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고등학교 2~3학년 (16-18세)

생명공학 기술

Biotechnology

생명공학에서는 제한 효소로 DNA 를 원하는 자리에서 자르고, DNA 연결 효소로 조각을 이어 붙이며, PCR 로 원하는 DNA 조각을 수없이 복제해요. 제한 효소는 앞뒤로 읽어도 같은 회문 구조의 염기 서열을 알아보고 두 가닥을 엇갈리게 잘라 점착성 말단을 남기고, PCR 은 변성, 프라이머 결합, 신장의 한 사이클마다 DNA 를 두 배로 늘려요. 원하는 유전자를 플라스미드 같은 벡터에 넣어 대장균 같은 숙주에서 발현시키면 인슐린 같은 단백질을 대량으로 얻을 수 있어요. 그림에서는 EcoRI 가 GAATTC 를 잘라 두 조각에 AATT 가 홑가닥으로 남는 과정과, PCR 사이클이 늘 때 DNA 분자 수가 로그 눈금에서 곧은 선으로 불어나는 모습을 볼 수 있어요.

유전자를 자르고 잇고 복제한다

💡 생명공학의 기본 도구
①제한 효소: DNA 의 특정 염기 서열을 알아보고 그 자리를 정확히 자르는 분자 가위
②DNA 연결 효소(리가아제): 잘린 DNA 조각의 당 · 인산 골격을 이어 주는 분자 풀
③PCR(중합 효소 연쇄 반응): 원하는 DNA 조각만 골라 수백만 배 이상 복제하는 기술
④바이러스 감염 검사는 시료 속 바이러스의 유전 물질을 PCR 로 늘려 찾아낸다
⑤이 도구들로 만든 재조합 DNA 를 이용해 인슐린, 생장 호르몬 같은 단백질을 대량으로 생산한다

제한 효소: 분자 가위

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🔍 제한 효소가 자르는 방식
①EcoRI 가 알아보는 서열은 5'-GAATTC-3' 이고, 상보 가닥도 5' 에서 3' 쪽으로 읽으면 GAATTC 인 회문 구조다
②EcoRI 는 두 가닥 모두 G 와 A 사이를 자르므로, 자른 자리가 두 가닥에서 엇갈린다
③그 결과 두 조각의 끝에 AATT 네 염기가 홑가닥으로 튀어나온 점착성 말단이 생긴다
④같은 효소로 자른 다른 DNA 도 같은 점착성 말단을 가지므로, 두 조각이 상보적으로 결합해 쉽게 이어진다
⑤두 가닥을 같은 자리에서 잘라 홑가닥이 남지 않는 평활 말단을 만드는 제한 효소도 있다

PCR: 원하는 DNA 만 늘리기

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PCR 로 늘어나는 DNA
DNA 분자 수 = 처음 분자 수 × 2n (n = 사이클 수)
이론상 1분자를 30사이클 늘리면 약 10억 개(2³⁰ ≈ 1.07 × 10⁹)가 된다
💡 PCR 의 세 단계
①변성(약 94 °C): 높은 온도로 이중 가닥 DNA 의 수소 결합을 끊어 두 가닥으로 나눈다
②프라이머 결합(약 55 °C): 온도를 낮추면 늘리려는 구간의 양 끝에 프라이머가 상보적으로 결합한다
③신장(약 72 °C): 높은 온도에서도 변하지 않는 DNA 중합 효소가 프라이머에 이어 새 가닥을 합성한다
④이 세 단계가 한 사이클이고, 사이클마다 DNA 가 두 배가 되며 보통 25 ~ 35번 되풀이한다
⑤RNA 바이러스를 검사할 때는 먼저 역전사 효소로 RNA 를 cDNA 로 바꾼 뒤 PCR 로 늘린다

