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싱글벙글 PCR 검사의 원리
[시리즈] 싱글벙글 생명공학 · 씨발씨발 유전자 편집 아기의 진실 · 유전자를 바꾸었지만 GMO는 아닌 식물이 있다??? 코로나 시절 다들 PCR검사를 위해 콧구멍을 뚫려 본 경험이 있을 거임근데 PCR이 과연 뭐길래 코로나 검사에 쓴다는 걸까?1. PCR이란?PCR은 Polymerase Chain Reaction의 약자로 '중합효소 연쇄 반응'이라는 의미임여기서 중합효소는 DNA 중합효소를 의미하는데, DNA 합성을 하는 효소라는 뜻즉 DNA 중합효소를 연쇄적으로 반응시킨다는 것으로, DNA의 수를 늘리는 반응임이게 왜 필요하냐면, 모든 생명체와 바이러스(바이러스는 보통 생물이라 보지 않음)는 핵산(RNA, DNA)을 가지고 있음핵산은 생명체의 설계도 역할을 하기 때문에 분석하면 유용한 정보를 얻을 수 있음, 어떤 종인지, 친자관계인지, 유전병이 있는지 등등감염병 진단에서도 몸에서 바이러스의 핵산이 나왔다면 감염됐다고 볼 수 있고 이게 가장 정확한 방법임.하지만 핵산은 양이 적기 때문에 바로 분석하기는 어려워 증폭하는 단계가 필요하고 이게 PCR이다.PCR이 없던 시절에는 DNA를 분석하려면 많은 양의 시료에서 DNA만 추출해야 했음, 요즘 검사처럼 면봉에 묻은 정도로는 턱도 없다.2. PCR의 과정DNA가 복제되는 방식을 간단하게 나타나면 그림과 같음이중나선 형태로 꼬여있는 DNA가 두 가닥으로 풀어지고, 각 가닥에서 상보적인 염기쌍의 DNA가 합성되면서 두배가 되는 거임그래서 복제를 하려면 일단 각각의 가닥으로 풀어줘야 하고 이를 Denaturation이라 함.방법은 간단한데 그냥 95도 정도로 가열하면 알아서 분리된다.그 다음으로는 프라이머(Primer)라는 걸 붙여줘야 함, 프라이머는 DNA 중합효소가 합성을 시작하기 위해 필요한 작은 핵산 조각임.RNA나 DNA 모두 가능한데 PCR에서는 DNA를 씀 RNA는 쉽게 분해되고 DNA로 바꾸는 과정이 추가적으로 필요해서 DNA를 씀.이 프라이머를 어떻게 넣는지에 따라 증폭되는 DNA 부위가 결정됨. 프라이머를 코로나 바이러스만 가지고 있는 서열로 만들면 코로나 바이러스의 DNA만 증폭이 되는거임 (사실 코로나 바이러스는 DNA가 아니라 RNA만 가지고 있음, 어떻게 하는지는 후술함)DNA합성은 방향성이 있어서 앞뒤로 프라이머를 붙여주면 그 사이의 DNA 조각을 얻을 수 있음이 프라이머를 붙여주는 작업은 Annealing이라고 함, 온도는 50~65도인데 온도는 프라이머의 염기서열에 따라 달라짐(서열 따라 결합 강도가 다르기 때문)옛날에는 프라이머를 만드는 게 굉장히 어려웠지만 이제는 생화학의 발달로 업체에 인터넷으로 주문하면 하루만에 택배로 보내주고 가격도 별로 안비쌈보통 17~30 Mer(염기 개수) 정도 길이로 만들고 앞뒤로 한쌍이 필요하니 2만원이면 DNA증폭에 필요한 프라이머를 살 수 있음. 필요한 만큼 사서 쓰면 된다.다음은 Elongation, DNA중합효소가 작동하게 기다리는 과정임. Denature 단계에서 97도까지 올라가는 온도를 견딜 수 있도록 뜨거운 온천에서 사는 세균의 효소를 사용하는데 이 효소가 가장 효과적으로 작동하는 온도는 72도라서 그 온도에 맞춤.