DNA를 증폭시키는 방법과 응용: PCR(중합효소연쇄반응), DNA fingerprinting

 

 

Introduction

생물체는 자신의 유전정보를 DNA에 보관하고 있습니다.(예외로 RNA에 저장하기도 합니다.) 그리고 세포분열 과정을 거쳐서 DNA를 복제합니다. 현재 생명체가 DNA를 어떻게 복제하는지, 어떤 효소들이 사용되는지는 연구를 통하여 알고있습니다. 우리는 연구를 통하여 알아낸 DNA복제방법을 이용하여 자신이 원하는 특정 DNA의 양을 증폭시켜 생물공학 연구, 과학수사의 DNA fingerprinting, 친자확인 검사에 사용될 시료 등등 여러분야에 사용할 수 있습니다. 이번에는 생명체 외부에서 자신이 원하는 DNA를 증폭시키는 방법인 PCR에 대하여 알아보고 PCR의 사용예시에 대하여 알아보겠습니다.

 

 

 

중합효소연쇄반응(PCR)

PCR은 polymerase chain reacion의 줄임말로, 특정 DNA의 양을 증폭시키는 기술로 시험관에서의 DNA복제 기술을 의미합니다. 생명체 내에서는 Primer로 RNA가 사용되어 선형 염색체를 가진 진핵생물의 End Replication Problem을 일으키지만 PCR에서는 이 문제를 해결하기 위해 올리고뉴클레오티드를 Primer로 사용합니다.(짧은 DNA조각) 그리고 DNA의 변성을 위해 온도를 높이는 구간이 있는데 높은 온도에 버티는 Tap polymerase(호열균의 DNA 중합효소)를 사용합니다. PCR이 진행되는 과정은 아래와 같습니다.

 

PCR(Polymerase Chain Reaction)

 

• Denaturaion(변성): 이중나선 DNA를 단일가닥으로 분리하기위해서 온도를 92~95도로 가열합니다. 온도가 높으면 높을수록 DNA의 변성이 잘 일어나지만 Taq polymerase도 결국 효소이기때문에 너무 높은온도에서는 변성됩니다. 그래서 보통 92~95도로 설정합니다.
• Annealing(Primer 결합): End Replication Problem을 해결하기위해 RNA대신 올리고뉴클레오티드(짧은 DNA)를 Primer로 사용합니다. 온도는 50~65도로 설정하여 진행합니다.
• Extension(DNA 합성): Taq polymerase가 함께 넣어준 dNTP를 이용하여 DNA를 복제하는 과정입니다. Taq polymerase는 1분에 보통 2,000 ~ 4,000 염기쌍을 중합하기 때문에 복제할 DNA의 길이 1kb당 1분정도의 넉넉한 시간을 배분합니다. 온도는 70~74도로 설정하여 진행합니다.
• DNA 변성 -> Primer 결합 -> DNA 합성을 1cycle이라고 하며, 증폭하여 얻고자할 DNA의 양에따라 20~40회를 반복합니다. 마지막 cycle일때 Extension의 시간을 약 10분정도 주어서 DNA합성을 마저 하도록 합니다.

 

PCR에 필요한 재료: 중폭할 DNA, 올리고뉴클리오티드(짧은 DNA, Primer로 사용), dNTP(DNA 중합에 쓰이는 재료), Taq polymerase(DNA polymerase로 사용), DNA중합효소 완충용액(효소의 활성을 위한용액)

 

시험관에서의 DNA복제 기술인 PCR에 대하여 알아보았습니다. 그럼 이렇게 복사한 DNA들은 어디에서 사용될까요? 요즘 과학수사를 통하여 DNA fingerprinting을 하여 범인을 잡거나, 병원에서 친자확인 검사를 하고 있는있는데, 이 검사들을 하기위한 시료로 사용됩니다. 계속해서 PCR의 응용인 DNA fingerprinting에 대하여 알아보겠습니다.

 

 

 

DNA fingerprinting

DNA fingerprinting이란, PCR의 특정 DNA 증폭 기술을 이용하여 어떤 개체에서 DNA가 유래되었는지 알아보는 개체간의 유전적 조사방법으로, 법의학에서는 생물학적인 증거와 범죄의 증거로 사용되고 있습니다. 사람의 DNA는 반복서열을 지니고 있는데 그 중 가변연쇄반복(VNTR, variable number of tandem repeat)서열은 사람마다 틀린 특징을 지니고 있습니다. 이 특징을 이용하여, VNTR을 PCR로 증폭시켜 이 DNA가 누구로부터 유래됬는지 또는 이 사람의 것인지 확인할 수 있습니다.

 

● DNA fingerprinting 진행 과정

1. 시료 DNA를 추출하고 제한효소를 처리하여 시료 DNA를 절단합니다.
2. PCR 과정을 거쳐 DNA를 증폭시킵니다.
3. 젤 전기영동을 통해 잘린 DNA들이 크기(무게)에 따라 분리됩니다.
4. VNTR Probe(탐침)과 혼성화 시키고, X-ray촬영 또는 디지털 사진을 찍습니다.
5. X-rat촬영 또는 디지털 사진의 결과를 비교 분석합니다.

 

젤 전기영동(gel electrophoresis): DNA의 인산기의 음전하를 이용하여 DNA를 크기에 따라 분리하는 방법으로, 젤에 전류를 흘려보내 DNA를 이동시킵니다. DNA의 크기, 젤에 걸리는 전류의 세기로 DNA의 이동속도가 결정됩니다.(DNA의 모양도 이동속도에 연관이 되기때문에 비교할 DNA들을 동일한 모양으로 맞추어야할 필요가 있습니다.)

 

● DNA fingerprinting의 결과분석 방법

 

DNA fingerprinting 결과1 이미지

 

위와같은 결과가 나왔다고 가정해봅시다. V는 희생자의 DNA band, E는 증거로 사용된 DNA band, S1은 용의자1의 DNA band, S2는 용의자2의 DNA band입니다. 증거의 DNA band와 S1의 DNA band는 일치하지 않기 때문에 S1은 용의자가 아니며, S2의 DNA band가 증거의 DNA band와 일치하기 때문에 S2가 범인이 됩니다.

 

DNA fingerprinting 결과2 이미지

 

어머니는 모친이 맞고 아버지가 부친인지 아닌지 친자확인을 해보았다고 가정해보고, 위와같이 CASE 1과 CASE 2의 결과가 나왔다고 가정해봅시다. CASE 1의 경우에는 자식의 DNA가 어머니의 DNA 일치하고 있으나 F1(아버지1)은 일치하고 있지 않는것으로 보아 CASE 1의 아버지는 친부가 아닙니다. 그리고 CASE 2의 경우에는 자식의 DNA와 어머니, 아버지 DNA에 다 일치하기 때문에 F2(아버지2)는 친부가 맞습니다.

 

 

마무리

이번에는 DNA 증폭기술인 PCR과 PCR을 응용한 DNA fingerprinting에 대해서 알아보았습니다. 예전에는 범인을 잡지못했지만 과학기술의 발전으로 범인의 머리커락, 혈흔 등 범인의 DNA를 확보하면 DNA검사를 통해 범인을 밝히는 시대가 왔습니다. 그리고 친부모인지, 친자식인지 확인도 가능하게 되어서 아이가 서로 바뀌었을때 문제점을 해결할 수 있게 되었습니다. 이번에는 이쯤으로 마무리짓고 다음에 더 재미있는 내용으로 찾아오겠습니다. 이상입니다.