유전공학에서 유전자 건 또는 생물입자 전달 시스템은 외래 DNA(전이유전자), RNA 또는 단백질을 세포에 전달하기 위해 사용되는 장치입니다. 희미한 금속의 입자에 관심 있는 유전자를 코팅하고 이러한 마이크로 프로젝타일(미세발사체)을 기계적 힘을 사용하여 세포에 발사함으로써 원하는 유전 정보의 통합을 원하는 세포에 도입할 수 있습니다. 이러한 마이크로 프로젝타일로 DNA를 전달하는 기법은 종종 '생물학적 발사'를 의미하는 'biolistics'라고도 불립니다.

이 장치는 거의 모든 유형의 세포를 변형시킬 수 있으며 핵의 변형에만 제한되지 않습니다. 또한 플라스티드와 미토콘드리아를 포함한 세포소기관도 변형시킬 수 있습니다.

## 유전자 총 디자인
유전자 총은 원래 밀도 높은 텅스텐 입자를 발사하기 위해 수정된 Crosman 공기권총이었습니다. 이것은 1983년부터 1986년 사이에 Cornell University의 John C Sanford, Ed Wolf, Nelson Allen과 DuPont의 Ted Klein에 의해 발명되었습니다. 원래의 대상은 큰 세포 크기 때문에 선택된 양파였으며, 이 장치는 DNA 전사가 올바르게 삽입되면 신호를 중계할 마커 유전자로 입자를 코팅하여 전달하는 데 사용되었습니다. 양파 세포 내에서 마커 유전자의 표현이 관찰됨으로써 유전적 변형이 나타났습니다.

가장 초기의 맞춤 제작 유전자 총(넬슨 앨런에 의해 제작)은 22구경 못총 카트리지를 사용하여 22구경 더글라스 총열을 따라 폴리에틸렌 실린더(탄환)를 추진했습니다. 유전자 소재로 코팅된 텅스텐 분말의 작은 방울을 탄환 위에 놓고 아래쪽의 페트리 접시로 쏘았습니다. 탄환이 페트리 판 아래의 디스크에 용접되고, 유전자 소재가 샘플 중앙의 황폐화와 주변의 좋은 변형의 반지로 무너진 도넛 효과를 갖게 되어 샘플로 뿌려졌습니다. 총은 진공 펌프에 연결되어 있으며 발사할 때 진공 상태에서 있었습니다. 초기 디자인은 미국 뉴욕 이사카의 Mecklenburg Road에 있던 현지 기계 작업장인 Rumsey-Loomis에 의해 제한된 생산에 투입되었습니다.

Biolistics, Inc는 샘플 조직에 대한 손상을 최소화하기 위한 헬륨을 비 폭발성 추진제로 사용하고 다중 디스크 충돌 전달 메커니즘을 포함한 개선 사항을 갖춘 업데이트된 장치의 제조 및 배포 권리를 Dupont에 판매했습니다. 금 및 은과 같은 다른 무거운 금속들도 텅스텐 발사체 운반체에 비해 낮은 세포 독성 때문에 선호되는 금으로 유전자 소재를 전달하는 데 사용됩니다.

## 생물학적 구조물 설계
생물학적 변환은 목표 세포에 DNA 구성 요소라 알려진 기능적 DNA 조각의 통합을 포함합니다. 유전자 구성 요소는 대상 생물체 내에서 제대로된 표현을 위한 필요한 모든 조절 요소를 포함하는 DNA 카세트입니다. 변환 절차의 원하는 결과에 따라 유전자 구성 요소의 디자인이 다를 수 있지만, 모든 구성 요소는 대게 프로모터 서열, 종결자 서열, 관심의 유전자 및 리포터 유전자의 조합을 포함합니다.

- 프로모터

프로모터는 유전자의 표현 위치와 크기를 제어하며 유전자의 "핸들 및 가속 페달" 역할을 합니다. 프로모터는 DNA 구성 요소 내에서 관심의 유전자 앞에 위치하며, 실험실 설계를 통해 트랜스젠 표현을 미세 조정할 수 있습니다. 꽃양배추 모자이크 바이러스에서 나온 35S 프로모터는 식물 내에서 강인한 지속적인 유전자 표현을 가져오는 일반적으로 사용되는 프로모터의 예입니다.

- 터미네이터

터미네이터 서열은 올바른 유전자 표현을 위해 필요하며, DNA 구성 요소 내에서 관심 유전자의 코딩 지역 뒤에 위치합니다. 생물 볼리스틱 변형에 사용되는 흔한 터미네이터는 Agrobacterium tumefaciens에서 파생된 NOS 터미네이터입니다. 이 터미네이터가 유전자 변형 식물에서 자주 사용되기 때문에, 무단으로 사용된 GE 작물을 감시하기 위해 식품 공급 내에서 그 존재를 감지하는 전략이 개발되었습니다.

- 리포터 유전자

선택 가능한 마커를 부호화하는 유전자는 DNA 구성 요소 내에서 흔한 요소이며, 올바르게 변형된 세포를 선택하는 데 사용됩니다. 선택된 마커는 변형되는 종에 따라 다르겠지만, 대개는 카나마이신, 히그로마이신 B, 또는 글리포세이트와 같은 특정 제초제 또는 항생제에 대한 해독 능력을 부여하는 유전자일 것입니다.

