분자생물학

섬네일|생물학적 시스템 내에서의 유전 정보 흐름을 보여주는 센트럴 도그마.
섬네일|분자생물학 개념의 예시. DNA 복제 중 DNA와 단백질 사이의 상호작용을 보여주는 모델: 템플릿 DNA 가닥(노란색), 새로 합성된 딸 DNA 가닥(청록색), PCNA의 세 하위 단위(파란색 음영), 그리고 DNA 중합효소 ε의 촉매 하위 단위(녹색).
분자생물학(分子生物學, )은 세포 내에서 그리고 세포 사이에서 일어나는 생물학적 활동의 기초가 되는 분자 구조와 화학적 과정을 이해하고자 하는 생물학의 한 분야이다. 주로 핵산(DNA 및 RNA)과 단백질에 대한 연구를 중심으로 한다. 이 분야는 DNA 복제, 전사, 번역, 단백질 생합성 및 복잡한 생체분자 상호작용과 같은 과정을 조율하는 이러한 고분자의 구조, 기능 및 상호작용을 조사한다. 분자생물학 분야는 학제간 연구 성격이 강하며, 유전학, 생화학, 물리학, 수학, 그리고 최근에는 컴퓨터 과학(생물정보학)의 원리에 의존한다.

세포와 기타 미세 구조는 일찍이 18세기에 생물에서 관찰되었지만, 그들의 행동을 지배하는 메커니즘과 상호작용에 대한 상세한 이해는 물리학과 화학에서 사용되는 기술이 생물 과학에 적용될 수 있을 만큼 충분히 발전한 20세기가 되어서야 나타났다. '분자생물학'이라는 용어는 1945년 영국 물리학자 윌리엄 애스트버리가 처음 사용했는데, 그는 이를 생물학적 현상의 토대를 식별하는 데 초점을 맞춘 접근 방식, 즉 생물학적 분자의 물리적 및 화학적 구조와 성질을 밝혀내고, 다른 분자와의 상호작용 및 이러한 상호작용이 더 큰 규모와 더 높은 조직 수준에서 생물학적 과정을 연구하는 이른바 고전 생물학의 관찰을 어떻게 설명하는지 밝혀내는 것으로 설명했다. 1953년에 프랜시스 크릭, 제임스 D. 왓슨, 로절린드 프랭클린 및 카벤디시 연구소 의학연구위원회의 동료들은 데옥시리보핵산(DNA)의 화학적 구조에 대한 이중 나선 모델을 처음으로 설명했다. 이는 생물학적 유전의 주요 물질로서 핵산이라는 이전에 불분명했던 아이디어를 이해할 수 있는 물리화학적 기초를 제공했기 때문에 신생 분야의 획기적인 사건으로 여겨진다. 그들은 모리스 윌킨스와 맥스 퍼루츠가 전달해 준 프랭클린의 이전 연구를 바탕으로 이 구조를 제안했다. 그들의 연구는 다른 미생물, 식물 및 동물에서 DNA를 발견하는 것으로 이어졌다.

분자생물학 분야에는 과학자들이 분자 과정을 배울 수 있게 해주는 기술들이 포함된다. 이러한 기술들은 새로운 약물을 효율적으로 표적화하고, 질병을 진단하며, 세포 생리학을 더 잘 이해하는 데 사용된다. 분자생물학에서 파생된 일부 임상 연구 및 의료 요법은 유전자 치료에서 다루어지는 반면, 의학에서 분자생물학 또는 분자 세포 생물학을 사용하는 것은 현재 분자의학이라고 불린다.

 분자생물학의 역사 

섬네일|DNA 구조에서의 각도 설명
섬네일|왓슨과 크릭의 DNA 구조에 대한 도식적 표현
분자생물학은 생화학과 유전학의 교차점에 위치한다. 이러한 과학 분야가 20세기에 출현하고 발전함에 따라, 두 분야 모두 필수적인 세포 기능의 기초가 되는 분자 메커니즘을 결정하고자 한다는 것이 분명해졌다. 분자생물학의 발전은 새로운 기술의 개발 및 최적화와 밀접하게 연관되어 왔다.

