유전자 재조합 기술

사람 인슐린 유전자를 대장균에 넣으려면 먼저 그 유전자를 충분히 많이 얻어야 한다. 그런데 세포 하나에는 인슐린 유전자가 두 개뿐이다. 범죄 현장에 남은 머리카락 한 올, 코로나19 검사를 위한 콧속 면봉에도 DNA는 아주 적게 들어 있다. 1983년 멀리스가 고안한 중합 효소 연쇄 반응(PCR)은 원하는 DNA 부분만 골라 두 시간 만에 수십억 배로 늘린다. 어떻게 그렇게 빨리 늘어날까? 그리고 효율이 조금 떨어지면 결과는 얼마나 달라질까?

순환 횟수

순환마다의 효율

4.2.1PCR의 세 단계

PCR은 시험관 속에서 DNA 복제를 되풀이한다. 먼저 95 °C로 데워 이중 가닥 DNA를 한 가닥씩 떼어 놓는다(변성). 다음으로 55~65 °C로 식혀, 늘리려는 부분의 양 끝에 맞게 설계한 짧은 DNA 가닥인 프라이머를 붙인다(결합). 마지막으로 72 °C에서 열에 강한 DNA 중합 효소가 프라이머 끝에 뉴클레오타이드를 이어 새 가닥을 만든다(신장). 이 세 단계가 한 순환으로, 몇 분이면 끝난다. 두 프라이머 사이의 부분만 복제되므로, 순환이 거듭될수록 그 부분만 골라 늘어난다.

그림 1에서 두 값을 바꾸어 보자. 주형 100개로 효율 100%라면 30번 순환 뒤 \(100 \times 2^{30} \approx 1.1 \times 10^{11}\)개이다. 효율이 90%이면 \(100 \times 1.9^{30} \approx 2.3 \times 10^{10}\)개로 약 5분의 1이다. 순환마다 10%씩 덜 늘어난 것이 30번 곱해져 5배 차이가 된다. 실제로는 30~40번 순환 뒤 프라이머와 뉴클레오타이드가 바닥나 증폭이 멈추므로, 사본 수는 무한히 늘지 않고 어느 수준에서 평평해진다.¹

4.2.2유전자 재조합의 도구들

PCR로 늘린 유전자는 재조합 DNA를 만드는 재료가 된다. 제한 효소는 DNA의 특정 서열을 알아보고 잘라, 같은 효소로 자른 다른 DNA와 끝이 꼭 맞게 한다. DNA 연결 효소는 그 끝을 이어 붙인다. 이렇게 유전자를 운반체인 플라스미드에 끼운 재조합 플라스미드를 대장균에 넣는다. 플라스미드에는 항생제 저항성 유전자가 있어, 항생제 배지에서는 플라스미드를 받아들인 대장균만 자란다. 인슐린 유전자가 끼워진 플라스미드를 가진 대장균을 골라 키우면, 대장균이 사람 인슐린을 만든다.

4.2.3예제 풀이

\(10^3 \times 2^n = 10^{10}\)에서 \(2^n = 10^7\)이므로 \(n = 7 \div \log 2 \approx 23.3\)이다. 약 23번째 순환에서 문턱을 넘는다.

5순환 늦다는 것은 같은 양에 이르기까지 \(2^5 = 32\)배 더 늘려야 했다는 뜻이므로, 처음 주형은 \(10^3 \div 32 \approx 31\)개이다. 즉 실시간 PCR에서는 문턱 순환 수가 1 늦을 때마다 처음 양이 반이다. 그래서 코로나19 검사에서 문턱 순환 수가 작을수록 바이러스가 많다는 뜻이고, 이 값으로 감염 정도를 어림한다.

아래 탐구 카드에서 유전자를 자르고 붙이고 골라내는 과정을 단계별로 설계해 보자.

1. 초기의 PCR은 순환마다 열에 망가진 효소를 새로 넣어야 했다. 옐로스톤 온천에 사는 세균 테르무스 아쿠아티쿠스의 Taq 중합 효소를 쓰면서 자동화가 가능해졌고, 멀리스는 1993년 노벨 화학상을 받았다.