지문해설 | 2022학년도 고3 6평 "중합 효소 연쇄 반응(PCR)" 과학지문 Q14~17

2022학년도 고3 6평 속 중합 효소 연쇄 반응(PCR), 실시간 PCR, 형광 발색을 통한 검출 원리를 설명합니다. 잘 와닿지 않아 어려웠던 과학기술을 쉽게 이해해 보세요 :) 

목차

2022학년도(2021년 시행) 고3 6월 평가원 모의고사 Q14~17 중합 효소 연쇄 반응(PCR) 

< 요약 >

 

중합 효소 연쇄 반응(PCR)에서는 이중 가닥의 DNA가 단일 가닥으로 분리되어 프라이머 결합, DNA 중합 효소에 의한 복제의 과정을 거쳐 매 사이클마다 2배의 이중 가닥 DNA가 생성됩니다.

<표적 DNA의 증폭 여부 확인 방법>
전통적인 PCR	실시간 PCR
	㉠ 이중 가닥 DNA 특이 염료	㉡ 형광 표식 탐침
최종 산물에 형광 물질을 결합	PCR 과정에서 생성된 이중 가닥 DNA와 결합하는 형광 물질을 이용	표적 DNA에 결합했다가 떨어지며 형광 물질이 발색

 

이때 실시간 PCR에서 일정 수준의 발색도에 도달하기 위해 필요한 사이클은 표적 DNA의 초기 양에 따라 달라집니다.

 

1문단

 

DNA(Deoxyribonucleic Acid, 디옥시리보핵산)은 생명체의 유전 정보를 담고 있는 물질입니다. DNA는 아래 그림처럼 4종의 염기가 당과 인산으로 만들어진 골격에 길게 연결된 이중 나선 구조를 가지고 있습니다. 염기에는 아데닌(A), 티민(T), 사이토신(C), 구아닌(G)이 있으며, DNA를 구성하는 염기-당-인산을 통칭하여 뉴클레오타이드라고 부릅니다.

 

DNA를 분석하면 다양한 유전 정보를 확인할 수 있습니다. 그렇기 때문에 알고 있는 DNA의 염기 서열을 이용해서 다량으로 증폭할 수 있다면 매우 유용한데, '중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 개발'하여 이를 가능하게 한 멀리스가 노벨 화학상을 수여받기도 하였습니다.

 

'PCR는 ▲주형 DNA, ▲프라이머, ▲DNA 중합 효소, ▲4종의 뉴클레오타이드'가 필요합니다:

• 주형 DNA: 'PCR에서 DNA 증폭의 바탕이 되는 이중 가닥 DNA'
• 표적 DNA: '주형 DNA에서 증폭하고자 하는 부위'
• 프라이머: '표적 DNA의 일부분과 동일한 염기 서열로 이루어진 짧은 단일 가닥 DNA'
• DNA 중합 효소: '단일 가닥 DNA의 각 염기 서열에 대응하는 뉴클레오타이드를 결합시킴'

 

이어지는 문단에서 어떻게 4가지 요소들이 PCR 과정에 이용되는지 구체적으로 확인해 봅시다.

 

2문단

 

PCR 과정은 일반적으로 ① DNA 변성, ② 프라이머 결합, ③ DNA 신장, ④ 복제 사이클 반복을 거쳐 ⑤ 종료됩니다.

1. DNA 변성: '열을 가해 이중 가닥의 DNA를 2개의 단일 가닥으로 분리'
   1문단에서 'DNA 증폭의 바탕이 되는 이중 가닥 DNA'를 주형 DNA라고 하고 그중 '증폭하고자 하는 부위'를 표적 DNA라고 한다고 했으니, 주형 DNA가 열로 인해 분리되며 증폭하고자 하는 부위가 2개의 단일 가닥 DNA로 변성되는 것입니다.