유전학 분야는 생식과 유전의 기초가 되는 일련의 규칙, 그리고 유전자로 알려진 가상의 유전 단위의 본질을 이해하려는 시도에서 시작되었다. 그레고어 멘델은 1866년 완두콩 식물의 교배 연구에서 관찰한 유전 법칙을 처음 설명하면서 이 연구를 개척했다. 그러한 유전 법칙 중 하나는 분리의 법칙으로, 특정 유전자에 대해 두 개의 대립 유전자를 가진 이배체 개체는 이러한 대립 유전자 중 하나를 자손에게 전달한다는 것이다. 그의 중요한 연구 때문에 유전 연구는 흔히 멘델 유전학이라고 불린다.

분자생물학의 주요 이정표는 DNA 구조의 발견이었다. 이 연구는 1869년 스위스 생화학자 프리드리히 미셔에 의해 시작되었는데, 그는 처음에 뉴클레인(nuclein)이라 불리는 구조를 제안했으며, 우리는 이를 현재 (데옥시리보핵산) 또는 DNA로 알고 있다. 그는 고름이 묻은 붕대의 성분을 연구하고 "인 함유 물질"의 독특한 특성을 주목함으로써 이 독특한 물질을 발견했다. DNA 모델에 대한 또 다른 주목할 만한 기여자는 피부스 레빈으로, 그는 효모에 대한 생화학적 실험의 결과로 1919년 DNA의 "폴리뉴클레오타이드 모델"을 제안했다. 1950년 어윈 샤가프는 레빈의 연구를 확장하여 핵산의 몇 가지 중요한 특성을 규명했다. 첫째, 핵산의 서열은 종에 따라 다르다. 둘째, 푸린(아데닌과 구아닌)의 총 농도는 항상 피리미딘(사이토신과 티민)의 총 농도와 같다. 이것은 현재 샤가프의 법칙으로 알려져 있다. 1953년 제임스 D. 왓슨과 프랜시스 크릭은 모리스 윌킨스와 맥스 퍼루츠가 전달해 준 로절린드 프랭클린의 엑스선결정학 연구를 바탕으로 DNA의 이중 나선 구조를 발표했다. 왓슨과 크릭은 DNA의 구조를 설명하고 이 독특한 구조가 DNA 복제의 가능한 메커니즘에 미치는 영향에 대해 추측했다. 왓슨과 크릭은 윌킨스와 함께 DNA 구조 모델을 제안한 공로로 1962년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.

1961년에는 유전자가 단백질을 암호화할 때, 유전자 DNA의 세 개의 연속적인 염기가 단백질의 각 연속적인 아미노산을 지정한다는 것이 증명되었다. 따라서 유전 부호는 각 트리플렛(이를 코돈이라 함)이 특정 아미노산을 지정하는 트리플렛 코드이다. 또한, 코돈은 단백질을 암호화하는 DNA 서열에서 서로 겹치지 않으며, 각 서열은 고정된 시작 지점에서 읽힌다는 것이 밝혀졌다.
1962년에서 1964년 사이, 박테리아 바이러스의 조건부 치사 돌연변이체를 사용하여, DNA 복제, DNA 수선, DNA 재조합 장치 및 분자 구조의 조립에 쓰이는 단백질의 기능과 상호작용에 대한 이해에 근본적인 진전이 이루어졌다.

 그리피스 실험 

섬네일| 그리피스 실험

1928년 프레더릭 그리피스는 실험실 쥐를 죽이는 폐렴구균 박테리아에서 병원성 특성을 발견했다. 당시 유행하던 멘델에 따르면 유전자 전달은 부모 세포에서 딸 세포로만 일어날 수 있었다. 그리피스는 같은 세대의 구성원 사이에서 일어나는 유전자 전달을 수평적 유전자 전달(HGT)이라고 하는 또 다른 이론을 제시했다. 이 현상은 현재 형질전환이라고 불린다.

