II. 이론적 배경
3. DNA, 유전자, 단백질의 통합적 이해를 위한 분자생물학
3.4 DNA, 유전자, 단백질의 통합적 이해를 위한 분자생물학 탐구
3.4.1 분자생물학 탐구 실험 프로그램Ⅰ～Ⅲ 개발 방법
ALDH
2 다형성 확인 탐구 실험 수업 모듈을 수업 목적과 대상에 따 라 재구성하여 DNA, 유전자, 단백질의 통합적 이해를 위한 분자생물학 탐구 실험 프로그램Ⅰ～Ⅲ으로 구성하고, 정규 교실, 방과후 학교 교실, 과학 동아리 교실에 각각 적용하였다(그림 Ⅲ-6, 표 Ⅲ-7).<그림 Ⅲ-6> DNA, 유전자, 단백질의 통합적 이해를 위한 분자생물학 탐구 실험 프로그램
<표 Ⅲ-7> 분자생물학 탐구 실험 프로그램 구성 분자생물학
탐구 실험 프로그램
ALDH2 다형성 확인 탐구 실험 수업
모듈 구성
프로그램 목적
적용
교실 구성 특징 프로그램Ⅰ 모듈 2, 모듈 4,
모듈 6 정규 교과
탐구 활동 정규
교실 생명과학Ⅱ 교과 연계
프로그램Ⅱ 모듈 1～6 분자생물학
탐구 경험 방과후
학교 단기간 적용
프로그램Ⅲ 모듈 1～6 분자생물학
분야 진로 체험
과학 동아리
장기간 적용 직업 현장 연계
3.4.2 분자생물학 탐구 실험 프로그램Ⅰ～Ⅲ 적용 과정
프로그램Ⅰ은 정규 교실의 유전자와 생명공학 단원의 탐구 활동 자료 로 활용할 수 있도록 개발하였으며(그림 Ⅲ-7), 2010년 5월～7월 생물Ⅱ 교실의 고등학교 3학년 75명에게 적용하였다. 학생들은 선수 단원인 세 포의 특성 단원에서 구강 상피 조직과 양파 표피 조직을 재료로 세포 관 찰 및 크기 측정과 염색체 관찰 실험, 유전자와 생명공학 단원에서 DNA 추출 실험을 수행하였다.
<그림 Ⅲ-7> 교과와 연계한 분자생물학 탐구 실험 프로그램Ⅰ
프로그램Ⅰ에 포함된
ALDH
2 다형성 확인 탐구 실험 내용은 다음과 같다.모듈 2는 DNA와 유전자의 본질 수업 후에 재구성하여 적용하였다.
DNA 시료는 교사가 사전에 학생들의 구강 상피 조직에서 추출하고 젤 전기영동에 필요한 아가로스 젤도 사전에 준비하였다. 학생들은 젤 전기 영동을 위한 DNA 시료 제작, DNA 시료 로딩, 젤 전기영동, 젤 투영기 에 의한 DNA 확인을 수행하였다. 젤 전기영동이 이루어지는 동안 인터 넷의 애니메이션 자료(http://learn.genetics.utah.edu/)를 통하여 DNA 추
출 과정을 학습하였다.
교과서의 에이버리의 형질전환 실험 내용을 활용하여, 학생들이 구강 상피 조직 세포에서 추출한 물질이 DNA인지를 검증해 가는 방식으로 수업을 진행하였다. 즉, DNA 시료에 DNA 분해효소, RNA 분해효소, 단 백질 분해효소를 각각 처리하여 대조군인 DNA 시료와 비교할 수 있도 록 하였다. 학생들은 가설 설정, 변인 통제, 대조 실험, 자료 해석, 결론 도출 등의 통합 탐구 기능을 학습할 수 있다.
학생들은 DNA 시료를 음극 쪽에 로딩하고 DNA가 양극으로 이동하 는 것을 가시적으로 확인하면서, DNA가 음전하를 띠는 것을 확인할 수 있다. 학생들은 젤 투영기에 나타난 DNA 밴드를 확인하면서 DNA 염색 의 원리를 학습할 수 있다. 실험 시간은 전기영동 시료 제작 및 로딩 약 10분, 젤 전기영동 약 30분, 젤 투영기에 의한 DNA 밴드 확인 약 10분 이 소요되었다.
