코로나 시대에 살면서 우리 모두 PCR이라는 말을 한 번씩은 들어보았을 것입니다. 그렇다면 PCR이 정확히 무엇인지 알고 계신가요? 이번 포스팅에서는 과연 PCR이 무엇인지, 그리고 어떻게 진행되는지 과정 및 재료에 대해 간단하게 알아보도록 하겠습니다.
PCR의 이론과 중요성
PCR이란, Polymerase Chain Reaction의 줄임말로 "중합효소 연쇄 반응"이라는 뜻입니다. 좀 더 구체적으로 이야기하면 효소반응이 연쇄적으로 일어나서 결과물을 '증폭'하는 것인데, 여기서 증폭된 결과물은 유전물질인 DNA의 일부분입니다. 이처럼 중합효소 연쇄반응은 원하는 특정 DNA 일부분을 증폭하여 이후 단계에서 사용할 수 있으므로 유전물질을 조작하는 연구에서 거의 필수적으로 사용되는 기술입니다. 생명공학 기술이 발전함에 따라 다양한 유전자 조작 연구가 활발하게 이루어지고 있어 PCR은 연구의 시작이 됩니다. 생명공학 비전공자들도 코로나 대유행으로 인해 이미 PCR이라는 용어가 비교적 친숙할 것으로 생각되는데, 어떻게 증폭되어 진단 검사가 이루어진 것인지 그 과정도 함께 알아둔다면 검사 결과를 이해하는 데에 더 도움이 될 수 있을 것입니다.
재료
중합효소 연쇄반응을 하기 위해서는 먼저 증폭하고자 하는 구간이 포함된 유전물질이 준비되어야 합니다. 그리고 준비된 유전물질(template)에서 원하는 특정 구간의 시작과 끝 부분을 알리는 2개의 '프라이머(primer)'도 필요합니다. 프라이머는 짧은 유전자 단편으로, PCR의 성공 여부를 가리는 핵심 키입니다. 프라이머 단편의 염기서열이 원하는 특정 구간에 특이적으로 작용하지 않으면 원하지 않는 비특이 구간이 증폭되거나 반응이 아예 진행되지 않을 수 있습니다. 그리고 가장 중요하게 '중합효소(polymerase)'가 필요합니다. 효소 이름에서 알 수 있듯이 붙여서 복합체를 만드는 역할을 하는 효소입니다. 그럼 무엇을 붙이느냐? 유전물질의 서열을 이루는 기본 단위체인 dNTP입니다. 인위적으로 유전물질을 증폭해 주는 과정이므로 단위체인 'dNTP'의 첨가도 필수적입니다. 그 외, 효소의 작용을 활성화시켜 주는 버퍼 등이 필요합니다. 그리고 마지막으로 반응이 일어나도록 하는 기기 장비가 있어야 합니다.
연쇄반응 과정
증폭 과정은 [1:열번성(Denaturation) - 2:결합(Annealing) - 3:중합(Extension)]의 3가지 단계에 의해서 이루어집니다. 열번성 과정은 93~95도의 온도에서 진행되는데, 이때 이중 가닥인 DNA의 결합이 풀어지며 한 가닥이 되도록 구조를 변성시킵니다. 결합과정은 이렇게 단일가닥으로 존재하는 DNA에 단편 가닥인 프라이머가 붙는 과정으로 이때의 온도는 프라이머의 길이 및 단편 서열에 따라 온도가 달라집니다. 보통 50~60도 사이의 온도로 진행합니다. 마지막 과정은 중합 과정으로 72도에서 진행되며, polymerase가 단일가닥에 붙은 앞, 뒤 프라이머의 옆쪽으로 template의 유전자 염기 서열에 따라서 dNTP를 붙여줍니다. 중합은 증폭시키고자 하는 구간의 길이에 따라서 반응 시간을 설정합니다. 때문에 처음 준비했던 template 전체가 중합되지 못하고, 프라이머가 붙은 특정 구간부터 일부분만 중합된 채로 단계가 종료됩니다. PCR 장비의 프로그램을 설정하여 1-3의 과정을 반복하다 보면 특정 구간만 반복되어 중합되므로 해당 구간만 증폭된 DNA를 얻을 수 있습니다.
예시
코로나 검사로 예를 들어보겠습니다. PCR 검사를 받기 위해 검체를 채취합니다. 만약 감염이 되었을 경우 검체에 바이러스의 DNA가 존재할 것이고, 준비된 프라이머가 검체 DNA에 결합하여 결과적으로 특정 구간이 증폭될 것입니다. 하지만 만약 감염되지 않았다면 검체에 바이러스 DNA가 존재하지 않고, 프라이머가 붙을 수 있는 유전물질이 없으므로 증폭 자체가 일어나지 않게 됩니다. 즉, 프라이머가 붙을 수 있는 DNA가 존재해서 구간 증폭을 일으키는지 여부에 따라 감염을 진단하는 것입니다.
이번 포스팅에서는 효소중합연쇄반응 PCR에 대해서 간단하게 알아보았습니다. dNTP가 무엇인지, 어떤 과정으로 이중 가닥 DNA가 단일가닥으로 변성되는지, 프라이머는 어떻게 디자인하는지, 프라이머가 결합함으로써 왜 그 구간만 증폭이 되는지 등 완벽하게 이해하기는 어려웠을 것으로 생각됩니다. 비전공자분들이 PCR 검사가 어떤 과정으로 감염 여부를 진단하는지를 이해하셨다면 충분합니다. 그러나 더 자세한 이론을 알고 싶으신 분들을 위해 기회가 되면 다음 포스팅을 준비해 보도록 하겠습니다. 감사합니다.
댓글