현대 분자생물학 및 분자생물학의 기법

분자생물학

분자생물학은 2020년대 초 수평적 및 수직적 기술 발전으로 정의되는 황금기에 접어들었습니다.

수평적으로는 시퀀싱 데이터가 더욱 저렴해지고 많은 다양한 과학 분야에서 사용되고 있습니다. 이는 개발도상국의 산업 발전을 주도하고 개별 연구자들의 접근성을 높일 것입니다. 마찬가지로, CRISPR-Cas9 유전자 편집 실험은 이제 개인이 새로운 생물에 대해 10,000달러 미만으로 구상하고 구현할 수 있게 되어 산업 및 의료 응용 분야의 발전을 주도할 것입니다.

 

수직적으로는 원자 수준에서 생물학적 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 기술이 등장하고 있습니다. 오늘날 분자생물학자들은 점점 더 깊은 수준에서 점점 더 저렴해지는 시퀀싱 데이터에 접근할 수 있게 되어, 새로운 비모델 생물에서 새로운 유전자 조작 방법의 개발을 촉진하고 있습니다. 마찬가지로, 합성 분자생물학자들은 다양한 원핵 및 진핵 세포주에 외래 대사 경로를 도입함으로써 소분자 및 거대 분자의 산업적 생산을 주도할 것입니다.

분자생물학의 기법

DNA 클로닝은 관심 있는 DNA 서열을 분리한 다음 플라스미드 벡터로 옮기는 데 사용됩니다. 1960년대에 이 재조합 DNA 기술이 처음 개발되었습니다. 이 기술에서 관심 있는 단백질을 암호화하는 DNA 서열은 중합효소 연쇄 반응(PCR) 및 제한 효소를 사용하여 플라스미드(발현 벡터)로 클로닝 됩니다. 플라스미드 벡터는 일반적으로 복제 기점, 선택 마커(주로 항생제 내성) 및 다중 클로닝 부위(MCS)의  3가지 독특한 특징을 가지고 있습니다. 또한 MCS의 상류에는 클로닝 된 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 영역과 전사 시작 지점이 있습니다.

이 플라스미드는 동물 세포 또는 박테리아에 삽입될 수 있습니다. 박테리아 세포에 DNA를 도입하는 것은 노출된 DNA의 흡수를 통한 형질전환, 세포 간 접촉을 통한 접합, 또는 바이러스 벡터를 통한 형질도입에 의해 이루어질 수 있습니다. 동물 세포와 같은 진핵세포에 물리적 또는 화학적 수단으로 DNA를 도입하는 것을 형질 주입이라고 합니다. 인산칼슘 형질 주입, 전기 천공법, 미세 주입 및 리포좀 형질 주입과 같은 여러 가지 형질주입 기술이 가능합니다. 플라스미드는 유전체에 통합되어 안정적인 형질 주입을 초래하거나, 유전체와 독립적으로 유지되어 일시적으로 발현될 수 있는데 이를 일시적 형질주입이라고 합니다.

관심 있는 단백질을 암호화하는 DNA가 이제 세포 내부에 있으며, 이제 단백질이 발현될 수 있습니다. 특정 세포 신호 전달 인자 및 유도성 프로모터와 같은 다양한 시스템을 사용하여 관심 있는 단백질을 높은 수준에서 발현시킬 수 있습니다. 그런 다음 박테리아 또는 진핵 세포에서 대량의 단백질을 추출할 수 있습니다. 단백질은 다양한 상황에서 효소 활성을 테스트할 수 있고, 단백질을 결정화하여 그 3차 구조를 연구할 수 있으며, 제약 산업에서는 단백질에 대한 새로운 약물의 활성을 연구할 수 있습니다.

중합효소 연쇄 반응

중합효소 연쇄 반응(PCR)은 DNA를 복사하는 매우 다재다능한 기술입니다. 간단히 말해, PCR은 특정 DNA 서열을 미리 정해진 방식으로 복사하거나 수정할 수 있게 해줍니다. 이 반응은 매우 강력하며 완벽한 조건에서 단일 DNA 분자를 2시간 이내에 10억 7천만 개의 분자로 증폭할 수 있습니다. PCR은 유전자 발현 연구, 유전적 돌연변이 검출, 병원성 미생물 검출, DNA에 대한 돌연변이 도입 등 많은 응용 분야를 가지고 있습니다. PCR 기술은 DNA 분자의 끝에 제한 효소 부위를 도입하거나 DNA의 특정 염기를 돌연변이 시키는 데 사용될 수 있는데, 후자는 부위 특이적 돌연변이 유발이라고 하는 방법입니다. 또한 PCR은 특정 DNA 조각이 CDNA 라이브러리에서 발견되는지 확인하는 데 사용될 수 있습니다. PCR에는 RNA 증폭을 위한 역전사 PCR(RT-PCR)과 최근에는 DNA 또는 RNA 분자의 정량적 측정을 가능하게 하는 정량 PCR과 같은 많은 변형이 있습니다.

겔 전기영동

 

 

겔 전기영동은 폴리아크릴아마이드 젤 또는 아가로스를 사용하여 분자를 크기에 따라 분리하는 기술입니다. 이 기술은 분자생물학의 주요 도구 중 하나입니다. 기본 원리는 젤에 전류를 흘려 DNA 조각을 분리할 수 있다는 것인데, DNA 골격에는 음전하를 띤 인산기가 포함되어 있기 때문에 DNA는 아가로스 젤을 통해 전류의 양극 끝을 향해 이동하게 됩니다. 단백질 또한 SDS-PAGE 젤을 사용하여 크기에 따라 분리하거나, 2D 겔 전기영동으로 알려진 기술을 사용하여 크기와 전하에 따라 분리할 수 있습니다.

 

 

 

다른 생물학적 과학과의 관계

분자생물학은 분자 합성, 변형, 상호작용 및 메커니즘에 초점을 맞추어 생물학적 현상의 분자적 토대를 연구하는 학문입니다. 생화학은 살아있는 생물에서 일어나는 화학 물질과 필수 과정을 연구하는 학문입니다. 생화학자들은 지질, 단백질, 핵산 및 탄수화물과 같은 생체분자의 역할, 구조 및 기능에 집중합니다.

 

유전학은 유전적 차이가 생물에 미치는 영향을 연구하는 학문입니다. 유전학은 돌연변이, 개별 유전자 및 유전적 상호작용이 표현형의 발현에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 예측하고자 합니다.

연구자들은 분자생물학 고유의 기술을 사용하지만, 이를 유전학 및 생화학의 방법과 결합하는 것이 일반적입니다. 분자생물학의 많은 부분은 정량적이며, 최근에는 생물정보학 및 계산생물학과 같은 컴퓨터 과학 기술을 사용한 상당량의 연구가 수행되었습니다. 유전자 구조와 기능을 연구하는 분자유전학은 2000년대 초반 이후 분자생물학의 가장 두드러진 하위 분야 중 하나였습니다. 생물학의 다른 분야들은 세포생물학 및 발생생물학에서와 같이 분자들의 상호작용을 직접 연구하거나, 집단유전학 및 계통학과 같은 진화생물학 분야에서처럼 분자 기술을 사용하여 개체군이나 종의 역사적 속성을 추론하는 방식으로 분자생물학의 영향을 받습니다. 또한 생물리학에서는 생체분자를 "처음부터" 또는 분자 수준에서 연구해 온 오랜 전통이 있습니다.