나뭇잎 교과서

생명공학기술의 활용

범죄 현장의 머리카락 한 올, 코로나19 진단 검사, 당뇨병 환자의 인슐린. 모두 DNA를 복제하고, 자르고, 크기대로 나누는 몇 가지 기술로 가능해졌습니다.

먼저 알면 좋은 것 PCRDNA 구조
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생명공학기술의 활용

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범죄 현장에 남은 머리카락 한 올, 침 한 방울에서 DNA를 얻으면 용의자를 가려낼 수 있다. 그런데 사람의 DNA는 99.9%가 같다. 남은 0.1% 차이로 어떻게 한 사람을 가려낼까? 그리고 그 아주 적은 양의 DNA로 어떻게 분석에 충분한 양을 얻을까? 몇 군데를 검사해야 다른 사람과 우연히 같을 가능성을 무시할 수 있을까?

그림 1. 한 부위의 유전자형이 남과 우연히 같을 확률을 10%로 어림할 때, 검사 부위를 늘리면 모든 부위가 같을 확률이 10배씩 줄어든다. 13곳이면 세계 인구 분의 1보다 훨씬 작다.
먼저 알아야 할 것PCR(효소의 이용), DNA 구조, 제한 효소와 절편(생명공학기술의 발달), 독립 사건의 곱셈 법칙.

3.3.1DNA 지문

사람의 유전체에는 2~5염기의 짧은 서열이 여러 번 반복된 부분이 있다. 이를 짧은 연쇄 반복(STR)이라 한다. 같은 자리라도 반복 횟수가 사람마다 달라, 어떤 사람은 GATA가 8번, 어떤 사람은 12번 반복된다. 이 반복 횟수의 조합을 DNA 지문이라 한다. 사람은 각 자리에 부모에게서 받은 대립유전자를 두 개 가지므로, 한 자리마다 반복 횟수가 두 개씩 나온다.

정리 3.3.1 DNA 분석의 과정

시료에서 DNA를 추출하고, PCR로 STR 부위들을 늘린 뒤, 전기 영동으로 크기에 따라 나누어 반복 횟수를 읽는다. 작은 DNA 조각일수록 젤 속을 빨리 이동한다.

머리카락 뿌리 한 개에 든 DNA는 수 ng에 불과하다. 그러나 PCR로 30주기를 돌리면 원하는 부위가 10억 배 넘게 늘어나 분석할 수 있다. 그림 1에서 부위 수를 바꾸어 보자. 각 부위가 서로 다른 염색체에 있거나 멀리 떨어져 독립적으로 유전되므로 확률은 곱해진다. 부위를 하나 늘릴 때마다 우연히 일치할 확률이 10분의 1로 준다.1

3.3.2여러 가지 활용

DNA 지문은 범죄 수사와 친자 확인, 재난 희생자의 신원 확인에 쓰인다. 친자 확인에서는 아이의 대립유전자 두 개 가운데 하나가 어머니에게서, 하나가 아버지에게서 와야 하므로 모든 부위에서 이를 확인한다. 생명공학기술은 이 밖에도 유전병 진단, 감염병 검사, 멸종 위기 동물의 개체 확인, 식품 원산지 판별에 쓰인다. 수백 년 된 유골에서 얻은 DNA로 역사 속 인물의 신원을 밝히기도 한다.

어머니아이남성 1남성 2 아이의 나머지 띠는남성 2에게서 왔다
그림 2. 아이의 띠 하나는 어머니와, 나머지 하나는 생물학적 아버지와 일치해야 한다.

3.3.3예제 풀이

예제 3.3.2

STR 13곳을 검사하는데, 한 곳에서 무작위로 고른 사람의 유전자형이 용의자와 같을 확률이 0.1이라 하자. 무관한 사람이 13곳 모두 우연히 같을 확률을 구하여라. 세계 인구 80억 명 가운데 우연히 같은 사람이 있을 기댓값은 얼마인가?

