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DNA chip 과 화학공학, 그리고 공정시스템

2011.10.13 13:47

관리자 조회 수:3503

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지난 2000년 6월 26일 미국 정부주도의 NHGRI와 생명공학 전문기업 Celera에서 인간 유전자의 해독 초안을 발표했다. 이제 불과 이삼 년 내에 인간 염색체의 모든 배열이 전세계 인류 앞에 제시될 것이다. 인류는 바야흐로 ‘제 4의 물결’의 한복판을 향해 진입하고 있는 것이다. 20세기의 마지막 10년 간의 세계의 변화와 진보를 컴퓨터를 이용한 정보통신 산업이 이룩해 왔다면, 21세기 초반에는 인류가 맞이하는 4번째의 혁명을 생명공학이 이룩할 것으로 기대되고 있다. 그런데 20세기의 컴퓨터공학과 21세기의 생명공학이 결합한 꿈의 결합의 첫단추가 바로 DNA chip이다.

DNA chip
그림 DNA chip 조작 과정
1) 원리
인체의 DNA는 A와 T, C와 G가 서로 상보적으로 결합하는 방식의 두 가닥 사슬로 이루어져 있다. 예를 들어 ATGCGA라는 사슬에는 TGCGCT로 표기된 사슬이 달라 붙는 식이다. 이 원리를 이용하여 유리 글라스 등의 기판 위에 일정한 크기의 DNA 사슬을 수백, 수천 개 차례 대로 붙여 놓는다. 여기에 정상조직에서 발현된 유전자는 초록색, 암조직에서 발현된 유전자는 “빨간색으로 발색되도록 하여 두 조직으로부터 동량을 섞어 DNA chip에 반응시킨다. 이 때 검체의 염기 서열은 DNA chip에 미리 심어 놓은 염기 서열에 상보적으로 결합하게 되는데(hybridization), 만일 정상조직에서 발현되는 유전자서열이 주로 달라 붙었다면 초록색, 암조직에서 발현되는 유전자서열이 주로 달라붙었다면 빨간색, 정상과 암조직 모두에서 발현되는 유전자서열이 비슷한 양씩 달라붙었다면 노란색을 나타내고, 이를 이용하여 암유전자의 유무 및 발현되는 정도까지 알 수 있는 것이다.
이러한 DNA chip은 종래의 노벨상을 수상했던 유전공학 방법으로도 하나의 유전자를 검색하는 데 2일 정도 걸리던 것을, 빠르게는 28초 만에 수백, 수천개 씩 검색해 낼 수 있다는 점에서 과히 혁신적이라 할 수 있다. 현재 1개의 chip으로 한 번에 최대 2만 5천 개의 DNA 조각을 검색할 수 있는 데까지 이르렀다.
2) 활용 분야
DNA chip의 활용 분야는 현재로서는 한계를 정할 수 없을 정도로 다양하다. 우선 발현되는 유전 정보의 양적인 차이를 이용하여 정상조직의 분화 및 돌연변이, 암 발생 등을 손쉽게 알아낼 수 있다. DNA chip을 이용하여 밝혀낸 유전자 기능과 변화는 바로 신약 개발이나 유전자 치료 등을 통해 인류의 건강에도 엄청난 기여를 할 것이다. 또한 질병의 원인중 상당수를 차지하고 있는 미생물들의 게놈을 이용하여 병원균들의 발견과 치료에도 신속하고 정확하게 사용할 수 있을 것이다. DNA chip은 병원뿐만 아니라 동,식물 및 식품 검역소, 환경 오염 등에도 널리 쓰여 질 수 있다. 미국 법무부 산하 국립사법연구소에서 2년 후 Nanogen사의 DNA chip을 모든 경찰차에서 용의자 확인에 쓰기로 결정하였듯이 사람의 ID, 친자확인, 장기 이식 가능 조직의 검사 등에도 곧 널리 쓰이게 될 것이다.

DNA chip과 공정시스템
DNA chip은 그 설계와 생산, 분석 과정에 따라 다양한 학문들이 복합적으로 관여하고 있다. 관련된 학문 분야를 정리하면 다음과 같다.
DNA chip의 분야
DNA chip의 설계 및 반응조건 결정 → 화학공학
DNA chip 생산 → 기계, 전자공학
DNA chip 분석 → 생명정보학(Bioinformatics)
분석된 정보의 활용 → 생명공학

이중에서 화학공학이 다루어야 하는 분야는 DNA chip의 설계 및 반응조건의 결정이다.

이중나선 DNA에 열을 가하면 각각의 단일 사슬 가닥으로 나뉘어 지는데 이를 다시 적절한 조건하에 두면 상보적인 염기서열이 있는 가닥끼리 결합하게 된다. 이 과정을 hybridization이라고 부르는데 결국 DNA chip은 유리 슬라이드 위에 붙어있는 DNA 조각과 그 위에 뿌려진 용액속에 녹아있는 DNA 조각의 화학적 결합, 즉 hybridization이 가장 중요한 메카니즘이다.