그리피스의 실험은 독성이 있고 매끄러운 균주와 독성이 없고 거친 균주라는 두 가지 서로 다른 균주를 가진 폐렴구균 박테리아를 다루었다. 매끄러운 균주는 특정 유형의 다당류(글루코스와 글루쿠론산 중합체 캡슐)의 존재로 인해 윤기 나는 모습을 띠었다. 박테리아의 이 다당류 층 때문에 숙주의 면역 체계는 박테리아를 인식하지 못하고 숙주를 죽게 만든다. 거친 균주는 이 다당류 캡슐이 없어 칙칙하고 거친 군집 외관을 보이며, 숙주의 면역 체계에 의해 더 쉽게 인식되고 파괴되기 때문에 독성이 없다.

균주 내 캡슐의 존재 여부는 유전적으로 결정되는 것으로 알려져 있다. 매끄러운 균주와 거친 균주는 각각 S-I, S-II, S-III 등과 R-I, R-II, R-III 등과 같은 여러 다른 유형으로 나타난다. S 및 R 박테리아의 이러한 모든 하위 유형은 그들이 생성하는 항원 유형에 있어 서로 다르다.

 에이버리-맥클라우드-맥카티 실험 

에이버리-맥클라우드-맥카티 실험은 오즈월드 에이버리, 콜린 맥클라우드, 마클린 맥카티가 수행한 실험적 시연으로, 유전 정보를 운반하는 기능을 하는 것이 단백질이라고 널리 믿어지던 시대(단백질이라는 단어 자체가 그 기능이 일차적이라는 믿음을 나타내기 위해 만들어짐)인 1944년에 DNA가 형질전환을 일으키는 물질임을 보고했다. 이는 1928년 그리피스 실험에서 처음 설명된 형질전환 현상의 원인인 "형질전환 원리"를 정제하고 규명하기 위해 록펠러 의학연구소에서 수행된 1930년대와 20세기 초 연구의 결실이었다. 독성이 있는 III-S형 폐렴구균을 죽여서 살아있지만 독성이 없는 II-R형 폐렴구균과 함께 주입하면 독성이 있는 III-S형 폐렴구균의 치명적인 감염을 초래했다. 1944년 2월 Journal of Experimental Medicine에 발표된 그들의 논문 "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III"에서 에이버리와 그의 동료들은 당시 널리 믿어졌던 단백질보다는 DNA가 박테리아의 유전 물질일 수 있으며, 고등 생물의 유전자 및 바이러스와 유사할 수 있다고 제안했다.

 허시-체이스 실험 

섬네일|허시-체이스 실험
DNA가 감염의 원인이 되는 유전 물질이라는 확인은 허시-체이스 실험에서 나왔다. 그들은 실험에 대장균과 박테리오파지를 사용했다. 이 실험은 주방 믹서기가 주요 장치로 사용되었기 때문에 믹서기 실험으로도 알려져 있다. 앨프리드 허시와 마사 체이스는 파지 입자에 의해 박테리아에 주입된 DNA에 자손 파지 입자를 합성하는 데 필요한 모든 정보가 포함되어 있음을 증명했다. 그들은 방사능을 사용하여 박테리오파지의 단백질 코트를 방사성 황으로, DNA를 방사성 인으로 각각 두 개의 다른 시험관에 태그했다. 박테리오파지와 대장균을 시험관에 섞은 후, 파지가 대장균 세포의 유전 물질을 변형시키는 배양 기간이 시작된다. 그런 다음 혼합물을 믹서기로 갈거나 휘저어 파지를 대장균 세포에서 분리한다. 전체 혼합물을 원심분리하고 대장균 세포가 포함된 펠릿을 확인하고 상층액은 버렸다. 대장균 세포는 방사성 인을 보여주었으며, 이는 변형된 물질이 단백질 코트가 아니라 DNA임을 나타냈다.