모듈 4는 DNA 복제와 유전자의 형질 발현 수업 후에 재구성하여 적 용하였다. 모듈 2와 유사한 젤 전기영동 실험이며, 학생들은 분자생물학 실험 기구와 실험 기법에 대하여 좀 더 능숙하게 사용할 수 있다. DNA 시료는 교사가 학생들의 DNA 중
ALDH
2의 SNP 부분을 포함한 일부 DNA를 PCR로 증폭하여 준비하였다. 전기영동이 진행되는 동안, 애니메 이션 및 동영상 자료를 사용하여 PCR 및 DNA 복제 과정을 학습하였 다. 또한, 교사가 인터넷으로 NCBI에 접속하여, 표적 유전자가 암호화하 는ALDH
2의 입체 구조, 아미노산 서열, 뉴클레오타이드 서열, 프라이머 정보 등을 검색한 후 설명하였다. 학생들은 DNA 시료가 특정 유전자 부위를 증폭한 것이므로, 젤 투영기에 나타난 DNA 밴드가 유전자 DNA 임을 가시적으로 확인할 수 있으며 이로써 유전자의 성분이 DNA임을 확인할 수 있다. 또한, DNA 조각의 크기가 모듈 2와 다르다는 것을 확 인하면서 DNA와 유전자의 관계에 대해서 학습할 수 있다.모듈 6은 생명공학 실험 기법 수업 후에 재구성하여 적용하였다. DNA 시료는 교사가 사전에 모듈 4의 DNA에 제한 효소를 처리하여
ALDH
2 의 SNP를 절단한 것을 준비하였다. 실험 활동은 모듈 2, 모듈 4와 유사한 과정을 거친다. 젤 전기영동이 진행되는 동안 애니메이션 및 동영상 으로 제한 효소, DNA 다형성, DNA 지문의 원리를 학습하였다. 학생들 은 젤 전기영동 결과 나타난 DNA 조각의 유형이 사람마다 다르게 나타 나는 것을 해석하면서 대립 유전자의 개념을 학습 할 수 있다. 즉, 1조각 은 동형 접합 열성, 2조각은 동형 접합 우성, 3조각은 이형접합으로 해석 하는 과정을 수행한다. 모듈 6에서 학생들은 구강 상피 조직에서 추출한 DNA가 사람마다 염기 조성이 다르다는 DNA 다형성 개념을 학습할 수 있다. 또한, 유전자 DNA의 염기 조성의 차이에 의해 단백질 합성에 차 이가 있으며 이는 형질의 차이를 가져올 수 있다는 DNA, 유전자, 단백 질과 형질과의 관계를 통합적으로 이해할 수 있게 된다.
프로그램Ⅱ는 분자생물학 학습 경험이 없는 고등학교 1, 2학년들의 분 자생물학 탐구 학습을 위해, 방과후 학교 교실에서 단기간 적용할 수 있 도록 개발되었다.
ALDH
2 다형성 탐구 실험 수업 모듈을 전부 적용하였 으나, 일부 모듈은 통합하였다. 모듈 1, 모듈 2, 모듈 3/4, 모듈 5/6으로 구성되었다(표 Ⅲ-8).프로그램Ⅱ는 2011년 1월 방과후 학교 교실의 고등학교 1학년 12명, 고등학교 2학년 12명에게 적용하였다.
제1일은 DNA의 구조와 구성, 유전자 등의 실험 내용과 관련 있는 학 습 개념과 마이크로피펫, 원심분리기, 교반기 등 실험 기구 사용법을 학 습하였다.
