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1. 개요2. 배경3. 원리4. 각종 응용과 활용5. 여담6. 관련 문서7. 둘러보기

1. 개요

重合酵素連鎖反應 / Polymerase Chain Reaction

1983년 미국의 생화학자 캐리 멀리스(Kary Mullis)가 개발한 DNA 복제 방식.[1] 흔히 줄여서 PCR이라고 한다. 이 방식을 이용하면 원하는 유전 정보 물질의 양을 기하급수적으로 증폭시킬 수 있어서 유전공학과 분자생물학이 혁명적으로 발전하는 계기가 되었다.[2] 현재 거의 모든 생명과학 분야에서 필수적으로 이용되는 기법이다.

2. 배경

유전 정보를 전달하는 DNA의 이중 나선 구조가 밝혀진 뒤, 생물학자들은 '어떻게 하면 이 유전자라는 것을 조작할 수 있을까?' 하는 생각을 하기 시작한다. 즉, 특정한 유전자를 없애거나 외부에서 유전자를 주입하는 방법을 통해서 생물학의 문제들을 접근하게 된 것. 당연히 그런 실험의 재료로서 해당 DNA가 대량으로 필요하게 되었다.[3]

가장 분자적인 접근이라면 DNA 서열을 통째로 유기 합성하는 방법이 있겠지만, 이건 짧은 서열이라도 시간과 돈이 많이 들고 길이가 길어질수록 불안정해져서 합성 기술이 좋아진 21세기에나 가능해진 일이다. 반대로 가장 생물학적인 방법, 즉 단세포들의 복제 장치를 이용해서 염기 서열을 증폭하는 일[4]은 세포라는 시스템을 사용해야 하기 때문에 여러 가지 제약이 있고, 무엇보다도 세포가 복제할 수 있는 형태로 DNA를 가공해야 하는데 그러려면 일단 원하는 만큼 DNA를 얻어야 하는, 일종의 닭과 달걀의 문제가 있었다.

한편, 많은 과학자들에 의해 센트럴 도그마의 기본 축인 복제 [5]의 생화학적인 원리가 차차 밝혀지게 된다. 즉 DNA 복제가 다음과 같은 순서로 이루어짐을 알게 된 것이다.

이중 나선이 풀어져 한 가닥의 DNA 상태가 됨. 이것을 DNA 주형이라고 부른다.[6]
풀어진 한 가닥 DNA 사슬에 프라이머(primer)라고 불리는 짧은 가닥의 RNA가 복제 시작 지점에 달라붙음.
DNA 중합 효소가 프라이머를 인식한 후 DNA 주형 가닥과 상보적인 서열들을 합성, 한 가닥 DNA 사슬이 두 가닥의 이중 나선으로 복제됨.[7]
프라이머 RNA를 DNA로 바꾸어서[8] 복제된 DNA들을 하나로 이음.

마침내 과학자들은 "그러면 세포 말고 복제에 필요한 효소만 뽑아서 DNA랑 프라이머랑 섞어주면 자기가 알아서 복제를 하지 않을까?"라고 생각하게 되고, 멀러스는 여기서 한 발 더 나아가 "일단 복제가 일어난 다음에, 또 복제가 일어날 수 있는 조건을 잘 통제해서 반복하면 한 번 반복할 때마다 기하급수적으로[9] DNA 카피 수를 늘릴 수 있겠다!" 하고 착안하게 된다.

즉, DNA를 복제하는 과정에 필요한 다양한 효소들 중에서 정말 필요한 DNA 복제 효소만을 남기고, RNA가 아닌 DNA 구조의 프라이머[10]를 만들어 넣어준 뒤, 온도를 높여서 이중 나선이 풀어지는 과정을 저절로 일어나게 하고[11], 다시 온도를 조금 낮춰서 DNA 프라이머가 붙게 한 뒤[12] 중합효소가 작용할 수 있는 온도로 맞춰서 중합 효소가 복제를 마치면[13] 이중 나선 DNA 두 가닥이 만들어지는 것이다. 1-3을 [math(n)]번 반복하면 [math(2^n)]개 만큼의 DNA 가닥이 만들어지게 된다.[14]

3. 원리

파일:external/photo.hankooki.com/yw1305164.jpg

PCR의 세 단계를 나타내는 그림. 각 단계는 변성(Denaturation), 결합(Annealing), 신장(Elongation) 단계라고 한다. 변성 단계에서는 두 가닥의 DNA를 분리하고, 결합 단계에서 프라이머가 이 DNA에 결합한다.[15] 또한 신장 단계에서는 중합 효소(polymerase)가 DNA를 합성한다. 합성 단계에서 걸리는 시간은 자기가 증폭하고자 하는 DNA의 길이에 따라 다른데, 요새 가장 많이 쓰이는 Taq 중합 효소는 1분에 약 1000개의 뉴클레오타이드를 합성한다(1kb/min).