변형된 DNA는 대장균의 DNA에 부착되며 방사능은 박테리오파지의 DNA에서만 나타난다. 이 돌연변이된 DNA는 다음 세대로 전달될 수 있으며 형질도입 이론이 등장하게 되었다. 형질도입은 박테리아 DNA가 박테리오파지의 파편을 운반하여 다음 세대에 전달하는 과정이다. 이것 또한 수평적 유전자 전달의 한 유형이다.

 메셀슨과 스탈의 실험 

섬네일|메셀슨-스탈 실험

메셀슨과 스탈의 실험은 1958년 매슈 메셀슨과 프랭클린 스탈에 의해 수행된 실험으로, DNA 복제가 반보존적 복제라는 왓슨과 크릭의 가설을 뒷받침했다. 반보존적 복제에서 이중 가닥 DNA 나선이 복제될 때, 두 개의 새로운 이중 가닥 DNA 나선 각각은 원래 나선의 한 가닥과 새로 합성된 한 가닥으로 구성된다. 이것은 "생물학에서 가장 아름다운 실험"이라고 불려왔다. 메셀슨과 스탈은 모체 DNA를 추적하는 가장 좋은 방법이 원자 중 하나를 변경하여 태그를 지정하는 것이라고 결정했다. 질소는 모든 DNA 염기에 존재하므로, 그들은 자연적으로 존재하는 것보다 더 무거운 질소 동위 원소를 포함하는 모체 DNA를 생성했다. 이 변경된 질량 덕분에 그들은 연속적인 복제 주기 후에 DNA에 모체 DNA가 얼마나 존재하는지 확인할 수 있었다.

 현대 분자생물학 
2020년대 초, 분자생물학은 수직적 및 수평적 기술 발전으로 정의되는 황금기에 접어들었다. 수직적으로는 원자 수준에서 생물학적 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있는 새로운 기술이 등장하고 있다. 오늘날 분자생물학자들은 점점 더 깊은 수준에서 점점 더 저렴해지는 시퀀싱 데이터에 접근할 수 있게 되어, 새로운 비모델 생물에서 새로운 유전자 조작 방법의 개발을 촉진하고 있다. 마찬가지로, 합성 분자생물학자들은 다양한 원핵 및 진핵 세포주에 외래 대사 경로를 도입함으로써 소분자 및 거대 분자의 산업적 생산을 주도할 것이다.

수평적으로는 시퀀싱 데이터가 더욱 저렴해지고 많은 다양한 과학 분야에서 사용되고 있다. 이는 개발도상국의 산업 발전을 주도하고 개별 연구자들의 접근성을 높일 것이다. 마찬가지로, CRISPR-Cas9 유전자 편집 실험은 이제 개인이 새로운 생물에 대해 10,000달러 미만으로 구상하고 구현할 수 있게 되어 산업 및 의료 응용 분야의 발전을 주도할 것이다.

 다른 생물학적 과학과의 관계 
섬네일|생화학, 유전학 및 분자생물학 간의 도식적 관계

다음 목록은 분자생물학 및 기타 관련 분야 간의 학제간 관계에 대한 관점을 설명한다.
 분자생물학은 분자 합성, 변형, 메커니즘 및 상호작용에 초점을 맞추어 생물학적 현상의 분자적 토대를 연구하는 학문이다.
 생화학은 살아있는 생물에서 일어나는 화학 물질과 필수 과정을 연구하는 학문이다. 생화학자들은 단백질, 지질, 탄수화물 및 핵산과 같은 생체분자의 역할, 기능 및 구조에 집중한다.
 유전학은 유전적 차이가 생물에 미치는 영향을 연구하는 학문이다. 유전학은 돌연변이, 개별 유전자 및 유전적 상호작용이 표현형의 발현에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 예측하고자 한다.

