COMPARATIVE STUDIES OF GC CONTENTS IN THE DNAS OF BACTERIA IN EXTREME ENVIRONMENTS

Abstract

극단 환경에서 잘 자라는 미생물은 지구 외의 다른 행성에서 생명의 존재 가능성과 불리한 환경에 적응하기 위한 생물체의 조절적, 분자적인 기작의 변화에 주안점을 두고 최근 많은 흥미를 일으키고 있다. 하지만, 현재까지 극단 미생물에 대한 연구가 특히 한국에서는 별로 없기 때문에 이 분야에 관심을 갖고 실험을 하게 되었다. 본 실험은 분자 수준에서 극단 환경에서 잘 자라는 미생물과 정상적인 환경에서 잘 자라는 미생물과 어떠한 차이점이 있는가에 대하여 DNA의 GC함량을 중심으로 이들 극단 환경 미생물과 정상 환경 미생물과의 조성을 검토하였다. 고염성 세균(Extreme Halophiles), 호염성 세균(Moderate Halophiles), 알칼리성 Bacilli (Alkalophilic Bacilli), 고온성 세균(Thermophiles)의 DNA를 추출하여 spectrophotometer의 260nm와 280nm의 흡광도 비가 1.8-2.0정도 되게 정제하여 융해온도(Tm)를 측정한후 Marmur와 Doty가 제안한 공식 GC(moles％) = (Tm - 69.3)/0.41 에 대입하여 GC 함량을 구하였다. 각 균주들의 GC함량을 살펴보면 넓은 GC함량(44.4-68.0 moles％)을 가지는 호염성 세균은 Flavobacterium이나 Acinetobacter속이라 추정되지만 65.4 - 67.8moles%의 GC함량을 나타내는 고염성 세균의 경우 Halobacterium이나 Halococcus 속에 속하는 세균이다. 또한 고온성 세균은 40mo1es％와 50mo1es％의 두 부분으로 나뉘는데 Bacillus stearothermophilus 나 B.alcalophilus가 유력하고 37.3 - 44.6moles ％의 GC함량을 나타내는 알칼리성 Bacillus는 B.alcalophilus나 B.sphaericus 일 가능성이 크지만 다른 Bacillus 종류에서 유래된 변종일 가능성도 배제할 수 없다. 또한 이 실험 결과를 정상 환경 미생물과 비교해 보면 극단 환경 미생물이 더 높은 GC함량을 가진다는 것을 보여 준다. 일반적으로 DNA의 이중 나선 구조가 변성이 쉽게 일어나는 조건 즉, 고농도 염분, 고온, 높은 pH등의 환경조건에 적응하기 위해서는 DNA 이중 나선이 좀더 강하게 연결되어야 하므로 극단환경 미생물은 DNA조성에 있어 수소 결합이 3개인 Guanine + Cytosine 의 염기쌍이 많아지는 방향으로 진화하였으리라 추측된다. 또한 GC함량에 영향을 주는 요인을 알아보기 위하여 DNA를 SSC(0.15M NaCl + 0.15M Sodium Citrate, pH 7.0)와 TEN buffer(10mA Tris - HCl + 1mM EDTA + 10mM NaCl, pH 7.6)에 용해 시켜 Tm 값을 비교하였더니 TEN buffer 사용시 Tm 값이 약 11.7-15.9℃ 이상 낮아졌다. 이것은 염농도 감소에 따른 이온 강도의 감소와 알카리성 pH 때문에 DNA 이중나선의 변성을 촉진 시켰기 때문이다.;Much attention has been given during recent years to the microorganisms that either tolerate or are dependent on extreme environments and to the regulatory or molecular mechanisms that the possible existence of life on other Planets (Alexander, 1971, 1976: Brock, 1969: Ellwood et al., 198a: Heinen, 1974: Hockachka and Somero, 1973: Kusher, 1971, 1978: Shilo, 1979). However, so far there has not been much of the study about the extremophiles, especially in Korea, which motivated me to study about them. This experiment was made on the GC content distribution of the Extremophiles living in Korea. The GC content was obtained by applying the Tm value measured when the temperature ascends 1℃ per min. to the formula presented by Marmur and Doty. GC content (moles % ) = (Tm-69.3)/0.41 About the GC contents of various strains, those of Moderate Halophiles were various, those of Extreme Halophiles were in the range of 65.4-67.4 moles %, those of Thermophiles form two groups of about 40 and 50 moles %, and those of Alkalophilic Bacilli cover the wide range of 37-45 moles %, which show that Alkalophilic Bacilli have a higher GC content than the other species. From those facts, it can be inferred that the direction of evolution must be from the Adenine + Thymine base pair to the Guanine + Cytosine base pair which has more hydrogen bonds than the former, since the DNA double strand should be connected more strongly in order to adapt itself to the extreme environments where double strand DNA denatures easily, such as high salt concentration, high temperature, and high pH. Furthermore, this experiment verified the effect of ionic strength and of pH on DNA denaturation, by measuring the Tm value of the DNA dissolved in TEN buffer.