[일반생물학] DNA 조작

생명공학(biotechnology)이란 세포나 살아 있는 전체 생물을 이용하여 음식, 약품 및 화합물과 같은 사람들에게 유용한 물질을 생산하는 것이다. 사람들은 오랫동안 다양한 형태의 생명공학을 이용해 왔다. 예를 들어, 인류는 적어도 8000년 전부터 맥주나 포도주를 양조하는 데 효모를 사용하였고, 치즈나 요구르트 제조에 새균 배양 기술을 이용하였다. 오랫동안 사람들은 이 과정에 관여하는 생물이나 유전자를 알지 못한 채 이러한 생화학적 변형을 이용해 왔다. 오늘날 재조합 DNA 기술을 이용하여 거의 모든 유전자를 세균, 효모, 포유류 세포, 식물세포 또는 개체 전체에 집어넣을 수 있게 되면서 이 생물들을 이용하여 유전자 산물을 대량 생산할 수 있게 되었다.

 

세포를 단백질 생산을 위한 공장으로 바꿀 수 있다.

 

일반적인 세균 플라스미드에 삽입한 진핵생물 유전자로 대장균을 형질 전환시킬 때, 만약 이 유전자와 함께 그 밖의 핵심적인 원핵생물 서열이 포함되지 않는다면 유전자 산물은 거의 생성되지 않을 것이다. 이 유전자를 세균 세포에서 발현시키길 원한다면 형질전환 벡터는 세균의 프로모터, 전사종결 신호서열, 그리고 mRNA에 리보솜이 결합하는 데 필요한 특수한 서열을 모두 포함하고 있어야 한다.

 

숙주세포가 외래 유전자를 발현하도록 과학자들은 클로닝 벡터의 특징뿐만 아니라 숙주세포에서 외래 유전자 또는 형질전환유전자(transgene)의 발현에 필요한 특수한 서열을 가진 발현벡터(expression vector)를 제작한다. 진핵세포 숙주의 발현벡터는 mRNA의 안정성을 위한 폴리 A 첨가서열과 진핵세포에서 발현에 필요한 모든 요소를 포함한 프로모터를 필요로 한다.

 

 발현벡터는 모든 종류의 원핵생물 및 진핵생물 숙주에 형질전환유전자를 전달하도록 설계되며, 다음과 같은 추가적 특징을 가져야 한다.

 

- 특정한 신호에 반응하는 유도프로모터(inducible promoter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 호르몬 자극에 반응하는 프로모터는 호르몬이 첨가될 때에만 형질전환유전자를 높은 수준으로 발현하도록 이용될 수 있다.

- 특정 시기에 특정 조직에서만 발현되는 조직 특이적 프로모터(tissue-specific promoter)는 국부적인 발현이 필요할 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 많은 종자 단백질은 식물 배에서만 발현된다. 종자 특이적 프로모터와 결합된 형질전환유전자는 종자에서만 발현될 것이다.

- 유전자 산물이 적절한 목적지로 향하도록 신호서열(signal sequence)이 추가될 수 있다. 예를 들어, 액체배지에서 배양하는 효모나 세균 세포에서 단백질을 만드는 경우 용이한 회수를 위해 세포 밖 배지로 단백질의 분비를 지시하는 서열을 포함시킨다.

 

의학적으로 유용한 단백질은 생명공학으로 만들 수 있다.

 

생명공학에 의해 의학적으로 유용한 많은 물질이 생산되고 있으며, 더 많은 물질들이 개발 단계에 있다. 생명공학을 의학적으로 이용한 좋은 사례로 조직플라스미노겐활성인자(tissue plasminogen activator, TPA)의 제조를 들 수 있다. TPA는 사람에서 혈전(핏덩이)을 가수분해하는 단백질이며, 뇌졸중 발생 시 혈류를 가로막는 핏덩이를 제거하는 데 이용된다.

 

임상에서 사용 가능할 정도로 충분한 양의 TPA를 생산하기 위해 과학자들은 먼저 TPA의 mRNA를 얻은 후 cDNA 사본을 만들어 TPA 유전자를 분리하였다. 이 cDNA는 발현벡터에 삽입되어 포유류 세포를 형질전환하는 데 이용되었다. 형질전환된 세포는 충분항 양의 단백질을 생산하였고, 곧 상업적 판매가 가능해졌다. 이 약물은 뇌졸중을 성공적으로 치료해 왔다.

 

의학적으로 유용한 물질을 대량으로 만드는 또 다른 방법은 가축이나 작물에서 약품을 생산하는 제약농업(pharming)이다. 예를 들어, 유용한 단백질을 암호화한 유전자를 젖에 풍부한 단백질인 락토글로빈 유전자의 프로모터와 결합한다. 이 재조합 DNA를 가진 형질전환동물은 자신의 젖에 다량의 외래 단백질을 분비할 것이다. 이 천연 '생체반응기(bioreactor)'는 이 단백질을 대량으로 생산할 수 있고, 이 단백질은 젖의 다른 구성성분으로부터 쉽게 분리가능하다.