[생활 속의 자연과학] 피씨알, 피씨알 하는데 PCR이 뭡니까?

권춘봉 이학박사 / 기사승인 : 2022-03-21 00:00:27
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▲ 그림 1. 역전사

 

남녀노소를 가리지 않고, 오미크론에 감염되는 요즘, 아이와 노인들에게 “PCR 검사”라는 단어는 매우 익숙한 말이 됐다. PCR은 현대 분자생명과학 연구에서 매우 기본적인 연구에 해당하는데, 요즈음은 사회적으로도 매우 익숙한 용어가 돼 이번 호에서는 “피씨알, 피씨알”하는 그 PCR 방법과 같은 코로나 감염을 확인하는 분자진단법 두 가지에 대해 알아본다.


생물체에는 핵산이라는 고분자가 존재한다. 핵산은 유전정보를 저장하고 전달하는 물질이다. 그 종류는 DNA와 RNA가 있다. 핵산의 기본단위는 뉴클레오타이드라 하고 이는 인산, 당, 염기가 1:1:1로 구성된 저분자 화합물이다. 염기는 4가지 A, T, G, C로 이뤄져 있다. 뉴클레오타이드가 다른 뉴클레오타이드와 연결돼 있는 것을 폴리뉴클레오타이드라고 하며, 이것이 두 가닥으로 연결돼 꼬여있는 것이 DNA다. DNA는 폴리뉴클레오타이드의 염기가 배열돼 있는 순서, 즉 염기서열의 유전정보를 저장하고 있는데, 4종류의 뉴클레오타이드가 다양한 순서로 결합하면, 다양한 염기서열을 가진 DNA가 만들어질 수 있으므로, DNA는 생명체의 수많은 유전정보를 저장할 수 있다.


이제 PCR을 알아보자. 유명한 생물학 교재인 캠밸 생명과학 3판에서는 피씨알(PCR), 즉 “중합효소 연쇄 반응 (Polymerase chain reaction)”을 다음과 같이 설명한다. ‘DNA 분자의 일부 또는 전체의 복사본을 많이 얻기 위해 사용되는 기술. 적은 양의 DNA를 DNA 중합효소와 뉴클레오티드 그리고 그 외 다른 재료와 섞어 시험관 내에서 반복적으로 복제하는 방법’이다.


코로나19의 감염을 진단하는 PCR 방법 중 하나로 코로나19 초기에 실행했던 “판코로나 PCR 검사법”이 있다. 판은 “모두, 전부”를 의미하는데, 2008년부터 코로나바이러스를 검출하는 방법으로 사용되기 시작했다. 이 방법은 지금까지 알려진 코로나바이러스 6종(CoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-OC43, HCOV-HKU1, SARS-Cov, MERS-Cov)과 새로운 코로나바이러스를 포함한 모든 코로나바이러스를 검출 대상으로 한다. 음성으로 판정되면 코로나바이러스 감염이 아니라는 뜻이다. 만약, 이 방법으로 양성이 나오게 되면, 2차로 염기서열을 분석한 후, 기존 코로나바이러스의 염기서열과 일일이 대조한다. 이 중 일치하는 염기서열이 없으면, 신종코로나로 판정하는 방법이다. 이 방법은 1, 2차를 모두 수행하는데 24시간 이상 소요된다.


하지만, 한국에서 대부분은, 오늘 선별소에서 받은 PCR 검사 결과를 내일 아침이면 받아 볼 수 있다. 코로나19가 본격적으로 알려지기 시작하고 얼마 되지 않아, 2020년 1월 10일, 해당 바이러스의 염기서열이 공개됐다. 이 정보를 통해서 표적 감시법이 개발돼 진단을 6시간으로 줄일 수 있게 됐다. 이것이 바로, 실시간 역전사 중합효소 연쇄반응(Real time reverse transcription polymerase chain reaction, RT-PCR) 방법이다. 이것은 첫 번째, 환자의 호흡기에서 분비물을 추출해 그 분비물에서 RNA를 추출한다. RNA도 유전물질을 지닌 핵산이며, 코로나바이러스는 유전정보를 DNA가 아닌 RNA 형태로 지니고 있다. 두 번째, 시료를 추출하고 역전사 과정을 통해 단일 가닥의 cDNA로 변환한다. 역전사는 RNA의 유전정보가 전사 효소에 의해서 DNA로 전달되는 과정이다(그림 1). 이런 역전사를 통해 합성된 DNA를 cDNA라고 부른다. cDNA는 mRNA의 상보적인 복사본이어서 RNA의 유전정보를 갖고 있다. 세 번째, 코로나19 바이러스인 SARS-CoV-2의 유전자를 표적으로 하는 프라이머(primer)를 사용해 역전사 중합효소 연쇄반응(RT-PCR)을 행하고 감염의심자의 cDNA 중에 SARS-CoV-2의 cDNA가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다(김주경, 정희진, 2020). ‘해당 유전자를 표적으로 하는 프라이머’라는 것은 신종 코로나바이러스에만 존재하는 염기서열 2개에, DNA를 중합(합성, 복제)할 때 시작점이 되는 짧은 유전자 서열인 프라이머(시발체, 탐침)를 붙이는 것이다. 따라서 이 프라이머가 들어있는 진단시약에 검사할 시료를 주입한 뒤, 유전자 증폭장치인 PCR 기계에 넣어 증폭했을 때, 복제할 염기서열만 일정한 값에 이를 만큼 많이 복사된다면 신종코로나 바이러스가 존재하는 것이고 양성이라고 판단한다(위키백과/코로나19_진단). 한국은 2020년 1월 31일부터 현재까지 이 방법을 사용하고 있다.


한편 2020년 12월에는 현장 진단용으로 ‘나노PCR 기술’을 개발한 사례도 있다. 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 연구팀은 하버드 의과대학 이학호 교수 연구팀과 공동으로 코로나바이러스를 17분 안에 정확히 검출하는 현장 진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했다. 연구진은 플라스모닉 물질과 자성물질을 결합한 ‘마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle)’를 개발했다. 이를 PCR에 적용해 고속으로 유전자를 증폭하고 검출할 수 있는 ‘nanoPCR’을 개발한 것이다(아직 상용화되기 전이지만, 또 다른 PCR 기술이 개발됐다).

※ 참고문헌
김주경, 정희진, 2020. 신종 코로나바이러스 검사법. BRIC View 동향리포트, BRIC, 1-8.
코로나바이러스감염증-19(covid-19) https://ncv.kdca.go.kr/menu.es?mid=a30302000000
위키백과_코로나19, 2022. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%BD%94%EB%A1%9C%EB%82%9819_%EC%A7%84%EB%8B%A8
Jiyong Cheong, Hojeong Yu, Chang Yeol Lee, Jung-uk Lee, Hyun-Jung Choi, Jae-Hyun Lee, Hakho Lee & Jinwoo Cheon, 2020. Fast detection of SARS-CoV-2 RNA via the integration of plasmonic thermocycling and fluorescence detection in a portable device. Nature Biomedical Engineering volume 4, 1159–1167.

권춘봉 이학박사

 

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