PCR이 싸지고 효율성이 크게 좋아진 중요한 계기는 내열성 중합 효소의 발견이 정말 컸다. 고온에 DNA를 때려박아 놓음으로써 여러 효소들이 필요없어진 것은 좋았는데, 정작 복제에 필요한 중합 효소가 고온에서 버티지 못해서 불완전했다. 처음엔 PCR을 할 때 대장균의 중합효소를 사용했는데, 위의 변성단계에서 DNA중합효소까지 같이 변성되어 버린 것.[16] 따라서 한번 사이클을 돌릴 때마다 효소가 비활성화돼서 새로 효소를 넣어주어야 했고, 거기다 위의 세 단계가 정확한 온도에서 작동해야 했기 때문에[17] 21세기의 실험실에서도 PCR이 안 될 경우 온도를 1도 단위로 바꿔가면서 컨디션을 잡아야 하는데, 이 온도를 컨트롤하는 것이 매우 어려웠다.[18]

그런데 Thermus aquaticus[19] 에서 발견된 중합효소[20]는 고온에서도 안정해서 위의 1~3단계를 여러 번 반복해도 활성을 유지하기 때문에(물론 과정을 반복할 수록 효소인 이상 어느 정도의 활성감소는 불가피하다.) 위와 같은 번거로움과 비효율을 한 번에 깨트리게 되었다. 요즘은 고온에도 잘 버티고 잘못 합성된 서열을 교정(Proofreading activity)할 줄도 아는 Pfu[21] 같은 중합 효소들도 개발되어 있다.[22] 거기에다가 반도체로 작동하는 온도 조절 장치 등이 등장하면서 PCR는 노벨상을 받은 기술에서 생물학 랩에서 못 하면 갈굼당하는 수준으로 널리 보급화된다.[23][24] 물론 PCR 기술 자체도 높은 정확도가 필요할 경우 다른 종류의 효소들을 섞어서 사용하는 식으로 발전하고 있다.

위에 서술된 Pfu에서 유래된 Phusion DNA Polymerase와 더불어 가장 많이 사용되는 Proofreading 기작이 존재하는 DNA Polymerase로 Q5 High-Fidelity DNA Polymerase가 있다. 이는 New England Biolabs가 개발한 DNA Polymerase로 이탈리아의 솔파타라산이라는 화산에서 발견된 고세균에 속하는 Sulfolobus solfataricus 에서 DNA Binding Domain에서 영감을 얻었다고 한다. 이는 일반적인 Taq Polymerase에 비해 약 50fold 정도 정확도를 증가 시켰으며 #, 현재 많은 개량을 거쳐 ~280fold 의 정확도 증가를 이루어 냈다고 한다. # 당연하지만 이 같은 개량을 거친 회사의 제품들은 일반 Taq DNA Polymerase보다 훨씬 높은 가격대를 형성하고 있으며[25], 대학 연구실등에서도 간단한 Size Check의 목적등엔 Taq DNA Polymerase를 사용하고, Cloning 목적등 PCR error가 치명적으로 작용할 수 있는 실험[26] 진행할때만 Q5 High-Fidelity DNA Polymerase를 사용하는게 일반적이다. Q5 High-Fidelity DNA Polymerase의 또 하나 큰 특징은 Phusion DNA Polymerase와 마찬가지로 Taq DNA Polymerase에 비하여 훨씬 높은 온도에서 잘 작용하기 때문에, Denaturation이나 Annealing을 하는 온도가 Taq DNA Polymerase보다 훨씬 높게 측정되어 있다. 물론 Buffer도 높은 온도에서 더 잘 작동하도록 설계되어 있으며, Primer의 농도 또한 일반 Taq DNA Polymerase를 이용한 PCR보다 높은등 여러가지 차이점이 존재하니 제조사 메뉴얼과 Tm Calculator #를 적극 활용하여야 한다.

DNA를 다루는 곳에서는 PCR 장치[27]를 다 구비하고 있다고 해도 과언이 아니다. 어떤 양덕은 집에서 손쉽게 만들 수 있는 PCR 기계를 개발하기도 하였다.[28]

PCR의 좀 더 자세한 원리와 실제 실험할 때 참고할 정보를 찾는 다면 Takara 사에서 제공하는 다음 메뉴얼을 참고하자.
#

4. 각종 응용과 활용

엄밀하게 PCR은 DNA 서열을 증폭하는 것만을 뜻하지만, 샘플이나 용도에 따라 다양한 파생 방식이 있다.

