베타카로틴을 함유한 '황금쌀'. 이처럼 GMO에 대한 이야기를 접해보셨을 거라 생각됩니다. GMO는 유전자의 재조합 과정을 거쳐 만들어집니다. 이번 포스팅에서는 여러 가지 유전자 재조합 방법 중 제한효소와 ligase를 이용한 방법에 대해 간단하게 알아보도록 하겠습니다.
유전자 재조합
유전자 재조합(Recombination)은 어떤 생물의 유전자에 외부 유전물질을 집어넣는 유전 공학 기술입니다. 기존에 이 생물체가 가지고 있지 않던 유전자를 삽입하기 때문에 유전형질에 변화가 생깁니다. 베타카로틴을 합성하는 쌀, 항생제 내성이 있는 식물, 인슐린을 생성하는 미생물 등 새로운 특성을 발현시킬 수도 있습니다. 이처럼 유전자 재조합은 식물의 특성 변화를 통해 식량과 관련된 문제를 해결하거나 인슐린, 호르몬단백질, 항바이러스제 등 유용 단백질의 생산에 활용될 수 있습니다. 유전자는 간단하게 절단, 삽입, 접합의 방법으로 조작되지만, 그 조작 방법에 따라 CRISPR-CAS, Zinc Finger 등 여러 기술이 있으며 앞으로도 유전자를 다루는 새로운 기술들이 연구될 것입니다. DNA의 재조합은 안전성 측면에서 여전히 많은 논란이 있지만 생명공학의 발전에서 빼놓을 수 없음은 분명합니다.
Plasmid 벡터
기존의 유전자에 새로운 유전 물질을 삽입할 때, bacteria의 'Plasmid DNA'가 많이 사용됩니다. 세균은 생장에 반드시 필요한 genomic DNA 이외에, 분리된 작은 원형의 유전물질을 가지고 있는데 이것이 플라스미드(plasmid)입니다. 이 플라스미드는 독자적으로 증식할 수 있으며 genomic DNA에 끼어들어가서 함께 유전형질을 발현시키기도 합니다. 이러한 특성 때문에 plasmid는 외부 유래 유전 물질을 발현시키기 위해 유전자 재조합에 자주 이용됩니다. 이때, 외래 유전자를 생물체로 전달해 주는 역할을 하는 DNA를 벡터(Vector)라고 하고 plasmid는 이러한 vector로 활용됩니다. 플라스미드와 벡터의 명칭을 혼동하는 경우가 많습니다. Plasmid와 Vector는 엄연히 다른 명칭이며 모든 플라스미드를 벡터라고 할 수 없습니다. 분명하게 이해를 하자면, 플라스미드는 독자적 증식 능력을 가진 모든 원형의 작은 유전자를 말하며, 여러 plasmid 중 항생제 저항성, 선택 마커, 과발현을 위한 오페론 등 재조합을 위해 필요로 하는 요소를 갖추어 외래 DNA를 운반할 수 있는 plasmid가 벡터로 활용됩니다. (plasmid DNA 이외에 bacterio phage도 vector로 많이 사용되나, 이번 포스팅에서는 다루지 않겠습니다.)
제한효소
유전자를 자르는 방법 중 하나로 제한효소(Restriction enzyme)가 사용됩니다. 제한효소는 세균의 방어기작에서 사용되는 효소로, 외부 유전물질이 들어왔을 때 이 유전자를 없애기 위해 잘라버리는 효소입니다. 그러나 이 효소는 유전자를 아무렇게나 자르는 것이 아니라 특정 서열을 인지하고 그 서열 또는 그 서열 근처를 자릅니다. 제한효소가 인지하는 서열은 회문(palindrome) 구조를 가진 특이적인 서열입니다. palindorm은 염기 서열을 앞뒤로 읽어도 동일한 구조입니다. DNA는 이중가닥이며 방향성이 있기 때문에 한 가닥의 서열이 5'→3' 방향으로 읽을 때 GAATTC 라면, 반대 방향 가닥의 서열도 GAATTC입니다. 이렇게 제한효소가 '특정 서열'을 인지하는 특성이 재조합 기술에서 원하는 부분을 '특이적'으로 자르도록 활용됩니다. 예를 들어 원형의 플라스미드에서 A라는 효소와 B라는 효소로 특정 구간만을 잘라낼 수 있습니다. 또한, 제한효소의 절단부위는 동일한 유전자 염기 서열이 있으면 다시 접합이 가능하므로, 새로운 유전자 단편을 동일한 제한효소로 절단하면 플라스미드에 이어 붙일 수도 있습니다.
라이게이션
라이게이션(ligation)은 영어 단어 자체로 묶는다는 뜻으로, 말 그대로 이어 붙인다는 말입니다. 절단된 DNA를 붙이는 과정으로, 결합효소(ligase)가 사용됩니다. 끊어진 DNA를 붙이는 과정을 이해하기 위해서는 DNA의 염기서열들이 연결된 구조를 알아야 합니다. 앞서 DNA에 방향성이 있다고 언급했습니다. 앞 염기의 3' 말단의 -OH와 뒤에 연결될 새 염기의 5' 말단의 인산기(phosphate group)가 연결되는 'Phosphodiester bond'가 형성되며 끊어진 부분의 두 염기가 연결됩니다. 결합효소 ligase가 이 phosphodiester bond를 형성해 주는 역할을 합니다. 내용이 어려우시다면 제한효소는 DNA를 절단하는 가위이고 결합효소(ligase)는 붙이는 풀이라고 이해해 주시면 충분할 것 같습니다.
오늘도 간단하게 생명공학 잠시 들여다봤습니다. 조금이나마 도움이 되셨길 바랍니다. 감사합니다.
댓글