DNA 기술 맛보기

PCR을 30번 돌리면 DNA 조각 하나가 약 10억 개로 불어납니다.

시험관에서 DNA 복사하기

DNA를 연구하는 방법은 대부분 피 한 방울이나 머리카락 한 올에 들어 있는 양보다 훨씬 많은 DNA를 필요로 합니다. 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction), 줄여서 PCR이 바로 이 문제를 풀어 줍니다. NHGRI는 PCR을 「분자 복사(molecular photocopying)」라고 부릅니다. 미리 골라 둔 짧은 DNA 구간을 빠르고 값싸게 복사하는 방법이라는 뜻입니다. PCR은 세포 안에서와 똑같은 염기 짝짓기 규칙을 씁니다. 먼저 시료를 가열해 두 가닥을 서로 떼어 놓습니다. 다음으로 온도를 낮추어 프라이머(primer)라는 짧은 시작 조각이 목표 구간 양쪽에 달라붙게 합니다. 그러면 열에 강한 DNA 중합효소가 본 가닥 하나하나에 새 짝 가닥을 만들어 붙입니다. 여기까지가 한 주기입니다.

주기가 한 번 돌 때마다 복사본의 수가 두 배가 될 수 있으므로, 그 수는 아주 빠르게 늘어납니다. 분자 하나가 10주기 뒤에는 2¹⁰ = 1,024개, 20주기 뒤에는 1,048,576개, 30주기 뒤에는 1,073,741,824개, 약 10억 개가 됩니다. 실제 반응에서는 매번 완벽하게 두 배가 되지는 못하고 조금 모자라지만, 원리는 그대로 성립합니다. PCR은 1983년 캐리 멀리스가 고안했고, 멀리스는 그 공로로 1993년 노벨 화학상을 받았습니다. NHGRI는 PCR이 쓰이는 곳으로 몇 가지를 꼽습니다. 인간 유전체 사업에서 한 지도 작업의 대부분, DNA 지문 분석, 세균과 바이러스 찾아내기, 그리고 유전 질환 진단입니다.

크기대로 조각 나누기

반응으로 무엇이 만들어졌는지 확인하려고 실험실에서는 흔히 겔 전기영동(gel electrophoresis)이라는 방법을 씁니다. OpenStax는 그 방법을 이렇게 설명합니다. 바닷말에서 얻는 물질로 만든 아가로스 겔 판을 염 용액에 담그고, 한쪽 끝의 작은 홈에 DNA 시료를 넣습니다. DNA는 인산기 때문에 음전하를 띱니다. 그래서 겔에 전류를 흘려 주면 DNA가 양극 쪽으로 끌려 움직입니다. 겔은 엉킨 그물처럼 작용해서, 작은 조각은 그 사이를 빨리 빠져나가게 하고 큰 조각은 뒤처지게 합니다. 얼마쯤 시간이 지나면 가장 작은 조각들이 홈에서 가장 멀리까지 가 있습니다. 그다음 염료로 물들이면 DNA 띠가 눈에 보이게 됩니다.

글자 읽기와 유전체 전체

염기가 늘어선 순서를 읽어 내는 일을 염기 서열 분석(sequencing)이라고 합니다. 프레더릭 생어는 사슬 종결법(chain-termination method)이라는 방법을 만들었습니다. 살짝 바꾼 뉴클레오타이드가 붙는 자리에서 자라던 가닥이 멈추게 하고, 멈춘 조각을 크기대로 늘어놓아 염기를 하나씩 읽는 방법입니다. 생어는 이 공로로 1980년 노벨 화학상을 받았고, 인간 유전체 사업에서 쓴 방법도 바로 이것이었습니다. 인간 유전체 사업은 1990년 10월에 공식적으로 시작해 2003년 4월, 계획보다 2년 넘게 앞당겨 끝났습니다. 이 사업은 유전체의 약 92퍼센트를 읽었는데, 당시 기술로 갈 수 있는 데까지 간 것입니다. 반복 서열이 가득한 나머지 8퍼센트는 2022년 텔로미어 투 텔로미어(T2T) 컨소시엄이 마무리했고, 염기쌍 30억 5,500만 개의 완전한 서열이 나왔습니다.

여러 사람의 유전체를 비교해 보면 사람끼리 얼마나 닮았는지 알 수 있습니다. NHGRI에 따르면, 아무 두 사람이나 골라 유전체를 견주어도 흔히 약 99.9퍼센트가 같다고들 합니다. 그런데 염기가 약 30억 개나 되므로 0.1퍼센트라 해도 서로 다른 곳이 여전히 약 300만 개나 됩니다. 그 정도면 사람마다 DNA 무늬가 저마다 달라지기에 충분합니다.

DNA 편집하기

유전체 편집 도구는 정한 자리에서 DNA를 자르는 가위처럼 작동하고, 과학자는 그 자리의 DNA를 빼거나 더하거나 바꿀 수 있습니다. NHGRI는 크리스퍼(CRISPR)가 예전 편집 방법보다 간단하고 빠르고 싸고 정확하다고 설명하며, 유전체를 편집하는 과학자 상당수가 지금 이 방법을 씁니다. 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 「유전체 편집 방법을 개발한 공로」로 2020년 노벨 화학상을 함께 받았습니다. 연구자들은 이 방법으로 생쥐나 제브라피시 같은 동물에서 유전자 하나만 골라 꺼 보고, 그 유전자가 무슨 일을 하는지 알아냅니다. 이 방법을 쓴 치료법도 개발되고 있지만, NHGRI는 아직 풀리지 않은 문제들을 짚습니다. 도구가 가끔 엉뚱한 곳을 자르고, 난자, 정자, 배아를 편집하면 그 변화가 다음 세대로 이어진다는 점입니다. 많은 나라가 이런 편집을 제한하며, 미국 국립보건원(NIH)은 사람 배아를 편집하는 연구에 연구비를 주지 않습니다.