- 추가 요소

DNA 구성 요소의 선택적 구성 요소에는 대상 게놈에서 구성 요소를 제어된 방식으로 제거할 수 있게 하는 cre-lox 서열과 같은 요소가 포함될 수 있습니다. 이러한 요소는 주요 관심 유전자와 함께 특수한 기능을 수행하도록 구성 요소 개발자에 의해 선택됩니다.

## 애플리케이션
유전자 총은 주로 식물 세포에 사용됩니다. 그러나 인간 및 다른 동물에서도 많은 잠재력이 있습니다.

### 식물
유전자 총의 대상은 종종 무정형의 식물 세포 조직 또는 젤 매체 위에서 자라는 미숙한 배아의 집단이며, 이는 페트리 접시에 있습니다. DNA로 코팅된 금 입자가 세포에 전달된 후, DNA는 전사(transcription)를 위한 템플릿으로 사용되며 때로는 식물 염색체에 통합될 수 있습니다('안정된' 변형).

전달된 DNA 구성 요소가 선택 가능한 마커를 포함하고 있다면, 안정적으로 변형된 세포는 조직 문화 방법을 사용하여 선택되어 배양될 수 있습니다. 예를 들어, 전달된 DNA 구성 요소가 항생제나 제초제에 대한 저항성을 부여하는 유전자를 포함하고 있다면, 안정적으로 변형된 세포는 조직 문화 매체에 그 항생제나 제초제를 포함하여 선택될 수 있습니다.

변형된 세포는 식생과 지베렐린과 같은 일련의 식물 호르몬으로 처리될 수 있으며, 각각은 나누어지고 전체 식물의 조직화되고 전문화된 조직 세포로 분화될 수 있습니다. 이러한 전체 재생 능력을 전분화 능력(totipotency)이라고 합니다. 성공적으로 변형된 세포에서 기원한 새 식물은 유전적으로 새로운 특성을 가질 수 있습니다. 유전자 총의 사용은 식물 세포에 DNA를 삽입하기 위해 Agrobacterium tumefaciens와 그 Ti 플라스미드의 사용과 대비될 수 있습니다. 다른 종에서의 다양한 변형 방법에 대해서는 변형(transformation)을 참조하십시오.

### 인간과 다른 동물
유전자 총은 DNA 백신을 전달하는데도 사용되었습니다.

유전자 총을 사용하여 특히 DRG 뉴런인 쥐의 뉴런에 플라스미드를 전달하는 방법은 알츠하이머병과 같은 신경 퇴행성 질환의 영향을 연구하는 약리학적 선행 연구로도 사용됩니다.

유전자 총은 배양된 조직의 세포 부분 집합을 표시하는 데 일반적인 도구가 되었습니다. 형광 단백질을 코딩하는 DNA 플라스미드로 세포를 형질 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유전자 총은 세포에 다양한 생체 염료를 전달하기 위해 적용될 수 있습니다.

유전자 총 폭격은 또한 Caenorhabditis elegans를 형질 전환하는 데 사용되었으며, 미세 주입에 대한 대안으로 사용되었습니다.

## 장점
생물학은 유전자 수정의 다양한 방법으로 입증되었으며 일반적으로 변형에 저항하는 작물, 예를 들면 곡물류를 공학적으로 개조하는 데 선호됩니다. 특히, Bt 옥수수는 바이올리스틱스의 결과물입니다. 플라스티드 변형은 또한 입자 폭격과 함께 다른 현재 기술, 예를 들면 Agrobacterium 매개 변형과 비교할 때 큰 성공을 보았습니다. 후자는 벡터를 타겟팅하고 엽록체에서 안정적으로 표현하는 데 어려움을 겪습니다. 또한, 유전자 총을 사용하여 삽입된 전사 유전자가 엽록체에서 침묵되는 보고는 없습니다. 또한, 유전자 총을 한 번 발사함으로써 숙련된 기술자는 특정 종에서 두 개의 변형된 생물체를 생성할 수 있습니다. 이 기술은 특정 조직을 현장에서 수정할 수 있게 했지만, 이는 대량의 세포를 손상시키고 조직의 세포 일부만 변형시킬 가능성이 높습니다.

## 한계
생물학은 대상 세포에 DNA를 무작위로 도입합니다. 따라서 DNA는 핵, 미토콘드리아, 플라스미드 또는 다른 유전체, 또는 그 어떤 조합으로든 세포에 존재하는 어떤 유전체든 변형될 수 있습니다. 비록 적절한 구조물 설계가 이를 완화할 수 있겠지만, DNA 구조물의 다양한 템플릿의 전달 및 통합은 확실한 가능성입니다, 결과적으로 삽입된 유전자의 잠재적인 다양한 표현 수준과 복사 수를 초래합니다. 이는 구조물들이 다른 구조물로부터 유전자 정보를 주고받을 수 있는 능력 때문입니다. 이로 인해 일부는 전사 유전자를 전혀 가지지 않고 다른 일부는 여러 복사본을 가지게 됩니다; 삽입된 구조물의 복사 수는 삽입된 유전자의 복사 수와 얼마나 많이 삽입되었는지에 따라 달라집니다. 또한, 진핵 구조물은 유사한 유전적 시퀀스 없이 유전자가 유전체에 통합되는 부정확한 재결합에 의존하므로, 동질적 재결합이 아닌 이유로 그들은 유전체 내의 특정 위치를 대상으로 할 수 없습니다. 단, 전사 유전자가 유전체 편집 시약과 함께 동반 전달되는 경우에는 가능합니다.