안녕하세요. 저는 king입니다. 오늘은 PCR에 관해 포스팅할 예정입니다. 천하제일 연재대회 2번째 작품입니다.
출처 gateway.ipfs.io
DNA는 유전 정보를 담고 있기 때문에 DNA를 복제하고 전달하는 것이 바이오 테크놀로지에서 핵심요소라고 할 수 있습니다. 그런데 DNA시료는 나노그램 단위의 매우 한정된 양밖에 얻을 수 없습니다. 또 범죄수사에 사용되는 DNA를 얻으려면 DNA시료량이 많아야 할 것입니다.
그렇다면 이 문제를 어떻게 해결해야 될까요?
[PCR]
1983년에 캐리 멀리스에 의해 처음 제안된 PCR은 Polymerase Chain Reaction의 약자로 DNA중합효소를 이용해 DNA를 복제하는 기술입니다. PCR은 크게 3가지 과정을 이용합니다.
또한 3가지 과정에 이용하기위해 PCR용액에는 DNA 중합의 재료로 쓰일 dNTP 4종류 (A,G,T,C)와 DNA중합효소(Taq), 복제할 DNA시료, 복제과정에 필요한 완충용액이 들어가야 합니다.
[DNA의 변성]
첫번째 과정은 DNA변성과정입니다.
DNA는 이중나선구조를 이루고 있습니다. 자연 상태에서 DNA복제는 반보존적 복제 모델을 따릅니다. 두개의 가닥에서 하나를 틀로 삼아서 그거에 대응되는 상보적 염기서열을 복제하는 겁니다. 이때 DNA의 이중나선구조는 헬리케이스라는 효소가 단일 가닥으로 풀어줍니다.
마찬가지로 PCR에서도 각각의 가닥을 주형으로 삼을 수 있도록 이중나선 구조를 풀어줘야 합니다. 여기서 사용하는 방법이 바로 섭씨 94도 정도의 온도를 유지하는 것입니다.
[프라이머의 결합]
두번째 과정은 복제의 첫 단추 역할을 하는 프라이머의 결합을 촉진하는 과정입니다.
DNA 변성 이후 원하는 부분을 복제하기 위한 프라이머를 PCR용액에 과량 첨가하면 단일가닥으로 분리된 DNA에 프라이머가 상보적으로 결합합니다. 이때 이전의 94도의 온도를 하면 수소 결합이 제대로 형성되지 않기 때문에 50도에서 65도 사이의 온도에서 진행합니다.
이 때 프라이머는 직접 제작할 수 있습니다. 프라이머를 제작, 선택할 때는 다음과 같은 내용을 주의해야 합니다.
- G,C 함량이 50~60%이어야 합니다.
3개의 수소 결합을 할 수 있는 G,C가 많아야 프라이머가 결합을 하기 쉬워집니다.- 길이가 적당해야 합니다. (20~30염기쌍)
짧으면 결합력이 약하고 너무 길면 시간이 오래걸립니다.- 한 쌍의 프라이머가 부분적으로 상보적이지 않도록 합니다.
프라이머끼리 결합할 가능성이 있기 때문입니다.
[DNA 신장]
세번째 과정은 DNA 신장입니다. 프라이머가 결합되고 난 후 DNA 중합효소가 반 보존적 복제 모델을 따라서 상보적인 염기를 5'말단에서 3'말단으로 추가시킵니다. 5'말단과 3'말단은 각각 DNA의 구성요소인 뉴클레오타이드의 끝이 5번째 탄소와 3번째 탄소로 이루어진 것을 의미합니다. 그렇게 신장이 완료되면 한 쪽 방향으로 긴 DNA가 형성됩니다. 그런데 우리가 원하는 것은 딱 떨어진 DNA조각입니다.
사용되는 DNA 중합효소는 90도 이상에서 서식하는 박테리아인 Thermus aquaticus에서 추출된 Taq 중합효소입니다. 처음 캐리 멀리스에 의해 제안된 PCR은 Taq가 발견되기 전이여서 DNA 변성하는 과정에서 DNA 중합효소도 변성되어 더 이상 사용하지 못하게 변형되는 문제점이 있었습니다. 그래서 일일히 다시 DNA중합효소를 첨가해줘야되어 엄청난 시간과 돈이 들었습니다. Taq의 발견으로 우리는 DNA관련 연구, 분석을 쉽고 빠르게 할 수 있게 된 것입니다.
원하는 서열만을 선택적으로 얻기 위해서 위 세 과정을 한 번 더 반복할 필요가 있습니다. 그러면 이제 우리가 원하는 서열만이 산출됩니다. 만약 n번 이 과정을 반복한다면 2의 n승의 DNA가 산출됩니다. 즉, 2번하면 4개의 DNA가 나오고, 3번하면 8개의 DNA가 나오고 36번하면 687억개의 DNA가 제작됩니다. 대략 30번 정도만 해도 활용하기 충분한 양의 DNA가 만들어지는 것입니다.
오늘은 DNA연구의 기본인 PCR에 대해 알아보았습니다. PCR로 옷에 튀긴 피 한방울로도 용의자를 검거할 수 있고, 유전자 도입 등 다양한 분야에서 활용이 가능해졌습니다.
사진 출처
https://en.wikipedia.org/wiki/Polymerase_chain_reaction
https://www.khanacademy.org/science/biology/biotech-dna-technology/dna-sequencing-pcr-electrophoresis/a/polymerase-chain-reaction-pcr
[바이오 테크놀로지 시리즈]