13곳이 독립이므로 \(0.1^{13} = 10^{-13}\)이다. 기댓값은 \(8 \times 10^9 \times 10^{-13} = 8 \times 10^{-4}\)명, 곧 약 0.0008명이다.

즉 세계 인구 전체를 뒤져도 우연히 같은 사람이 나올 가능성은 1000분의 1도 안 된다. 그래서 DNA 지문이 일치하면 같은 사람으로 볼 수 있다. 다만 일란성 쌍둥이는 DNA가 같아 이 방법으로 구별할 수 없고, 형제는 대립유전자를 공유할 확률이 높아 따로 계산해야 한다. 또 시료가 다른 사람의 DNA로 오염되지 않도록 다루는 과정이 결과만큼 중요하다.

아래 탐구 카드에서 머리카락 한 올의 DNA로 사람을 가려내는 과정과, PCR이 아주 적은 양의 바이러스를 찾는 원리를 살펴보자.

  1. 실제 STR 대립유전자의 빈도는 부위와 집단마다 달라, 법과학에서는 각 집단의 빈도 자료로 확률을 따로 계산한다. 위의 0.1은 이해를 돕기 위한 어림값이다.
마무리

DNA 지문은 짧은 연쇄 반복의 반복 횟수 조합으로, PCR로 늘리고 전기 영동으로 읽는다. 독립적인 여러 부위를 검사하면 우연히 일치할 확률이 곱해져 급격히 작아진다. 그래서 처음 질문의 답은 '그렇다'이다. 머리카락 한 올의 DNA도 PCR로 늘려 13곳 정도의 STR을 검사하면, 세계 인구 가운데 한 사람을 가려낼 수 있다.

탐구 1

머리카락 한 올의 DNA로 사람을 가려낼 수 있을까?

PCR과 전기 영동 · DNA 지문 분석
현장 시료와 띠가 모두 일치하는 사람
—
우연히 모든 띠가 같을 확률 (대략)
—

사람마다 반복 횟수가 다른 짧은 반복 서열(STR) 부위를 PCR로 증폭해 크기로 나눈 모식이다. 띠 크기와 확률은 설명용 가상값이며, 실제 법의학 분석은 20곳 안팎을 본다.

  1. 질문사람의 DNA는 99.9 % 같다. 범죄 현장에 남은 아주 적은 양의 DNA로 어떻게 특정한 한 사람을 가려낼 수 있을까?
  2. 복원PCR은 온도를 오르내리며 DNA의 특정 부분을 두 배씩 불려 수십억 개로 만든다(통합과학). 그리고 DNA는 인산기 때문에 음(−)전하를 띤다.
  3. 설명유전체에는 짧은 서열이 여러 번 반복되는 부위(STR)가 있는데, 반복 횟수가 사람마다 다르다. 이 부위를 PCR로 증폭한 뒤 겔에 넣고 전기를 걸면 음전하를 띤 DNA가 (+)극 쪽으로 이동하는데, 작은 조각일수록 겔의 그물 사이를 빨리 빠져나가 멀리 간다. 이것이 전기 영동이며, 크기별로 나뉜 띠의 무늬가 DNA 지문이다. 사람은 부위마다 부모에게서 하나씩 받은 두 대립유전자를 가지므로 띠가 1~2개 나타난다.
  4. 연결여러 부위를 함께 보면, 모든 띠가 우연히 같을 확률은 부위별 확률을 곱한 값이 되어 매우 작아진다. 같은 원리로 친자 확인(자녀의 띠는 부모 각각에게서 하나씩), 실종자와 재난 희생자 신원 확인, 멸종 위기종 밀거래 단속, 식품 원산지 판별을 한다. 또 유전자 재조합(인슐린 생산), 유전자 진단, 작물 개량도 PCR, 제한 효소, 전기 영동 같은 기본 도구 위에 있다.
  5. 적용전기 영동 시간을 늘리며 띠가 어떻게 나뉘는지 보자. 그리고 반복 부위를 1곳만 볼 때와 3곳을 볼 때 현장 시료와 일치하는 사람이 몇 명인지 비교하고, 왜 한 부위만으로는 결론을 내리기 어려운지 생각해 보자.
  6. 판단DNA가 일치한다는 것은 그 사람의 DNA가 현장에 있었다는 뜻이지 범인이라는 뜻은 아니다. DNA는 다른 경로로 옮겨질 수도 있고, 시료가 오염될 수도 있기 때문이다. 또 국가 DNA 데이터베이스를 어디까지 운영할지는 개인 정보와 인권의 문제이기도 하다(생명 윤리).