옛날에는 이 과정이 제일 문제였음 온도를 한번 올리고 나면 효소가 다 익어버려서 한 사이클 돌아갈 때 마다 새로 넣어야 했는데 호열균(뜨거운 환경에서 사는 세균)의 효소를 사용하는 아이디어를 내서 훨씬 빠르고 간편해졌고 이걸 고안한 사람은 노벨상 받음(Kary Mullis)이렇게 Denaturation, Annealing, Elongation을 한번씩 거치면 한 사이클이 끝나고, 이걸 n번 반복하면 2의 n승 만큼 DNA 조각이 늘어남보면 알겠지만 효소와 프라이머가 필요한 것 빼고는 그냥 온도를 조절해줬을 뿐임, 그래서 PCR장비를 Thermocycler라고도 하고 다른 기능이 붙어있지 않은 장비는 그렇게 비싸지도 않음(작은 건 백만원대도 있음)물론 이런 건 고등학교 정도에서나 쓸 법한 거고 생물학 랩에서 쓰는 건 천만원 넘어감초창기에는 PCR Bath라 해서 이런 수조 3개에 온도 각각 설정해 놓고 시험관 옮겨 가면서 실험했다고 함;;3. PCR 진단PCR로 바이러스의 DNA조각이 나오면 감염된거라고 볼 수 있다고 했음.하지만 코로나바이러스는 RNA를 유전물질로 가지기 때문에 DNA중합효소로 합성할 수 없음, DNA중합효소는 DNA만을 주형으로 삼기 때문.그래서 우선 RNA를 DNA로 바꿔줘야 하고 이걸 하는 효소가 역전사효소임(Reverse Transcriptase), 원래는 레트로바이러스가 자신의 RNA를 DNA로 만들고 숙주의 유전자에 삽입하기 위해서 쓰는 효소.역전사를 해서 DNA로 만든 뒤에는 동일하게 PCR하면 됨, 이걸 RT(Reverse Transcriptase)-PCR라 함.이때 프라이머에 형광물질을 붙여 두면 형광이 얼마나 나오는지로 코로나바이러스 DNA조각이 증폭되었는지, 그 양이 얼마나 많은지를 알 수 있는데 이걸 q(Quantitative)PCR이라 하고 코로나의 경우 RT-PCR이기도 하니 RT-qPCR임최종적으로는 증폭된 DNA가 포함된 용액에서 나오는 형광을 보고 감염 여부를 판단하는 것.물론 형광표지가 붙은 프라이머는 훨씬 비싸고 실시간으로 형광 측정하는 기능이 있는 PCR 장비도 비쌈.4. 폴링검사PCR검사는 사실 감염이 의심되거나 주변에 감염자가 생겼을 때 받는 건데 그렇다 해도 대부분 비감염자가 더 많음이런 상황에는 한명한명 다 따로 하고 있는건 비효율적임시료를 반으로 나누고, 5명씩 묶어서 PCR을 돌리고 음성이 나오면 5명 전부 음성, 양성이면 5명 각각 한명씩 PCR을 돌리는 게 훨씬 빠름. 이걸 폴링검사, 영어로는 Pooled test라 함.몇명을 묶을지는 감염자가 얼마나 나오냐에 따라 다름, 거의 안나온다면 더 많이 묶어도 되지만 거의 전부 나온다면 어차피 따로 한명씩 또 돌려야 하니 검사 횟수가 늘어날 뿐임. 5. 최신동향PCR의 등장은 생물학과 생명공학에 큰 도움이 됐음, 머리카락으로 친자검사가 가능한거나 범죄현장의 혈흔으로 DNA를 분석하는 것, 구강상피세포로 유전자 검사를 할 수 있는 것 모두 PCR로 DNA를 증폭했기 때문에 가능한 일임.이러한 PCR 기술은 발전을 거듭하고 있고 가격도 점점 낮아지고 있는데 만약 코로나가 2000년대 초반에 일어났다면 그렇게 신속하게 감염 여부를 판단하고 격리하지 못했을 거임, 그때도 PCR은 있었지만 프라이머도 비싸고 장비도 고가에 느렸거든.최근에는 아에 마이크로 칩 하나로 PCR을 구현하는 연구도 진행되고 있음이상 PCR의 원리였습니다.
작성자 : 킹크림슨발록고정닉
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