제액 50mL를 막자사발에 약 10분 동안 힘차게

섞으면서 갈아준다.

 

④ 고운 체망을 이용하여 용액을 걸러 찌꺼기를 제거한다.(브로콜리 DNA추출액)

 

⑤ 브로콜리 추출액을 적당량 비커에 담은 후, 유리막대를 비커 벽에 대고

차가운 에탄올이 유리막대를 타고 내려가게 하면서 조심스럽게 비커에 붓는다.

(에탄올은 추출액(20ml) 부피의 2배 (약 40ml) 를 넣어준다.)

 

⑥ 흰색의 가는 선 모양의 물질이 생기면 먼저 돋보기로 관찰한 후

나무젓가락으로 여러 번 휘감아 건져본다. 사진을 촬영한다.

 

 

7. Result

식물 dna 추출 과정

 

8. Discussion :

(아마 이때 디스커션 쓸 말이 없어서 배경지식을 쓴 것 같네요..)

+ 필요하신분들을 위해

PDF 파일을 하단에 첨부합니다

올바른 용도로만 사용하세요

 

이번 dna extraction 실험에서는 각 단계별로 해당되는 배경지식이 요구된다.

실험을 완벽하게 이해하기 위해서 필요한 지식들을 탐구해보겠다.

 

가장 먼저, 실험에는 식물의 한 종류인 broccoli가 사용되었다.

우선, broccoli의 dna를 관찰하기위해서는 식물세포의 구조적 특징을 파악하는 것이 중요하다.

식물 세포의 바깥에서 안으로 한 단계씩 들어가보면서, 세포벽에서 핵 속의 dna까지 탐구를 시작하겠다.

식물세포에는 핵, 세포질, 미토콘드리아, 세포막, 엽록체, 세포벽, 액포 등이 있다.

식물세포는 세포막 바깥쪽에 세포의 형태를 유지할 수 있게 하는 세포벽이 있다.

이 세포벽이 이번 실험에서 가장 중요한 핵심 구성성분 중 하나이다.

broccoli의 dna를 관찰하기 위해서는 세포벽의 제거가 필수조건이기 때문이다.

세포벽은 진핵세포에서는 식물세포에 존재하며, 식물의 세포벽은 주로 ‘셀룰로스’라는 성분으로 이루어져있다.

 

 

<셀룰로스란>

 

셀룰로스는 탄수화물의 일종으로, 글루코오스가 β-1, 4-글루코시드 결합한 다당류이고, (C6H10O5)n으로 표시된다.

자연계에 가장 많이 존재하는 다당이며 식물체 건조중량의 1/3~1/2을 차지한다.

고등식물, 선태식물 및 일부 조류의 세포벽 주성분이다.

세포벽 속의 셀룰로오스는 마이크로피브릴을 형성하고 굵기는 10~30nm 정도, 길이는 몇 μm에 달하는 것이 있다.

X선회절이나 역(逆)염색법에 의한 전자현미경 관찰에서 사슬모양분자가 평행배열된 결정부분은 굵기가 3~4nm인 엘리멘터리피브릴이 되고, 이것이 모여서 마이크로피브릴을 구성하는 것으로 추정된다.

셀룰로오스는 불용성이 높은 물질로 녹이기 위해서는 구리암모늄액(슈바이처시약), 카도키센을 사용한다.

산가수분해 되기 어렵지만 셀룰라아제에 의해 D-글루코오스 외에 셀로비오스나 올리고당을 만든다.

 

셀룰로스에 대해서 탐구하면서, 같은 다당류인 녹말과 비교를 하던 중 궁금증이 생겼다.

 

Q.셀룰로스가 a-글리코시드 결합이 아닌 β-1, 4-글리코시드 결합으로 이루어져있는가?

 

A. 우선 모든 녹말은 a-글리코시드 결합을 한 포도당이다.

셀룰로스 또한 녹말과 글리코젠처럼 포도당의 다당류이지만, 이와 달리 β-글리코시드 결합으로 이어져있다.

