유전자 재조합
제한 효소와 DNA 연결 효소를 이용해 원하는 유전자를 벡터에 삽입하는 유전공학 기법이다.
원하는 유전자를 잘라 내어 플라스미드 같은 운반체(벡터)에 끼워 넣고, 그 벡터를 숙주 세포에 넣어 유전자를 발현시키는 기술입니다.
DNA를 문장이라고 하면, 제한 효소는 정해진 단어에서만 잘리는 가위이고 DNA 연결 효소는 풀입니다. 필요한 문장 하나를 오려 다른 책(플라스미드)에 붙여 넣는 셈입니다.
쉽게 말하면
유전자 재조합은 DNA 구조의 두 가지 성질에 통째로 기대고 있습니다. 하나는 DNA가 어떤 생물의 것이든 똑같은 네 가지 염기로 되어 있다는 점이고, 다른 하나는 상보적인 염기끼리 반드시 짝을 짓는다는 점입니다. 앞의 성질 덕분에 사람의 유전자를 대장균에 넣어도 대장균이 그것을 '읽을' 수 있고, 뒤의 성질 덕분에 잘린 두 DNA 조각이 서로 알아서 달라붙습니다.
실제 과정은 자르기 → 붙이기 → 넣기 → 고르기의 네 걸음입니다. 제한 효소와 플라스미드에서 자세히 다루듯, 목표 유전자와 플라스미드를 같은 제한 효소로 자르는 것이 결정적입니다. 같은 효소로 잘라야 양쪽에 똑같은 모양의 끈끈한 끝(점착 말단)이 생겨 서로 맞물리고, 그 자리를 DNA 연결 효소가 이어 붙여 재조합 DNA를 완성합니다.
넣고 싶은 유전자의 양이 적을 때는 PCR로 먼저 그 부분만 수십억 배로 늘린 다음 잘라 씁니다. 재조합 플라스미드를 대장균에 넣은 뒤에는, 플라스미드에 함께 실어 둔 항생제 저항 유전자 같은 표지를 이용해 '제대로 들어간 균'만 골라냅니다. 사람의 인슐린을 대장균으로 대량 생산하는 것이 이 기술의 대표적인 결과물입니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1사람 인슐린 유전자를 대장균에 넣기인슐린 유전자를 플라스미드에 끼워 대장균에 넣으면, 대장균이 자기 단백질을 만들듯 사람 인슐린을 만들어 냅니다. 예전에는 동물의 이자에서 인슐린을 뽑아 썼지만, 이 방법으로 순도가 높은 사람 인슐린을 값싸게 대량으로 얻게 되었습니다.
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예시 2같은 제한 효소로 잘라야 하는 이유제한 효소마다 자르는 염기 서열과 잘리는 모양이 다릅니다. 목표 유전자는 A 효소로, 플라스미드는 B 효소로 잘랐다면 양쪽 끝의 튀어나온 염기가 서로 상보적이지 않아 붙지 않습니다. 연결 효소는 '이미 맞물린 자리를 봉합하는' 역할이지, 안 맞는 것을 억지로 붙여 주지는 못합니다.
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예시 3형질 전환된 세균만 골라내기플라스미드에 항생제 저항 유전자를 함께 넣어 두고, 배양 접시에 그 항생제를 뿌립니다. 플라스미드를 받지 못한 세균은 죽고, 받은 세균만 살아남아 집락을 만듭니다. 살아남았다는 사실 자체가 '플라스미드가 들어갔다'는 증거가 됩니다.
순서대로 하면
유전자 재조합의 기본 순서
- 1목표 유전자가 든 DNA와 플라스미드를 준비합니다. 유전자의 양이 적으면 PCR로 먼저 증폭합니다.
- 2둘을 같은 제한 효소로 자릅니다. 양쪽에 서로 상보적인 점착 말단이 생깁니다.
- 3둘을 섞으면 점착 말단끼리 염기쌍을 이루며 맞물립니다. 여기에 DNA 연결 효소를 넣어 당-인산 골격을 이어 붙입니다.
- 4완성된 재조합 플라스미드를 대장균 같은 숙주 세포에 넣습니다(형질 전환).
- 5항생제 저항성 등 표지를 이용해 재조합 플라스미드가 들어간 세포만 골라 배양합니다.
자주 하는 오해
제한 효소가 목표 유전자만 콕 집어 잘라 준다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움제한 효소를 넣으면 필요한 유전자 하나만 정확히 오려진다
실제로는제한 효소는 자기가 인식하는 염기 서열이 나오는 곳이면 어디든 자릅니다. 그 서열이 우연히 목표 유전자의 양쪽에 있을 때 유전자가 통째로 떨어져 나오는 것뿐입니다.
제한 효소가 알아보는 것은 '이 유전자'가 아니라 몇 개의 염기 서열입니다. 그래서 실제 실험에서는 목표 유전자 안쪽을 자르지 않는 효소를 골라야 하고, 자른 결과를 전기 영동으로 확인해 원하는 길이의 조각을 골라냅니다.
유전자를 넣기만 하면 단백질이 저절로 만들어진다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움사람 유전자를 대장균에 넣었으니 대장균이 알아서 그 단백질을 만든다
실제로는유전자 앞에 숙주가 인식할 수 있는 프로모터가 함께 붙어 있어야 발현됩니다. 그래서 벡터에는 유전자를 넣는 자리뿐 아니라 발현에 필요한 조절 부위가 미리 설계되어 있습니다.
유전자는 '읽히는 부분'이고, 어디서부터 읽을지를 알려 주는 것은 프로모터 같은 조절 부위입니다. 유전 암호는 생물 사이에 공통이지만 조절 방식은 다르기 때문에, 사람 유전자를 대장균의 조절 부위 아래에 끼워 넣어야 대장균이 그것을 읽습니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 생명공학 기술
자주 묻는 질문
Q1왜 하필 플라스미드를 운반체로 쓰나요?
플라스미드는 세균의 핵양체와 별개로 존재하는 작고 둥근 DNA이면서 스스로 복제됩니다. 크기가 작아 다루기 쉽고, 세균이 분열할 때마다 함께 늘어나므로 넣어 둔 유전자도 같이 불어납니다.
Q2유전자 가위와는 무엇이 다른가요?
유전자 재조합은 원하는 유전자를 '들여보내는' 기술이고, 유전자 가위(CRISPR-Cas9)는 이미 있는 유전체의 특정 위치를 '고치는' 기술입니다. 제한 효소는 정해진 짧은 서열만 인식하지만, 유전자 가위는 가이드 RNA를 바꿔 원하는 위치를 지정할 수 있다는 점이 큰 차이입니다.
Q3이렇게 만든 생물이 GMO인가요?
네. 다른 종의 유전자가 도입되어 새로운 형질이 나타난 생물체를 유전자 변형 생물(GMO)라고 합니다. 인슐린을 만드는 대장균도 넓게 보면 여기에 해당합니다.
교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 생명공학 기술
수록 기본 (교육과정 단원)
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