PCR

Polymerase Chain Reaction, PCR

1983년 미국의 생화학자 캐리 멀리스(Kary Mullis)가 개발한 DNA 복제 방식. 이 방식으로 인해 원하는 유전 정보를 거듭제곱으로 증폭시킬 수 있어서 유전공학과 분자생물학의 혁명을 가져왔다. 현재 거의 모든 생명과학 분야에서 필수적으로 이용되는 기법이다.

유전 정보를 전달하는 DNA의 이중 나선 구조가 밝혀진 뒤, 생물학자들은 '어떻게 하면 이 유전자라는 것을 조작할 수 있을까?' 하는 생각을 하기 시작한다. 즉, 특정한 유전자를 없애거나 외부에서 유전자를 주입하는 방법을 통해서 생물학의 문제들을 접근하게 된 것. 당연히 그런 실험의 재료로서 해당 DNA가 대량으로 필요하게 되었다.[1]

가장 분자적인 접근이라면 DNA 서열을 통째로 유기 합성하는 방법이 있겠지만, 이건 짧은 서열이라도 시간과 돈이 많이 들고 길이가 길어질수록 불안정해져서 합성 기술이 좋아진 21세기에나 가능해진 일이다.[2] 반대로 가장 생물학적인 방법, 즉 단세포들의 복제 장치를 이용해서 염기 서열을 증폭하는 일[3]은 세포라는 시스템을 사용해야 하기 때문에 여러 가지 제약이 있고, 무엇보다도 세포가 복제할 수 있는 형태로 DNA를 가공해야 하는데 그러려면 일단 원하는 만큼 DNA를 얻어야 하는, 일종의 닭과 달걀의 문제가 있었다.

한편, 많은 과학자들에 의해 센트럴 도그마의 기본 축인 복제[4]의 생화학적인 원리가 차차 밝혀지게 된다. 즉 DNA 복제가 다음과 같은 순서로 이루어짐을 알게 된 것이다.

마침내 과학자들은 그러면 세포 말고 복제에 필요한 효소만 뽑아서 DNA랑 프라이머랑 섞어주면 자기가 알아서 복제를 하지 않을까?라고 생각하게 되고, 멀러스는 여기서 한 발 더 나아가 "일단 복제가 일어난 다음에, 또 복제가 일어날 수 있는 조건을 잘 통제해서 반복하면 한 번 반복할 때마다 기하급수적으로[8] DNA 카피 수를 늘릴 수 있겠다!" 하고 착안하게 된다.

즉, DNA를 복제하는 과정에 필요한 다양한 효소들 중에서 정말 필요한 DNA 복제 효소만을 남기고, RNA가 아닌 DNA 구조의 프라이머[9]를 만들어 넣어준 뒤, 온도를 높여서 1.번 과정이 저절로 일어나게 하고[10], 다시 온도를 조금 낮춰서 2. DNA 프라이머가 붙게 한 뒤[11] 중합효소가 작용할 수 있는 온도로 맞춰서 3. 중합 효소가 복제를 마치면[12] 이중 나선 DNA 두 가닥이 만들어지는 것이다. 1-3을 $n$번 반복하면 $2^n$개 만큼의 DNA 가닥이 만들어지게 된다.[13]

PCR의 세 단계를 나타내는 그림. 각 단계는 변성(Denaturation), 결합(Annealing), 신장(Elongation) 단계라고 한다. 변성 단계에서는 두 가닥의 DNA를 분리하고, 결합 단계에서 프라이머가 이 DNA에 결합한다.[14] 또한 신장 단계에서는 중합 효소(polymerase)가 DNA를 합성한다. 합성 단계에서 걸리는 시간은 자기가 증폭하고자 하는 DNA의 길이에 따라 다른데, 요새 가장 많이 쓰이는 Taq 중합 효소는 1분에 약 1000개의 뉴클레오타이드를 합성한다(1kb/min).