연구자들은 분자생물학 고유의 기술을 사용하지만, 이를 유전학 및 생화학의 방법과 결합하는 것이 일반적이다. 분자생물학의 많은 부분은 정량적이며, 최근에는 생물정보학 및 계산생물학과 같은 컴퓨터 과학 기술을 사용한 상당량의 연구가 수행되었다. 유전자 구조와 기능을 연구하는 분자유전학은 2000년대 초반 이후 분자생물학의 가장 두드러진 하위 분야 중 하나였다. 생물학의 다른 분야들은 세포생물학 및 발생생물학에서와 같이 분자들의 상호작용을 직접 연구하거나, 집단유전학 및 계통학과 같은 진화생물학 분야에서처럼 분자 기술을 사용하여 개체군이나 종의 역사적 속성을 추론하는 방식으로 분자생물학의 영향을 받는다. 또한 생물리학에서는 생체분자를 "처음부터" 또는 분자 수준에서 연구해 온 오랜 전통이 있다.

 분자생물학의 기법 
섬네일|left|DNA 애니메이션

 DNA 클로닝 

섬네일|형질도입 이미지
DNA 클로닝은 관심 있는 DNA 서열을 분리한 다음 플라스미드 벡터로 옮기는 데 사용된다. 이 재조합 DNA 기술은 1960년대에 처음 개발되었다. 이 기술에서 관심 있는 단백질을 암호화하는 DNA 서열은 중합효소 연쇄 반응(PCR) 및 제한 효소를 사용하여 플라스미드(발현 벡터)로 클로닝된다. 플라스미드 벡터는 일반적으로 복제 기점, 다중 클로닝 부위(MCS) 및 선택 마커(주로 항생제 내성)의 세 가지 독특한 특징을 가지고 있다. 또한 MCS의 상류에는 클로닝된 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 영역과 전사 시작 지점이 있다.

이 플라스미드는 박테리아 또는 동물 세포에 삽입될 수 있다. 박테리아 세포에 DNA를 도입하는 것은 노출된 DNA의 흡수를 통한 형질전환, 세포 간 접촉을 통한 접합, 또는 바이러스 벡터를 통한 형질도입에 의해 이루어질 수 있다. 동물 세포와 같은 진핵세포에 물리적 또는 화학적 수단으로 DNA를 도입하는 것을 형질주입이라고 한다. 인산칼슘 형질주입, 전기 천공법, 미세 주입 및 리포좀 형질주입과 같은 여러 가지 형질주입 기술이 가능하다. 플라스미드는 유전체에 통합되어 안정적인 형질주입을 초래하거나, 유전체와 독립적으로 유지되어 일시적으로 발현될 수 있는데 이를 일시적 형질주입이라고 한다.

관심 있는 단백질을 암호화하는 DNA가 이제 세포 내부에 있으며, 이제 단백질이 발현될 수 있다. 유도성 프로모터 및 특정 세포 신호 전달 인자와 같은 다양한 시스템을 사용하여 관심 있는 단백질을 높은 수준에서 발현시킬 수 있다. 그런 다음 박테리아 또는 진핵 세포에서 대량의 단백질을 추출할 수 있다. 단백질은 다양한 상황에서 효소 활성을 테스트할 수 있고, 단백질을 결정화하여 그 3차 구조를 연구할 수 있으며, 제약 산업에서는 단백질에 대한 새로운 약물의 활성을 연구할 수 있다.

