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DNA칩

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DNA칩(DNA chip)은 사람의 유전자 정보를 고밀도로 담아 유전자 이상에 의해 발생하는 난치병을 치료하는 데 쓰이는 차세대 유전자 정보 집적체로, 바이오칩의 일종이다.

기계자동화와 전자제어기술 등을 이용하여 적게는 수백 개부터 많게는 수십만 개의 DNA를 가로ㆍ세로 1cm 이내 크기의 아주 작은 공간에 고밀도로 모아 놓은 생화학 반도체다. 유전자칩이라고도 한다. DNA칩은 기존의 분자 생물학적 지식에 기계 및 전자공학의 기술을 접목해서 만들어졌다. 반도체칩이 실리콘 기판 위에 미세한 전자회로를 집적한 것처럼 DNA칩은 유리나 플라스틱 기판에 수많은 DNA를 집적시킨 것이다. 유전자를 분석할 수 있는 기존의 유전공학 방법을 효과적으로 대체할 수 있는 획기적인 방법이다. 실험대상 유전자를 DNA칩과 결합시켰을 때 나타나는 반응을 판독기가 분석해 병의 원인, 이상 유전자 등을 찾는 용도로 사용한다.

개요[편집]

DNA칩이란 슬라이드 글라스와 같은 작은 고형체 (특수 처리된 유리판) 위에 적게는 수백 개에서 많게는 수십만 개까지의 유전자 (혹은 DNA)를 고밀도로 배열해 놓은 것이다. DNA칩은 분자생물학적 지식과 기술에 기계 및 전자공학의 기술이 서로 접목하여 완성된 근세기 최고의 기술이라고 할 수 있다. DNA칩 기술은 유전공학 연구에 지금까지 보편적으로 사용되어 왔던 Southern과 Northern blot, 돌연변이 검색 등을 쉽게 대신할 수 있다. 기존의 Southern이나 Northern blot 분석법은 DNA 혹은 RNA를 각각 nitrocellulose 혹은 nylon membrane에 붙이고, 붙여진 DNA나 RNA를 동위원소로 표지한 탐침 (probe)이나 화학발광물질로 표지한 탐침을 이용하여 확인하는 방법으로서 수작업으로 이루어지다 보니 극히 소수개의 DNA나 RNA를 한번의 실험에 이용할 수밖에 없었다. 따라서 많은 유전자를 대량으로 스크리닝하기 위하여 수십 장 내지는 수천 장의 membrane을 오랜 시간에 걸쳐서 만들어야 한다는 제약이 있었다. DNA chip은 슬라이드 글라스와 같은 고형체에 극히 적은 양의 유전물질을 고밀도로 붙여 놓은 것으로서 한번의 실험으로 동시에 많은 개수의 유전자 검색이 가능하게 되었다. Chip의 또 다른 중요한 장점으로는 두 가지의 형광색소 (dye)(Cy3: green, Cy5: red)를 각 추적자에 붙여서 동시에 확인해 볼 수 있다는 점이다.

DNA칩은 붙이는 유전물질의 크기에 따라 cDNA chip과oligonucleotide chip으로 나누어 질 수 있다 (단백질 chip의 경우에는 붙이는 물질이 단백질임). cDNA chip에는 단백질 정보를 코딩 (coding)하고 있는 cDNA 전체 크기를 붙여 놓은 것이고, oligonucleotide chip에는 짧은 조각의 DNA를 붙여 놓은 것이다. 이들 chip은 동시에 많은 수의 유전자 발현양상을 탐색할 수 있어 유전자의 발현 해석, 유전자 진단, 유전자 돌연변이, 의약품 screening, 질병 진단 등에 포괄적으로 응용될 수 있는 새로운 유전자 분석 system이다.

DNA칩의 개발[편집]

DNA칩은 1994년 미국의 애피메트릭스(Affymetrix)사에서 처음으로 제품을 만들었다. 애피메트릭스사에서 선보인 DNA칩은 약품에 대한 에이즈 바이러스의 저항방법을 추적하기 위한 용도로 개발되었으며, 여러 종류의 암에서 돌연변이를 일으키는 P53 유전자의 변화를 밝혀내기 위한 칩도 개발 중이다. 1999년 5월에는 위암을 밝혀낼 DNA칩이 국내에서 최초로 개발되었다.

DNA칩을 제작하기 위해서는 우선 연구대상인 유전자를 구성하는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 등의 염기서열을 확인한다. 그 다음 유전 정보를 지닌 효소조각을 떼어낸다. 만년필처럼 생긴 주입기로 실리콘판 역할을 하는 검은 용기로 둘러싸인 유리판 위에 효소조각을 부착시키면 DNA칩이 완성된다. DNA칩을 사용할 때는 분석하고자 하는 유전자를 잘라내 형광물질을 입힌 다음 DNA칩 위에 액체형태로 바른다. DNA칩과 분석대상인 유전자에 담긴 구성요소들이 A와 T, G와 C처럼 서로 짝을 찾아 결합한다. 그 위에 레이저빛을 쏘이면 결합유전자들은 밝은 빛을 낸다. 이 과정을 반복해 발광위치를 확인하면 분석대상 유전자의 염기서열을 알 수 있다.

DNA칩의 바닥판은 현미경으로 사물을 관찰할 때 사용하는 일반 유리로, 이 위에 DNA를 점 형태로 찍어 놓으면 DNA칩이 된다. 1995년 미국 스탠퍼드 대학에서 이 칩이 처음 개발되었을 때는 3000개 정도의 DNA를 점으로 찍어 올려 놓았지만 현재 40만 종류의 DNA를 넣을 수 있을 정도로 기술이 개발되었다.