확인조건이 달라지면

친자 확인 검사에서 아이의 한 부위 띠가 200 bp, 260 bp이고 어머니는 200 bp, 240 bp이다. 아버지일 수 있는 사람의 띠는?

탐구 2

PCR은 아주 적은 양의 바이러스를 어떻게 찾아낼까?

유전자 증폭 · 로그 눈금 · 모식 모형
사이클
—
DNA 조각 수
—
Ct (기준선 도달)
—
처음보다
—

검출 기준선을 10¹⁰개, 재료가 떨어져 증폭이 멈추는 양을 10¹²개로 잡은 모식 모형이다. 실제 기기는 형광 세기로 기준선을 정하고, 그 값은 기기와 시약마다 다르다.

  1. 질문면봉에 묻어 나온 바이러스 유전자는 수십에서 수천 개 정도일 수 있다. 이렇게 적은 양은 어떤 기계로도 바로 볼 수 없다. 그런데 PCR 검사는 이것을 찾아낸다. 어떻게 할까?
  2. 복원DNA는 두 가닥이 A와 T, G와 C로 짝을 지은 이중 나선이다. 그래서 한 가닥의 염기 서열을 알면 짝이 되는 가닥의 서열도 정해진다. 또 열을 가하면 두 가닥이 떨어진다.
  3. 설명PCR 한 사이클은 세 단계이다. 약 95 °C로 가열해 두 가닥을 떼고, 온도를 낮춰 찾고 싶은 서열에만 붙는 짧은 조각(프라이머)을 붙인 뒤, 약 72 °C에서 효소가 짝 가닥을 이어 만든다. 그러면 목표 조각이 한 사이클마다 이론상 2배가 된다.
  4. 연결2배씩 늘면 n사이클 뒤에는 N = N0 × 2n이어서, 30사이클이면 2³⁰ ≈ 10억 배가 된다. 실시간 PCR은 늘어난 DNA에 붙어 빛을 내는 형광 물질로 양을 재고, 형광이 기준선을 넘는 사이클을 Ct라고 부른다. 코로나19 바이러스처럼 유전 물질이 RNA인 경우에는 먼저 RNA를 DNA로 바꾸는 역전사 과정을 거친다(RT-PCR).
  5. 적용보통 눈금에서는 곡선이 한참 바닥에 붙어 있다가 갑자기 솟는다. 그런데 ‘로그 눈금’을 켜면 같은 곡선이 곧은 직선이 된다. 이제 ‘10배씩 묽힌 시료’를 켜면 시료가 10배 적을 때마다 Ct가 약 3.3사이클씩 늦어지고, 효율을 90%로 낮추면 그 간격이 조금 넓어진다.
  6. 판단Ct가 작을수록 처음 시료에 유전자가 많았다는 뜻이지만, Ct만으로 ‘전염력’을 단정할 수는 없다. PCR은 유전자 조각을 찾을 뿐 살아 있는 바이러스를 세지 않기 때문이다. 그래서 회복한 뒤에도 한동안 양성이 나올 수 있고, 검체를 채취한 방법에 따라서도 Ct가 달라진다. 실제 효율은 100%보다 조금 낮다.

확인조건이 달라지면

같은 기기, 효율 100%로 두 시료를 검사했다. 시료 A의 Ct는 22, 시료 B의 Ct는 25이다. 처음 시료에 들어 있던 목표 유전자의 양은?

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