 중합효소 연쇄 반응 

중합효소 연쇄 반응(PCR)은 DNA를 복사하는 매우 다재다능한 기술이다. 간단히 말해, PCR은 특정 DNA 서열을 미리 정해진 방식으로 복사하거나 수정할 수 있게 해준다. 이 반응은 매우 강력하며 완벽한 조건에서 단일 DNA 분자를 2시간 이내에 10억 7천만 개의 분자로 증폭할 수 있다. PCR은 유전자 발현 연구, 병원성 미생물 검출, 유전적 돌연변이 검출, DNA에 대한 돌연변이 도입 등 많은 응용 분야를 가지고 있다. PCR 기술은 DNA 분자의 끝에 제한 효소 부위를 도입하거나 DNA의 특정 염기를 돌연변이시키는 데 사용될 수 있는데, 후자는 부위 특이적 돌연변이 유발이라고 하는 방법이다. PCR은 또한 특정 DNA 조각이 CDNA 라이브러리에서 발견되는지 확인하는 데 사용될 수 있다. PCR에는 RNA 증폭을 위한 역전사 PCR(RT-PCR)과 최근에는 DNA 또는 RNA 분자의 정량적 측정을 가능하게 하는 정량 PCR과 같은 많은 변형이 있다.섬네일|젤 트레이에 부은 붕산염 완충액 내의 2% 아가로스 젤

 겔 전기영동 
섬네일|SDS-폴리아크릴아마이드 젤 전기영동|left

겔 전기영동은 아가로스 또는 폴리아크릴아마이드 젤을 사용하여 분자를 크기에 따라 분리하는 기술이다. 이 기술은 분자생물학의 주요 도구 중 하나이다. 기본 원리는 젤에 전류를 흘려 DNA 조각을 분리할 수 있다는 것인데, DNA 골격에는 음전하를 띤 인산기가 포함되어 있기 때문에 DNA는 아가로스 젤을 통해 전류의 양극 끝을 향해 이동하게 된다. 단백질 또한 SDS-PAGE 젤을 사용하여 크기에 따라 분리하거나, 2D 겔 전기영동으로 알려진 기술을 사용하여 크기와 전하에 따라 분리할 수 있다.
섬네일|쿠마시 블루 염료를 사용하여 PAGE 젤에서 염색된 단백질

 브래드퍼드 단백질 정량법 

브래드퍼드 분석은 쿠마시 브릴리언트 블루 G-250이라는 염료의 독특한 성질을 활용하여 단백질 분자의 빠르고 정확한 정량을 가능하게 하는 분자생물학 기술이다. 쿠마시 블루는 단백질과 결합하면 적갈색에서 밝은 파란색으로 눈에 띄는 색 변화를 겪는다. 불안정한 양이온 상태에서 쿠마시 블루는 465 nm의 배경 파장을 가지며 적갈색을 띤다. 산성 용액에서 쿠마시 블루가 단백질과 결합하면 배경 파장이 595 nm로 이동하고 염료는 밝은 파란색을 띤다. 분석 시 단백질은 약 2분 만에 쿠마시 블루와 결합하며, 단백질-염료 복합체는 약 1시간 동안 안정적이지만 반응 시작 후 5~20분 이내에 흡광도를 측정하는 것이 권장된다. 브래드퍼드 분석에서 단백질 농도는 가시광선 분광광도계를 사용하여 측정할 수 있으므로 고가의 장비가 필요하지 않다.

이 방법은 1975년 마리온 M. 브래드퍼드에 의해 개발되었으며, 이전 방법인 로리법(Lowry procedure) 및 뷰렛 분석에 비해 훨씬 빠르고 정확한 단백질 정량을 가능하게 했다. 이전 방법들과 달리 브래드퍼드 분석은 에탄올, 염화나트륨, 염화마그네슘을 포함한 여러 비단백질 분자의 간섭에 영향을 받지 않는다. 그러나 로릴 황산 나트륨(SDS)과 같은 강한 알칼리성 완충제의 영향에는 취약하다.

