[스크랩] 알기 쉽게 설명한 PCR 검사 원리

요즘 코로나 바이러스가 창궐하면서 PCR 검사에 대해 많이 들어 보셨을 겁니다.

그런데 PCR은 도대체 뭐고, 또 그 원리는 무엇인지 알고 계신가요?

오늘은 PCR이라는 놀라운 기법에 대해 최대한 알기 쉽게 설명해 보겠습니다.


우선 PCR은 Polymerase Chain Reaction의 두문자어입니다.

한국어로 바꿔 보면 '중합 효소 연쇄 반응'인데, 여기에 담긴 의미를 풀어서 설명하면

'중합 효소를 이용하여 DNA에 연쇄 반응을 일으켜 그 양을 증폭시키는 것'이 됩니다.

중합 효소가 뭔지, DNA에 어떻게 연쇄 반응을 일으키는지는 아직 모르겠으나

'PCR이라는 기법을 사용하면 원래 갖고 있던 DNA의 양을 늘릴 수 있겠구나!'로 이해하시면 됩니다.


자, 그러면 오늘의 과제는 다음과 같습니다.

첫째로 DNA가 무엇인지 알아보고, 둘째로 DNA가 원래는 어떻게 복제되는지 알아본 후,

마지막으로 PCR이 어떻게 DNA를 복제하여 그 양을 증폭시키는지 보겠습니다.



먼저 DNA가 무엇인지부터 보시죠.

 

 

 

정말 간단하게 DNA의 구조를 나타낸, 많은 분들에게 익숙할 그림입니다.

 

위 그림을 통해서 우리가 알 수 있는 것은 DNA가 2개의 선으로 이루어진 이중 나선 형태라는 것,

 

그리고 빨강, 파랑, 노랑, 주황의 4가지 물질들로 이루어져 있다는 것입니다.

 

조금 더 주의 깊게 보신 분들이라면 빨강은 항상 파랑하고만 결합하고 있고

 

주황은 항상 노랑하고만 결합하고 있다는 것도 알 수 있겠죠.

 

 

 

 

 

실제로 DNA는 위와 같이 아데닌(Adenine), 티민(Thymine), 구아닌(Guanine), 시토신(Cytosine)이라는

 

4가지 물질로 이루어져 있습니다. 4가지 물질 모두 되게 복잡하게 생겼죠?

 

그 구조를 자세히 알 필요는 없고, 중요한 건 A는 T와, G는 C와만 결합할 수 있다는 겁니다.

 

(아무하고나 결합하지 않고 특정한 물질하고만 결합하는 이러한 형태를 상보적 결합이라고 합니다)

 

 

 

어쨌든 이제 DNA가 이중 나선 형태이고, 4가지의 기본 물질로 이루어져 있다는 건 알겠어요.

 

근데 우리가 알기로는 DNA는 스스로를 복제할 수 있는 물질이잖아요?

 

저렇게 꼬여 있는 2가닥의 DNA를 어떻게 복제할 수 있을까요?

 

 

 

 

 

DNA의 복제 과정을 그림으로 나타낸 것입니다. 벌써부터 머리가 아프죠?

 

실제로 DNA의 복제 과정에는 엄청나게 많은 물질들이 필요합니다만,

 

모든 걸 다 알 필요도 없고 이 글에서 그걸 전부 설명할 생각도 없습니다.

 

 

 

우선 두 가닥으로 되어 있는 DNA에 Helicase(위 그림에서 파란색 삼각형)라는 물질이 달라붙어서

 

DNA를 양쪽으로 활짝 열어젖힙니다. 그러면 붙어 있던 두 가닥이 각각의 가닥으로 분리되겠죠?

 

그러면 각각의 가닥에 DNA polymerase(주황색 사각형)가 달라붙어서 새로운 가닥을 만들어줍니다.

 

새로운 가닥에 위에서 설명한 4가지 중 무엇이 붙을지 어떻게 알까요?

 

만약에 원래 있던 가닥이 A였다면 T를 붙이고, G였다면 C를 붙이고... 이런 식으로 새 가닥이 생깁니다.

