본문내용
1. 유전공학의 개요
1.1. 유전공학의 정의와 역사
유전공학(genetic engineering)이란 DNA 또는 다른 핵산의 변형 및 재조합과 같은 인위적인 조작을 통하여 생명체의 유전물질(유전자)을 변화시키는 기술이다. 유전공학은 단순히 재조합 DNA 기술뿐만 아니라 선택적 육종과 인위적인 선별 수단을 포함하는 개념이다.
1927년 멀러(J. Muller)가 초파리에 X-선을 쪼여 돌연변이를 일으킨 실험은 생명체의 유전물질을 변형시켰다는 점에서 큰 의의를 가진다. 하지만 멀러의 실험은 특이성을 조절할 수 없는 무작위 돌연변이라는 한계점을 지녔다.
1972년 잭슨(D. Jacson), 시몬스(R. Symons)와 버그(P. Berg) 등은 제한효소와 DNA 라이게이즈를 이용하여 최초의 DNA 재조합체인 박테리오파지 λ의 재조합체를 제작하였다. 이는 유전자 재조합 기술의 기반이 되었다. 1973년 코헨(F. Cohen)과 보이어(H. Boyer)는 재조합 DNA 벡터의 형질전환 실험을 통해 한 생명체가 다른 생명체로부터 유래된 유전자의 운반체로 작용할 수 있음을 보였다. 이로써 유전공학 시대가 열리게 되었다.
이처럼 유전공학은 지속적인 발전을 거듭해왔으며, 오늘날 다양한 분야에 폭넓게 활용되고 있다.
1.2. 유전자 재조합 기술의 발전
1972년 잭슨(D. Jacson), 시몬스(R. Symons)와 버그(P. Berg) 등은 제한효소와 DNA 라이게이즈를 이용하여 최초의 DNA 재조합체인 박테리오파지 λ의 재조합체를 제작하였다. 이는 한 생명체로부터 유래된 유전자의 운반체로 다른 생명체가 작용할 수 있으며, 효소가 그러한 유전자를 포함하는 DNA 절편을 자르고 연결할 수 있다는 것을 보여주었다. 또한 한 생명체로부터 유래된 DNA 분자가 다른 생명체의 DNA에 정확하게 삽입될 수 있다는 사실을 입증하였다. 이로써 대장균을 형질전환시켜 인위적으로 의도된 생명체를 유전적으로 변형시킴으로써 유전공학 시대를 열게 되었다.
1973년 코헨(F. Cohen)과 보이어(H. Boyer)가 수행한 재조합 DNA 벡터의 형질전환 실험은 매우 중요한 의의를 가진다. 첫째, 한 생명체는 다른 생명체로부터 유래된 유전자의 운반체로 작용할 수 있으며, 둘째, 효소가 그러한 유전자를 포함하는 DNA 절편을 자르고 연결할 수 있다. 마지막으로 한 생명체로부터 유래된 DNA 분자가 여러 조작에 의해 다른 생명체의 DNA에 정확하게 삽입될 수 있다는 사실이다. 이렇게 대장균을 형질전환시킴으로써 인위적으로 의도된 생명체를 유전적으로 변형시킬 수 있게 되었고, 이로써 유전공학 시대가 열리게 되었다.
이후 1982년 최초의 재조합 의약품인 대장균에서 생산되는 인슐린이 개발되었다. 이는 유전공학 기술이 의약 분야에 성공적으로 적용된 사례이다. 이와 같이 유전공학은 의약, 농수산, 식품, 생물 검정 및 측정, 화학 및 효소, 바이오 에너지 및 자원, 생물 공정 등 매우 다양한 분야에서 응용되고 있다.
1.3. 유전공학의 응용 분야
유전공학은 다양한 분야에 폭넓게 활용되고 있다. 유전공학 기술은 의약, 농수산, 식품, 생물 검정 및 측정, 화학 및 효소, 바이오 에너지 및 자원, 생물 공정 등 매우 다양한 분야에 응용되고 있다.
의약 분야에서는 재조합 기술을 통해 박테리아에서 사람 인슐린, 빈혈 치료제로 쓰이는 erythropoietin(EPO), 치료용 항체인 류마티스성 관절염 치료제로 항 TNF-α(Tumor necrosis factor-α) 항체, 혈우병 환자들에게 사용되는 피브리노겐이나 인자 IX 등을 생산한다. 또한 형질전환 동물의 젖에서 알부민, 인터페론, 인터류킨 등의 치료용 단백질과 생체 활성물질을 대량으로 생산하기도 한다.
식품 분야에서는 유전자변형 콩을 이용한 두부 생산, 미생물 발효를 통한 비타민 생산 등이 이루어지고 있다. 또한 바이오에탄올 생산을 위해 당화 및 발효 과정에 유전공학 기술이 활용되고 있다.
