DNA 전기 영동

아가로스 젤의 홈에 크기를 아는 DNA 조각들의 혼합물인 크기 표지와 미지 DNA를 나란히 넣고 전기를 걸었다. 30분 뒤 염색해 보니 크기 표지는 10 000 염기쌍부터 500 염기쌍까지 여섯 개의 띠로 갈라졌고, 미지 DNA는 홈에서 32 mm 내려간 곳에 띠 하나를 만들었다. 짧은 조각일수록 멀리 갔다. 띠의 위치로 미지 DNA의 크기를 어떻게 알아낼 수 있을까? 거리와 크기 사이에는 어떤 규칙이 있을까?

5.4.1체를 빠져나가는 빠르기

DNA는 인산기 때문에 길이에 비례해 음전하를 띤다. 전기를 걸면 모든 DNA가 양극 쪽으로 끌려가는데, 단위 길이당 전하가 같으므로 전기력만으로는 크기를 가릴 수 없다. 그런데 아가로스 젤은 촘촘한 그물 구조여서, 긴 DNA는 그물에 자주 걸려 느리게, 짧은 DNA는 그물 사이를 쉽게 빠져나가 빨리 움직인다. 그래서 같은 시간 동안 크기에 따라 다른 거리를 이동해 띠로 갈라진다. DNA 자체는 보이지 않으므로 형광 염료로 염색한 뒤 자외선이나 청색광을 비추어 띠를 본다.

크기가 두 배가 될 때마다 이동 거리가 거의 같은 만큼 줄어든다. 그림 1의 크기 표지에서 10 000에서 5000으로 절반이 될 때 8 mm, 2000에서 1000으로 절반이 될 때도 8 mm 더 내려간다. 그래서 크기 자체가 아니라 그 로그를 거리에 대해 그리면 직선이 된다. 미지 띠는 반드시 크기 표지와 같은 젤에서 함께 전개해야 한다. 젤의 농도, 전압, 시간이 달라지면 같은 크기도 다른 거리를 가기 때문이다.¹

5.4.2젤 농도의 선택

젤이 진할수록 그물이 촘촘해져 작은 조각을 잘 가르고, 묽을수록 큰 조각을 잘 가른다. 수백 염기쌍의 PCR 산물은 2% 젤에서, 수천 염기쌍의 조각은 0.8% 젤에서 띠 사이가 넓게 벌어진다. 전압을 너무 높이면 젤이 데워져 띠가 번지므로, 젤 길이 1 cm당 5 V 안팎으로 건다. 홈은 음극 쪽에 두어야 하며, 반대로 꽂으면 DNA가 젤 밖으로 빠져나간다.

5.4.3예제 풀이

기울기는 \((2.70 - 4.00)/(45 - 10) = -1.30/35 \approx -0.0371\)이다. 32 mm에서 \(\log(\text{크기}) = 4.00 - 0.0371 \times 22 \approx 3.18\)이므로 크기는 \(10^{3.18} \approx 1500\) bp이다.

2000 bp(29 mm, 3.30)와 1000 bp(37 mm, 3.00) 사이에서 보간하면 \(3.30 - 0.30 \times 3/8 \approx 3.19\)이고, \(10^{3.19} \approx 1540\) bp이다. 두 방법이 약 3% 안쪽으로 맞는다. 미지 띠에 가까운 두 표지로 보간하는 편이 직선에서 조금 벗어나는 부분의 영향을 덜 받는다. 즉 전기 영동은 DNA를 크기에 따라 가르고, 크기의 로그와 이동 거리의 직선 관계를 이용해 띠 하나의 위치로 그 크기를 읽어 낸다.

아래 탐구 카드에서 DNA를 전기 영동하여 크기 표지와 비교하고, 미지 띠의 크기를 구해 보자.

1. 아가로스는 우뭇가사리 같은 붉은 바닷말에서 얻는 물질로, 한천의 주성분이다. 젤의 그물 구조가 균일하고 DNA와 반응하지 않아, 1970년대부터 DNA를 크기별로 가르는 표준 재료가 되었다.