유전자 재조합 in vitro 실험 방법 및 의의

어서 오세요~ 힐링 만다린입니다 :)

 

여러분 '포마토'라는 단어 들어보신 적 있으신가요? "토마토가 아니라 포마토?"라는 의문을 가질 수 있는데, 포마토란 토마토와 포테이토, 감자의 두 세포를 융합하여 얻은 유전자 재조합 채소를 이야기합니다. 그래서 오늘은 유전자 재조합에 대한 정의와 메커니즘에 대해 설명해보겠습니다.

 

초기 생물학은 단순하게 생물을 관찰하는 것이였는데, 현미경 탄생 이후부터는 생명 현상의 정체를 밝히는 것에 관심을 갖게 되었습니다. 지금 우리가 알고 있는 센트럴 도그마(central dogma) 역시 세포에 관심을 갖게 되면서 DNA에 생명의 설계도가 있다는 사실을 알게 만들어주었습니다. DNA에서 RNA를 거쳐 단백질을 만드는 정보 전달 과정을 낱낱이 밝혀내며, 생명의 설계도를 가진 DNA를 생물학자들이 조작하여 원하는 생명체 혹은 단백질을 만들 수 있겠다는 새로운 가능성을 인지하였습니다. 그래서 결국 각각의 기능을 갖는 유전자만을 떼어내 다른 유전자와 결합시키는 '유전자 재조합 기술'을 만들어냈습니다. 

 

사실 ‘유전자 재조합’은 인간이 개발한 기술이 아니라 박테리아와 바이러스의 생존 유지 전략을 본떠 만든 것입니다. 생화학자들이 박테리아와 박테리아, 박테리아와 바이러스 사이의 DNA 교환 현상을 관찰하면서, 그들의 생존 유지 전략을 통해 힌트를 얻은 것입니다. 바이러스는 스스로 증식할 능력이 없기 때문에 숙주에 들어가 자신의 DNA를 숙주 세포 속에 주입해 살아가는데, 이런 '감염' 메커니즘을 이용하여 유전자 재조합 기술을 만들게 되었습니다.  

 

유전자 재조합은 DNA나 RNA와 같이 유전자를 이루는 요소가 해체와 재조립 과정에서 원래의 서열과는 다르게 뒤바뀌는 과정을 가리키는 유전학적 용어입니다. 진핵생물의 경우 DNA 수리 과정에서 염색체의 전환이 빈도 높게 발생합니다. 특히 생식세포를 만들어내는 감수 분열에서는 염색체 접합 과정이 일어나면서 부모 세대와는 다른 유전자 조합을 갖는 자식 세대들의 형질이 나타나게 됩니다. 유전자 재조합은 염색체 교차와 유전자 전환 등의 방법을 통해 이루어집니다. 유성 생식을 하는 생물의 정자 또는 난자와 같은 생식자는 감수분열을 통해 생성되는데, 그 과정에서 한쌍으로 이루어진 염색체는 유전자 교차가 일어나 유전자를 재조합 한 뒤 네 개의 생식자를 나뉘게 됩니다. 두 유전 형질이 유전자에서 서로 가깝게 위치하고 있으면 유전자 교차가 발생하더라고 분리될 가능성이 적어지기 때문에 유전자 연관이 나타나게 되는데, 이 때문에 염색체에 존재하는 대립형질의 상관관계를 무너뜨리게 됩니다. 결론적으로는 자식 세대로 전달되는 유전자는 상동성을 갖고는 있으나 서로 다른 유전형질을 갖게 되어 유전자 다양성이 발현됩니다. 이런 유전자 다양성이 진화 생물학에서는 유전자 재조합을 유성생식의 중요한 이점으로 파악하고 있습니다. 자연 상태에서 일어나는 유전자 재조합에는 리콤비나제라 불리는 효소가 촉매로서 작용합니다. 

 

유전자 재조합의 단어적 정의는 부모로부터 물려받은 유전자상에 새로운 유전자조각이 이식되는 과정을 말하며, 유전자의 발현 과정에서, 원래는 존재하지 않았던 이식된 유전자 조각이 발현되는 것을 의미합니다. 분자생물학에서는 DNA의 조각을 인위적으로 재조합하는데, 이렇게 인위적으로 재조합된 DNA를 재조합 DNA라 부릅니다. 

 

재조합 DNA가 생성되기 위해서는 원하는 부위를 잘라내어 이어 붙일 가위와 풀이 필요합니다. 그래서 제한효소가 DNA를 자르는 가위 역할을 하고, DNA 라이게이즈 효소가 풀의 역할을 하며 DNA를 잘랐다 붙였다 합니다. 분리된 유전자 조각을 공여 DNA라 하며, 절단된 말단 부위에 벡터 DNA가 결합하게 됩니다. 벡터DNA란 특정세포로부터 분리된 DNA 조각을 숙주 세포 내로 도입시키는 과정에서 운반하는 역할을 하는 DNA 수송체를 말합니다. 이때 벡터는 몇 가지 조건을 갖추어야 하는데, 자체의 복제 개시점이 있어서 자가 복제가 가능해야 하며, 숙주세포 내로 형질 도입이 가능하도록 충분히 크기가 작아야 하고, 세포 선택시의 유전자 표지가 있어야 합니다. 두 개의 DNA 말단은 염기서열이 서로 상보적인 관계에서 결합이 됩니다. 재조합 유전자를 받아들이고, 발현하는 세포를 숙주세포라 하는데, 세포의 유전체와 발현 기작 등이 잘 밝혀져 있는 세포들이 자주 사용되며, 이러한 조건을 모두 갖춘 숙주가 대장균입니다. 

 

재조합 DNA 만드는 과정(간단)

1) DNA 절단:  제한효소로 원하는 DNA 염기서열의 특정한 위치에 작용하여 DNA를 자른다. 

2) DNA 분리 : 잘라낸 DNA를 전기 영동 법으로 분리한다.

3) DNA 접합 : 원하던 DNA를 선별하여 대장균과 같은 숙주의 DNA에 DNA라이게이즈효소를 이용해 접합시킨다.

4) 숙주를 이용한 복제 : 숙주의 복제 시스템에 자연스럽게 증식시킨다. 

5) 재조합 DNA 생성: 다른 생물의 DNA에 결합시켜 재조합 DNA를 만든다.

 

최근 유전공학 및 산업생물분야에서도 유전자 재조합 기술을 응용하여 다양한 종류의 물질들을 생산하는데, 이런 기술들이 산업적으로 광범위하게 적용되고 있습니다.

 

그럼, 오늘 하루도 힐링하세요 :)