바이오인

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 18-57
발명 이후 35년, 진화를 계속하는 PCR 기술

 ◇ 원하는 DNA를 증폭시킬 수 있는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 기술은 1983년 발명 이후 분자생물학 연구의 필수적인 도구로서 관련 기술과 기기는 지속적으로 발전 중. 최근 발명 35주년을 맞이한 PCR은 유비쿼터스 실험도구로 진화하였으며, 기초연구에서 임상응용까지, 실험실에서 우주 공간까지 활용영역을 확대해 나가는 중

    ▸주요 출처 : Science, PCR: Thirty-five years and counting, 2018.5.10

■ PCR은 1983년 발명 이후 분자생물학의 필수적인 기술이 되었으며, 보다 획기적인 응용방향으로 계속 진화하는 중

 ○ 1983년 미국 Cetus사 과학자인 Kary Mullis가 개발한 PCR(중합효소 연쇄반응, Polymerase Chain Reaction)은 특정 DNA 부위를 특이적으로 반복 합성하여 시험관 내에서 원하는 DNA를 증폭시키는 방법
  - 적은 양의 DNA로부터 많은 양의 DNA를 단시간(2시간 이내)에 합성할 수 있어 염기서열 분석, 유전자 검사 및 바이러스 검사 등의 다양한 분야에서 응용
    ※ PCR 기술을 개발한 Kary Mullis와 Michael Smith는 1993년 노벨화학상을 수상

 ○ PCR 기기의 주요 구성요소는 열순환기(Thermal cycler)로, 이 시스템은 시험관을 빠르게 가열 및 냉각하고 특정기간 동안 정확한 온도를 유지할 수 있는 특징을 가진 장치 
  - 지난 30년 동안 개발과 경쟁으로 PCR 기기는 대폭 향상되었으나, 여전히 무겁고 전력소모가 많으며 비싼 편으로 실험실 밖에서의 사용에는 한계
  - 최근 이를 보완하는 기술들이 개발되면서 소형휴대용 PCR 기기들이 제작 되면서 실험실 밖 현장에서의 분석이 가능

■ 획기적인 응용방향으로 진화 중인 PCR 기기의 형태와 사례

 ○ (휴대용 miniPCR) Alvarez-Saavedra 연구팀은 Sebastian Kraves 박사와 협력하여 휴대용 열순환기를 제작하고 MiniPCR 시스템을 개발
  - 자동차 유리의 서리제거기와 같은 얇은 박막(thin-film)의 저항성 히터로 빠르게 온도를 올리고 단순한 선풍기로 냉각시켜 단순소형화된 PCR 기기를 개발, PCR을 실험실 밖에서도 사용 가능
  - MiniPCR 시스템은 1,000 달러 이하로 판매되어 학교를 중심으로 활용. 또한 국제우주정거장 실험실에서도 이용
    ※ 국제우주정거장에서 MiniPCR을 이용하여 최초로 DNA 증폭에 성공한 내용을  논문으로 발표(NPJ, Successful Amplification of DNA Aboard the International Space Station, 2017.11.16.)

 ○ (스마트폰 PCR) 저렴하고 휴대 가능한 PCR 기기 개발. 미국 Biomeme는 실시간 PCR을 도입하여 휴대용 PCR의 개념을 새로운 차원으로 진일보

  - 국내기업인 아람바이오시스템은 최소형 이동식 유전자증폭기 Palm PCR 개발
    ※ 열대류 방식으로 초고속 유전자 증폭을 구현하는 동시에 전기 소모량을 줄여 기존의 PCR 장비에서 요구되던 대규모 전원 대신 리튬이온 배터리를 장착해 휴대성을 높임. 2017년 ‘실시간 Palm PCR’ 출시, 검출시간을 15분 이내로 단축
  - Biomeme는 qPCR(Real-time Quantitative PCR)을 휴대용 PCR 기기에 도입. MiniPCR과 동일한 방법으로 열순환기 문제를 해결하면서 qPCR 반응을 제어하고 모니터링할 수 있는 광센서를 추가
    ※ Biomeme two3™는 4,000 달러의 가격으로 MiniPCR 시스템보다 고가이지만 30∼60분 내에 분석결과를 얻을 수 있으며, 샘플 1개에서 최대 6개 타겟을 실시간으로 감지할 수 있음

< 휴대용 PCR 기기 : (좌) MiniPCR, (가운데) Ahram Biosystems, (우) Biomeme 제품 >

              출처 : Minipcr, Ahram Biosystems, Biomeme 홈페이지 

 ○ (생균만을 증폭하는 PCR) 모리나가유업(Morinaga Milk Industry)은 죽은 세균에만 작용하는 화합물을 개발하여 살아있는 세균의 DNA만을 선택적으로 증폭하는 PCR을 개발
  - 그간 PCR에서는 특정 DNA/RNA 존재가 살아있는 유기체와 관련 있음을 증명하지 못했지만, 관련기술 개발로 식품산업에서 중요한 저온살균 및 비저온살균에서 병원균 검출이 가능