콜로니 PCR(colony PCR): 배지에서 키운 세균의 콜로니를 증폭시키는 방법. 세균을 용해시키는 과정 없이 이쑤시개 등으로 픽업한 콜로니를 PCR용액에 넣기만 해도 알아서 증폭된다.
역전사 PCR(reverse transcription-PCR; RT-PCR): RNA를 역전사해 cDNA로 만들어서, cDNA를 증폭시켜 실험체 내에서 해당 유전자가 얼마나 발현중인지를 알 수 있는[29] 방법. 코로나 바이러스같은 바이러스의 경우 DNA가 아닌 RNA를 가지고 있다. RNA 보다 DNA가 안정적이기 때문에 PCR로 증폭을 시키는 첫 단계로서 이런 바이러스의 RNA를 DNA로 바꿔주는 과정을 거치는데 이를 역전사라고 부른다. 예를 들어 RNA 바이러스인 코로나 바이러스를 검출하기 위해서 우선 코로나 바이러스 RNA만이 가지는 아주 특이한 염기서열에 결합하는 DNA 조각(primer라고 부름)을 코로나 바이러스 RNA에 붙여서 역전사 효소를 작용시키면 코로나 바이러스의 RNA와 상보적인(complementary) 염기서열을 가지는 DNA가 합성되며 이 DNA를 cDNA라고 부른다. 이 cDNA를 만들어 PCR법으로 코로나 바이러스의 유전자 조각을 증폭한다.
정량화 PCR(quantitative PCR; qPCR): 원래 DNA나 RNA의 양을 정량(定量)할 수 있는 방법. 정량화 과정을 실시간으로 보여주기 때문에 실시간 PCR(real time PCR)이라 불리기도 한다. 과거에는 이 별칭도 real time의 머릿글자를 따서 RT PCR이라 불렸기에 '역전사 PCR'을 의도한 RT-PCR과의 혼동이 잦았다. 논문에서는 대부분 어떤 것의 약자인지 지정해주니까 별로 상관없다.[30] 유전자 발현의 변화를 알아보는 대다수의 연구에서는 상기 역전사 과정이 필수이기 때문에 대부분의 정량화 PCR은 역전사를 조합한 '정량화 역전사 PCR(qRT-PCR)'이다.
다중 PCR(multiplex PCR): 잘 모르는 서열을 일단 복제하기 위해 랜덤한 프라이머를 사용하는 방법.
선형 증폭 매개 PCR(linear amplification-mediated PCR; LAM-PCR): 숙주 DNA에 융합된 바이러스 벡터를 검출하기 위한 방법. 레트로트랜스포존 혹은 레트로바이러스의 RNA는 숙주의 DNA에 삽입될 때 양끝에 긴 말단 반복(LTR; long terminal repeat)이 삽입되는 것으로 알려져 있는데, 이 LTR에 대응하는 한쪽 프라이머만을 이용해서 증폭시킨 후[31], 이 배열을 바탕으로 PCR을 진행한다.
단일염기다형성(Single Nucleotide polymorphism): 개체간 변이 차이를 판독하기 위해 어떤 염색체 내의 관찰하고자 하는 특정 염기를 증폭 시켜서 공통 염기와 공통 염기에서 벗어나는 염기, 즉 변이를 파악한다. PCR이 없었다면 SNP라는 개념은 존재할 수 없었을 것이고, 오늘날 혈통 추적, 친자 검사, 감염병, 암치료 등은 불가능 했을 것다.

물론 활용법도 무궁무진하다. 대중에게 가장 잘 알려진 예는 과학 수사나 친자확인 등에서 자주 이용하는 DNA 지문 분석. 이것은 microsatellite라고 불리는 개인차가 큰 유전 정보를 분석해서, 부모의 유전자나 알려진 데이터베이스와 일치하는지를 보는 방식이다.

여담으로 시중에서 판매되는 PCR 기계는 굉장히 비싸다. 쓸 만한 게 천만 원부터 시작한다. PCR는 딱 한두 사이클만 하는 게 아니라 실제로 쓸 만한 양의 DNA를 얻으려면 30번 이상 반복해야 하며 온도가 굉장히 중요한 요소이므로 빠른 가열과 냉각이 기계적으로 가능해야 하고 이걸 통제할 수 있는 프로그램이 필수적이기 때문.