질문을 던졌을 때, 스스로 설정해본 가설은 ‘녹말은 잘 분해되어야하고 셀룰로스는 단단해야함으로 이러한 성질들이 각 글리코시드 결합과 상관이 있다‘로 세워보았다.

 

탐구 결과, 녹말은 화학물질이나 효소의 작용으로 쉽게 분해되지만, 섬유소는 β-글리코시드 결합 때문에 화학적으로 더 안정하다고 한다. 즉, 녹말은 쉽게 분해되어 에너지 생성 반응을 위한 포도당을 공급하는 반면에, 셀룰로스는 거친 환경조건에서도 변하지 않고 견딜 수 있는 훌륭한 구조물질이다.

셀룰로스 구조

그러므로, brocoli의 세포벽을 제거하기 위해서 method의

“브로콜리(or 바나나) 약 20g을 막자사발에 넣고 가위로 잘게 자르고, 막자로 아주 곱게 간다.” 단계가 필요한 것이다.

 

이렇게 broccoli의 세포벽을 제거한 후에는 세포막을 만날 수 있다.

 

<세포막 Cell membrane>

 

모든 세포는 세포 내부를 보호하고 물질의 이동을 조절하는 세포막으로 둘러 싸여 있다.

주성분은 인지질과 단백질이다. 인지질은 두 층으로 배열되며, 단백질은 인지질층 곳곳에 박혀있다.

식물세포의 세포벽은 세포를 보호하고 모양을 유지해주지만, 물질의 출입을 조절하지는 못한다.

이 역할을 하는 것은 바로 세포막이다.

 

각 세포들은 독자적으로 기능하기도 하지만, 다른 세포와의 연락과 물질 출입이 원활하게 이루어져야

정상적인 조직, 기관, 개체를 이룰 수 있다.

세포막은 진핵세포뿐 아니라 원핵세포에도 존재하고, 모든 세포에 있어 필수적인 부분이다.

세포막 구조

<핵>

 

본격적인 DNA관찰을 위해서는 DNA를 응축시켜야한다.

이때 dna는 핵이라는 곳에 위치하는데, 간단하게 표현하자면 핵은 세포의 생명 활동의 중심이다.

핵(nucleus)은 진핵세포에서 발견되는 막으로 둘러싸인 세포내 소기관이며, 유전물질을 내포하고 있다.

일반적으로 진핵세포 핵의 직경은 약 5 μm이며, 핵은 전체 세포의 약 10∼20%를 차지하는 상대적으로 큰 세포소기관이다.

 

진핵세포의 유전물질의 대부분이 핵에 있으며 핵막(nuclear envelope)으로 둘러싸여 있다.

핵막은 이중막으로 유전물질과 세포질을 분리시킨다.

핵막으로 인해 핵에서 일어나는 전사(transcription)와 세포질에서 일어나는 번역(translation)이 공간적으로 분리된다.

핵의 주된 기능은 유전물질을 보호하고 발현하는 것이다.

유전물질인 DNA로부터 mRNA가 핵에서 만들어져서 핵공(nuclear pore)을 통해 세포질로 이동한다.

리보솜의 조립도 핵에서 일어난다.

진핵세포는 대개 단일핵을 가지고 있으나 적혈구와 같이 핵이 없는 경우도 있으며,

근육세포와 같이 핵을 여러 개 가진 다핵성 세포도 있다.

핵 구조

다시 한번 언급하자면, 핵의 가장 중요한 특징은 바로 유전물질을 가지고 있다는 것이다.

핵 속에는 염색사라는 물질이 존재하는데 염색사는 유전정보를 전달하는 유전자를 포함한다.

 

염색질은 핵에 있는 유전물질인 DNA와 단백질이 결합된 복합체를 말한다.

핵 내의 DNA가 고도로 응축되기 위해서 양전하를 띠고 있는 히스톤(histone) 단백질에 감겨 있다.

8개의 히스톤 단백질로 이루어진 히스톤 복합체에 DNA가 감겨져 있는 구조가 반복되는데,

이러한 구조를 뉴클레오솜(nucleosome)이라고 한다.

