[생물학 레포트] 코아세르베이트(coacervate) 관찰 실험

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추천드립니다

 

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실험레포트 쓰는법은 각각 수업 교수님이나

조교님 마다 평가조건이 다를테니

그거에 맞춰서 쓰는 걸 추천!

 

 

1. Title : Coacervate (코아세르베이트) 관찰

2. Date : 0000.00.00

3. Name : 000

 

4. Purpose : 실험 기구를 숙지하여 코아세르베이트를 실험실 상에서 합성해보고, 현미경을 통하여 관찰할 수 있다.

5. Materials :　1% gelatin 용액, 1% gum arabic 용액, 0.1% congo red 염색액, 0.1N HCl 용액, pipette,현미경, slide glass, cover glass, pH test paper

6. Methods :

1% gelatin 용액 5ml과 1% gum arabic 용액 3ml을 pipette으로 tube에 넣는다.

이 혼합액을 pH test paper 위에 한 방울 떨어뜨려 pH를 측정한다.

혼합액 용액 한 방울(20ul 정도)을 slide glass 위에 놓고 동량의 0.1% congo red 염색액을 떨어뜨린 후 cover glass로 덮어 현미경으로 관찰한다.

0.1N HCl을 200ul씩 떨어뜨리고 살짝 흔들어준다.

용액이 뿌옇게 되면 용액의 pH를 측정한다.

이때의 용액 20ul를 slide glass 위에 놓고 염색액 동량을 떨어뜨려서 코아세르베이트를 찾아 관찰한다.

한번 더 0.1N HCl 용액을 200ul씩 떨어뜨리고 이때의 pH를 측정한다.

역시 slide glass 위에 용액 한 방울을 떨어뜨려 현미경으로 관찰한다. 반복 (600ul까지)

7. Result :

	원액	0.1N HCl 200ul 첨가	0.1N HCl 400ul 첨가	0.1N HCl 600ul 첨가
용액의 색	투명	투명	약간 탁해짐	훨씬 탁해짐
용액의 pH	7	6	5	3
코아세르베이트의 형성	1개만 형성	다수 형성	다수 형성	관찰에 실패함

 

* 실제 관찰 사진 *(배율 표기)

혼합 액 기준 HCL을 200ul 첨가했을 때의 코아세르베이트 400배율 관찰

혼합액 기준 HCL 400ul 첨가했을 때의 코아세르베이트 400배율 관찰

 

8. Discussion :

이번 실험에서 관찰한 코아세르베이트(coacervate)란 러시아의 과학자 오파린이

살아 있는 세포의 이전 단계 모델로 제시한 특수 입자이다.

오파린은 탄수화물, 단백질 및 핵산의 혼합체로부터 코아세르베이트를 만들었는데,

이것이 원시 생명체로 진화하는 생명의 전구체였을 것이라고 주장하였다.

 

오파린은 원시 바다에서는 코아세르베이트가 무수히 많이 생겨났을 것이라 보았고,

이들의 조성이 점점 복잡해지면서 효소와 DNA가 만나 자기 복제를 할 수 있음에 따라 궁극

적으로는 스스로 증식할 수 있는 단계에까지 도달했다고 보았다.

그리고 이들이 증식 능력과 물질 대사 능력을 가짐에 따라

생명체의 진화가 시작되었을 것이라고 설명하였다.

 

오파린과 달리, 우리 조는 gelatin과 gum arabic을 혼합하여 코아세르베이트를 만들었다.

gelatin과 gum arabic 의 혼합액에 HCL을 200, 400, 600ul를 넣어보며 코아세르베이트

가 성장하기 위한 최적 pH를 알아보는 실험이였지만, 이상적인 실험 결과와는 달리

pH에 따라 달라지는 코아세르베이트의 모습은 관찰할 수 없었다.

 

또한 실험 중 코아세르베이트로 추정되는 물질들의 확인 여부에 있어서

‘찢어진 코아세르베이트일 것’이라는 답변을 들었다.

코아세르베이트의 찢어짐의 원인과 관찰 실패의 원인을 본인은 3가지로 유추하고 있다.