생물 검정 및 측정 분야에서는 유전자 정보를 이용하여 유전자 검사 키트나 DNA 마커를 활용하고 있으며, 유전체 분석을 통해 개인별 유전 정보의 활용 연구도 진행되고 있다. 이 밖에도 화학, 효소, 에너지 등 다양한 분야에서 재조합 단백질과 미생물 활용 등의 유전공학 기술이 활발히 적용되고 있다.
2. 유전자와 단백질의 구조 및 발현
2.1. DNA의 구조와 유전 정보
DNA는 이중나선 구조로 되어 있으며, 개별 DNA 분자는 당과 인산으로 구성된 백본(backbone)과 네 종류의 염기(아데닌, 구아닌, 시토신, 티민)로 이루어져 있다. 이중나선에서 아데닌은 항상 티민과, 구아닌은 항상 시토신과 상보적으로 결합한다. DNA 분자의 5' 말단에는 인산기가, 3' 말단에는 수산기가 존재하며, 이 두 말단의 방향이 반대이다. DNA 분자는 이러한 이중나선 구조와 염기 간 결합의 상보성으로 인해 유전 정보를 안정적으로 저장할 수 있다. DNA 염기서열은 단백질 합성에 필요한 유전 정보를 담고 있으며, 이 정보는 RNA를 거쳐 최종적으로 단백질로 번역된다. 유전자는 특정 단백질을 암호화하는 DNA 염기서열의 단위이며, 유전체는 생물체가 가진 모든 유전 정보의 집합이다. 따라서 DNA의 구조와 염기서열은 생물체의 유전 정보를 저장하고 전달하는 핵심적인 역할을 한다.
2.2. 유전자 발현 과정
유전 정보를 가진 DNA는 RNA(리보핵산)라는 중간 매개체를 거쳐 단백질로 전환되는데, 이 과정을 유전자 발현이라고 한다. DNA 내의 유전자는 RNA 중합효소에 의해 RNA로 전사되며, 이렇게 생성된 mRNA(messenger RNA)는 리보솜이라는 단백질 합성 기관에서 단백질로 번역된다.
이때 DNA의 유전 정보는 전사 과정에서 RNA로 복사되며, RNA 가공 과정을 거쳐 성숙한 mRNA로 변환된다. mRNA는 세포질로 이동하여 리보솜에 의해 아미노산 사슬로 번역되고, 이 아미노산 사슬이 최종적으로 단백질의 3차원 구조를 취하게 된다. 이러한 일련의 과정을 통해 DNA에 저장된 유전 정보가 실제 단백질로 발현되는 것이다.
전사 과정에서는 RNA 중합효소가 DNA 주형에 결합하여 상보적인 RNA 사슬을 합성한다. 이때 프로모터 서열이 RNA 중합효소의 결합 부위로 작용하여 전사 개시를 유도한다. 합성된 1차 전사물인 pre-mRNA는 스플라이싱 과정을 거쳐 intron 부분이 제거되고 exon 부분만 연결되어 성숙한 mRNA로 변환된다. 또한 5' 캡핑과 3' 폴리 A tail 첨가 등의 후성 가공 과정을 거치면서 안정성과 번역 효율이 향상된다.
번역 과정에서는 리보솜이 mRNA 서열을 읽으며 아미노산을 연결하여 폴리펩타이드 사슬을 합성한다. 리보솜은 tRNA가 운반해 온 아미노산을 mRNA의 코돈 순서대로 연결하여 단백질을 생성한다. 이렇게 생성된 단백질은 접힘 과정을 거쳐 최종적인 3차원 구조를 취하게 된다.
유전자 발현은 전사 및 번역 단계뿐만 아니라 DNA 수준에서의 유전자 활성화, RNA 수준에서의 안정성과 이동, 단백질 수준에서의 접힘과 변형 등 다양한 조절 과정을 통해 제어된다. 이러한 복잡한 과정을 거쳐 유전 정보가 최종적으로 기능을 하는 단백질로 발현되는 것이다.
2.3. 유전자 조절과 발현 조절
유전자 발현이란 DNA에 저장된 유전 정보가 최종적으로 단백질로 발현되는 일련의 과정을 의미한다. 유전자 발현은 DNA 수준에서 조절되어 조직과 환경에 따라 각 유전자의 발현 수준이 다르게 나타난다.
유전자 발현은 DNA에서 RNA로의 전사 과정과 RNA에서 단백질로의 번역 과정을 거쳐 이루어진다. 이 과정에서 다양한 전사 인자와 조절 기작이 관여하여 유전자 발현을 조절한다.
전사 단계에서의 발현 조절은 프로모터와 전사 인자의 작용을 ...