뉴클레오솜은 직경이 11 nm이며 각기 다른 네 가지 종류의 히스톤(H2A, H2B, H3, H4)이

각각 두 개씩 포함된 히스톤 복합체를 이룬다.

히스톤 단백질은 전기적으로 양성을 띠는 라이신과 아르기닌을 많이 함유하고 있는 단백질이다.

DNA는 하나의 히스톤 복합체를 1.65바퀴 감싸고 있다.

 

 

이렇게, 핵 속 유전물질인 dna와 단백질이 결합한 염색질까지 탐구에 도달했다.

실험에서 소금이 사용되는 이유는 바로 이 핵 속의 dna때문이다.

소금은 물에 녹아 나트륨 이온와 염화이온으로 이온화가 된다.

DNA는 인산기로 인해 음전하를 띠는데 (dna는 핵산의 일종으로, 핵산은 인산기, 당, 염기로 구성되어있다.)

이때 나트륨 이온으로 인해 DNA가 모이게 되며, dna를 응축시켜서 관찰에 용이하다.

 

에탄올은 dna를 떠오르게하며, 차가운 온도의 에탄올을 사용하는 이유는

dna가 핵산의 종류이기 때문에 변성을 막기위해서이다.

 

식물 세포의 각 소기관 별 특징을 탐구하기 앞서, 바로 답을 찾는 것이 아닌 가설을 설정한 후에 탐구를 시작했다.

이로 인해서 식물세포를 완벽하게 이해하며 이 실험의 실험목표를 달성하였고,

실험의 Protocol에서 왜 이러한 material이 사용되는지 파악할 수 있었다.

이번 실험은 소금과 세제의 화학적 특징을 broccoli의 생물학적 특징과 융합한 매우 의미있는 실험이라고 생각한다.

 

 

9. Project

 

① 이 실험에서 소금과 세제를 넣어주는 이유는 무엇인지 조사하세요.

 

-소금을 넣어주는 이유

 

dna의 인산기(인산기:일반적으로 오르토인산유래의 관능기. 화학식은 모노에스테르는 HOPO(OH)O-, 디에스테르는-OPO(OH)O-, 트리에스테르는 -OPO(O-)2로 나타낸다.

인산에스테르는 천연에도 많이 존재하고, 인산기는 생체반응에서 중요한 역할을 담당한다.

당류의 인산에스테르, 뉴클레오티드(당부분에 인산에스테르가 있는 뉴클레오티드) 등의 인산결합은

생체대사과정에서 고에너지를 발생시킨다.

또 단백질의 활성조절은 인산화에 의해 이루어지는 경우가 많다.)는 전기적으로 음전하를 띈다.

소금(Nacl)은 이온화되면 Na+, Cl-로 나뉘는데, 이때 염화나트륨의 나트륨 양이온이 dna를 더 잘 뭉치게 만든다.

 

 

-세제를 넣어주는 이유

 

세제(계면활성제)를 넣어줌으로써 세포막과 핵막을 구성하는 지질을 녹일 수 있다.

계면활성제 분자는 하나의 분자 안에 물을 좋아하는 부분(친수성, hydrophilic)과 물을 싫어하는 부분(소수성, hydrophobic)을 동시에 지니고 있다.

또한 계면활성제의 친수성 부분은 기름을 싫어하고(lipophobic),

소수성 부분은 기름을 좋아하는 특성(친유성, lipophilic)을 가진다.

 

계면활성제를 영어로 surfactant라 하는데, 이것은 표면(surface) 활성(active) 물질(substance 혹은 agent)을 조합해서 만든 단어이다. 계면활성제의 소수성 부분은 탄소 원자가 여러 개 연결된 구조이며, 비극성이다.

반면에 비극성 부분에 같이 결합되어 있는 친수성 부분은 극성이다.

일반적으로 극성 부분의 크기는 비극성 부분의 크기에 비해서 작은 편이다.

그래서 편의상 극성부분을 머리(head)라고 부르며, 비극성 부분을 꼬리(tail)라고 부른다.

그러므로 꼬리부분은 비극성인 기름과 상호작용을 잘하며, 머리 부분은 극성인 물과 상호작용을 잘한다.

