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유전자가위와 나노기술을 접목하다

6일 전 업데이트됨


현재 유전자 진단 기술에서는 PCR(중합효소연쇄반응)이라는 기술을 통해서 유전자를 진단한다. PCR 기술에 대해서 조금 더 자세히 알아보자. 중합효소 연쇄 반응은 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 때문이다. 아래 그림과 같이 PCR과정은 크게 3단계로 나뉜다.



첫 번째 단계인 Denaturation 과정은 double strand DNA를 가열하는 과정을 통해서 분리시키는 과정이다. 분리된 각각의 DNA strand는 Template 역할을 하게된다. 두 번째 단계는 Annealing이다. 이 단계에서는 Primer가 앞의 template 역할을 하는 DNA strand에 결합한다. Primer의 결합을 통해서 다음 단계에서 사용되는 DNA polymerase의 결합이 이루어질 수 있다. 마지막으로 Elongation 단계이다. 이 단계에서 열에 강한 DNA 중합효소가(polymerase) template DNA에서 새로운 DNA를 만들게 된다. 이 과정이 반복적으로 이루어지면서, 원하는 부분의 DNA를 증폭시킬 수 있고, 이러한 PCR기술은 이전의 어떠한 기술보다 효율이 높고 쉬운 방법을 통해서 이루어지기 때문에 아직까지도 생물학 연구에서 꼭 필요한 기술 중 하나이다. 그러나 이 방법은 대단히 성공적인 방법이지만, 비용이 많이 들고, 복제 과정에서 오류가 발생할 수 있다는 단점이 있었다.


서울대 전기·정보공학부 김성재 교수와 최지혜·정의환 연구원, 김진수 기초과학연구원(IBS) 유전체교정단장, 이효민 제주대 샘영화학공학부 교수팀은 최근 각광 받는 유전자 교정 기술인 ‘유전자가위’와 나노 크기의 좁은 통로에 유체를 통과시키는 미세유체역학 기술을 결합해, 저렴하면서도 빠른 비침습적 유전자 진단기술을 개발하는 데 성공했다.


연구팀은 전혀 새로운 방법으로 목표로 하는 유전자를 분류하는 기술을 연구했다. 먼저 유전자교정에 가장 널리 쓰이는 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)에서 DNA를 자르는 기능을 없앤 크리스퍼 디(d)캐스9’을 만들었다. 원래 크리스퍼 유전자 가위는 30억 쌍에 이르는 긴 염기서열로 이뤄진 전체 DNA에서 목표로 하는 DNA를 대단히 높은 정확도로 찾아 자를 수 있는 능력이 있다. 여기에서 자르는 기능만 없앤 크리스퍼 디캐스9은 목표 유전자에 붙어 복합체를 형성하게 된다

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이어tj 아주 좁고 긴 미세한 통로에 유체를 흘려보내는 '미세유체 채널'을 만들었다. 이 채널에 필터(나노다공성막)를 넣고 유체를 흘려준 뒤 전기를 흘려주면, 필터 안 일부 공간에 이온이 몰리면서 이온이 부족해진 영역이 생겨난다. 이 영역에는 강한 전기장이 형성되는 특징이 있는데, 이것을 ‘이온농도분극현상’이라고 한다. 이렇게 만들어진 전기장은 유체 안에 섞인 물질을 표면의 전기적 성질에 따라 각기 다른 힘으로 밀어내는 특징이 있다.



연구팀은 이 힘을 정교하게 수식화하는 구조를 거친 뒤, 목표 유전자에 크리스퍼 디캐스9이 결합했을 때 이 분자의 움직임을 분석하고, 이를 이용해 이들 분자를 따로 모은 뒤 빛을 이용해 검출하는 데 성공했다.


이러한 연구를 통해 개발된 미세유체 채널은 구조가 기존의 기술보다 간단하고, 저렴하여 진단 키트로 응용하기에 적합하다. 또한 이 기술을 활용하여 혈액암을 진단하고, 개인 맞춤의학진단 기술로 발전 시키는 방안에 도움이 될 수 있다고 전했다.


작성자: 김범준(17-021)

출처: Nano letters https://pubs.acs.org/journal/nalefd

Wikipedia "PCR"



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