청둥오리의 재미있는 생명공학-1

청둥오리의 재미있는 생명공학 이야기

안녕하세요! 재미있는 생명공학 이야기로 연재를 하게 된 공우12기 청둥오리입니다. 화학생물공학부 2학년 때 배우는 응용생화학 전공 중에서 생명공학 기술에 대해서 소개하려고 합니다. 생명공학 기술의 목적은 생명체를 이용해서 우리가 원하는 물질을 대량으로 생산하고, 생산한 물질을 통해서 우리의 삶을 풍요롭게 하는 것입니다. 생명공학 기술은 우리 미래 산업을 이끌 중요한 기술 중 하나인 만큼, 많은 관심을 가지고 봐주셨으면 좋겠습니다.

연재 계획

1. DNA 클로닝과 제한효소
2. 다양한 종류의 벡터
3. DNA를 이용한 단백질의 기능 이해하기
4. CRISPR에 대한 소개

참고하는 교재는 참고문헌에 나와있는 Nelson과 Cox의 Lehninger Principles of Biochemistry 7th edition입니다. 제가 추후로 글을 쓰면서 위의 계획과 조금 달라질 수 있다는 점 양해 부탁드립니다.
그러면 이제 본격적으로 시작해보도록 하겠습니다!

DNA Cloning

여러분, 클론이라는 단어를 들어보신 적이 있나요? 클론은 어떠한 물체의 복제품이라는 뜻을 가지고 있습니다. 스타워즈에 나오는 모두 같은 흰색 가면을 쓰고 있는 클론 트루퍼를 생각하면 이해가 쉽게 될 겁니다. DNA 클로닝도 이러한 단어의 정의와 유사한 뜻을 가지고 있습니다. DNA 클로닝은 염색체에 있는 유전자의 일부분을 자른 후, 우리가 원하는 유전자를 복제해 줄 벡터에 넣는 과정을 일컫는 말입니다. 일반적으로 DNA 클로닝은 다음과 같은 5가지의 과정을 거칩니다.

1. 먼저, 클로닝을 하고 싶은 유전자를 얻는 과정이 필요합니다. 이때 필요한 것이 바로 제한효소입니다. 제한효소는 유전자를 자르는 가위라고 생각하시면 됩니다. 하지만, 제한효소는 그냥 가위가 아니라 '선택적 가위’입니다. 제한효소는 염기 서열의 특정 부분을 인식하여 자릅니다. 이렇게 잘라진 유전자는 PCR을 통해서 그 양을 증폭할 수 있습니다.
2. 다음으로는 유전자를 운반할 수 있는 운반체가 필요합니다. 이러한 운반체는 복제할 수 있는 능력까지 있으면 더욱 좋겠죠? 이러한 운반체는 벡터라고 합니다. 벡터로 사용하는 대표적인 물질로는 박테리아에 존재하는 플라스미드가 있습니다. 벡터에 대한 설명은 다음 시간에 더 자세히 하도록 해요.
3. 이제 운반체를 선택했으니, 유전자와 운반체를 연결하는 과정이 필요합니다. 유전자와 운반체를 연결하는 효소를 DNA 연결효소(DNA ligase) 라고 합니다. 우리가 선택한 유전자와 운반체가 연결된 DNA를 재조합 DNA(recombinant DNA)라고 합니다.
4. 이제 만든 재조합 DNA를 호스트 생물에 넣어주는 과정이 필요합니다. 호스트는 바로 우리가 원하는 DNA가 복제되고, 원하는 단백질을 얻게 할 수 있는 공장이라고 생각하면 됩니다. 이러한 ‘공장’ 역할을 하는 호스트는 박테리아, 효모, 곤충 등이 있습니다. 이 부분도 다음시간에 더 자세히 살펴보도록 해요.
5. 마지막으로, 우리가 원하는 유전자가 들어간 호스트 생물을 선별하는 과정이 필요합니다. 일반적으로, 원하는 유전자와 함께 마커를 벡터에 삽입하는데, 마커 유전자의 유무에 따라서 호스트 생물이 생존할 수 있는 환경이 바뀝니다. 호스트 생물을 특정한 환경에 넣은 후, 생존 유무에 따라서 우리가 원하는 유전자를 가진 호스트를 선별할 수 있습니다.
   이렇게 5개의 과정을 거쳐서 우리가 원하는 유전자가 포함된 호스트를 얻을 수 있습니다. 이러한 과정을 수행하기 위해 필요한 기술을 바로 생명공학 기술이라고 부릅니다.