DNA를 검출하여 행하는 여러 의학적 검사에도 매우 중요하게 사용되며, 그 중요성을 평가하자면 20세기 후반에 일어났던 CT/MRI 촬영 기술이 공헌한 정도에 못지않게 진단 의학 발전에 큰 공헌을 한 기술이다. 특히 2000년대 들어 시간을 대폭 단축시킨 실시간 PCR 은 21세기에 의료 현장에서 신속하고 정확한 진단으로 의학 발전에 크게 기여하고 있다. 예컨대 성병보균 여부를 판별하는 STD검사도 기존의 배양방법 외에 PCR방식을 도입했고, 헬리코박터 검사에서도 위내시경을 통한 검체채취 후 PCR을 통해 양성유무를 판단할 수 있는데 이 때 유전자 변이를 분석하면 항생제 내성 여부를 판단가능하며 적절한 항생제 종류와 양을 정하는 데에 이용되기도 한다. 심지어 최근에는 코로나 19의 검사까지 PCR 검사를 통해 양성유무를 판정한다.

실시간(RT,Real Time) PCR 의 핵심은 결국 시료와 중합효소를 온도를 빨리 그리고 정확하고 균일하게 올리고 내리고를 빠르게 반복하는 것인데 중합효소 등 시약의 개선과 고주파 가열이나 펠티에 냉각 등 빠른 온도제어 기술의 발전으로 가격도 혁신적으로 내려가고 증폭에 필요한 30-40 사이클을 수 시간 만에 완료할 수 있게 되어 진단 시간도 크게 줄어 들게 되었다. 특히 진단 소프트웨어의 발전으로 판독도 매우 쉬워지고 자동화되어 의료기사가 어렵지 않게 조작할 수 있게 되었다. 크기도 크게 줄어들어 이제 레이저 프린터나 미니 데스크탑 컴퓨터 정도로 줄어들었다.

특히 2020년의 코로나 바이러스 대유행은 이 PCR이 대중적으로 유명해진 계기가 되었다. PCR이 보편화되기 전에는 이런 전염병의 진단에는 항체검사나 현미경 검사 등으로 진단했다. 항체검사는 감염 후 전염병의 증상이 나타날 정도로 바이러스 증식이 진행되어 농도가 높아지고 인체가 이에 대항해 면역반응이 나타난 후에야 가능하기 때문에 검사시간도 짧고 검사비용도 싸지만 초기 잠복기의 환자를 검출하기 어렵고 감도도 낮았고 오진률도 높았다. 이에 비해 PCR은 비용이 비싸고 검사시간도 많이 걸리지만 매우 감도가 높아 잠복기 환자도 검출해 낼 수 있고 오진율이 낮고 정확성도 높아 최종확진의 수단으로 주로 쓰인다. 그래서 항체검사는 정교한 PCR 을 하기 전에 후보자를 거르는 간이 검사 정도로 역할이 축소되고 있다.

코로나 대유행이 발생한 2020년에는 실시간 PCR 장비의 대량 보급 및 이를 다룰 수 있는 의료기사의 수도 증가했으며, 비용도 크게 낮아지고 검사시간도 짧아진 관계로 대한민국은 처음부터 정확하고 감도가 높은 PCR 검사 위주로 감염의심자를 대상으로 대량의 코로나 바이러스 검사를 하는 전례가 없는 새로운 전략을 채택했다.[32] 이는 접촉후 발병까지 잠복기가 길고 무증상 감염자가 많은 코로나 19를 대항할 수 있는 매우 효과적인 대책이었다.[33]

이를 계기로 앞으로 PCR은 특별한 경우에만 쓰이는 최종 확진 진단법에서 의심환자를 대상으로 보편적으로 쓰이는 진단법으로 확산될 것으로 보인다.

5. 여담

PCR의 발명으로 1993년 노벨화학상을 받은 캐리 멀리스는 사실 꾸준한 학문적 노력을 했다고 보기는 힘든 케이스이다. 버클리에서 박사를 받고는 학계를 떠나 작가가 되었다가, 그것도 때려치우고 캔자스 시티 의대에서 잠깐 일하다가, 빵집을 운영하다가, 친구의 추천으로 들어간 Cetus라는 바이오텍에서 DNA 관련 일을 하게 된다. 여기서 LSD를 진탕 빨고 퍼질러져 있다가 환각 속에서 떠오른 아이디어로 PCR를 발명한 것. 이 회사를 관둔 다음에는 유명인들의 DNA로 장신구를 만들어 파는 사업을 하기도 했다. 그러다가 노벨상을 받는 대박이 터졌다.