그러나 이러한 조작에 있어서 hybridization이라는 원리는 공통적이지만 실제 적용 목적과 사용하는 핵산의 형태 및 구조에 따라 고려해야 할 점이 매우 다르다. 수백 bp (base pair : 염기서열의 길이단위, 1bp = 하나의 염기쌍) 이상의 duplex DNA를 spotting한 칩을 이용하여 발현 분석을 한다면 최대한의 duplex yield가 얻어지도록 조건을 잡아야 할 것이고, oligonucleotide array를 이용하여 allele-specific hybridization을 한다면 mismatched duplex의 안정성이 최소화 되도록 조건을 잡아야 할 것이다. 결국 Hybridization과 관련된 열역학적 변수들을 고려하여 각 목적에 맞는 최적의 DNA chip을 설계하고 반응조건을 결정해주는 과정이 필요한데 이것은 공정시스템 분야의 몫이다. DNA chip의 설계와 반응조건 결정 과정에 있어서 공정시스템의 최적화 기법들이 적절히 사용될 수 있다.

설계와 반응조건의 결정

DNA chip 에 붙어있는 DNA 조각들을 probe라고 하는데 DNA chip의 설계는 이 probe 선택하는 과정으로 각 probe들의 길이와 개수, 염기서열 등을 결정해야 하는데 이 과정을 probe design 혹은 probe selection이라고 한다. 이 때 각 결정 인자들에 대해 제한조건이 존재하는데 이들을 만족시키는 최소한의 probe들을 찾아주는 것이 최적화의 목적이 된다. Probe의 설계에서 고려해야 할 점들은 길이, base composition, 비상보적 염기열의 포함 여부, 그리고 self-complementarity이다. 우선 probe의 길이는 specificity에 의해 결정된다. probe의 길이가 짧으면 분석하고자 하는 target genome의 여러곳에 결합할 가능성이 커지기 때문에 target genome의 한 부분에만 결합하게 되는 probe의 길이를 결정해야 하는 것이다. 사람의 genome size를 고려하면 대략 17개 이상이면 적당하며, 특히 PCR로 증폭한 유전자 절편을 사용하는 경우라면 이보다 더 짧은 길이의 probe를 사용해도 된다.

DNA-DNA간의 hybridization은 온도와 밀접한 관련이 있다. 서로 상보적인 염기열을 가지고 있는 DNA들이 hybridization되어 있다고 하더라도 온도를 올리게 되면 이들은 서로 분리되며 온도를 낮추게 되면 다시 결합하게 된다. 뿐만 아니라 염기서열이 하나 정도 서로 상보적이지 않은 DNA들이라고 하더라도 온도를 낮추게 되면 hybridization이 일어나게 된다. 즉 각각의 probe들은 자신과 상보적인 DNA와 결합할 수 있는 최고 온도와 상보적이지 않은 DNA와 결합하지 않을 수 있는 최저 온도를 가지게 되는데 이것이 반응온도 범위가 되는 것이다. 이 반응온도 범위는 각 probe의 적절한 설계로 결정될 수 있는데 DNA chip 위에는 적게는 몇 천개 많게는 몇 만개의 probe가 심어지므로 이들 모두의 반응온도 범위가 서로 비슷한 범위에 있어야 전체 probe의 hybridizatin이 정상적인 결과를 보여줄 수 있게 된다. 결국 반응온도의 결정은 설계 과정과 동시에 진행되어야 한다.
화학공학의 공정시스템 분야는 시뮬레이션과 최적화에 대한 다양한 응용력을 갖추고 있다. 특히 화학반응이 포함된 현상의 이산변수 동적모사와 반응조건들에 대한 최적화는 DNA chip의 모사 및 반응 조건 최적화에 더없이 좋은 도구가 될 것이다. 실제 DNA chip을 개발하고 있는 현장에서는 많은 경우 샘플의 제작과 실험, 설계변경을 반복하는 시행착오법을 이용한 설계를 하고 있는 관계로 반복되는 실험으로 인한 비용부담에 어려움을 겪고 있으며 개발기간도 이와 비례하여 증가하고 있다. 공정시스템 분야의 시뮬레이션 기술을 이용하면 chip의 반응과정을 모사하여 DNA chip의 샘플제작에 필요한 비용을 줄일 수 있고 실험에 필요한 시간을 단축할 수 있으며 설계변경이 용이하게 된다.

21세기에 들어와 많은 학문분야들이 학제적 성향을 띄고 있으며 최근 유행이 되고 있는 Bioinformatics 등도 생명공학과 컴퓨터의 만남으로 새로이 생성된 학문이다. 특히 Bioinformatics의 진보된 연구도구이자 진단의학분야의 새로운 지평을 연 DNA chip은 향후 가장 큰 시장 잠재력을 가지고 있는 것으로 보도되고 있으며 개발에 있어서 많은 분야의 복합적인 지원을 요구하고 있다. 화학공학의 공정시스템 분야는 시뮬레이션과 최적화에 대한 다양한 응용력으로 여러 분야와의 접목에 대한 경험을 가지고 있으며 DNA chip 개발 분야에 있어서도 큰 역할을 할 것이라고 기대해 본다.

제갈성준
연세학생벤처 Genesoft 팀장
chegalsj@yonsei.ac.kr

(※ 출처 : http://www.withche.com/)
동의대학교 화학공학과는 본 내용을 교재로 사용하고 있습니다