제한효소

우리가 DNA 클로닝에서 사용하는 제한효소는 어디에 있는 것일까요? DNA 제한효소는 박테리아가 가지고 있는 방어시스템의 일부분입니다. 제한효소의 역할은 외부로부터 박테리아로 들어온 DNA를 제거하는 역할을 하는 것입니다. 앞에서 말했듯이, 제한효소는 염기서열의 특정한 부분을 인식해서 DNA를 자릅니다. 그럼 만약에 제한효소가 인식하는 서열이 박테리아의 유전자와 외부 유전자에 둘다 있다면, 제한효소가 두 유전자를 모두 자를까요? 그렇지 않습니다. 박테리아 고유의 DNA는 메틸기(−CH3​)가 있는데, 이 메틸기가 제한효소로 인해 박테리아 DNA가 잘리는 것을 막아주는 역할을 합니다. 일종의 방패역할을 하는 것입니다. 하지만, 외부 DNA는 메틸기로 보호가 되어있지 않기 때문에 제한효소에 의해 제거됩니다.
제한 효소는 크게 3가지의 종류로 나눌 수 있는데, Type-1, Type-2, 그리고 Type-3로 나눌 수 있습니다. 이 글에서는 Type-2 제한효소를 살펴보도록 하겠습니다. Type-2 제한효소는 4-6개의 염기서열을 인식하여 유전자를 자릅니다. 이때 특이한 점은 4-6개의 서열이 5’ 에서 시작해서 읽으나, 3’부분에서 살펴보나 동일한 회문 구조라는 것입니다. 예를 들면, EcoRI 라는 제한효소의 인식서열은(여기서는 단일가닥만 표현) 5’GGATCC3’인데, 이것의 상보 염기 가닥의 서열은 3’CCTAGG5’(원래는 5’이 왼쪽에 가는 것이 맞으나 편의상 위와 같이 표현)로 이중가닥을 왼쪽에서 읽으나, 오른쪽에서 읽으나 동일함을 알 수 있습니다.

용어 정리

설명하면서 자세하게 설명하지 않은 용어들 중에서 중요하다고 생각하는 용어들을 앞으로 여기에 정리할 생각입니다. 혹시 모르는 용어가 있다면 여기를 참고하면 됩니다.

• DNA: 우리 몸의 유전 정보를 담은 생체분자로, 인산, 디옥시리보스, 염기(A, T, G, C)로 구성이 되어있다. DNA는 인산다이에스터(Phosphodiester bond) 결합을 해 연결이 되어 있다. 이때, DNA 가닥에서 디옥시리보스의 5번 탄소 쪽을 DNA의 5’, 3번 탄소 쪽을 3’이라고 한다.
• 효소: 생체 촉매, 생명체 내에서 일어나는 여러가지 반응들의 속도를 높여주는 촉매역할을 한다.
• PCR : 원하는 DNA를 증폭하는 기술로, 열을 이용해서 DNA 이중가닥을 단일 가닥으로 분리(Denaturation), DNA 복제를 시작할 수 있게 하는 프라이머를 부착하는 과정(Annealing), DNA 중합효소를 이용해서 복제를 하는 과정(Extension) 과정을 거친다.

오늘은 첫 시간인 만큼 여기서 간단하게 마무리 하도록 하겠습니다. 그럼 다음에 또 봐요!!

참고문헌

Nelson; Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 7th edition. W.H. Freeman, 2017. 319-324