최근 유전자 조작이나 유전자 변형에 대한 연구가 활발해 지면서 그에 대한 관심도가 높아지게 되었다. 그렇다면 유전자 조작은 무엇이며, 어떤 기술이 활용되어질까? 그중 가장 대표적인 것이 크리스퍼 유전자 가위 기술이다. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 규칙적인 간격을 갖는 회문구조*의 반복단위 배열이의 조작이라고 할 수 있다. 크리스퍼 유전자 가위의 기능은 DNA의 유전정보를 RNA의 유전정보로 복사하는 과정인 전사의 조절이 대표적이다. 크리스퍼 유전자 가위는 기초 생물학 연구에 다양하게 사용되는 것은 물론, 돌연변이 유전자 교정을 통한 체세포 치료나 외래 유전자를 도입하지 않는 식물 유전체 변형 등에 사용된다.

DNA는 세포 내부에 들어 있는 생명의 암호라고 할 수 있는데, 이 분자는 세포가 자라고 분열하며 조직이나 생물체로 발달하는 데 필요한 모든 정보를 담고 있다. 그래서 우리가 아주 작은 단위인 분자 수준에서 생명을 이해하려면 우선 DNA를 이해해야 한다. DNA는 당, 인산, 그리고 네 종류의 염기로 구성된 뉴클레오티드라는 기본 단위가 결합하여 이루어진 이중나선 구조이다. 이 뉴클레오티드 또는 염기가 배열된 순서를 서열이라고 하는데, 이 뉴클레오티드 서열은 세포가 읽을 수 있는 정보를 담고 있다. 하나의 DNA 사슬 속에는 보통 수백만 개의 뉴클레오티드가 들어 있기 때문에 담을 수 있는 정보의 양이 엄청나게 많은 것이 특징이다.

이러한 유전 정보의 단위인 유전자의 발현과 조절에 대한 연구인 크리스퍼 유전자 가위 기술의 원리는 무엇일까? 우선 크리스퍼 유전자 가위를 이해하기 위해서는 RNA와 단백질의 합성과 제한효소에 대해 알아볼 필요가 있다. 제한효소를 가장 먼저 발견했다고 알려진 학자는 1960년대 노벨상 수상자인 스위스의 세균학자인 베르너 아르버인데, 1960년대 초 DNA를 분해시키는 제한 효소를 발견함으로써 분자유전학 분야의 발전에 기여하였다. 베르너에 의하면 제한효소란 DNA의 특정한 염기서열을 식별하고 이중사슬을 절단하는 기능을 하는 효소라고 한다. 여기서 이중 사슬이란 사슬 모양 격자를 형성하는 사슬 모양 원자의 연결이 2개 축합*하여 고리로 되어 있는 사슬 모양이 연결되어 있는 구조이다. 대표적으로 두 개의 RNA로 구성된 DNA가 이중 사슬 구조이다. 이는 이중 가닥 DNA 분자의 특정한 염기서열을 인식하여 그 부분이나 그 주변을 절단하는 것을 촉매하는 효소를 지칭한다. 대부분의 제한 효소는 각각 인식자리 혹은 제한 자리 라는 특수한 염기서열을 가진 위치에서 DNA를 절단한다.

대표적인 제한효소의 역할이 드러나는 경우는 대장균에서 나타나는 DNA 제한 및 변형 현상이 두 가지 효소 즉 메틸화효소와 제한 효소에 의해 나타난다는 것을 발견하였다. 실험에서 메틸화효소를 생산하지 않는 박테리오파지의 DNA는 제한 효소에 의해 절단되어 더 이상 숙주세포를 공격하지 못하고, 메틸화효소에 의해 변형된 DNA를 가진 대장균의 DNA는 보호되었다. 일부 파지의 경우 메틸화효소가 제한 효소보다 먼저 작용해 살아남는 경우도 있었다. 파지를 여러 세대 배양하면 DNA 메틸화가 일어나고, 처음 파지와는 다른 DNA를 보유하여 제한 효소의 작용을 피하였다. 이 실험을 통해 대장균에서 제한 효소가 활성화 되었을 때 DNA를 분해하는 작용을 한다는 것이 알려졌다.

*회문구조 : 앞뒤 어느 방향으로 읽어도 동일하게 읽히는 역반복 구조를 말한다.

*축합 : 유기화합물의 2분자 또는 그 이상의 분자가 반응하여 간단한 분자가 제거되면서 새로운 화합물을 만드는 반응이다.

<====박테리오파지

<보기>와 윗글을 미루어 볼 때 알 수 없는 것은?

<보기>

유전자 클로닝은 DNA 분자를 아주 정확하고 재현성 있는 방식으로 절단하는 것을 필요로 한다. 이 과정에서 분자는 원으로 된 서클을 열어서 새로운 DNA가 삽입될 수 있도록 단 한 가지 위치에서 절단되어야 한다. 제한 효소로 DNA분자를 조절하고 절단하는 과정을 제한 절단이라고 하는데, 이러한 과정으로 수많은 DNA 단편이 생기며 그 크기는 처음 분자의 효소에 대한 인식 염기배열의 정확한 위치에 따라 다르다. 이러한 과정 속에서 염기배열의 위치에 따른 DNA 단편의 크기를 정확하게 측정하는 기술이 요구되는데, 바로 이 기술이 젤 전지연동에 의한 분자들의 분리 기술이다. 전기영동은 이온 교환 크로마토그래피*와 같이 혼합물에서 분자를 분리하기 위해 전기적 전하의 차이를 이용하는 기술이다. DNA 분자는 기본적으로 음전하를 띄고 있기 때문에, 전기장에 놓일 때 양극 쪽으로 이동하게 된다. 분자의 이동속도는 그것의 모양과 전하 대 질량비의 두 가지 인자에 의존한다.

*크로마토그래피 : 용질을 분리시키는 기술, 다양한 분자들이 섞여 있는 혼합체로부터 이들을 분리시키는 실험 방법이다.

(O/X) 퀴즈

제한 절단 과정에서 절단 횟수 당 한번의 DNA 단편이 생긴다. (O/X)

DNA 단편의 크기는 인식 염기서열의 정확한 위치에 따라 다르다. (O/X)

음전하를 띄는 DNA분자는 음극 쪽으로 이동하게 된다. (O/X)

DNA 분자의 이동 속도는 분자의 모양과 전하 대 질량 이 두 가지의 인자에 의존한다. (O/X)

(O/X) 퀴즈

DNA는 단일나선 구조이다. (O/X)

DNA는 세 종류의 염기로 구성되어 있다. (O/X)

3. 제한효소는 모든 염기를 식별한다. (O/X)

4. 제한효소가 염기서열을 절단할 때 모든 염기서열을 인식하게 한다. (O/X)

5. 메틸화 효소를 생산하는 박테리오파지의 DNA는 숙주세포를 공격할 수 없다. (O/X)

6. 한 가지 뉴클레오티드-염기 서열에는 단일 정보를 담고 있다. (O/X)