수년간 COVID-19 팬데믹을 겪으며 보통의 사람들도 PCR 검사라는 단어가 익숙하게 되었습니다.
단백질이나 유전자의 분석을 통해 질병의 유무와 건강 상태를 점검하는 분자진단 기술.
오늘은 대표적 분자진단 기술인 PCR의 원리 및 이해 그리고 신기술인 디지털 PCR에 대해 알아보겠습니다.
1. 분자진단 기술 PCR 검사란?
모든 질병은 빠르게 발견하여 치료하는 것이 매우 중요합니다.
암이나 감염성 질병의 경우 특히 조기에 질병을 발견하는 것이 핵심이라고 해도 과언이 아닙니다.
체외 진단 기술 중 하나인 분자진단 기술은 단백질이나 유전자 (DNA, RNA) 분석을 통해 질병의 존재 유무 그리고 건강 상태들을 검사하는 방법입니다.
질병의 조기 진단을 통한 감염성 질병의 확산을 막을 수 있으며 NGS (Next Generation Sequencing)을 통해 얻어진 유전자 정보를 바탕으로 환자의 유전성 질병에 대해서도 예방할 수 있으며, 나아가 환자 맞춤형 치료를 위해 사용되고 있습니다.
2003년의 SARS, 2009년의 신종인플루엔자, 2014년의 에볼라, 2015년의 MERS, 2016년의 지카 등과 같이 신종 감염병은 주기적으로 반복 발생하고 있습니다.
최근 COVID-19 팬데믹 상황에서 체감하듯이 국가 간 교류 확대와 지구환경 변화로 인하여 감염병 발생이 전 세계적으로 증가하고 있으며, 이는 큰 사회적 경제적 손실을 초래했습니다.
COVID-19 팬데믹에서 분자진단의 기준 기술 (Gold standard)로 사용되고 있는 기술은 Polymerase chain reaction (PCR)이었으며, 이후 digital PCR 기술도 활발히 연구되고 있습니다.
2. 분자진단 – PCR 검사와 디지털 PCR 검사
PCR 검사와 새로운 기술인 디지털 PCR에 대해 간단히 알아보겠습니다.
PCR 원리 및 이해
우선, 가장 기본이 되는 PCR 기술은 DNA 샘플을 표적 물질로 하고 한 쌍의 프라이머 (Forward primer 와 Reverse primer)와 DNA 중합 효소 (DNA polymerase)를 사용하여 표적 핵산을 증폭시키는 기술이며 그 과정은 아래와 같습니다.
DOI:10.30526/34.4.2699 /
Shafeeq, N. K. (2021). Polymer Chain Reaction (PCR): Principle and Applications. Ibn AL-Haitham Journal For Pure and Applied Sciences, 34(4), 35-44.
- Denaturation step :PCR의 과정은 온도를 높게 올려 (약 95℃) 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥으로 만듭니다.
- Annealing step : 온도를 낮춰 (약 55℃) 프라이머가 단일 가닥의 DNA에 결합하도록 만듭니다.
- Extension step : DNA 중합 효소의 활성 온도인 72 ℃로 온도를 올리면 중합 효소의 활성으로 이중 가닥의 DNA를 생성하게 됩니다.
위와 같은 1 – 3 과정을 반복하여 소량의 표적 DNA로부터 많은 양의 DNA를 생성하게 만들 수 있습니다.
디지털 PCR 원리 및 이해
디지털 PCR은 기존의 일반 PCR 이후 개발된 PCR 기술입니다.
기존의 PCR 기술은 유전자 증폭 후 전기 연동 분석을 통해 정성분석을 하거나, 상대적 정량분석에 기반을 두고 있으며, 절대 정량분석을 위해서는 표준물질을 이용한 표준곡선이 필요하다는 한계가 있습니다.
이를 극복하기 위해 표준곡선 없이 유전자의 절대 정량분석을 가능하게 하고, 검출 정밀도와 재현성을 향상시킨 새로운 기술이 디지털 PCR입니다.
디지털 PCR 기술은 기존 PCR에서 진행되는 denaturation 과정부터 extension까지의 과정을 위에 그림에서 볼 수 있듯이 수만 개의 개별 반응을 진행할 수 있는 작은 물방울을 만들어 반응을 진행합니다.
각각의 물방울에서 증폭이 일어나기 때문에 증폭이 일어난 물방울 (표적 핵산이 있는 물방울)에서는 신호가 발생하고 증폭이 일어나지 않은 물방울 (표적 핵산이 없는 물방울)의 수를 확인하여 표적 핵산이 초기에 몇 개가 있었는지 바로 절대 정량을 할 수 있는 기술입니다.