2. 프라이머 결합: '각각의 단일 가닥 DNA에 프라이머가 결합'
   프라이머는 아래 그림에서 붉은색으로 표시된 것처럼 '표적 DNA의 일부분과 동일한 염기 서열로 이루어진 짧은 단일 가닥 DNA'입니다. 프라이머는 '표적 DNA의 시작과 끝에 각각 결합'하여 증폭하고자 하는 부위를 구분합니다.

3. DNA 신장: 'DNA 중합 효소에 의해 복제되어 2개의 이중 가닥 DNA' 생성
   프라이머가 결합한 곳부터 DNA 중합 효소가 작용하여 '단일 가닥 DNA의 각 염기 서열에 대응*하는 뉴클레오타이드를 순서대로 결합'시킵니다. 이를 통해 분리되었던 2개의 단일 가닥은 각각 이중 가닥 DNA로 생성되어 총 '2개의 이중 가닥 DNA가 생성'됩니다.
   * 참고로, DNA를 구성하는 염기는 서로 대응하는 짝이 있습니다. 아데인(A)는 티민(T)과만 결합하고, 사이토신(C)은 구아닌(G)과만 결합합니다. 그래서 분리된 단일 가닥 DNA에 만약 아데닌(A)이 있다면, 이는 분리 전에도 티민(T)과 결합하고 있었다는 의미이며, 복제되는 과정에서도 DNA 중합 효소에 의해 티민(T)과 결합하게 됩니다. 즉, 기존과 동일한 이중 가닥을 갖는 DNA로 복제될 수 있는 것입니다.

4. 복제 사이클 반복: '사이클마다 표적 DNA의 양은 2배씩 증가'
   1~3의 과정을 반복하면, 1개의 이중 가닥 DNA는 2개의 이중 가닥 DNA로 복제됩니다. 2개가 된 이중 가닥 DNA는 다시 한번 복제 사이클을 거치며 총 4개의 이중 가닥 DNA로 복제될 수 있습니다. 이처럼 '표적 DNA의 양은 2배씩 증가'하는 사이클이 일정한 시간 동안 진행되며 DNA가 복제됩니다.

5. PCR 종료: 'DNA의 양이 더 이상 증폭되지 않을 정도로 충분히 사이클을 수행한 후 종료'

 

PCR을 통해 DNA가 충분히 증폭되었는지는 어떻게 확인할 수 있을까요?

전통적인 PCR에서는 'PCR의 최종 산물에 형광 물질을 결합시켜 발색을 통해 표적 DNA의 증폭 여부를 확인'합니다. PCR이 종료된 후에야 DNA가 증폭되었다는 것을 확인할 수 있다는 아쉬움을 극복하기 위해서 어떤 방식이 도입되었을지, 다음 문단에서 확인해 봅시다.

 

 

3문단

 

실시간 PCR이 개발된 덕분에 '사이클마다 발색 반응이 일어나도록 하여 표적 DNA의 증폭을 실시간으로 확인'할 수 있게 되었습니다. 이때 이용되는 발색 물질에는 ㉠ 이중 가닥 DNA 특이 염료와 ㉡ 형광 표시 탐식이 있습니다. 각각 어떤 원리로 사이클마다 발색 반응이 일어날 수 있는지 살펴봅시다.

 

먼저, ㉠ 이중 가닥 DNA 특이 염료는 '이중 가닥 DNA와 결합하면 발색하는 형광 물질'입니다. PCR 과정에서는 이중 가닥 DNA가 계속 새로 생성되는데, '새로 생성된 이중 가닥 표적 DNA와 결합하여 발색하므로 표적 DNA의 증폭'을 알 수 있습니다. 하지만 꼭 표적 DNA가 아니더라도 '2개의 프라이머끼리 결합'하여 형성되는 '이중 가닥의 이합체'에도 결합할 수 있기 때문에, '의도치 않은 발색이 일어날' 우려가 있습니다.

