오늘은 핵산 증폭의 핵심인 PCR 을 대체할 수 있는 등온 핵산 증폭 (Isothermal amplification) 기술에 대해 알아보겠습니다.
다양한 유전자 진단이나 질병의 감염 여부를 확인하기 위한 분자 진단 기술로 PCR 기술이 널리 활용되고 있습니다.
COVID-19 팬데믹 이후 일반인들에게도 널리 알려진 PCR 검사 기술은 핵산 증폭의 표준 기술로 사용되고 있습니다.
1. PCR 기술의 한계점 및 등온 핵산 증폭 기술 개발
앞서 언급한 대로 PCR 기술은 표적 핵산을 매우 효율적으로 증폭시키는 기술입니다.
하지만 지속적인 온도 변화 [denaturation step, annealing step, extension step]를 필요로 하기 때문에 고가/큰 크기의 열 순환기 (thermal cycler)를 필요로 합니다.
이 부분은 기술의 현장진단 적용에 있어 큰 걸림돌이 됩니다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 대체 기술로 등온 핵산 증폭 기술이 연구되고 있습니다.
2. 등온 핵산 증폭 기술의 원리
그럼 이제 등온 핵산 증폭 기술의 원리에 대해 알아보겠습니다.
핵산 증폭 기술에서 중요한 요소 중 하나는 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥으로 만드는 방법에 있습니다.
DNA는 염기의 상보적인 결합을 통해 이중 가닥의 안정적인 형태에서는 프라이머가 붙을 수 없기 때문에 단일 가닥의 DNA를 만드는 것이 중요합니다.
PCR의 경우 온도를 매우 높게 올려 DNA 이중 가닥이 풀리게 하는 방식을 사용합니다.
반면, 등온 핵산 증폭 기술에서는 다양한 enzyme과 핵산의 특성을 활용한 기작을 통해 고온으로 열을 올리지 않고 증폭을 구현합니다.
DOI: https://doi.org/10.3390/foods11030322
Moon, Y. J., Lee, S. Y., & Oh, S. W. (2022).
A review of isothermal amplification methods and food-origin inhibitors against detecting food-borne pathogens. Foods, 11(3), 322.
추후 각각의 등온 핵산 증폭 기술에 대해 구체적으로 다루는 글을 작성할 예정이기 때문에 오늘은 간략하게 몇몇 등온 핵산 증폭 기술에 대해 설명하겠습니다.
1. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP)
가장 유명한 등온 핵산 증폭 기술 중 하나인 LAMP 기술은 적게는 4개의 프라이머 (Forward outer primer, forward inner primer, backward outer primer, backward inner primer), 많게는 6개 (Loop primers)의 프라이머를 사용하여 증폭하는 기술로 일반적으로 60-65℃에서 반응이 진행됩니다.
반응의 중간 산물에는 여러 프라이머를 활용하여 다양한 루프 구조를 형성하게 됩니다.
2. Recombinase polymerase amplification (RPA)
RPA 기술은 recombinase, single strand binding protein의 기작을 활용하여 증폭하는 기술로 등온 핵산 증폭 기술 중 매우 빠르게 핵산을 증폭하는 기술입니다.
비교적 낮은 온도 37-42℃에서 반응을 진행한다는 장점이 있습니다.
3. Nucleic acid sequence-based amplification (NASBA)
NASBA 기술 또한 널리 사용되는 등온 핵산 증폭 기술 중 하나로 DNA를 표적 물질로 하는 LAMP, RPA 기술과 달리 RNA를 표적 물질로 하는 기술입니다.
Reverse transcriptase와 RNase H 그리고 T7 RNA polymerase를 활용하여 효율적으로 41℃에서 핵산을 증폭시킵니다.
3. 마치며
물론 이외에도 다양한 등온 핵산 증폭 기술들이 있습니다.
대표적으로 LAMP, RPA, NASBA에 대해 간략하게 설명했으며 추후에 구체적으로 설명하는 글을 다루도록 하겠습니다.
등온 핵산 증폭은 열 순환기를 필요로 하지 않기 때문에 기기의 소형화에 유리하며 이는 현장 적용에 있어 아주 큰 메리트가 됩니다.
그러나, 일반적으로 PCR 기술에 비해 민감도 및 특이도가 떨어진다는 단점이 있습니다.
이러한 단점을 극복하기 위해 연구가 활발히 진행되고 있으며 멀지 않은 미래에 PCR을 대체할 하나의 기술로 확실하게 자리매김할 것으로 생각됩니다.