생명과학 고3 생명공학 기술

PCR

Q: 고온에서 견디는 중합 효소를 왜 굳이 쓰나요?

매 주기마다 95까지 올려야 하는데 보통 효소는 그 온도에서 변성되어 기능을 잃습니다. 고온 세균에서 얻은 중합 효소는 변성되지 않으므로 한 번만 넣고 끝까지 돌릴 수 있고, 덕분에 반응 전체를 기계에 맡길 수 있게 되었습니다.

중합효소 연쇄 반응으로 특정 DNA 서열을 체외에서 수십억 배 증폭하는 기술이다.

중합효소 연쇄 반응(PCR)은 시험관 안에서 온도를 올렸다 내렸다 반복하며 원하는 DNA 구간만 골라 수십억 배로 늘리는 기술입니다.

복사기에 원본을 넣고 복사본을 다시 복사기에 넣기를 반복하는 것과 같습니다. 한 번에 2배씩이지만 30번 반복하면 약 10억 배가 됩니다.

쉽게 말하면

PCR은 세포가 하는 DNA 복제를 시험관 안으로 옮겨 온 것입니다. 다만 세포는 효소로 이중 나선을 풀지만, PCR은 온도로 풉니다. 약 $9 5^{\circ} C$ 로 올리면 두 가닥을 잡고 있던 수소 결합이 끊어져 가닥이 분리되고, 온도를 내리면 프라이머가 각 가닥의 정해진 자리에 달라붙습니다. 다시 온도를 조금 올리면 DNA 중합 효소가 프라이머 끝에서부터 새 가닥을 만들어 갑니다. 이 세 단계가 한 주기입니다.

'원하는 구간만' 늘어나는 이유는 전적으로 프라이머 때문입니다. 프라이머는 늘리고 싶은 구간의 양쪽 끝에 상보적인 짧은 DNA 조각입니다. 중합 효소는 프라이머가 붙은 자리에서만 합성을 시작할 수 있으므로, 프라이머를 어디에 설계했느냐가 곧 어느 구간이 증폭되느냐를 결정합니다. 그래서 PCR을 하려면 늘리려는 구간의 양끝 서열은 미리 알고 있어야 합니다.

온도를 $9 5^{\circ} C$ 까지 올리는 것이 문제였습니다. 보통의 효소는 그 온도에서 변성되어 죽어 버리기 때문에 주기마다 새 효소를 넣어 줘야 했습니다. 이 문제는 온천처럼 뜨거운 곳에 사는 세균에서 얻은, 고온에서도 변성되지 않는 DNA 중합 효소를 쓰면서 해결되었고, 그 덕분에 PCR이 기계로 자동화되었습니다. 증폭된 DNA는 DNA 염기 서열 분석의 재료가 되거나 유전자 재조합에서 벡터에 끼워 넣을 유전자로 쓰입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

주기마다 2배씩 늘어난다는 것의 의미

$N = N_{0} \times 2^{n}$

$n$ 은 주기 수입니다. 20주기면 약 100만 배, 30주기면 약 10억 배가 됩니다. 머리카락 한 올에 붙은 세포 몇 개의 DNA로도 검사가 가능한 이유입니다.
예시 2

한 주기의 세 단계

변성( $9 5^{\circ} C$ 부근 — 두 가닥이 갈라짐), 프라이머 결합(대략 $50 - 6 5^{\circ} C$ — 프라이머가 자기 자리를 찾아 붙음), 신장( $7 2^{\circ} C$ 부근 — 중합 효소가 새 가닥을 만듦). 이 온도 사이클을 기계가 자동으로 반복합니다.
예시 3

감염병 진단에서의 PCR

검체 속 병원체의 DNA가 너무 적어 그냥은 검출되지 않습니다. 그 병원체에만 있는 서열에 맞춘 프라이머를 넣고 PCR을 돌렸을 때 증폭이 일어나면 병원체가 있었다는 뜻이고, 아무것도 늘어나지 않으면 없었다는 뜻입니다. 증폭 자체가 곧 판정이 됩니다.

순서대로 하면

PCR 반응에 넣어야 하는 것과 순서

1주형 DNA(늘리고 싶은 구간이 들어 있는 DNA), 프라이머 두 종류, 네 가지 뉴클레오타이드, 고온에서 견디는 DNA 중합 효소를 한 튜브에 넣습니다.
2변성: 약 $9 5^{\circ} C$ 로 올려 이중 나선을 두 가닥으로 분리합니다.
3프라이머 결합: 온도를 내려 프라이머가 각 가닥의 정해진 자리에 상보적으로 붙게 합니다.
4신장: 중합 효소가 잘 작동하는 온도로 올려, 프라이머의 $3^{'}$ 끝에서부터 새 가닥을 합성합니다.
52~4단계를 25~35회 반복합니다. 주기마다 DNA 양이 대략 2배가 됩니다.