즉, 이러한 특성을 활용하여 계면활성제가 세포의 세포막과 핵막을 녹임으로써 핵 속에 존재하는 dna를 관찰할 수 있다.

 

 

② DNA 추출법에 대해서 조사하여 서술하세요.

 

DNA 추출이란 물리, 화학적인 방법을 활용하여 sample에서 DNA를 분리 즉, 추출하는 과정이다.

주로 페놀, 클로로포름, 아세트산암모늄, dna prep kit 등이 사용되며 이러한 전문적인 용액이 아니여도 이번 실험에서 활용한 증류수와 NaCl, detergent를 섞어서도 dna 추출이 가능하다.

 

1.페놀

페놀을 간단하게 설명하자면, 히드 록시 벤젠이며 석탄산이다.

살균제 및 화학 합성 중간체로 사용되고 매우 독성이 강하며 피부에 접촉시 부식성이 있다.

벤젠 고리에 히드록시기(-OH)가 치환된 방향족 탄소 화합물을 페놀류라고 한다. 페놀은 심한 악취가 나는 무색 결정으로, 분자량 94.11, 녹는점 40.90, 끓는점 181.75, 비중 1.07이다. 페놀은 에탄올, 에테르 등에 잘 녹는다. 페놀은 히드록시기를 지니고 있는 점에서는 알코올과 비슷하여 금속 나트륨과 반응하고 카르복시산과 에스테르화 반응을 한다. 그러나 페놀은 벤젠 고리가 히드록시기에도 크게 영향을 미치기 때문에 물에 조금 용해되어 약한 산성을 나타내며, 알칼리 수용액과 중화 반응하여 염을 생성하므로 알칼리 수용액에는 매우 잘 용해된다.

 

2. 클로로포름

메탄CH4의 3개의 수소를 염소로 치환한 화합물로 트리클로로메탄의 약전명(藥典名)이다.

삼염화메틸(methyl trichloride)이라고도 한다. 화학식 CHCl3. 분자량 119.38, 녹는점 －63.5℃, 끓는점 61.2℃, 비중 1.49845(15℃)이다. 무색 투명한 액체로 휘발성이며, 특이한 냄새가 나고, 약간 달면서 찌르는 듯한 맛이 난다. 에탄올이나 벤젠에는 녹지만, 물에는 잘 녹지 않는다. 굴절률 1.44858(D선)이다.

액체인 클로로폼은 불연성(不燃性)이나, 증기는 연소한다.

공기와 빛에 의해 서서히 산화되어 독성이 매우 강한 포스젠을 생성하는데, 이것은 소량의 에탄올에 의해서 저지되므로, 시중에서 판매되는 클로로폼에는 보통 0.5∼1%의 무수(無水)알코올이 첨가되어 있다. 산화를 방지하기 위해 갈색 병에 넣어 마개를 꼭 닫아서 차고 어두운 곳에 보존해야 한다. 에탄올에 표백분을 작용시키든가, 아세톤에 하이포염소산칼슘을 작용시키면 생기며, 이밖에 메탄올을 염소화하여 염화메틸이나 염화메틸렌을 제조할 때에 부수적으로 함께 발생한다.

 

3. DNA prep kit

각 샘플과 세포의 종류에 따라 kit가 존재하여 이를 활용하여 정확하게 dna를 추출한다.

 

4. 아세트산 암모늄

백색 결정성의 덩어리. 녹는점 114℃. 가열에 의해 분해된다. d 1.073. 조해성. 공기 중에서 암모니아를 잃기 쉽다. 용해도 물 4℃, 148g/100g : 에탄올에 녹는다. 아세톤에 잘 녹지 않는다.

의약, 직물 염색에 이용되며 또 분석 시약으로도 사용된다.

 

 

 

이러한 식물 DNA 추출 실험은 주변에서 구하기 쉬운 재료들로 

생명과학의 중요한 개념들을 이해할 수 있기때문에

초등학교 과학실험, 중학교 과학실험, 고등학교 과학실험으로도 추천드립니다

 

 

식물 DNA 추출 실험.pdf

0.39MB