분자생물학 개론

분자생물학 개론

 

분자생물학은 분자수준에서의 생명 현상을 이해하고 그게 눈으로 보는 생명현상과 어떻게 연결되는지를 규명하는 학문이다.1953년 제임스 왓슨과 크릭이 DNA의 이중 나선을 발견한 시점에서 분자생물학이 시작되엇다. 이 후 분자생물학은 생화학과 유전학의 영역을 포함하면서 급격히 성장했다.현대 생물학은 기본적으로 분자생물학을 배경으로 하고 있다. 세포 내 또는 세포간에 이루어지는 여러가지 형태의 상호작용들을 해석하는 과정을 기본으로 한다. 인간유전체분석사인 human genome project가 끝나고 이 정보를 기반으로 하여 다양한 접근 방식이 시도되고 있다. 분자생물학 연구자들은 분자생물학 특유의 기법을 사용한다. 유전학, 생화학의 다양한 기법들과 아이디어들을 융합시켜 발전해나가고 있다. 이들 분야 사이에 정확한 구분을 짓는다는 것은 사실 불가능하다. 생화학은 살아있는 유기체에서 일어나는 생명활동 과정과 그 속에 존재하는 화학물질에 대해서 다룬다. 특히 생화학자들은 생체분자의 구조 및 기능, 역할에 중점을 두고 연구하고 있다. 예를들어 생체 내에서 활성을 띠는 분자들의 합성과정을 연구하는 것이 대표적이라고 할 수 있겠다.분자생물학은 유전체의 복사, 전사 및 번역과정 전체에서 분자적 기반을 연구하는 학문이다. 이 분야의 주된 연구는 센트러도그마의 흐름을 따른다. DNA의 전사로 이해서 RNA가 되고, 이것의 번역과정을 통해 최종적으로 단백질이 만들어지는 과정을 센트럴도그마이론이라고 한다. 유전학은 개체간 유전학적인 차이를 다룬다. 보통 돌연변이 연구를 통해서 밝혀지고 있다. 돌연변이란 정상적인 개체와 비교해 하나 이상의 기능적 요소가 결핍되거나 과잉 보유한 상태를 말한다. 대부분의 분자생물학 연구는 정량분석을 거친다. 최근에 컴퓨터공학이 접목되면서 개척된 생체정보학 등 컴퓨터를 이용한 자동화된 연구환경이 편리하게 작업을 도와준다. 2000년대 게놈 프로젝트에 의해 부각된 분자유전학이 현재 가장 활발한 분자생물학의 하위 분야가 되었다. 점점 더 많은 생물학 분야들이 분자에 많은 관심을 기울이고 있따. 세포생물학이나 발생학과 같이 직접적으로 분자 자체를 연구하는 분유가 있는 반면, 분자생물학의 연구테크릭을 응용해 간접적으로 분자를 다루는 진화생물학도 있다.  1950년대 후반에서부터 60년대에 이르기까지 마침내 분자생물학자들은 세포 및 기관에서 분자수준의 구성물질분리, 정제 및 파악이 가능해졌다.  이러한 구성 성분에는 유전암호로 기능하는 DNA, DNA의 전사체인 RNA , 그리고 단백질이 있다. 단백질의 기능을 알아내는 가장 기본적인 방법 중 하나가 Extprssion cloning 이다. 목표단백질의 아미노산 서열을 암호화하고 있는 DNA를 플라스미드에 복제한다. 재조합 플라스미드를 exprssion vector라고 한다. 이 플라스미드는 목표 단백질의 생산을 유도하는데 쓰이는 특징적인 프로모터와 함께 삽입된 DNA가 플라스미드로부터 유실디지 않도록 도와주는 항생제 내성 유전자를 가질 수 있다. 이제 만들어진 플라스미드를 박테리아 또는 동물 세포에 도입한다. 박테리아에 플라스미드를 도입시키는 방법으로는 형질전환, 접합, 형질주입이 있다. 형질전환은 DNA를 직접적으로 넣는 방법, 접합은 세포 세포간에 접촉을 통해서 접합시키는 방법, 형질주입은 바이러스를 운반체로 사용하는 방법이다. 동물세포와 같은 진핵세포의 경우 특별히 트랜스펙션이라고 한다. 바이러스나 박테리어를 운반자로 사용하여 진핵세포에 DNA를 넣을 수도 있다. 박토펙션이라고 부르기도 한다. 박토펙션에는 아그로박테리움이라는 박테리아가 사용된다. 도입된 플라스미드는 숙주의 게놈에 안정적으로 삽입될수도 있으나 게놈과는 독립적으로 떨어져서 존재할 수도 있다. 둘 중에 어느쪽이든 타겟 단백질을 암호화한 DNA는 숙주세포 내에 존재하기 때문에 지금부터 단백질은 발현이 가능하다. 프로모터에 결합하여 유전자 발현을 도와주는 다양한 시스템과 특정 신호 전달물질들이 모두 존재하기 때문에 가능한것이다. 일단 여기까지 진행되면 이제부터는 연구자들은 숙주로부터 대량 단백질을 추출한다. 추출 단백질이 다양한 환경에서  활성화되는지 알아보는 실험을 하며, 3차 구조의 연구를 위해 결정을 만들기도 한다.  PCR이라고 부르는 중합효소 연쇄반응은 DNA를 복제할 때 매우 요긴하게 쓰이는 기법이다. 이 기술은 사람의 게놈과 같은 매우 복잡하며 양이 매우 적은 DNA용액에서 원하는 특정 DNA절편만 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 또한 증폭에 필요한 시간이 2시간 정도로 매우 짧은 편이고, 
