의학 기타_PCR 검사(feat. 코로나 진단 검사)

오늘은 PCR(Polymerase Chain Reaction) 검사에 대해서 알아볼까요?

COVID-19의 양성, 음성 판단에 PCR 검사가 매우 중요한 역할을 하고 있습니다.

PCR 검사의 원리 및 과정에 대해서 알아보겠습니다.

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1. PCR 검사?

PCR은 Polymerase Chain Reaction의 줄임말이며, 중합효소 연쇄반응이라고 부르기도 합니다.

특정 DNA 염기서열을 증폭시키는 역할을 하는 것인데요

세균, 진균의 진단에도 쓰이며, COVID-19와 같은 바이러스를 진단할 때도 쓰입니다.

 

2. PCR 검사의 준비재료

PCR 검사에 앞서 PCR을 위한 준비 재료들이 있습니다.

특정 DNA의 시작점을 인지하는 작은 염기서열로 이루어진 Primer,

Primer에 결합한 후, 특정 DNA 만큼의 길이로 연장하는 데 관여하는 DNA polymerase(DNA 중합효소),

재료로 쓰이는 4개의 dNTP(dATP, dGTP, dCTP, dTTP),

DNA 염기서열의 결합을 돕는 마그네슘 이온(Mg2+),

결합 조건을 만들어주는 완충액

이 주 재료입니다.

낯선 용어들인데, 어떤 역할을 하는지도 알기가 어렵죠?ㅠㅠ

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얕은 개울에 돌다리를 만드는 것과 비교를 해볼까요?

개울 첫 시작점에 맞는 돌이 primer라고 볼 수 있습니다.

개울 속의 각 위치에 맞는 돌들이 dNTP가 되겠구요.

돌을 옮겨 가져다 놓는 인부는 DNA Polymerase가 되겠습니다.

돌다리를 잘 옮길 수 있도록 인부가 장갑을 끼고 하게 되는데, 장갑이 마그네슘이온이라 생각할 수 있습니다.

돌다리를 만들 때 비가 오지 않는 날씨(환경)가 완충액이 될 수 있겠네요.

따라서 첫 시작 돌, 각 위치에 맞는 돌, 인부, 인부의 장갑, 날씨가

각각 primer, dNTP, DNA polymerase, 마그네슘이온, 완충액이 될 수 있겠습니다.

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여기서 잠깐! PCR 검사는 비교적 높은 온도에서 DNA 가닥을 생성하는데,

과학 시간에 배운 지식으로는 polymerase도 효소니까 높은 온도에서 변성되지 않을까 하는 생각이 들죠?

그래서 높은 온도에서 변성되지 않고 활성화가 되는 Polymerase를 찾기 시작했습니다.

즉, DNA를 denaturaion함과 동시에 Polymerase가 활성화되는 두 조건이 맞아야 하는 것이지요.

이를 만족해주는 polymerase가 화산에서 발견된 Taq polymerase입니다.

PCR에는 DNA Polymerase, 특히 Taq Polymerase를 사용해야 합니다.

 

3. DNA 검사의 원리

DNA 검사는 총 3단계가 반복되는 과정입니다.

1) Denaturation(변성) DNA는 2개의 가닥이 붙어 있는 이중가닥(Double strand)입니다. 이중 가닥에는 A-T, G-C간 단단한 결합으로 이루어져 있어 primer가 들어갈 공간이 없죠. 따라서 이중가닥을 각각의 한가닥으로 떨어뜨려놓는 Denaturation을 해주어야 합니다. 온도 조건을 94~96도의 높은 온도를 2분에서 5분 정도로 만들어 줍니다.

2) Annealing(냉각, 풀림) 이 후, 온도를 낮추어 Primer가 적절하게 결합할 수 있도록 조건을 만들어 줍니다. 1~2분 정도 온도를 45~60도로 낮춰주게 됩니다.

3) Extension(연장) 끝으로 온도를 72~73도 정도로 약간 높여주어 DNA Polymerase가 dNTP를 이용하여 잘 결합할 수 있도록 합니다. 약 1분 정도의 시간이 걸립니다. 이 과정으로 원하는 길이만큼의 DNA를 만들어낼 수 있습니다.

"Denaturation-Annealing-Extension" 이 한번의 과정이 1cycle인데요,

이 과정을 25회에서 30회정도 반복해줍니다.

1회 반복 시 2의 2제곱(4개)의 DNA 가닥이 존재하게 되고

n회 반복하게 되면 2의 (n+1)제곱만큼의 DNA가 존재하게 됩니다.

30회라면 2의 31제곱만큼의 DNA가 증폭이 된 것이지요.

 

4. 이후

증폭된 DNA는 빛을 내는 탐침자를 활용하여 시각적으로 그 양을 확인할 수 있습니다.

코로나 바이러스라면 바이러스 DNA를 확인함으로써 양성 판단을 할 수 있게 되는 것이지요.

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참고문헌>

[1] Lilit Garibyan, Nidhi Avashia. "Polymerase Chain Reaction". Journal of Investigative Dermatology. 2013
[2] MT Rahman 외 4인. "Polymerase Chain Reaction (PCR): A Short Review". AKMMC J. 2013