한국표준과학연구원, 초고속 DNA 자동분석시스템 개발
DNA 분석시스템
박상열 박사
박상열 박사팀은 기존의 칩구조를 단순화시킨 고밀도형 전기영동칩을 개발하고 시료이송부터 분석까지의 모든 과정을 자동화시킴으로써 DNA 분석의 고속화 및 자동화를 실현하였다.
전기영동은 생화학물질에 전기를 가할 때 분자들의 크기와 전하량에 따라 음극과 양극으로 이동하는 속도가 다른 원리를 이용하여 유전자를 분석할 수 있는 기술이다. 최근 전기영동 기술을 이용하여 DNA 염기서열인 A,T,G,C의 암호를 해독함으로써 30억 쌍에 달하는 인간의 유전체 정보가 최근 모두 밝혀진 바 있다. 특히 전기영동기술에 의해 파악된 유전자정보는 암과 같은 난치성 질병의 유전학적 원인과 치료성공률 등을 평가하는데 필수적이다. 또한 유전자 감식, 미생물 유전자 동정, 중합효소연쇄반응 연구에도 활용된다.
박상열 박사팀의 중요한 연구 성과는 기존의 전기영동 칩구조에서 반드시 필요했던 십자형 시료주입부를 과감히 생략함으로써 그 구조가 매우 단순한 고밀도형 전기영동칩을 실현한 것이다. 기존의 십자형 유로는 불가피하게 넓은 면적을 차지하기 때문에 통상적으로 극소수의 전기영동채널만 설치할 수 있었는데, 이 십자형유로를 제거함으로써 전기영동채널들을 1 mm 간격으로 조밀하게 배열, 약 2.5 cm 크기 내에 24개의 채널이 장착될 수 있도록 하였다. 이 경우 조밀하게 배열된 전기영동 채널들에 서로 섞이지 않게 시료를 주입하는 것이 기술적 관건인데, 비극성용매와 수용성시료가 서로 반발하는 성질과 시료토출구로부터의 시료를 직접 전기 주입하는 기술을 사용하여 이 문제를 완벽하게 해결하였다. 이 기술을 사용할 경우, 시료토출구의 위치가 전기영동채널의 입구와 잘 정렬되지 않은 경우에도 시료가 자발적으로 해당 전기영동채널을 찾아 주입된다.
이러한 전기영동채널들의 고밀도 배열은 DNA 분석의 고속화를 실현할 뿐만 아니라 임의로 칩의 길이를 변경할 수 있어 거의 모든 유전자 및 단백질 분석에 적용할 수 있다. 아울러 박상열 박사팀은 사용자의 편리를 위해 생물학 실험실에서 주로 쓰는 96-well(8 x 12로 배열된 시료저장소)에서 한번에 시료를 8개씩 채취하여 전기영동칩에 자동으로 시료를 주입해주는 로봇시스템을 고안, 제작하였다. 따라서 사용자가 시료를 가져다 저장소에 쌓아두고 적절한 프로그램을 가동시키기만 하면 시료이송 및 주입, 전기영동, 분석의 전 과정이 자동으로 수행된다. 특히 개발된 전기영동칩은 에폭시 몰딩 (Epoxy molding) 방식으로 제조되기 때문에 고가의 제조시설 없이도 대량생산이 가능하다. 또한 칩의 내구성이 매우 커 반영구적으로 사용할 수 있고, 단순화된 칩의 구조를 통해 칩에 적용되는 검출기의 구조 역시 단순화시킴으로써 가격이 저렴하고 정확도가 높다.
이번 기술은 해외에서 개발한 칩기반 전기영동분석 기술에 비교해서 매우 독창적일뿐 아니라 편리성과 경제성이 높아 우수한 기술경쟁력을 가지고 있다. 일부 국가유전체연구소 등이 보유한 초대형 전기영동 장비 (96채널, 384채널) 보다는 규모가 작지만 대학의 공동기기실, 연구소, 바이오기업, 또는 대형병원 실험실 등에 적절한 중급 규모이면서 기존장비에 비해 가격경쟁력이 좋아 잠재시장의 규모가 크다. 바이오실험에서 일상적으로 이루어지는 중합효소연쇄반응 (PCR) 산물 분석의 경우, 1분 이내에 이루어지므로 예전보다 60배 이상의 고속으로 편리하게 실험을 수행할 수 있다. 이번 기술은 이와 같이 바이오실험의 능률을 대폭 개선할 수 있도록 함으로써 생명과학의 연구개발과 활용에 큰 도움을 주게 될 것으로 기대된다.
■ 전문용어 설명
○ 에폭시 몰딩(Epoxy molding)
투명한 에폭시 수지를 미리 준비된 주형에 부어 경회시킴으로써 원하는 형태의 구조물을 만들어 내는 기술
○ 유전자 감식
유전자의 특정 염기서열의 반복수가 각 개인마다 다른 점을 이용, 이를 지문으로 삼아 혈흔 등에 남은 유전자로부터 해당 인물을 찾아내는 기술
○ 유전자 염기서열 결정 기술
유전정보의 구성성분인 4종의 염기(A, T, G, C)들이 특정 유전정보 내에 배열된 순서를 밝히는 기술
○ 미생물 유전자 동정
박테리아 등이 외형적으로는 같지만 미세한 유전정보의 차이에 따라 그 성질이 매우 다를 수 있음을 활용하여 파악된 유전정보로부터 그 종 및 특성을 정확히 구별해내는 기술
○ 중합효소연쇄반응 (PCR: Polymerase Chain Reaction)
기존의 유전자의 일부를 주형으로 삼아 상보적인 염기서열의 유전자를 복제해내는 기술로서 복제된 결과물이 다시 다음 반응에서 주형으로 사용되기 때문에 반응산물이 반응회수의 2의 지수승으로 증폭됨. 특정 유전자를 대량으로 복제해내는데 사용됨
■ 박상열 박사 약력
- 2000 ~ 현재: 한국표준과학연구원 유기생물분석표준그룹 책임연구원, 그룹리더
- 1998 ~ 2000: 미국 Mayo Clinic 임상생화학 펠로우
- 1996 ~ 1998: 미국 유타대학교 인간유전학과 박사후 연수원
- 1991 ~ 1996: 미국 캔자스대학교 생화학분석 박사
- 1984 ~ 1991: 한국표준연구소 연구원
- 1979 ~ 1984: 서울대학교 화학과 (학사)
한국표준과학연구원 개요
국가측정표준 정점이며 가장 앞서가는 측정을 연구하는 대덕연구단지내의 출연연구기관입니다.
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