PCR이 싸지고 효율성이 크게 좋아진 중요한 계기는 내열성 중합효소의 발견이 정말 컸다. 고온에 DNA를 때려박아 놓음으로써 여러 효소들이 필요없어진 것은 좋았는데, 정작 복제에 필요한 중합 효소가 고온에서 버티지 못해서 불완전했다. 처음엔 PCR을 할 때 대장균의 중합효소를 사용했는데, 위의 변성단계에서 DNA중합효소까지 같이 변성되어 버린 것.[15] 따라서 한번 사이클을 돌릴 때마다 효소가 비활성화돼서 새로 효소를 넣어주어야 했고, 거기다 위의 세 단계가 정확한 온도에서 작동해야 했기 때문에[* 복제하려는 dna 서열에 따라 결합이나 신장 단계의 최적 온도가 달라진다. 21세기의 실험실에서도 pcr이 안 될 경우 온도를 1도 단위로 바꿔가면서 컨디션을 잡아야 하는데, 이 온도를 컨트롤하는 것이 매우 어려웠다.[* 극초기의 pcr는 사람이 튜브를 들고 세 개의 다른 온도로 맞춰진 비커를 스톱워치에 맞춰서 퐁당퐁당(...)해가며 실험했다고 한다. 현재는 PCR기기의 발달로 보통 2시간 내외로 끝나지만 초기에는 하루종일 이것만 하다가 밤을 새는 일이 일상이었다.] 그런데 ''Thermus aquaticus''[* 온천에 사는 원핵생물. 호열성 세균(Thermophile)이다.] 에서 발견된 중합효소 [* 속명과 종명을 따서 Taq polymerase라고 한다. 고온에서 살아야 하기 때문에 ~~불저항 만렙~~ 열안정성이 아주 높다. Denature 과정에서 겪는 95도 온도에서도 활성 반감기가 40분 정도이며 최적의 효소 활성을 가지는 온도도 72~74도 이다. 일반적인 단백질은 37도가 최적이고 42도가 넘어가면 망가지는 걸 생각하면 흠좀무.]는 고온에서도 안정해서 위의 1~3단계를 여러 번 반복해도 활성을 유지하기 때문에(물론 과정을 반복할 수록 효소인 이상 어느 정도의 활성감소는 불가피하다.) 위와 같은 번거로움과 비효율을 한 번에 깨트리게 되었다. 요즘은 고온에도 잘 버티고 잘못 합성된 서열을 교정할 줄도 아는(Proofreading activity) pfu [* ''Pyrococcus furiosus''라는 생물에서 유래함.] 같은 중합 효소들도 개발되어 있다 [* PCR에 사용되는 내열성 중합효소의 종류만 해도 따로 문서를 만들어야 될 정도로 엄청난 수를 자랑한다.]. 거기에다가 반도체로 작동하는 온도 조절 장치 등이 등장하면서 PCR는 '''노벨상을 받은 기술'''에서 '''생물학 랩에서 못 하면 갈굼당하는''' 수준으로 널리 보급화된다. [* 그렇긴 해도 '연구실 수준'에서 싸진 거지 보통 사람이 보면 아직도 비싸 보일 것이다. PCR에 필요한 게 중합 효소뿐 아니라 프라이머나 완충 용액등이 필요한데 프라이머(Primer, 시발체) 가격도 만만치 않다.] 물론 PCR 기술 자체도 높은 정확도가 필요할 경우 다른 종류의 효소들을 섞어서 사용하는 식으로 발전하고 있다. DNA를 만지는 곳에서는 PCR 장치[* 같은 온도 조건을 여러번 바꾼다는 의미에서 보통 Thermo cycler 라고 한다.]를 다 구비하고 있다고 해도 과언이 아니다. 어떤 양덕은 집에서 손쉽게 만들 수 있는 PCR 기계를 개발하기도 하였다.[* 실제 제품화된 PCR기계는 그리 간단하지만은 않다. 