 

다 DNA가 상보적으로 결합하기 때문에 무엇을 붙여야 할지 알 수 있는 거죠.

 

 

 

그런데 DNA polymerase는 좀 멍청해서, 아무것도 없는 기존 가닥에 바로 붙지는 못하고

 

RNA primer라는 애가 먼저 와서 어느 정도 새 가닥을 만들어 줘야만 그 뒤에 붙을 수 있습니다.

 

결국 DNA의 복제 과정은 붙어 있는 두 가닥을 열고, 각각의 가닥에 primer가 붙어서 새 가닥을 조금 만들고,

 

그 뒤에 polymerase가 붙어서 새 가닥을 쭉 합성하는 식으로 이루어집니다.

 

 

 

이제 DNA와 그 복제 과정을 알았으니, PCR의 원리에 대해 본격적으로 알아보죠.

 

PCR은 인위적으로 DNA를 복제하는 기법입니다.

 

 

 

 

 

 

우선 위 그림과 같이 DNA에 열을 가해서 이중 나선 형태를 각각의 가닥으로 분리해 줍니다.

 

이걸 denaturation이라고 합니다.

 

 

 

 

 

다음으로 각각의 가닥에 primer를 붙입니다. 이걸 annealing이라고 합니다.

 

그런데 이때 사용하는 primer는 우리가 만든 거라서,

 

A, T, G, C의 4가지 물질이 어떤 순서로 배열되었는지 다 알고 있어요.

 

만약에 우리가 만든 primer가 ATTGAC의 순서로 이루어진 애라고 해 볼까요?

 

그러면 DNA는 상보적으로 결합하니까, 상대편 DNA 가닥에 TAACTG라는 애들이 있어야만 붙겠죠.

 

만약 TAACTG라는 부분이 없다면, primer는 애초에 상대편 DNA에 붙을 수가 없는 거예요.

 

 

 

이제 primer가 붙었으니, DNA의 양을 늘리기 위해 새로운 가닥을 만들어 줘야 합니다.

 

 

DNA polymerase와 4가지 기본 물질(dNTP)들을 넣어서 합성을 진행합니다.

 

그러면 이제 원래 DNA와 똑같은 형태를 가진 DNA가 또 생기게 되죠.

 

원래 1개였던(그 하나는 이중 가닥이지만) DNA가 이제 2개가 된 것인데,

 

만약 여기서 같은 과정을 한 번 더 반복하면 어떻게 될까요? 또 2배가 돼서 총 4개가 되겠죠?

 

다음은 8배, 16배, ..., 1024배... 이런 식으로 몇 번만 반복해도 양이 엄청나게 증가합니다.

 

PCR은 이런 방식으로 연쇄 반응을 일으켜서 아주 작은 양의 DNA라도 그 양을 엄청나게 증폭시킵니다.

 

 

 

자, 그러면 우리가 PCR 검사를 위해서 얻은 검체에 코로나 바이러스의 DNA가 있는지 알고 싶다고 쳐요.

 

코로나 바이러스 DNA 중에 ATTGAC라는 부분이 있다고 칩시다.

 

그러면 우리는 그 반대인 TAACTG라는 primer를 만드는 거예요.

 

만약에 검체의 주인이 코로나 바이러스에 걸렸다면, 저 primer가 코로나 바이러스 DNA에 붙겠죠?

 

만약에 걸린 적이 없다면, 당연히 ATTGAC라는 부분이 없을 테니 annealing이 일어나지 않을 겁니다.

 

이런 식으로 PCR은 특정한 배열의 DNA가 존재하는지 판단하여 만약 있다면 그 양을 늘려 줍니다.

 

실제로 코로나 PCR 검사에서는 DNA가 복제될 때 형광 물질이 나오도록 한다고 합니다.

 

코로나 바이러스에 걸렸다면, PCR의 한 사이클을 조금만 반복해도 금방 형광의 세기가 커지겠죠.

 

출처: 엠팍