 

본인이 생각하는 실험 실패의 첫 번째 원인은 바로 1. 코아세르베이트의 구조적 특징이다.

코아세르베이트는 자신을 둘러싸고 있는 막을 기준으로 외부에서 물질을 받아들이기도 하고

내부의 물질을 밖으로 내보내기도 한다.

본인은 ‘코아세르베이트의 찢어짐’이 적혈구의 용혈현상과 유사한 현상이라고 추측해보았다.

 

적혈구의 용혈현상이란 적혈구가 붕괴하여 헤모글로빈이 혈구(血球) 밖으로 용출하는 현상

이다. 용혈현상은 적혈구를 저장액 [세포 또는 생물체를 어떤 용액에 넣을 때 물이 세포로

터 외부로 이동하게 하는 용액. 세포가 수축하기 때문에 이 용액은 고장성을 나타낸다고 한

다. 이러한 물의 이동은 삼투압 차이에 따라 발생한다. 일반적으로 고장액은 세포의 축소(원

형질 분리)를, 저장액은 반대로 팽창(원형질 토출)을 일으킨다] 에 넣었을 때 관찰할 수 있

다. 이는 물이 적혈구로 이동하여 발생한 현상, 즉 삼투에 의해 발생하는 것이다.

 

삼투압은 농도가 다른 두 액체를 반투막으로 막아 놓았을 때, 용질의 농도가 낮은

쪽에서 농도가 높은 쪽으로 용매가 옮겨가는 현상에 의해 나타나는 압력이다.

본인은 물과 단백질로 구성된 코아세르베이트가 주변 환경의 물질을 받아들여 생장하는 과

정이나 분열 과정에 있어서 발생한 삼투로 인해서 찢어졌거나, 실험 과정에서 코아세르베이

트의 막이 HCL를 투여하는 과정에서 막과 막 사이의 pH차이 및 농도차이가 코아세르베이

트의 찢어짐에 기여한 다양한 원인 중 하나로 추측을 해보았다.

 

또한 두 번째로는 코아세르베이트의 또 다른 특징인 변화성이다. 물 분자층으로 둘러싸인

단백질 분자들이 여러 개 모이고, 이들 전체를 다시 물 분자의 층이 둘러싼 것이 코아세르

베이트인데, 단백질이 물에 용해되면 단백질 분자의 일부분은 전하를 띠게 된다. 이 코아세

르베이트는 정지상태로 있는 것이 아니라 항상 변화하고 있다. 이러한 불 안정성이 관찰에

있어서 어려움을 준 것같다.

 

가장 유력한 관찰 실패요인으로는 3. 최적 온도와 pH를 맞추지 못하였다. 코아세르베이트

가 형성되기 위한 이상적인 온도와 최적 pH는 pH 3.4~4.0의 범위와 50℃ 정도의 고온에

서 가장 잘 형성된다고 한다. 본인이 코아세르베이트 관찰을 시도한 실험실의 온도는 50도

보다 훨씬 낮은 20도 내외였고, gelatin과 gum arabic 용액에 HCL을 투여하며 용액의 색 변

화를 관찰하였을 때 미세한 변화만 있을 뿐 큰 차이는 발견할 수 없었다.

코아세르베이트의 최적 성장 조건을 맞춰주지 못한 것이

이번 실험 실패에 가장 큰 요인으로 분석하였다

 

또한 실험을 통해서 콜로이드라는 개념을 알 수 있었다. 일반적으로 단백질 입자가 물 입자

와 결합하여 콜로이드 입자를 형성하고, 이 콜로이드 입자들이 모여 막에 둘러싸인 코아세

르베이트를 형성한다.

 

콜로이드란 무엇일까? 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~1000nm 정도의 미립자

가 기체 또는 액체 중에 분산된 상태를 콜로이드 상태라고, 콜로이드 상태로 되어 있는 전

체를 콜로이드라고 한다. 생물체를 구성하고 있는 물질의 대부분이 콜로이드이다.