검체가 많든 적든 모든 검체에 대해 항상 일정한 온도가 보증되어야 하며, 변성단계는 90도가 넘어가는 온도가 보통이기 때문에, PCR이 진행되는 동안 검체가 증발하면서 내용물의 농도가 변해버리지 않도록 뚜껑에도 100도가 넘어가도록 지속 가열을 해줘야 한다. 퐁당퐁당을 시전한 옛날엔 미네랄 오일로 검체를 아예 덮어버렸다. 그리고 온도차/시간도 중요한 요소기 때문에 보통의 PCR 기계는 내용물이 얼마나 들어있는지 지정할 수 있게 되어있다. 온도가 너무 빨리 변하면 내용물이 다 덥혀지거나 냉각되기도 전에 다음 스텝으로 넘어가기 때문. 그리고 온도/시간이 공랭식으로 식히는 것보다 훨씬 빠르게 내려간다. 초당 1도씩 가열하고 식히는 것도 가능하다. 실제로 보면 검체를 꽂는 블럭만 해도 몇십만원 한다.] [[http://popsci.hankooki.com/upload/news/2013/9095_112703_1.jpg]] PCR의 좀 더 자세한 원리와 실제 실험할 때 참고할 정보를 찾는 다면 Takara 사에서 제공하는 다음 메뉴얼을 참고하자. [[http://snc4u.co.kr/sub/sub2_3.asp?mode=view&storeidx=&serboardsort=&page=1&idx=160&search=&searchstr=]] == 각종 응용과 활용 == 엄밀하게 PCR는 DNA 서열을 증폭하는 것만을 뜻하지만, 샘플이나 용도에 따라 다양한 파생 방식이 있다. 배지에서 키운 [[세균]]의 콜로니를 증폭시킬 DNA로 하는 colony PCR, [[RNA]]를 역전사해 cDNA로 만들어서, cDNA를 증폭시켜 실험체 내에서 해당 유전자가 얼마나 발현중인지를 알 수 있는[* mRNA로 cDNA를 합성할 수 있으니까 많이 발현 중이라면 당연히 그 유전자에 대한 mRNA가 많이 있을 것이고, cDNA가 많이 합성된다.] 역전사 PCR(Reverse Transcription PCR, RT-PCR), 원래 DNA나 RNA의 양을 정량(定量)할 수 있는 정량화 PCR(quantitative PCR; qPCR)[* 정량화 과정을 실시간으로 보여주기 때문에 실시간 PCR(real time PCR)이라 불리기도 한다. 과거에는 이 별칭도 '''R'''eal '''T'''ime의 머릿글자를 따서 RT PCR이라 불렸기에 역전사('''R'''everse '''T'''ranscription)-PCR과의 혼동이 잦았다. 논문에서는 대부분 어떤 것의 약자인지 지정해주니까 별로 상관없다.][* 사용처가 제한되어있긴 하지만, 임상적으로 인정되는 유일한 PCR방법이며,아래의 진단키트도 qPCR 기반이다. 한 cycle에 이상적으로는 정확히 2배씩 표적이 불어난다는 것에 착안한 방법이다. ], 잘 모르는 서열을 일단 복제하기 위해 랜덤한 프라이머를 사용하는 multiplex PCR, 복제 방식상 기하급수가 아닌 산술급수식으로 복제하는 linear PCR[* 정확하게는 PCR가 아니라 LAD(linear amplification of DNA)이지만 보통 다들 linear PCR라고 부른다.] 등등 수많은 파생 기술들이 존재한다. 물론 활용법도 무궁무진하다. 대중에게 가장 잘 알려진 예는 과학 수사나 [[친자확인]] 등에서 자주 이용하는 DNA 지문 분석. 이것은 microsatellite라고 불리는 개인차가 큰 유전 정보를 분석해서, 부모의 유전자나 알려진 데이터베이스와 일치하는지를 보는 방식이다. 여담으로 시중에서 판매되는 PCR 기계는 굉장히 비싸다. 