Chapter 12 DNA 기술 PowerPoint Lectures for Campbell Essential Biology with Physiology, Third Edition Eric Simon, Jane Reece, and Jean Dickey
그림 12.0 DNA 감식대단히적은양의증거물로부터도 DNA 감식이가능하다
우리와함께하는생물학 : DNA 와유죄와무죄 DNA 감식은시료가동일인으로부터온것인지그여부를확인을할수있는 DNA 시료분석을말함 [ 그림 12.0] DNA 감식은법정에서어떤사람이 유죄인지아니면 무죄인지를입증하는증거로도사용될수있다 DNA 기술은법정밖에서도 유전자변형작물을만드는데 그리고유전병의확인과치료에괄목할만한과학의진보를이끌고있다
재조합 DNA 기술 생명공학 (biotechnology) 은 유용산물을만들어내기위해생물이나또는이들의구성성분을조작하는것이다 우리는수천년동안이들을사용해왔는데, 예를들면 효모를사용하여빵을만들고 원하는형질을갖는가축을선택적으로육종해왔다 오늘날생명공학은 DNA 기술 (DNA technology) 의사용을의미하는데, 이것은 유전물질을연구하고조작하는 특정유전자를변형시키는 생물들사이에유전자를옮기는방법을말한다
재조합 DNA (recombinant DNA) 는과학자가다른두출처에서온뉴클레오티드서열 (DNA 의조각 ) 을하나의 DNA 분자로결합시키는것을말함 재조합 DNA 기술은실용적인목적을위해유전자를직접조작하는유전공학 (genetic engineering) 에서폭넓게사용됨
12.1 적용 : 후물린에서식품으로그리고제약 동물에까지 유용한단백질의유전자를세균이나효모로옮겨, 원래자연에서는미량으로존재하는단백질이대량생산될수있음 1982 년에세계최초로유전공학의약품이시판됨 사람의인슐린인후물린 (humulin) 은 [ 그림 12.1] 유전자변형세균에의해생산되었으며 FDA 에의해맨처음허가받은재조합 DNA 의약품이었으며 오늘날당뇨병을앓고있는 4 백만명이상이사용하고있다 오늘날후물린은세균배양액으로가득차있는거대한발효조에서계속해서생산되고있음 DNA 기술은의학적으로가치있는분자들, 즉 인간성장호르몬 (HGH) 적혈구생성을촉진하는이피오 (EPO) 호르몬 감염성질환을예방하기위해사용하는병원체의무해한변종이나파생물인백신 (Vaccine) 의생산에도사용될수있다
그림 12.1 후물린, 유전자변형세균에서만들어진사람의인슐린
유전자변형식품 오늘날 DNA 기술은전통적인식물육종방식을빠르게대체하고있음 과학자들은인공적인방법으로하나이상의유전자를얻게된생물, 즉유전자변형생물 (genetically modified[gm] organism) 을많이만들고있음 새롭게얻은유전자가다른생물, 통상다른종에서온것이면그재조합생물은형질전환생물 (transgenic organism) 이라고부름 오늘날미국에서옥수수의거의절반, 그리고콩과목화의 4 분의 3 이상이유전적으로변형된것임
옥수수는유럽조명충나방에의해일어나는피해를줄이기위해곤충의공격에내성을갖도록유전자변형을해오고있음 황금쌀 은우리몸에서비타민 A 를만들기위해사용되는베타카로틴을많이생산하기위해유전자를변형시킨것임 [ 그림 12.2]
그림 12.2 유전자변형쌀
12.2 재조합 DNA 기술 세균은현대생명공학에서가장중요한일꾼임 실험실에서유전자를조작하기위해생물학자들은, 세균안에훨씬큰세균염색체와별개로복제되는작은원형 DNA 분자, 즉세균의플라스미드 (plasmid) 를자주사용함
Colorized TEM 세균의플라스미드 플라스미드 세균의염색체 세균의잔해
플라스미드는 외래 DNA 와쉽게통합될수있고 세균세포가세포안으로받아들일수있으며 한세포에서다른세포로유전자를이동시키는운반체 (vector) 로쓸수있고다음세대의에게물려줄수있기 유전자를지닌 DNA 조각의동일한많은복사본을생산해내는유전자클로닝 (gene cloning) 에이상적인도구가된다 재조합 DNA 기술은생물학자들로하여금관심단백질을대량얻을수있게해줌 [ 그림 12.3] 유전자클로닝 (Animation: Cloning a Gene) 세균의재조합 (Blast Animation: Genetic Recombination in Bacteria)
그림 12.3 유용한생산물을만들기위해재조합 DNA 기술을사용 관심유전자 같은효소로 DNA 자른다. 관심유전자 DNA 들을혼합하고이들을서로연결시킨다 세포로부터의 DNA 절편관심밖의다른유전자들 DNA 를분리한다. 세균세포 플라스미드를분리한다. 관심유전자를갖고있는세포 재조합 DNA 플라스미드 세균은재조합플라스미드를안으로받아들인다. 플라스미드 DNA 세균클론 재조합세균 세균의증식 일부는유전자를사용한다. 관심유전자를가진클론을찾는다. 일부는단백질을사용한다. 해충내성유전자를식물에삽입시킨다. 어떤유전자가한세균을독성폐기물을정화시킬수있는세균으로변화시키기위해사용된다. 유전자가다른생물에삽입된다. 관심유전자와단백질이세균으로부터분리된다. 수확된단백질이직접이용될수있다 단백질이 돌세탁 청바지를만드는데이용된다. 어떤단백질은심장마비의치료에서응고된혈액을용해시키기위해사용된다.
