본문내용
1. 세포 DNA 추출의 이해
1.1. 유전체(Genomic) DNA의 개념
유전체(Genomic) DNA는 세포 내 염색체에 존재하는 긴 선형 DNA 서열로, 개체가 가지고 있는 모든 유전 정보를 포함하고 있다. 이는 플라스미드 DNA와 구분되는 개념으로, 플라스미드 DNA는 원형 구조의 DNA로 제한된 유전 정보만을 가지고 있다. 유전체 DNA는 진핵세포의 세포핵 내부에 위치하며, 염색체를 구성하는 DNA로 간주된다. 따라서 유전체 DNA는 생명체의 유지와 생명 현상에 필요한 모든 유전 정보를 포함하고 있다고 할 수 있다."
1.2. 동물 세포의 구조와 DNA 위치
동물 세포의 구조와 DNA 위치는 다음과 같다.
동물 세포는 세포질, 세포막, 그리고 세포 핵으로 구성되어 있다. 세포질은 세포막 내부의 액상물질이며, 여러 가지 세포 소기관과 다양한 분자들이 존재한다. 이러한 세포 소기관들은 세포의 생명현상을 수행하는 역할을 한다. 세포막은 인지질 이중층 구조로 되어 있으며, 세포의 내부와 외부를 구분한다. 세포 핵은 이중막의 핵막으로 둘러싸여 있으며, 유전물질인 DNA를 포함하고 있다. 이처럼 동물 세포의 핵 내부에 게놈 DNA가 위치하고 있다.
게놈 DNA는 세포의 염색체 내에 존재하며, 생명체의 유전정보를 모두 포함하고 있다. 반면 플라스미드 DNA와 같은 추가적인 DNA는 세포질 내부에 위치한다. 따라서 DNA 추출 과정에서는 핵막을 통과하여 게놈 DNA를 분리해내는 것이 중요하다.
1.3. DNA 추출의 원리
1.3.1. 세포벽 및 세포막 분해
DNA 추출을 위해서는 먼저 세포의 가장 바깥 부분인 세포벽 또는 세포막을 분해해야 한다. 이는 세포 내부의 DNA가 밖으로 유출될 수 있도록 하는 과정이다.
세포벽 및 세포막 분해에는 크게 화학적 방법과 물리적 방법이 있다. 화학적 방법은 세포벽에 직접 작용하여 용해시키는 방식이며, 물리적 방법은 기계적인 힘을 가해 세포벽을 파괴하는 것이다.
화학적 세포 파괴 방법에는 4가지 주요 방법이 있다. 첫째, 삼투압 충격을 이용한 Osmotic shock 방법이다. 세포막의 삼투압 차이를 이용해 세포막을 파괴하는 것으로, 세포막 파괴 정도가 약하고 비용이 저렴하다. 둘째, 효소를 이용한 Enzymatic digestion 방법이다. 세포벽의 고분자 화합물을 절단하는 효소를 활용하여 세포벽을 분해한다. 셋째, Detergents를 이용한 방법으로, 세포막의 인지질을 가용성으로 만들어 세포막을 파괴하는 것이다. 넷째, Alkaline treatment 방법은 Detergents 방법과 유사하게 세포막의 인지질을 가용화시켜 세포막을 파괴한다.
이와 같은 화학적 방법 외에도 물리적 세포 파괴 방법이 존재한다. Homogenization, Ultrasomication or vacitation, Pressure cell, Ball mill 등의 방법을 통해 기계적 힘으로 세포벽을 파괴할 수 있다.
화학적 방법과 물리적 방법은 각각의 장단점이 있어 실험 목적과 환경에 따라 적절한 방법을 선택하여 사용해야 한다. 예를 들어 그람 양성균과 그람 음성균의 세포벽 구조가 다르므로 이에 맞는 세포 파괴 방법을 사용해야 한다.
이처럼 세포의 가장 바깥 부분인 세포벽 및 세포막을 효과적으로 분해하는 것은 DNA 추출 실험에서 매우 중요한 단계이다. 세포벽과 세포막이 적절히 파괴되어야 세포 내부의 DNA가 유출되어 추출될 수 있기 때문이다.
1.3.2. DNA 분리 및 정제
DNA 분리 및 정제는 추출된 DNA에서 단백질, RNA, 지질 등의 불순물을 제거하여 상대적으로 순도가 높은 DNA를 얻는 과정이다. 이는 추출된 DNA의 순도와 수율에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다.
다양한 DNA 분리 및 정제 기법이 존재하는데, 가장 대표적인 방법으로는 Cesium Chloride Gradient Centrifugation with Ethidium Bromide, Guanidinium Thiocyanate-Phenol-Chloroform Extraction, Cetyltrimethylammonium Bromide Extraction, Alkaline Extraction, Solid-Phase Nucleic Acid Extraction, Magnetic Beads-Based Nucleic Acid Purification 등이 있다.
먼저, Cesium Chloride Gradient Centrifugation with Ethidium Bromide 방법은 DNA와 EtBr을 반응시켜 DNA 밀도를 변화시킨 뒤 원심분리를 통해 DNA를 침전시키는 기법이다. EtBr은 DNA와 상호작용하여 DNA 밀도를 증가시키므로, 원심분리 시 DNA가 바닥에 위치하게 된다. 이후 DNA를 회수하면 단백질, RNA 등의 불순물을 제거할 수 있다.
Guanidinium Thiocyanate-Phenol-Chloroform Extraction 방법은 강력한 변성제인 guanidinium thiocyanate와 유기용매인 phenol, chloroform을 이용하여 단백질과 DNA를 분리하는 기법이다. DNA는 수용성 층에, 단백질은 유기 용매층에 분리된다.
Cetyltrimethylammonium Bromide Extraction 방법은 저이온 강도에서 CTAB가 핵산과 산성 다당류를 침전시키고, 고염 농도에서 용해시켜 핵산을 얻는 기법이다. CTAB는 핵산과 결합하여 침전을 유도하고, 고염 농도에서 이 결합이 해리되어 핵산이 용해된다.
Alkaline Extraction 방법은 SDS로 세포를 녹인 뒤, 알칼리성 용액을 처리하여 gDNA와 plasmid DNA를 변성시키는 기법이다. 이후 중화 과정을 거치면 gDNA는 침전되고 plasmid DNA는 상층액에 남게 된다.
Solid-Phase Nucleic Acid Extraction 방법은 고체상의 흡착제와 핵산 간의 화학적 성질을 이용하여 핵산을 정제하는 기법이다. 흡착제에 핵산이 결합하면 불순물을 제거하고, 다시 용출시켜 정제된 핵산을 얻을 수 있다.
Magnetic Beads-Based Nucleic Acid Purification 방법은 자성을 가진 비드에 핵산을 결합시키고, 자기장을 이용하여 비드를 회수하는 기법이다. 이를 통해 핵산을 분리 및 정제할 수 있다.
이처럼 다양한 DNA 분리 및 정제 기법이 존재하며, 각 방법마다 장단점이 있다. 따라서 실험의 목적과 대상에 따라 적절한 기법을 선택하여 활용해야 한다.
1.4. DNA 추출 방법
1.4.1. 화학적 세포 파괴 방법
화학적 세포 파괴 방법은 세포 외피 구조를 화학 물질을 이용하여 분해하는 방식이다. 이는 물리적인 힘을 가하지 않고도 세포를 파괴할 수 있는 방법으로, 세포막과 세포벽의 구조적 특성을 이용한다. 화학적 세포 파괴 방법에는 삼투압 충격(Osmotic shock), 효소적 분해(Enzymatic digestion), 계...