쓸 만한 게 '''천만 원'''부터 시작한다. PCR는 딱 한두 사이클만 하는 게 아니라 실제로 쓸 만한 양의 DNA를 얻으려면 30번 이상 반복해야 하며 온도가 굉장히 중요한 요소이므로 빠른 가열과 냉각이 기계적으로 가능해야 하고 이걸 통제할 수 있는 프로그램이 필수적이기 때문. DNA를 검출하여 행하는 여러 의학적 검사에도 매우 중요하게 사용되며, 그 중요성을 평가하자면 20세기 후반에 일어났던 CT/MRI 촬영 기술이 공헌한 정도에 못지않게 진단 의학 발전에 큰 공헌을 한 기술이이다. 특히 2000년대 들어 시간을 대폭 단축시킨 실시간 PCR 은 21세기에 의료 현장에서 신속하고 정확한 진단으로 의학 발전에 크게 기여하고 있다. 실시간 PCR 의 핵심은 결국 시료와 중합효소를 온도를 빨리 그리고 정확하고 균일하게 올리고 내리고를 빠르게 반복하는 것인데 중합효소 등 시약의 개선과 고주파 가열이나 펠티에 냉각 등 빠른 온도제어 기술의 발전으로 가격도 혁신적으로 내려가고 증폭에 필요한 30-40 사이클을 수 시간 만에 완료할 수 있게 되어 진단 시간도 크게 줄어 들게 되었다. 특히 진단 소프트웨어의 발전으로 판독도 매우 쉬워지고 자동화되어 의료기사가 어렵지 않게 조작할 수 있게 되었다. 크기도 크게 줄어들어 이제 레이저 프린터나 미니 데스크탑 컴퓨터 정도로 줄어들었다. 특히 2020년의 [[코로나바이러스감염증-19|코로나 바이러스 대유행]]은 이 PCR이 대중적으로 유명해진 계기가 되었다. PCR이 보편화되기 전에는 이런 전염병의 진단에는 항체검사나 현미경 검사 등으로 진단했다. 항체검사는 감염 후 전염병의 증상이 나타날 정도로 바이러스 증식이 진행되어 농도가 높아지고 인체가 이에 대항해 면역반응이 나타난 후에야 가능하기 때문에 검사시간도 짧고 검사비용도 싸지만 초기 잠복기의 환자를 검출하기 어렵고 감도도 낮았고 오진률도 높았다. 이에 비해 PCR은 비용이 비싸고 검사시간도 많이 걸리지만 매우 감도가 높아 잠복기 환자도 검출해 낼 수 있고 오진율이 낮고 정확성도 높아 최종확진의 수단으로 주로 쓰인다. 그래서 항체검사는 정교한 PCR 을 하기 전에 후보자를 거르는 간이 검사 정도로 역할이 축소되고 있다. 코로나 대유행이 발생한 2020년에는 실시간 PCR 장비의 대량 보급 및 이를 다룰 수 있는 의료기사의 수도 증가했으며, 비용도 크게 낮아지고 검사시간도 짧아진 관계로 대한민국은 처음부터 정확하고 감도가 높은 PCR 검사 위주도 감염의심자를 대상으로 대량의 코로나 바이러스 검사를 하는 전례가 없는 새로운 전략을 채택했다[* 어찌보면 당연한 얘기이다. 모든 기술은 시간이 경과하고 기술이 널리 보급될 수록 단가가 내려가는 경향이 있다. 상술 했듯이, 어지간한 국내 대학의 생물학과 관련 실험실에서 PCR은 기본 중에 기본이다. 대표적인 예시가 차세대 염기서열 분석(Next generation Sequencing; NGS) 등장 이후의 염기서열을 해독하는 단가의 하락이다]. 이는 접촉후 발병까지 잠복기가 길고 무증상 감염자가 많은 코로나 19를 대항할 수 있는 매우 효과적인 대책이었다[* 무증상이라고는 해도, 잠복기의 바이러스는 숙주의 체내에서 해가 되지 않는 범위에서 복제를 계속하기 때문에 DNA가 검출 될 수 밖에 없다.]. 반면 일본은 PCR 장비나 기술자도 부족해서 검사처리 능력이 낮아 소극적으로 검사해 코로나 초기 한국의 10분의 1도 안되는 검사 건수를 기록했다. 