 

4문단

 

한편, ㉡ 형광 표시 탐침은 '형광 물질과 이 형광 물질을 억제하는 소광 물질이 붙어 있는 단일 가닥 DNA 단편'입니다. 형광 물질과 소광 물질이 함께 붙어 있을 때에는 발색되지 않는 상태를 유지합니다. 하지만 형광 표시 탐침은 '표적 DNA에 결합'해 있다가, DNA 중합 효소에 의해 이중 가닥 DNA로 복제되는 과정에서 '표적 DNA와의 결합이 끊어지고 분해'됩니다. 이때 '형광 물질과 소광 물질의 분리가 일어나며 비로소 형광 물질이 발색'됩니다.

• 장점: '형광 표시 탐침은 표적 DNA에 특이적으로 결합'하기 때문에 ㉠ 이중 가닥 DNA 특이 염료를 이용할 때 우려되는 의도치 않은 발색이 없음
• 단점: '상대적으로 비용이 비쌈'

 

5문단

 

앞서 3문단에서 실시간 PCR에서는 사이클마다 발색 반응이 일어나기 때문에, '누적되는 발색을 통해 표적 DNA의 증폭을 실시간으로 확인'할 수 있습니다. 그래서 실시간 PCR에서 '발색도는 증폭된 이중 가닥 표적 DNA의 양에 비례'합니다. 이때 '일정 수준의 발색도에 도달하는 데 필요한 사이클은 표적 DNA의 초기 양에 따라' 달라집니다.

• 초기 표적 DNA의 양이 많음(=농도가 높음) → 사이클마다 증폭된 이중 가닥 표적 DNA의 양이 많음 → 발색이 더 빨리 진해짐 → '표적 DNA를 검출했다고 판단하는 발색도에 도달'하기 위해 필요한 사이클(C_t)이 적음
• 즉, 초기 표적 DNA의 농도가 높을수록 C_t 값이 작음

 

이를 이용하면 표적 DNA의 농도를 알고 있는 표준 시료의 C_t 값과 비교하여, '미지 시료에 포함된 표적 DNA의 농도를 계산'할 수 있습니다.

 

6문단

 

PCR은 '광범위하게 활용'됩니다. 특히 실시간 PCR을 이용하면 '바이러스의 감염 여부를 초기에 정확하고 빠르게 진단'할 수 있습니다. 한동안 코로나19 바이러스가 유행했을 때, PCR을 이용하여 코로나19 바이러스의 특정 유전자를 증폭하고 검체 내에 바이러스가 존재하는지 검출해 낼 수 있었습니다.

 

17번 문제 풀이

 

문제 17번의 <보기1>에서는 같은 양의 ⓐ 미지 시료와 ⓑ 표준 시료를 동일한 조건에서 실시간 PCR을 실시하는 실험 상황을 가정하고 있습니다.

 

[A]의 내용을 정리하여 요약해 보면 다음과 같습니다:

• 초기 표적 DNA의 양이 많음(=농도가 높음) → 사이클마다 증폭된 이중 가닥 표적 DNA의 양이 많음 → 발색이 더 빨리 진해짐 → '표적 DNA를 검출했다고 판단하는 발색도에 도달'하기 위해 필요한 사이클(C_t)이 적음
• 즉, 초기 표적 DNA의 농도가 높을수록 C_t 값이 작음

그렇기 때문에 ⓐ의 표적 DNA 초기 농도가 더 높다면, ㉮에서 사이클마다 증폭된 표적 DNA의 양은 ⓐ가 더 많아 발색이 더 빨리 진해지며, ㉰에서 실시간 PCR의 C_t 값이 작을  것이라는 점을 추론할 수 있습니다. 한편, ㉯에서 C_t 값에서의 발색도는 표적 DNA를 검출했다고 판단하는 발색도이므로, 시료의 농도에 따라 변하는 값이라서 ⓐ와 ⓑ가 동일합니다.