<표 Ⅲ-8> 방과후 학교 교실 분자생물학 탐구 실험 프로그램Ⅱ
일정 수업 내용 적용한 모듈
제1일 유전자에 대하여, 실험기구 사용법
제2일 인간의 구강 상피 조직 세포 유전체 DNA 추출 1
제3일 아가로스 젤 전기영동 2
제4일 PCR을 이용한 ALDH2 유전자 DNA 증폭 3, 4 제5일 제한 효소 처리와 ALDH2 유전자의 다형성 확인 5, 6
제2일은 DNA 추출 실험인 모듈 1을 적용하였으며, 학생들은 각자 자 신의 구강 상피 조직에서 DNA를 추출하였다. 학생들은 DNA를 추출하 기 위해 약품을 처리하는 과정에서 세포 내 DNA 위치, DNA의 구조와 성질, 뉴클레오솜, 생체막 조성 등을 학습할 수 있다. 정규 교실에서 사 용한 것과 동일한 애니메이션 자료를 보조 자료로 제시하였다. 제3일은 구강 상피 조직에서 추출한 자신의 DNA를 젤 전기영동으로 확인하는 모듈 2를 수행하였다. 인터넷의 애니메이션을 보조 자료로 활용하여 젤 전기영동 원리 및 실험 과정을 설명하였다. 학생들은 DNA의 성질, DNA 염색의 원리 등의 학습 개념과 아가로스 젤 전기영동 실험 기법을 학습 할 수 있다. 제4일은 모듈 3과 4를 재구성하여 함께 수행하였다. 인 터넷의 애니메이션 및 동영상 자료를 이용하여 DNA 복제 과정과 PCR 의 원리를 학습하였다. 학생들은 2인 1조로 PCR을 수행하고 증폭된
ALDH
2 유전자 DNA를 젤 전기영동으로 확인하였다. 학생들은 PCR 반 응이 진행되는 동안 컴퓨터로 직접 NCBI에 접속하여 증폭할 표적 유전 자 및ALDH
2와 관련 데이터베이스 검색 활동을 수행하였다. 모듈 3/4 를 통하여 DNA 복제, DNA와 유전자, 단백질의 구조 등 학습 개념과 PCR 실험 기법, 생물정보학을 학습할 수 있다. 제5일은 수업 모듈 5와 6 을 재구성하여 함께 수행하였다. 인터넷의 동영상 자료를 활용하여 제한 효소 및 DNA 재조합 기술에 대해 학습하였다. 학생들은 PCR로 증폭된ALDH
2 유전자 DNA의 SNP 부위를 절단하는 제한 효소를 처리하고 젤 전기영동으로 자신의ALDH
2 SNP를 확인하였다. 학생들은 DNA 다형 성, 대립 유전자, DNA 염기의 차이에 따른 단백질 합성의 차이, 단백질 과 형질 등 DNA, 유전자, 단백질에 대하여 통합적으로 학습할 수 있게 된다.프로그램Ⅲ은 직업 현장과 연계하여 진로 체험이 이루어질 수 있도록 구성하였다. 프로그램Ⅲ에 포함된
ALDH
2 다형성 확인 탐구 실험 모듈 은 하나의 주제로 일련의 연속적인 실험을 수행하는 내용을 담고 있어, 학생들이 분자생물학자의 연구 활동을 경험할 수 있다.프로그램Ⅲ은 분자생물학자의 과학적 탐구 과정 경험, 학교 축제나 교 외 축전 참가를 통한 학습한 내용의 피드백, 대학 실험실과 연계하여 구 체적인 진로 체험 활동으로 구성하였다. 과학 동아리에 적용하기 위해 재구성한 프로그램Ⅲ은 분자생물학 분야의 직업을 체험할 수 있으므로 예비 과학자 체험 프로그램(Pre-Scientist Experience Program, PSEP)으 로 명명하였다(그림 Ⅲ-8).
<그림 Ⅲ-8> 분자생물학 PSEP 구성
실험 기기 및
기구 소개 DNA 추출 젤 전기영동Ⅰ 생물정보학
마이크로피펫 원심분리기 전기영동장치교반기
⇒ 이론
DNA의구조와 기능
⇒ 이론
DNA의성질과 DNA 염색
⇒
이론 인간유전체 사업, 생물정보학
실험
구강조직세포 DNA추출
실험 아가로스 제작젤
구강조직세포 DNA확인
실험
NCBI 데이터베이스 검색 (ALDH2 Cn3D 입체 구조, 뉴클레오타이드,
아미노산 서열)
⇓ 젤 전기영동 Ⅲ 제한 효소 처리 젤 전기영동Ⅱ PCR 이론 DNA
다형성
⇐
이론 생명공학, 제한 효소
⇐
이론 DNA와 유전자
⇐
이론 DNA 복제, PCR 원리 실험 ALDH2
SNP 확인 실 험
ALDH2 SNP 제한 효소
처리
실험
ALDH2 유전자 DNA
확인
실험
ALDH2 PCR 증폭유전자의
<그림 Ⅲ-9> 분자생물학 PSEP 탐구 실험 흐름도
분자생물학 PSEP의 특징은 다음과 같다.
• 분자생물학자의 연구 경험
과학 동아리의 연간 일정에 맞게