 고분자 블로팅 및 프로빙 
노던, 웨스턴, 이스턴 블로팅이라는 용어는 원래 에드윈 서던이 서술한 DNA 하이브리드화 기술인 서던 블롯이라는 용어에서 따온 분자생물학계의 농담에서 유래했다. 나중에 노던 블롯으로 알려지게 된 RNA 블롯의 개발자 패트리샤 토마스는 사실 이 용어를 사용하지 않았다.

 서던 블로팅 

발명자인 생물학자 에드윈 서던의 이름을 딴 서던 블롯은 DNA 샘플 내에서 특정 DNA 서열의 존재를 조사하는 방법이다. 제한 효소(제한 내부핵산가수분해효소) 절단 전후의 DNA 샘플을 겔 전기영동으로 분리한 다음, 모세관 현상에 의한 블로팅을 통해 막으로 옮긴다. 그런 다음 막은 관심 있는 DNA 서열과 상보적인 염기 서열을 가진 표지된 DNA 프로브에 노출된다. 서던 블로팅은 DNA 샘플에서 특정 DNA 서열을 검출할 수 있는 PCR과 같은 다른 기술의 능력 때문에 실험실 과학에서 덜 보편적으로 사용된다. 그러나 이러한 블롯은 형질전환 쥐의 트랜스젠 사본 수 측정이나 유전자 제거 배아줄기세포주의 공학적 설계와 같은 일부 응용 분야에서는 여전히 사용된다.

 노던 블로팅 

섬네일|노던 블롯 도식
노던 블롯은 서로 다른 RNA 샘플 세트 간의 상대적인 비교로서 특정 RNA 분자의 존재를 연구하는 데 사용된다. 이는 본질적으로 변성 RNA 겔 전기영동과 블롯의 조합이다. 이 과정에서 RNA는 크기에 따라 분리된 다음 관심 서열의 표지된 상보체로 조사되는 막으로 옮겨진다. 결과는 사용된 라벨에 따라 다양한 방식으로 시각화될 수 있지만, 대부분 샘플에서 검출된 RNA의 크기를 나타내는 밴드의 노출로 나타난다. 이러한 밴드의 강도는 분석된 샘플 내의 표적 RNA 양과 관련이 있다. 이 절차는 전사 후 조절이 일어나지 않고 mRNA 수준이 생성되는 해당 단백질의 비례 수준을 반영한다고 가정할 때, 다른 샘플에 해당 RNA가 얼마나 존재하는지 측정하여 유전자 발현이 언제 얼마나 일어나는지 연구하는 데 흔히 사용된다. 이는 살아있는 조직에서 어떤 유전자가 어떤 시기에, 어떤 조건에서 발현되는지 결정하는 가장 기본적인 도구 중 하나이다.

 웨스턴 블로팅 

웨스턴 블롯은 단백질 혼합물에서 특정 단백질을 검출할 수 있는 기술이다. 웨스턴 블롯은 분리된 단백질의 크기를 결정하고 발현량을 정량화하는 데 사용될 수 있다. 웨스턴 블롯팅에서 단백질은 먼저 SDS-PAGE로 알려진 기술을 통해 두 유리판 사이에 끼워진 얇은 젤에서 크기별로 분리된다. 그런 다음 젤의 단백질은 폴리바이닐리덴 플루오라이드(PVDF), 니트로셀룰로오스, 나일론 또는 기타 지지체 막으로 옮겨진다. 이 막은 항체 용액으로 조사될 수 있다. 관심 있는 단백질에 특이적으로 결합하는 항체는 유색 산물, 화학발광 또는 자기방사법을 포함한 다양한 기술로 시각화될 수 있다. 종종 항체는 효소로 표지된다. 화학발광 기질이 효소에 노출되면 검출이 가능해진다. 웨스턴 블로팅 기술을 사용하면 검출뿐만 아니라 정량 분석도 가능하다. 웨스턴 블로팅과 유사한 방법으로 살아있는 세포나 조직 절편에서 특정 단백질을 직접 염색할 수도 있다.