다만 그 이후에는 검사를 늘렸는지 한국보다는 적은 검사수이긴 하지만 10분의 1도 안되는 식의 검사수가 나올 정도는 아니다. 20년 8월 기준 한국 검사량보다 좀 더 못 미치는 정도로는 검사수치가 올라갔다. 카카오톡의 뉴스창 옆에 코로나 19라는 목차/항목이 있어 쉽게 검색할 수 있는데 국외 코로나 발생 현황을 살펴보면 20년 8월 31일 기준으로 한국 검사건수가 1,937,689건이며 일본이 1,467,132건이다. 한국보다 여전히 적기는 하나 초기보다는 검사량을 많이 올린 것을 확인할 수 있다. 물론, 일본의 인구수는 한국의 3배에 가깝다는 점을 감안하여야 한다. 이를 계기로 앞으로 PCR은 특별한 경우에만 쓰이는 최종 확진 진단법에서 의심환자를 대상으로 보편적으로 쓰이는 진단법으로 확산될 것으로 보인다. == 여담 == PCR의 발명으로 노벨상을 받은 캐리 멀리스는 사실 꾸준한 학문적 노력을 했다고 보기는 힘든 케이스이다. 버클리에서 박사를 받고는 학계를 떠나 작가가 되었다가, 그것도 때려치우고 캔자스 시티 의대에서 잠깐 일하다가, 빵집을 운영하다가, 친구의 추천으로 들어간 Cetus라는 바이오텍에서 DNA 관련 일을 하게 된다. 여기서 [[LSD]]를 진탕 빨고 퍼질러져 있다가 환각 속에서 떠오른 아이디어로 PCR를 발명한 것. 이 회사를 관둔 다음에는 유명인들의 DNA로 장신구를 만들어 파는 사업을 하기도 했다. 그러다가 [[노벨상]]을 받는 대박이 터졌다. 이렇게 '''인류에 공헌'''한 '''넘사벽급''' 기술을 발명하면 [[다나카 고이치]]처럼 학계에서 주목받지 못한 사람도 노벨상을 타는 케이스가 있다. 하지만 1998년 자서전에서 HIV 회의론자임을 인증하고 [[점성술]]을 신봉하는 등 삽질을 저지른 바람에 학계에서는 거의 흑역사 취급당하는 상태. 2015년 고1 9월 모의고사 국어영역 비문학 파트에 등장했다. --본격 문과 농락-- [[대학수학능력시험/과학탐구 영역/생명과학Ⅱ|수능 생명과학Ⅱ]]에서는 빠지지 않는 킬러 문항으로 이름을 떨쳤지만, 교육과정이 바뀌면서 문제 수준이 대폭으로 낮아졌다. 초기의 PCR은 서로 온도가 다른 물통 세 개에 반응조를 번갈아 넣는 방식으로 작동했다. 90℃, 60~70℃, 50℃로 온도를 유지시킨 물통 세 개를 준비하고 손으로, 혹은 타이머에 따라 움직이는 기계가 반응조를 해당 단계의 물통에 첨벙 담갔다가 일정 시간이 지나면 빼서 다음 물통에 담그는 식. 현대에는 이런 방식은 사용하지 않고 자동으로 온도를 조절하는 기계 안에 반응조를 넣고 시간을 세팅해두면 끝이다. PCR 제조사 중 하나인 Bio-Rad Laboratories에서 바이럴 마케팅으로 주제가를 만들기도 했다. [[https://www.youtube.com/watch?v=mvvP90Cpdfc]] 2020년 코로나바이러스 대유행 중, 항체를 이용한 검출법[* 검출하려는 대상을 항원으로 삼아 반응하는 항체를 붙여서 검출하는 방식인데, 사람이 병에 걸렸다 나으면 면역 능력을 획득하듯이 보통 쥐나 토끼, 원숭이 등 동물의 면역계를 이용해서 생산되기 때문에 시간도 많이 걸리고 그만한 개노가다(……)도 요구하기 때문에 시약 단가가 매우 비싸다. 항체를 어느정도 재활용(?) 할 수는 있으나 무한정 써먹을 수는 없으며, 갑자기 수요가 늘어날 경우, 그 수요에 맞춰 공급을 늘리기가 어려워 수급에도 문제가 많다. 