Biology/분자생물학

분자생물학개론 | The Polymerase Chain Reaction(PCR)

곰뚱 2019. 11. 21.

TIP

1. The polymerase chain reaction in outline
2. PCR in more detail
3. Applications of PCR

DNA의 원하는 부분을 복제·증폭시키는 분자생물학적인 기술이다. 이 기술은 사람의 게놈과 같은 매우 복잡하며 양이 지극히 미량인 DNA 용액에서 연구자가 원하는 특정 DNA 단편만을 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 또한 증폭에 필요한 시간이 2시간 정도로 짧으며, 실험 과정이 단순하고, 전자동 기계로 증폭할 수 있기 때문에, PCR과 여기서 파생한 여러가지 기술은 분자생물학, 의료, 범죄 수사, 생물의 분류 등 DNA를 취급하는 작업 전반에서 지극히 중요한 역할을 담당하고 있다.

1970년대에 gene cloning기술의 개발은 이전에 불가능했던 방법으로 유전자와 유전자 활성에 대한 연구를 가능하게 함으로써 신선한 자극으로 받아들여졌다. 1984년에 캐리 멀리스(Kary Mullis)가 특정 DNA 서열을 증폭하기 위한 방법을 고안하여 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction)이라고 불렀다. 1985년에 중합 효소를 클레나우 중합 효소(Klenow polymerase)로 사용하는 PCR이 처음 공식적으로 발표됐다. 클레나우 중합 효소는 열에 약했기 때문에 매 주기마다 효소를 새로 넣어 주어야 했고 생성물의 최대 길이는 400bp에 불과했다.

1988년에 DNA 중합 효소로 Thermophilus aquaticus라는 미생물의 DNA 중합 효소인 Taq를 사용한 논문이 발행되었다. 열에 강한 이 중합 효소는 PCR의 효율을 월등히 끌어올렸다. PCR에는 일련의 세 개의 단계가 있고 30～40회 정도 반복된다. PCR의 첫 번째 단계는 DNA를 변성(Denaturation)시키는 것이다. 두 가닥의 DNA는 가열함으로써 분리시킬 수 있다. 분리된 각각의 DNA는 주형(Template)으로서 역할을 하게 된다.

변성 온도는 DNA 내에 있는 G+C의 양과 길이에 따라 달라진다. PCR의 두 번째 단계는 결합(Annealing)이다. 이 단계에서는 시발체(Primer)들이 주형 DNA에 결합을 하게 된다. 결합(Annealing) 온도는 반응의 정확성을 결정하는 중요한 요소인데 만약 온도를 너무 높게 하면 시발체가 주형 DNA에 너무 약하게 결합되어서 증폭된 DNA의 산물이 매우 적어진다.

또 만약 온도를 너무 낮게 하면 시발체가 비특이적으로 결합하기 때문에 원하지 않는 DNA가 증폭될 수 있다. PCR의 세 번째 단계는 신장(Elongation)단계이다. 이 단계에서 열에 강한 DNA 중합 효소가 주형 DNA에서 새로운 DNA를 만들게 된다. PCR은 DNA, RNA 그리고 단백질 수준의 PCR로 나뉠 수 있다. 보통 유전자를 얻는 실험을 할 경우, 그 유전자의 전체를 보려는 것이 아닌 유전자 안에서의 특정 유전자를 관찰하는 것이 목적이다. 하지만 DNA를 바로 PCR하게 되면 특정 유전자를 얻기 힘들고 진핵 생물의 경우, 비 발현 부위(인트론; Intron)가 같이 나오는 등 여러 가지 문제점이 있다.

그것을 해결하기 위해 특정 유전자에 시발체를 붙인 다음, PCR을 DNA수준이 아닌 RNA나 단백질 수준에서 하는 역전사-PCR(RT(Reverse Transcriptase)-PCR)이 있다. 요즘에는 반응의 결과를 극대화하기 위해 Taq 중합효소 뿐만 아니라 여러 회사들에서 독자적으로 개발한 복합효소를 사용하기도 한다. 이렇게 PCR method는 매우 간단한 기술이다. 다시 말해 DNA중합효소에 의해 DNA분자의 짧은 부위가 여러 번 복제되는 것이 전부이다. 평범한 실험처럼 보이지만 그것은 유전학적 연구와 생물학의 더 넓은 영역에서 많이 응용되고 있다.