 이스턴 블로팅 

이스턴 블로팅 기술은 단백질의 번역 후 변형을 검출하는 데 사용된다. PVDF 또는 니트로셀룰로오스 막에 블로팅된 단백질은 특정 기질을 사용하여 변형 여부를 조사한다.

 마이크로어레이 

섬네일|left|인쇄 중인 DNA 마이크로어레이
섬네일|표적의 프로브로의 하이브리드화
DNA 마이크로어레이는 현미경 슬라이드와 같은 고체 지지체에 부착된 점들의 집합으로, 각 점에는 하나 이상의 단일 가닥 DNA 올리고뉴클레오타이드 파편이 포함되어 있다. 어레이를 사용하면 단일 슬라이드에 대량의 매우 작은(직경 100 마이크로미터) 점들을 배치할 수 있다. 각 점에는 단일 DNA 서열에 상보적인 DNA 파편 분자가 있다. 이 기술의 변형을 통해 특정 발달 단계에 있는 생물의 유전자 발현을 정성화할 수 있다(발현 프로파일링). 이 기술에서는 조직의 RNA를 분리하여 표지된 상보적 DNA(cDNA)로 전환한다. 그런 다음 이 cDNA를 어레이의 파편에 하이브리드화하고 하이브리드화를 시각화할 수 있다. 동일한 위치에 파편을 배치하여 여러 어레이를 만들 수 있으므로 건강한 조직과 암 조직과 같은 두 조직의 유전자 발현을 비교하는 데 특히 유용하다. 또한 어떤 유전자가 발현되는지, 그리고 그 발현이 시간이나 다른 요인에 따라 어떻게 변하는지 측정할 수 있다.
마이크로어레이를 제조하는 방법은 여러 가지가 있다. 가장 일반적인 것은 실리콘 칩, 직경 ~100 마이크로미터의 점이 있는 현미경 슬라이드, 맞춤형 어레이, 다공성 막에 더 큰 점이 있는 어레이(매크로어레이)이다. 주어진 어레이에는 100개에서 10,000개 이상의 점이 있을 수 있다. 어레이는 DNA 이외의 분자로도 만들 수 있다.

 대립 유전자 특이적 올리고뉴클레오타이드 

대립 유전자 특이적 올리고뉴클레오타이드(ASO)는 PCR이나 겔 전기영동 없이 단일 염기 돌연변이를 검출할 수 있는 기술이다. 짧은(20~25개 뉴클레오타이드 길이) 표지된 프로브가 파편화되지 않은 표적 DNA에 노출되며, 프로브의 길이가 짧기 때문에 매우 높은 특이성으로 하이브리드화가 일어나고 단일 염기 변화만으로도 하이브리드화가 방해된다. 그런 다음 표적 DNA를 세척하고 하이브리드화되지 않은 프로브를 제거한다. 그 후 표적 DNA에서 방사능이나 형광을 통해 프로브의 존재 여부를 분석한다. 이 실험에서는 대부분의 분자생물학 기술과 마찬가지로 실험의 성공을 보장하기 위해 대조군을 사용해야 한다.

분자생물학에서는 절차와 기술이 끊임없이 개발되고 구형 기술은 폐기된다. 예를 들어, DNA 겔 전기영동(아가로스 또는 폴리아크릴아마이드)이 등장하기 전에는 DNA 분자의 크기를 일반적으로 비싼 장비가 필요하고 느리고 노동 집약적인 기술인 자당 밀도 구배 원심 분리에서의 침강 속도로 결정했다. 자당 구배 전에는 점도 측정법이 사용되었다. 역사적인 흥미 외에도, 최신 기술이 부적절한 또 다른 새로운 문제를 해결하는 데 가끔 유용할 수 있으므로 구형 기술에 대해 아는 것은 종종 가치가 있다.

 같이 보기 

 유전체학
 생명공학기술
 에너지 대사

 각주 

 
분류:응용기하학