유전자 재조합과 그 쓰임

유전자 재조합 과정
같은 제한 효소로 유전자와 플라스미드 자르기 → DNA 연결 효소로 잇기 → 대장균에 넣기(형질 전환) → 재조합 플라스미드를 가진 대장균 고르기
원하는 유전자를 다른 생물에 넣어 그 생물이 유전자 산물을 만들게 한다
📐 핵심 기술과 쓰임
①벡터: 유전자를 숙주 세포로 옮기는 운반체로, 세균 안에서 스스로 복제하는 플라스미드가 대표적이다
②형질 전환: 외부 유전자가 들어간 세균이 그 유전자를 발현해 새로운 형질을 나타낸다
③사람의 인슐린 유전자를 넣은 대장균은 사람 인슐린을 대량으로 만들어 당뇨병 치료에 쓰인다
④젤 전기 영동: 음전하를 띤 DNA 조각이 젤 속에서 (+)극 쪽으로 이동하며, 작은 조각일수록 더 멀리 간다
⑤DNA 지문: 사람마다 반복 횟수가 다른 짧은 반복 서열(STR)을 비교해 개인을 구별한다

예제와 기출로 점검

예제 1
DNA 1분자를 PCR 로 10사이클 증폭하면 이론상 몇 개가 되는가?
1
PCR 은 한 사이클마다 DNA 가 두 배가 되므로, n 사이클 뒤에는 2n 배가 된다.
2
10사이클이면 210 = 1024 이므로 1분자가 1024개가 된다.
▸ 210 = 1024개
그래프의 세로축은 로그 눈금이라 2n 이 곧은 선으로 보인다. 사이클이 10번 늘 때마다 약 1000배가 되어, 20사이클이면 약 100만 개, 30사이클이면 약 10억 개다.
예제 2
서로 다른 두 DNA 를 같은 제한 효소로 잘라 점착성 말단을 만든 뒤, 두 조각을 하나로 이어 붙이는 데 쓰는 효소는?
1
같은 제한 효소로 자르면 두 조각의 점착성 말단 염기 서열이 서로 상보적이다.
2
두 말단이 상보적으로 결합한 뒤, DNA 연결 효소가 당 · 인산 골격을 이어 하나의 재조합 DNA 를 완성한다.
▸ DNA 연결 효소 (리가아제)
제한 효소가 가위라면 DNA 연결 효소는 풀이다. 플라스미드에 원하는 유전자를 끼워 넣을 때 두 효소를 함께 쓴다.
내신 유형
생명공학 기술에 대한 설명으로 옳은 것은?
①PCR 의 신장 단계 온도는 약 94 °C 이다.
②제한 효소는 DNA 를 아무 위치에서나 자른다.
③PCR 을 n 사이클 하면 이론상 DNA 가 2n 배로 늘어난다.
④젤 전기 영동에서는 큰 DNA 조각이 더 빨리 이동한다.
⑤DNA 연결 효소는 DNA 를 자르는 효소다.
▸ ③ PCR 을 n 사이클 하면 이론상 DNA 가 2n 배로 늘어난다.
1
PCR 은 변성, 프라이머 결합, 신장을 한 사이클로 되풀이하며, 사이클마다 DNA 가 두 배가 되어 n 사이클 뒤 2n 배가 된다.
2
신장 온도는 약 72 °C 이고(①), 제한 효소는 특정 회문 서열만 자르며(②), 전기 영동에서는 작은 조각이 더 빨리 이동하고(④), DNA 연결 효소는 DNA 를 잇는 효소다(⑤).

총정리

PCR 증폭
n 사이클 → 2n 배 (n = 사이클 수)
이론상 20사이클이면 약 100만 배, 30사이클이면 약 10억 배
🎯 시험 포인트
①PCR 은 변성(약 94 °C) → 프라이머 결합(약 55 °C) → 신장(약 72 °C)을 한 사이클로 되풀이한다
②이론상 n 사이클 뒤 DNA 는 2^n 배가 된다
③제한 효소는 회문 구조의 특정 서열을 알아보고 잘라 점착성 말단이나 평활 말단을 만든다
④유전자 재조합에는 제한 효소, DNA 연결 효소, 벡터(플라스미드)가 쓰인다
⑤젤 전기 영동에서는 작은 DNA 조각이 더 멀리 이동하고, DNA 지문은 STR 의 반복 횟수 차이로 개인을 구별한다
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생물의 분류와 다양성

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