실험과정이 단순하다. 기계로 증폭할 수 있기 때문에 PCR과 여기서부터 파생된 여러가지 기술들은 분자생물학, 의료, 범죄수사, 생물의 분류 등 DNA를 취급하는 작업 전반에서 지극히 중요한 역할을 담당하고 있다. 겔 전기 영동법은 겔 메트릭스에 전류를 흘려보내  DNA, RNA, 단백질 등을 분리하는 실험방법이다. DNA, RNA, 단백질들이 전하를 띠는데 이를 이용해서 전기장내에서 각각 분리시키는 원리이다. 아가로우즈라는 겔로 사용했을 경우 DNA와 RNA가 크기에 따라서 분리된다. 단백질의 경우 마찬가지로 크기에 따라 분리되지만, 겔로 SDS-PAGE를 사용한다. 제한효소 처리한 DNA샘플은 겔 전기영동을 통해 분리된 후 모세관 현상을 통해서 얇은 막으로 옮겨진다. DNA가 옮겨진 막에 특정 서열에 상보적인 탐침을 뿌린다. 특정 서열이 샘플내에 존재한다면 탐침과 결합하여 표지가 나타나게된다. 표지에는 방사선 동위원소를 이용했으나.  요즘은 대체재들이 개발되어 사용중이다. DNA샘플에서 바로 서열을 분석하는 PCR등의 기법들이 존재하기 때문에 서던블랏 자체는 실험실에서 자주 사용하진 않는다. 그러나 형질전환 쥐의 형질전환유전자 복제수를 측정하거나 배아줄기세포의 유전자 결여 연구 등에는 여전히 쓰인다. 서로 다른 RNA샘플들 사이에서 특정 RNA의 발현 양상을 비교하는데 쓰이는 기법이 노던블랏이다. RNA는 크기에 따라서 전기영동을 통해 분리된 후 얇은 막으로 옮겨진다. 그 후 서던블랏과 동일하게 원하는 서열에 상보적인 탐침을 만들어 특정 서열의 존재와 양을 판별한다. 결과물로 나타나는 밴드는 특정서열이 존재함을 알려주고, 밴드의 두께를 통해 RNA의 양을 추정할 수 있다. 살아있는 조직에서 언제, 어떤 조건에서 특정 유전자가 발현되는지를 밝히는데에 노던블랏은 매우 유용하다. 웨스턴블랏은 특정 단백질의 유무 또는 양을 알기위해서 수행하는 분석방법이다. 주로 단백질의 발현 여부를 알기 위해서 사용한다. 서던블랏과 노던블랏이 DNA-DNA, DNA-RNA간의 특이성을 이용하는 반면, 웨스턴블랏은 단백질과 단백질 간의 특이성을 이용하는 방법이다. 주로 항원과 항체반응을 이용한다.
이스턴블랏은 단백질의 번역 후 수정과정을 연구하는데 쓰이는 기법이다. 단배질을 PVDF혹은 니트로셀룰로스 막에 롬긴 후 특이 기질을 이용해 단백질의 특성을 알아내는 방법이다. 마이크로어레이에서 DNA마이크로어레이는 슬라이드 글라스와 같은 이런 판에 단일 가닥의 DNA조각을 하나하나 배열해 놓는 것이다. 그 모습이 마치 도서관에 책이 놓여있는 것과 같다고 하여 DNA도서관이라고 부른다. 어레이 기법 사용으로 한 개의 작은 슬라이드 글라스 위에 엄청나게 많은 수의 작은 절편을 올려놓을 수 있다. 어레이에 사용된 각 절편들은 특정 DNA서열의 상보적으로 만들어진 것인데 이는 서던블랏의 원리와 매우 비슷하다. 어레이를 통해서 특정 서열의 존재를 확인할 수 있는데, 그러기 위해서는 상보서열의 대상 DNA가 있을것으로 추정되는 조직의 RNA를 가공해야한다. 우선 조직에서 RNA를 획득한 후 그 서열을 바탕으로 cDNA를 만들어야한다. 이 후 만들어진 cDNA를 어레이상에 뿌리면, 상보서열과 결합하여 표시가 나타난다. 동일한 array를 여러개 만들 수 있는데 이를 응용해 여러개체간의 유전자 발현 모습을 비교할 수 있다. 대립형질 특이 올리고뉴클레오타이드는 PCR이나 전기영동의 도움 없이도 단일 염기 서열 돌연변이를 찾아낼 수 있는 방법이다. 20~25개 가량의 유쿨레오타이드로 이뤄진 짧은 길이의 특수 표지되니 탐침을 절단되지 않은 DNA에 뿌리면 혼성화가 된다. 탐침의 매우 짧은 길이 때문에 단일 염기서열으 차이만으로도 혼성화는 잘 이루어지지 못한다. 이렇게 혼성화 되지 못한 DNA는 씻겨나가고 남겨진 탐침은 제거된다. 만일 혼성화가 이루어진다면 형광물질이나 방사성 원소로 표지된 탐침에 의해서 실험자가 혼성화 되었음을 알 수 있다.