28. 중합효소 연쇄반응과 유전자 변형 기술 산업의 활용 분야

생물공학-유전공학에서 DNA 재조합 기술 중 가장 중요한 '중합효소 연쇄반응(PCR)'과 이러한 기술들이 산업적으론 어떻게 이용될 수 있을지 알아보도록 하겠습니다.

 

A. 중합효소 연쇄반응

중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)은 특정 DNA 부위를 특이적 반복 합성하여 원하는 DNA 분자를 증폭하는 방법으로, 극소량의 DNA를 사용하여 대량의 DNA 합성이 가능합니다. 중합효소연쇄반응을 통해 체외에서 몇 시간 만에 특정 부위의 DNA를 10^5~10^8배까지 증폭할 수 있으며, 증폭된 DNA는 다음과같이 다양한 실험에 활용할 수 있습니다.
a. 프로브로 사용하기 위해 복제된 이중 가닥 DNA의 증폭
b. 소량의 mRNA로부터 특정 cDNA를 복제
c. DNA 서열 분석(sequencing)
d. 돌연변이 테스트
e. 병인성 바이러스 및 박테리아 검출
f. 유전자 풋프린팅(footprinting)
g. 특정 부위에 돌연변이를 일으킨 유전자의 제조(site directed mutagenesis) 
중합효소 연쇄 반응은 세포 내에서 진행되는 DNA의 복제 과정을 효소와 중합에 필요한 다양한 기질을 시험관에 넣어 인공 환경(온도 등)을 제어하는 것과 같습니다.
상류 및 하류 DNA primer는 내열성 DNA 중합효소(Taq polymerase)와 온도 프로그래밍이 가능한 thermocycler를 사용하여 주형이 되는 이중 가닥 DNA의 표적 부분 양쪽 끝에 있는 염기 서열 정보로부터 미리 합성됩니다.

 

① DNA 변성(denaturation)
90°C에서 96°C로 가열하고 이중 가닥 DNA를 단일 가닥 DNA로 분리합니다. 온도가 높을수록 단일 가닥 DNA로의 전이가 더 좋지만 매우 높은 온도에서는 Taq DNA 중합효소의 활성이 낮아집니다.

 

② Primer의 결합(annealing)
일반적으로 50~65℃에서 진행되며, 염기 사이의 수소 결합은 G와 C 사이 / A와 T 사이에 차이가 나므로 염기 비율에 따라 결합 온도를 변경하는 것이 바람직합니다. 

 

③ DNA 합성(polymerization)
DNA 합성 반응은 70~74℃에서 진행되며, PCR 산물 크기와 반응 요소의 농도에 따라 시간을 조정하는 것이 좋습니다. 중합효소 연쇄 반응의 원리는 위의 과정이 반복적으로 진행됨에 따라 원하는 DNA 부분을 증폭하는 것입니다(보통 25~35회).
유전자 복제에 필요한 DNA를 증폭하는 것 외에도, 이러한 중합효소 연쇄 반응은 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.
a. 법의학에서 특정인의 유전자 검출
b. 유전질환 관련 유전자의 검출 및 질병의 진단
c. 감염성 질병 관련 유전자 검출 및 질병의 진단

B. 유전자 변형 기술 산업의 활용 분야

유전자 재조합 기술은 백신, 미생물 살충제, 효소, polysaccharide, polyester, 진단 시약, 항생제, 아미노산 및 기타 제품을 포함한 다양한 분야에 적용됩니다.

 

① 유전자 변형 단백질은 자연에서 얻기 어려운 단백질을 대량으로 생산할 수 있습니다. 예를 들어 인슐린, 생장 호르몬(인간 성장 호르몬, 소 성장 호르몬), 인터페론 등이 있습니다.

 

② B형 간염, 인플루엔자, 천연두 등에 대한 백신 개발은 유전자 조작에 의해 이루어졌습니다.

 

③ 유전 질환 환자의 원인을 조사하고 치료법을 개발하여 결핍된 효소나 유전자를 주입하는 방법을 생각해 볼 수 있습니다.

 

④ 유전자 재조합에 사용되는 균주에 비해 기능을 크게 향상함으로써, 단백질, 연료 알코올, 글리세롤, 에틸렌옥사이드, 에틸렌글리콜과 같은 유용한 유기 화합물을 농업 폐기물로부터 산업적으로 생산할 수 있습니다.

 

⑤ 동물성 효소는 미생물 배양에서 대량 생산할 수 있습니다. 예를 들어 혈전 용해제로 사용되는 우로키나아제와 식품 산업에서 유백색 효소로 사용되는 카프레닌이 있습니다.

 

⑥ 단일 클론 항체는 저렴한 방법으로 생성될 수 있습니다.

 

⑦ 질병 저항성, 곤충 저항성, 염분 저항성, 추위 저항성, 다작할 수 있는 작물을 사육할 수 있습니다. 

 

⑧ 난치성 물질을 분해할 수 있는 미생물을 사육하여 환경 정화에 사용할 수 있습니다.

 

⑨ 미생물의 생합성 경로를 변화시키고 고농도로 새로운 항생제를 생산할 수 있습니다.

 

⑩ 새로운 물질대사 관련 효소의 유전자를 미생물 균주에 도입하여 발효 시간을 단축하고 수율을 향상하는 등 발효 과정을 개선할 수 있습니다.
그리고 유전자 변형 방법으로 균주를 번식시키기 위해서는 특정 펩타이드의 아미노산 서열, 핵산의 구성 염기서열 분석, DNA의 화학적 합성, 그리고 genomic library의 생성을 이해하는 것이 종종 필요합니다.
이러한 장점에도 불구하고 유전자 변형은 새로운 종류의 생명체를 만들고 종양 및 AIDS 바이러스와 같은 DNA를 취급하는 데 잠재적인 위험을 초래할 수 있다고 여겨집니다. 따라서 각국은 유전자 변형에 대한 연구를 위해 균주와 취급 시설을 규제하기 위한 별도의 가이드라인을 마련했습니다.

다음 포스팅에서는 '유전공학의 응용'을 살펴보며 우리 삶에 어떻게 유전공학이 들어와 있고 어떤 기여를 했는지 그리고 전망은 어떤지 알아보도록 하겠습니다.