DNA 증폭기술 중합효소연쇄반응

DNA 증폭의 방법

중합효소 연쇄반응

DNA를 클로닝 하지 않고도, 어느 주어진 DNA의 양을 증가시키는 것이 가능합니다. 이런 증폭을 가능하게 해주는 방법은 중합효소 연쇄반응입니다. 어떤 DNA라도 선택적으로 증폭할 수 있으며, 이 방법을 사용하기 위하여 사전에 시료에 들어 있는 특정한 DNA를 나머지 DNA들에서 미리 분리할 필요가 없습니다. PCR은 원하는 DNA 서열의 상보적인 DNA 가닥들까지 두 가닥을 모두 복사합니다. 과학자들은 세포가 없는 상태에서 자동으로 DNA를 합성할 수 있는 방법을 오랫동안 소망해왔습니다. 그렇지만 자동으로 작동될 수 있는 시스템에서 DNA 복제에 관여하는 토포아이소머레이스나 헬리케이스 등의 효소들이 필요 없이 물리적으로 DNA 가닥들이 분리될 수 있도록 하기 위해서는 어느 시스템이나 고온에서 작동될 필요가 있을 것입니다. 불행하게도 이런 온도에서는 DNA 가닥들을 합성할 DNA 중합효소가 변성되어 불활성화될 것입니다. 이 과정이 가능하게 된 것은 극도의 고압과 100도가 넘는 심해의 열수분출공 주위에 서식하는 박테리아를 발견했기 때문입니다. 이런 조건에서 박테리아가 살 수 있다면, 이들이 갖고 있는 효소들은 이런 온도에서 작동할 수 있는 게 분명합니다. 써뮤스 애쿼티커스는 온천에 서식하는 박테리아들 중 하나인데, 이것에서 내열성 중합효소가 추출되었습니다. 이 효소를 택(taq) 중합효소라고 합니다.

중합효소연쇄반응 모식도

중합효소 연쇄반응을 시작하려면, DNA 두 가닥을 가열하고 분리하고, 그 다음에 짧은 길이의 올리고뉴클레오타이드 프라이머를 과량으로 첨가하고 식혀서 프라이머가 DNA 가닥에 어닐링 되도록 합니다. 이 프라이머들은 증폭하려고 고른 DNA의 말단과 상보적이라서, 정상적인 복제에서의 RNA 프라이머와 같은 목적으로 작용합니다. 일단 프라이머들이 DNA에 어닐링 되면, 온도를 다시 올려주어 Taq 중합효소의 활성을 최적화시킵니다. 그러면 이 효소는 프라이머의 3' 말단에서 새로운 DNA를 합성하기 시작합니다. 상보적인 두 가닥이 5'에서 3' 방향으로 합성되고 , 원하는 길이의 DNA가 합성될 때까지 Taq 중합효소가 작동할 수 있게 됩니다. 이런 과정이 1회 진행되면 원하는 DNA의 양이 두 배로 됩니다. 두 가닥이 풀리고, 프라이머가 어닐링 되고, 상보적인 가닥이 복사되는 과정이 반복되면, 선택된 이중가닥 DNA 부분이 한 번 더 두배로 증가됩니다. 프라이머는 과량으로 존재하기 때문에, 프라이머를 더 넣어줄 필요는 없습니다. 전 과정이 자동화되어 있습니다. 가닥들을 가열하여 이것들이 분리되도록 하는 온도뿐만 아니라, 프라이머들이 어닐링 되도록 선정된 온도의 조절은 아주 중요합니다.

 

증폭 작용이 계속 반복될수록 DNA 양은 매번 두 배로 증가됩니다. 1시간 정도면 25~40회 복제되는데, 보통 수백~수천 염기쌍 길이의 DNA 조각 본사본을 수백만~수억 개 얻을 수 있습니다. 다른 DNA 서열들은 증폭되지 않으며, 이 증폭된 DNA들이 계속 사용되어도 반응에 방해되지 않습니다.

 

PCR을 뒷받침하는 과학에서 가장 중요한 부분은 프라이머의 고안입니다. 표적 서열에 특이적으로 작용할 수 있도록 프라이머의 길이가 충분히 길어야 하지만, 가격이 비싸므로 과도하게 길어서도 안됩니다. 프라이머의 길이는 보통 염기 18~30개 정도입니다. 프라이머는 최적의 결합 특성도 있어야 합니다. 이러한 결합 특성의 예를 들면, 전체 DNA가 복원되기 전에 프라이머가 어닐링 될 수 있도록 충분한 양의 G와 C를 갖고 있어야 한다는 점입니다. 이 밖에도 두 프라이머에 비슷한 양의 G와 C가 있어서, 녹는점에 동일해야 합니다. 프라이머 서열은 프라이머 자체 내에서 또는 두 종류의 다른 프라이머들 간에 2차 구조를 형성하지 않아야 합니다. 그렇지 않으면, 프라이머들이 증폭될 DNA 대신 자기들끼리 결합하게 될 것입니다. 

 

아주 소량의 시료 내에 있는 DNA를 증폭할 수 있기 때문에, 전에는 불가능했던 분석을 정확하게 할 수 있게 되었습니다. 이 기술을 법의학에 응용하면 범죄 피해자와 용의자를 구분해낼 수 있습니다. 현재는 이집트 미라에서 얻을 수 있는 DNA처럼, 적은 양의 고대 DNA라도 이제는 증폭한 후에 연구할 수 있습니다.

-출처- Biochemistry 라이프사이언스 생화학 편 발췌