애초에 별로 수익이 남는 것도 아니라서 원래 만들던 회사들이나 계속 조금씩 이런 항체들을 만들어왔다.]을 대체하기 위해 DNA를 검출해서 진단하는 방법이 도입되었다.[* 사실 이번 대유행때만 이런 기법을 쓴건 아니다. 항체를 이용한 기법이 더 흔할 뿐.] PCR이 일찍 도입되지 못했던 이유는 감도가 너무 민감해서 실험자의 기술 역량에 따라 오차가 크게 나타날 수 있다는 데에 있었다. 심지어 똑같은 샘플을 이용해서 똑같은 실험자가 여러 번 시행한다 하더라도, 샘플을 섞는 횟수나 시약을 섞는 순서의 미묘한 차이에 따라 증폭 결과에 큰 차이가 생길 수 있어 안정된 수치를 얻는 데까지 다소 긴 연습 기간을 요구하는 것이 단점이었는데, PCR 기기의 발달로 이 과정을 모두 자동화하여 오차를 최소화한 민간 기업들이 참여함으로써 초기 전염병 확산시의 검사법으로 자리잡게 된 것이다. 특히 단백질에 비해 뛰어난 열 안정성을 보인다는 점[* 단백질이 변성하고도 남는 95~99℃에서 DNA는 이중 나선이 풀어질 뿐 그 염기 서열이 바뀌거나 끊어지지 않는다. 염기들이 자외선에 취약하다는 문제가 있으나 이는 단백질도 마찬가지이다.]과 극미량 존재하더라도 얼마든지 검출할 수 있는 수준으로 양을 뻥튀기 할 수 있다는 점[* 보통 본문의 사이클을 40번 정도 반복하는데 한 번 반복할 때마다 표적 DNA배열이 2배씩 늘어나므로 이론상 [math(2^{40}\fallingdotseq1.10\times10^{12})]배, 즉 약 1조배로 늘어난다. 이는 표적 염기 배열의 양이 $1\mathrm{pg}=1\times 10^{-12}\mathrm{g}$, 즉 1조분의 1 g 스케일로 존재하더라도 충분히 검출이 가능한 수준으로 뻥튀기 된다는 것을 의미한다.]이 항체 검출법과의 큰 차별점이다. 이 증폭 과정 때문에 적절한 역치(threshold)값을 설정해서 양성/음성 판정을 내리게 되는데, 존재는 하지만 초기 양이 적을 경우 가짜 음성 결과가 나오게 되고(예: 감염된 지 얼마 안 된 경우), 분명 다 나았는데 바이러스의 잔해가 체내에 남아있으면 가짜 양성 결과가 나올 수 있다는 점은 여전히 문제[16]이긴 하나, 애초에 생산 자체에 막대한 시간, 노동력, 그리고 비용이 들어가는 항체 검사법에 비하면 그야말로 획기적인 기술임에는 틀림없다.

일반적으로 에이즈 바이러스를 비롯한 대부분의 유행성 전염병[17]은 유전 물질이 RNA인 레트로바이러스인데, RNA는 골격 구조에 수산화기(-OH)가 달려있어 각종 화학 반응에 참여할 수 있고, 염기 정보도 DNA에 비해 돌연변이가 매우 쉽게 일어나며 RNA 자체가 분해되기 매우 쉬운[18] 특성 등 DNA에 비해 안정적이지 않기 때문에 RNA를 DNA로 역전사(Reverse Transcription)하는 과정이 필요하다. 일반적으로 생체 내에서 유전 정보의 흐름(센트럴 도그마)은 DNA → RNA → 단백질 순으로 나타나는데, DNA → RNA 과정을 전사(轉寫; Transcription)라고 하며 이 과정을 거꾸로 진행하는 것을 역전사라고 한다. 레트로바이러스들은 역전사효소를 내장하고 있으며 이를 PCR 검사법에 응용한 것이 역전사-정량화 PCR(RT-qPCR)이다. 코로나19 검사법에 쓰이는 PCR검사법이 사실은 역전사-정량화 PCR법이다.