현재와는 달리, 46억 년 전의 원시 지구의 표면은 격렬한 화산 활동과 운석의 충돌로 뜨거

운 용융 상태였다. 또한 환원성 대기와 더불어 원시 지구는 오존층이 없어서 태양의 자외

선이 그대로 지구에 도달하였으며, 빈번한 번개, 활발한 화산 활동 등 유기물을 합성하기 위

한 에너지원이 풍부하였을 것이다. 이러한 원시 지구의 환경을 가정한 상태에서 생명체가

탄생하는 과정을 오파린은 코아세르베이트의 생성으로 설명하고 있으며 이를 화학 진화설이

라고 한다. 콜로이드들이 모여 코아세르베이트가 생성되고, 코아세르베이트가 생명체의 기원

이 됨에 따라 콜로이드가 생물체를 구성하는 주요 물질이 되며 현재 지구의 생물계를 완성

하였음을 이번 실험을 통해 추측해볼 수 있었다.

 

 

9. project

 

① 코아세르베이트 형성 이외의 생명체의 기원에 대하여 간단하게 조사 해 보세요.

 

지구상 생물의 기원에 대해서는 다음과 같이 크게 3가지 주장이 있다.

첫째, 초자연현상으로 설명하는 것. 예를 들면 신(창조주)의 행위라고 생각하는 설.

둘째, 지구상에서 화학진화의 결과라고 생각하는 것. 물질의 존재 상태의 발전의 한 형태로서

생명의 기원을 설명하고 있다.

셋째, 지구 외에서 기원을 찾는 것. 판스페르미아(pans-permia)에 의거하는 주장이다.

현재도 첫째 또는 셋째에 관련된 가설을 발표하는 학자가 있는데,

일반적으로는 A.I. Oparin과 J.B.S. Haldane이 각각 독립적으로 발표한 물질진화에 근거하는 가설이 받아들여지고 있다.

 

Oparin은 원시지구를 둘러싸고 있던 대기성분은 메탄, 암모니아, 수소 및 수증기를 주체로 하는 것으로 생각하여,

이것이 원시지구환경 하에서 자발적으로 반응하여 아미노산 등 생체 관련물질을 합성했다는 주장이다.

이들 원시유기물은 당시 바다에 녹아 있어서 바다는 영양이 풍부한 숲이었다고 추정했다.

이 원시숲 내에서 아미노산은 중합하여 단백질과 유사한 고분자화합물로 성장하고,

생긴 고분자는 코아세르베이트생성 등 새로운 화학반응계를 유도하여

이들이 발전하여 최초의 세포가 출현했다는 생각이었다.

 

이 가설은 그 후 원시지구대기의 주성분은 이산화탄소, 질소, 수증기로 하는 설이 유력한 것 등

몇 가지 수정안이 제안되었지만 기본적인 사고방식에는 많은 지지를 받고 있다.

생명의 기원의 실증적 연구는 1950년 무렵부터 시작되었다.

연구는 두 가지로 대별되었다.

 

첫 번째 방식은 원시지구 모형을 만들어 거기서 일어나는 화학반응을 해석하였다.

특히 1950년대에 시행했던 Urey-Miller의 실험이 유명하며,

원시지구환경 하에서 비생물적 아미노산합성이 일어나는 것을 시사하였다.

 

오늘날에는 아미노산 외에 핵산염기, 당, 유기산, 탄화수소 등 많은 생체관련물질이

원시지구환경 하에서 합성반응하는 것으로 알려져 있다.

또한 단백질이나 핵산과 유사한 고분자물질의 합성반응도 조사하고 있다.

 

이들의 분자가 잘 조합하여 최초의 세포에 도달하는 과정에 대해서는

RNA분자의 복제능에 주목하여 상대의 구성분자의 합성을 서로 돕는 복수의 반응계로 구성하는 설,

점토의 역할을 중시하여 핵산이 그 이후의 점토를 대신했다는 유전자장악설,

초기 생물은 단백질이 중심이고 핵산에 의한 복제계는 후에 침입했다는 설,

RNA의 촉매능(리보자임)에 주목하여 RNA중심의 생명을 고려한 설 등이 있다.

최근에는 RNA월드 가설에 관심이 집중되고 있다.