DNA칩의 활용[편집]

DNA칩이 대체할 수 있는 기존의 대표적인 유전공학 방법으로는 Southern과 Northern blot, 돌연변이 검색, 그리고 DNA sequencing 등이 있다. DNA칩은 유전자 돌연변이 때문에 일어나는 각종 질환위암, 에이즈, 간암 등 난치병의 진단과 치료 및 예방에 활용할 수 있다. DNA칩과 기존의 유전공학 방법들과의 가장 큰 차이점은 동시에 최소한 수백 개 이상의 유전자를 빠른 시간 안에 검색할 수 있다는 것이다. DNA칩은 아주 적은 양의 유전물질을 고밀도로 붙일 수 있고 동시에 많은 수를 검색할 수 있다. DNA칩을 이용하지 않고 발병 여부를 밝혀내려면 여러 명의 연구원을 투입해도 4일 이상이 걸린다. 그러나 DNA칩을 사용하면 수시간 내 분석이 가능하기 때문에 비용과 시간을 절약할 수 있다. DNA칩은 세균의 감염 여부 및 항생제 내성 검사ㆍ신약 개발ㆍ유전자의 기능 연구ㆍ동식물 검역, 종자개량 등 생물산업의 획기적인 발전, 범죄자 확인 등 많은 부분에서 기존의 기술을 대체하고 있고, 궁극적으로 생명의 신비를 이해하는 데 커다란 도움이 될 수 있다.

DNA칩 제작과 분석[편집]

Chip을 제작하고 분석하는 일련의 과정을 세밀하게 설명한다면 매우 어렵기 때문에 간략하게 정리하면 다음과 같다.

(1) chip의 제작을 위하여 적당량의 DNA를 확보하여야 하는데, PCR (polymerase chain reaction: DNA 증폭 반응)을 이용하여 증폭한 후 에탄올로 침전시켜서 확보하여 chip을 제작한다.

(2) 확인하고자 하는 추적자 준비해야 하는데, 추적자는 대개 mRNA를 역전사시켜서 만든 cDNA이며, cDNA를 합성할 때 두 가지 다른 형광색소가 붙어있는 뉴클리오티드를 이용하여 표식한다.

(3) 추적자와 chip에 있는 DNA의 혼합 (hybridization) 단계에서 추적자와 상보적 (complementary)인 DNA는 서로 붙게 한다.

(4) 표식된 형광물질을 탐색하기 위하여 laser fluorescence scanner를 이용하며, 형광정도는 유전자의 발현정도에 대한 데이터이므로 이를 분석하기 위하여 컴퓨터를 이용하여 색상을 세밀히 분석한다.

DNA칩의 종류[편집]

DNA chip 중에서 널리 사용되는 3가지 제작 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다. (1) Pin을 이용한 방법: 1995년 미국 Stanford 대학 생화학과에서 처음 개발한 방법으로 증폭된 유전자들을 microarrayer를 사용하여 현미경 실험에 자주 쓰이는 슬라이드 글라스에 심는다. 슬라이드 글라스는 poly-L-lysine으로 처리되어 있어 용이하게 유전자들과 결합할 수 있게 되어있다. 사용하는 DNA microarrayer는 수십 개의 슬라이드를 놓는 곳, PCR로 증폭된 유전자를 포함하는 plate를 놓는 곳, DNA를 슬라이드에 옮기는 역할을 하는 pin이 붙어 있는 robotic print head로 크게 세 부분으로 나누어 볼 수 있다.

(2) Inkjet을 이용한 방법: inkjet 원리를 이용하여 DNA chip을 만드는 방법은 위에서 설명한 print head 방식과 거의 유사하다. 다만 pin 대신에 computer inkjet printer에서 쓰이는 것과 같은 원리의 cartridge를 사용한다는 것이 다르다. 각각의 cartridge 안에는 유전자가 들어 있어서 전기적인 힘으로 유전자를 고형체 위에 뿌리게 되는 것이다. 유전자를 전기적으로 chip 표면에 닿지 않고 정량의 유전자가 붙은 많은 수의 chip을 생산할 수 있다는 장점이 있지만 기술적으로 문제점도 많다.

(3) Photholithography를 이용한 방법 : 위의 두 가지 방법은 주로 cDNA chip을 제작할 때 사용하고 있으며, 수많이 다른 짧은 조각의 DNA를 갖는 chip (oligonucleotide chip)을 제작하기 위하여 미국의 Affymetrix라는 회사가 computer chip을 만들 때 사용하는 photolithography라는 기술을 변형한 방법을 개발하였다. 이 기술은 수만 가지 (약 400,000 가지 이상)의 다른 oligonucleotide들을 하나의 유리 위에 직접 합성할 수 있도록 고안된 방법이다. Affymetrix oligonucleotide chip은 하나의 염기서열만 틀려도 결합을 하지 않는 성질을 이용하여 한 염기에 생긴 돌연 변이 (point mutation)까지도 찾아낼 수 있다. 많은 암이나 유전병들이 특정 유전자에 생긴 작은 돌연변이에 의해서 유발되기 때문에, 이것을 이용하여 지금까지 밝혀진 암 관련 유전자를 가진 DNA chip을 만든다면 한번의 실험으로 아주 쉽게 돌연변이를 찾을 수 있다.

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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