PCR이란?
PCR은 1984년 캐리 멀리스가 고안한 방법으로 primer와 내열성 DNA 중합효소를 이용해 단기간에 미량의 DNA 서열에서 다량의 DNA로 증폭시킬 수 있는 기술이다. PCR을 수행하기 위해서는 앞서 다음의 준비물이 필요하다.
1. DNA 중합효소
2. 주형 DNA
3. Primer 쌍
4. dNTP
PCR은 말 그대로 중합효소가 연쇄적으로 반응하여 DNA를 복제, 증폭시키는 방법이다. 이러한 PCR에서는 당연히 DNA 중합효소가 필수적이며, 고온 (94℃)에서 활성을 갖는 효소를 사용하는 것이 일반적이다. 왜 고온에서 변성이 되지 않아야 할까? 그 이유를 이해하기 위해서는 DNA 이중나선 구조와 자연적으로 이루어지는 DNA 복제과정에 대해서 알아야 한다.
DNA 이중나선 구조
DNA는 deoxy-nucleotide라는 단위체들이 모인 다중체이며, 여기서 deoxy-nucleotide는 염기, 당 (deoxyribose), 인산으로 구성되고 염기의 종류에 따라 간단히 A, T, G, C로 표기하며 구분한다. 이러한 A, T, G, C는 당과 인산의 결합으로 방향성이 있게 중합되어 배열될 수 있는데 이를 DNA 단일가닥이라 한다. Deoxy-nucleotide의 염기는 다른 염기와 쌍을 이룬다는 또 다른 특징이 있다. A와 T, G와 C는 서로 수소결합이라는 비공유 결합으로 결합하여 쌍을 이루며 이를 상보적이라고 하는데, 따라서 DNA 단일가닥은 쌍을 이루는 DNA 단일가닥과 상보적 결합을 하며 이중나선 구조를 이루게 된다.
DNA 복제 과정
DNA 복제 과정은 대부분의 생명체에서 일어난다. 앞서 DNA는 상보적 염기서열의 결합으로 이중나선 구조를 이룬다고 설명했다. 그렇다면 생명체는 이중나선 구조의 DNA를 어떻게 복제할까? 기본적으로 DNA 복제는 DNA 중합효소에 의해 주형 DNA 단일가닥에 상보적인 deoxy-nucleotide들이 이어 붙여지는 방식으로 진행된다. 그러기 위해서 생명체는 이중나선 구조의 DNA를 일시적으로 단일가닥으로 분해해야 한다. 이때, topoisomerase와 DNA helicase라는 효소가 이중나선 구조의 DNA를 단일가닥으로 분리하는 역할을 한다. 그렇게 분리된 DNA 단일가닥에 DNA 중합효소가 상보적인 deoxy-nucleotide들을 이어 붙여 DNA가 복제된다.
PCR 과정에서 내열성 DNA 중합효소의 필요성
PCR은 DNA를 복제하는 기술이다. 인위적으로 DNA를 복제하기 위해서는 자연적으로 이루어지는 생명체의 DNA 복제 방법을 흉내 내야 한다. DNA의 이중나선을 인위적으로 분리해야 한다. 그러기 위해서 DNA helicase를 사용할 것인가? 비용적인 측면에서 경제적이지 않고, in vitro 실험에서 2가지 이상 효소를 한번에 쓴다는 것은 여간 까다로운 방법이 아니다. 사실 DNA helicase의 도움 없이 DNA의 이중나선을 분리할 수 있는 간단한 방법이 있다. DNA의 이중나선은 수소결합들에 의해 유지되는 것이므로 열 (94℃)을 가한다면 비공유 결합인 수소결합은 끊어지고 이중나선이 분리된다. 하지만 여기서 문제가 발생한다. 우리 몸의 체온은 37℃이고 대부분의 단백질 효소의 활성은 37℃에서 최대로 최적화 되어있으며, 94℃라는 고온에서는 변성되어 되돌리지 못한다. 이러한 문제는 1988년 온천수에서 살아가는 고세균의 일종인 Thermophilus aquaticus의 발견으로 해결되었다. 이 세균은 65~70℃에서 자라는데, 이 세균(속명과 종명의 앞 글자를 따 Taq이라 한다.)의 DNA 중합효소는 94℃에서도 변성되지 않는 것이 확인된 것이다. 이러한 Taq DNA 중합효소를 이용해 PCR 방법의 커다란 발전이 이루어 졌으며, 오늘날 폭넓게 사용되는 기술 중에 하나가 되었다.