[과학과 놀자] PCR은 질병진단·과학수사·유전자연구 등에 쓰여
신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 인한 팬데믹 시대에 살고 있는 학생과 교사들은 매일 코로나19 진단 방법의 종류를 접하고 있다. 무엇인지 잘 생각나지 않는다면, 지금 바로 '건강상태 자가진단' 앱을 열어보자.
1. 학생 본인이 코로나19 감염에 의심되는 아래의 임상증상이 있나요?

2. 학생 본인은 오늘(어제저녁 포함) 신속항원검사(자가진단)를 실시했나요?

3. 학생 본인이 PCR 등 검사를 받고 그 결과를 기다리고 있나요?
위의 질문에서 코로나19의 진단 방법을 찾았는가? 그렇다! 2번 항목의 ‘신속항원검사’와 3번 항목의 ‘PCR 검사’가 코로나19의 진단 방법이다! 신속항원검사와 PCR이 무엇인지 살펴보자.

신속항원검사는 채취한 검체에 바이러스 특이 항원이 있는지를 검출하는 방법이다. 신속항원검사 중 면역 크로마토그래피 분석법을 이용하는데, 이는 항원-항체 면역반응과 크로마토그래피 원리를 결합한 기술이다. 일회용 키트로 개발돼 집에서도 자가진단을 할 수 있다. 검체를 희석한 용액을 진단 키트에 떨어뜨리면 모세관 현상에 의해 반대편으로 흘러간다. 이때 검체에 있는 항원(코로나바이러스)은 라벨이 부착된 항체 그리고 Test(T)라인과 Control(C)라인에 있던 항체와 결합한다. T라인과 C라인에 모두 선이 보인다면 양성이다.

PCR(Polymerase Chain Reaction, 중합효소 연쇄 반응)은 DNA의 특정 염기서열을 복제해 증폭시키는 기술이다. PCR의 사이클(cycle)은 세 단계로 이뤄진다.

첫 번째는 DNA 변성 단계(Denaturation)로 94~96도로 가열해 이중 나선인 DNA를 단일가닥으로 분리한다.

두 번째는 프라이머(DNA 합성 시 출발점 역할을 하는 짧은 단일 가닥 조각) 결합 단계(Annealing)로, 온도를 50~65도로 낮추면 프라이머들이 DNA 특정 염기 서열에 상보적으로 결합한다.

세 번째는 DNA 합성 단계(Extension)로, 70~75도 정도로 온도를 높이면 프라이머를 주형으로 해 각 프라이머 말단에 DNA 중합 효소가 결합, 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 이렇게 한 번의 사이클을 마치면 특정 DNA의 양은 두 배가 되고, 20사이클 후 특정 DNA는 220개(약 100만 개)가 만들어진다. [그림]

PCR의 사이클을 통해 증폭되는 DNA의 양을 실시간으로 모니터링하면서 정확하게 정량할 수 있는 장치가 실시간 중합효소 연쇄 반응(Real Time PCR, qPCR)이다. 형광물질을 사용하기 때문에 실시간으로 증폭양을 확인할 수 있어서 ‘Real Time’을 붙여 Real Time PCR, 정량적인(quantitative)이라는 뜻의 ‘q’를 붙여 qPCR이라고도 한다.

코로나19는 RNA 코로나바이러스인 SARS-CoV-2로 인한 것이다. RNA는 PCR에 의해 바로 증폭될 수 없기 때문에 역전사효소를 이용해 바이러스의 RNA를 cDNA로 합성한 뒤 PCR 방법을 사용한다. 이를 RT-PCR(역전사 중합효소 연쇄 반응)이라고 하며, ‘RT’는 역전사(Reverse Transcription)를 이용해 RNA로 cDNA를 만드는 과정을 나타낸다. 분리한 RNA를 주형으로 상보적으로 합성하기 때문에 cDNA를 상보적 DNA(complementary DNA)라고 부르며, 이 cDNA를 증폭시켜 감염 여부를 판단한다.

qPCR과 RT-PCR이 결합된 형태인 RT-qPCR(실시간 역전사 중합효소 연쇄 반응)은 RNA를 cDNA로 만들고, 이 cDNA를 PCR로 증폭시키면서 실시간으로 증폭량을 정량적으로 측정하는 방법이다. 이를 통해 코로나19를 진단할 수 있다.

위에서 살펴본 PCR 기술은 질병의 진단뿐 아니라 DNA 분석을 통한 과학수사, 유전자 발현 연구 등 분자생물학에서 필수적인 기술이 됐다.

“오늘 PCR 검사 받았어요!” 전문가들이 사용하던 분자 진단 검사 용어를 이제는 유치원 아이들도 일상생활에서 사용한다. 뉴스와 인터넷 등에서 쏟아지는 새로운 생명공학 정보에 관심을 가지고, 우리 삶에 들어온 생명공학 기술의 이해를 즐겨보는 건 어떨까.

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정해련 서울사대부고 교사
정해련 서울사대부고 교사
PCR 기술은 질병의 진단뿐 아니라 DNA 분석을 통한 과학수사, 유전자 발현 연구 등 분자생물학에서 필수적인 기술이 됐다. 뉴스와 인터넷 등에서 쏟아지는 새로운 생명공학 정보에 관심을 가지고 우리 삶에 들어온 생명공학 기술의 이해를 즐겨보는 건 어떨까.