자세히알아보기 : 제한효소로 DNA 를자르고붙이기 재조합 DNA 는두가지요소, 즉 세균의플라스미드와 관심유전자가합쳐져만들어진다 이들두가지 DNA 요소가합쳐지기위해서 DNA 조각이플라스미드에들어가이어져야함
잇는과정은 특정뉴클레오티드서열을자르는제한효소 (restriction enzyme) 를사용하여 다른출처를갖는 DNA를함께묶는데중요한 점착성말단 을갖는제한절편 (restriction fragment) 이라부르는 DNA 조각을생성시켜완성할수있다 DNA 리가아제는 DNA인접한뉴클레오티드사이에결합을형성하여 DNA 조각을이어진가닥으로연결시킴 제한효소 (Animation: Restriction Enzymes)
DNA 자르기와붙이기 제한효소인지서열 DNA 제한효소는 DNA 를절편으로자른다. 제한효소 출처가다른 DNA 절편이첨가된다. 절편들이염기쌍에의해서로붙는다. DNA 리가아제는절편들을가닥으로잇는다. DNA 리가아제 재조합 DNA 분자
자세히알아보기 : 관심유전자얻기 연구자들은특정관심유전자를가진 DNA 를어떻게얻는가? 산탄식 접근법은서로다른많은외부 DNA 절편을가진수백만의재조합플라스미드를만들어냄 그생물의전체유전체 ( 완전한유전자세트 ) 를포함하는클로닝된 DNA 절편들의집합체를유전체도서관 (genomic library) 이라함 유전체도서관이한번만들어지면관심유전자를가진세균클론은핵산탐침 (nucleic acid probe) 이라고부르는관심유전자의서열과일치하는방사성으로표지된특정서열을사용하여확인이가능함
DNA 탐침은어떻게유전자를표지하나 방사성탐침 ( 단일가닥 DNA) 단일가닥 DNA 여러세균클론에서온단일가닥 DNA 를혼합한다. 염기쌍은관심유전자의존재를나타낸다.
관심유전자를얻는또다른접근방법은 역전사효소를사용하고 mrna를주형으로사용하여그유전자를합성하는것이다 마지막접근방법은 자동화된 DNA 합성기를사용하여 주문한서열에따라유전자를합치는것이다
진핵 mrna 로부터유전자를만들기 세포핵 진핵유전자의 DNA 엑손인트론엑손인트론엑손 전사 RNA 전사체 mrna 인트론이제거되고엑손들끼리결합 시험관 세포로부터 mrna 분리그리고역전사효소첨가 역전사효소 cdna 가닥합성 합성중인 cdna 가닥 인트론이없는유전자의 cdna DNA 중합효소로두번째 DNA 가닥합성
DNA 감식과과학수사 DNA 감식 (DNA profiling) 은 두 DNA 샘플이동일인에서온것인지그여부를알아낼수있으며 범죄현장으로부터의증거에대해과학적인분석을하는범죄수사학 (forensics) 의분야를빠르게변화시키고있다 DNA 감식을할때과학자들은사람에따라서로다를수있는유전체에있는서열, 즉유전자마커 (genetic marker) 를비교함 [ 그림 12.4] 생명공학실험실 (Video: Biotechnology Lab)
그림 12.4 DNA 감식의개요 분리된 DNA 범죄현장용의자 1 용의자 2 증폭된 DNA 비교된 DNA
12.3 살인사건수사와친부확인과고대 DNA 조사 DNA 감식은 의심스러운범죄의유죄여부를입증하는데 범죄희생자의신원확인을하는데 친부여부에대한의문을해결하는데 또한밀거래된동물생산품의출처를확인하는데 생물의진화의역사를추적하는데사용될수있다
12.4 DNA 감식기술중합효소연쇄반응 중합효소연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR) 은 [ 그림 12.5] 특정 DNA 단편을빠르고정확하게복제할수있는기술을말하며 미량의혈액이나조직으로부터 DNA 감식을할수있을정도의충분한양의 DNA 를얻어낼수있다
그림 12.5 PCR 로 DNA 증폭 초기 DNA 단편 1 2 4 8 DNA 분자의수
The PCR Song There was a time when to amplify DNA, You had to grow tons and tons of tiny cells. (Oooh) Then along came a guy named Dr. Kary Mullis, Said you can amplify in vitro just as well. Just mix your template with a buffer and some primers, Nucleotides and polymerases too. Denaturing, annealing, and extending, Well it s amazing what heating and cooling and heating will do. PCR when you need to detect mutation PCR when you need to recombine PCR when you need to find out who the daddy is PCR when you need to solve a crime