이렇게 인류에 공헌한 넘사벽급 기술을 발명하면 다나카 고이치나 나카무라 슈지처럼 학계에서 주목받지 못한 사람도 노벨상을 타는 케이스가 있다.

2015년 고1 9월 모의고사 국어영역 비문학 파트에 등장했다. 수능 생명과학Ⅱ에서는 빠지지 않는 킬러 문항으로 이름을 떨쳤지만, 교육과정이 바뀌면서 문제 수준이 대폭으로 낮아졌다.

2022학년도 대수능 수능특강 지문에도 등장하고 연계지문으로 6월 모의평가에 PCR 지문이 나왔다. 난이도는 최상으로 평가된다.
하지만 그해 수능은 헤겔의 변증법,트리핀 딜레마,2차원 주차영상지문 그라고 악랄한 선택과목과 애매한 문학선지들로 무장해 더욱 어려워지며 전설중에도 레전드로 남게 된다. 반면에 생명과학2에서는 해당 내용이 빠졌다.

초기의 PCR은 서로 온도가 다른 물통 세 개에 반응조를 번갈아 넣는 방식으로 작동했다. 90℃, 60~70℃, 50℃로 온도를 유지시킨 물통 세 개를 준비하고 손으로, 혹은 타이머에 따라 움직이는 기계가 반응조를 해당 단계의 물통에 첨벙 담갔다가 일정 시간이 지나면 빼서 다음 물통에 담그는 식. 현대에는 이런 방식은 사용하지 않고 자동으로 온도를 조절하는 기계 안에 반응조를 넣고 시간을 세팅해두면 끝이다.

PCR 제조사 중 하나인 Bio-Rad Laboratories에서 바이럴 마케팅으로 주제가를 만들기도 했다.
https://www.youtube.com/watch?v=mvvP90Cpdfc

2020년 코로나바이러스 대유행 중, 항체를 이용한 검출법[34]을 대체하기 위해 DNA를 검출해서 진단하는 방법이 도입되었다.[35] PCR이 일찍 도입되지 못했던 이유는 감도가 너무 민감해서 실험자의 기술 역량에 따라 오차가 크게 나타날 수 있다는 데에 있었다. 심지어 똑같은 샘플을 이용해서 똑같은 실험자가 여러 번 시행한다 하더라도, 샘플을 섞는 횟수나 시약을 섞는 순서의 미묘한 차이에 따라 증폭 결과에 큰 차이가 생길 수 있어 안정된 수치를 얻는 데까지 다소 긴 연습 기간을 요구하는 것이 단점이었는데, PCR 기기의 발달로 이 과정을 모두 자동화하여 오차를 최소화한 민간 기업들이 참여함으로써 초기 전염병 확산시의 검사법으로 자리잡게 된 것이다. 특히 단백질에 비해 뛰어난 열 안정성을 보인다는 점[36]과 극미량 존재하더라도 얼마든지 검출할 수 있는 수준으로 양을 뻥튀기 할 수 있다는 점[37]이 항체 검출법과의 큰 차별점이다. 이 증폭 과정 때문에 적절한 역치(threshold)값[38]을 설정해서 양성/음성 판정을 내리게 되는데, 존재는 하지만 초기 양이 적을 경우 가짜 음성 결과가 나오게 되고(예: 감염된 지 얼마 안 된 경우), 분명 다 나았는데 바이러스의 잔해가 체내에 남아있으면 가짜 양성 결과가 나올 수 있다는 점은 여전히 문제[39]이긴 하나, 애초에 생산 자체에 막대한 시간, 노동력, 그리고 비용이 들어가는 항체 검사법에 비하면 그야말로 획기적인 기술임에는 틀림없다. 2022년에 베이징에서 열린 세계 로봇 박람회에서는 PCR 검사 결과를 제공하는 코로나19 검사 로봇이 소개되었다. 한국 기사

에이즈 바이러스는 유전 물질이 RNA인 레트로바이러스인데, RNA는 골격 구조에 수산화기(-OH)가 달려있어 각종 화학 반응에 참여할 수 있고, 염기 정보도 DNA에 비해 돌연변이가 매우 쉽게 일어나며 RNA 자체가 분해되기 매우 쉬운[40] 특성 등 DNA에 비해 안정적이지 않기 때문에 mRNA를 DNA로 역전사(Reverse Transcription)하는 과정이 필요하다. 일반적으로 생체 내에서 유전 정보의 흐름( 센트럴 도그마)은 DNA → mRNA → 단백질 순으로 나타나는데, DNA → mRNA 과정을 전사(轉寫; Transcription)라고 하며 이 과정을 거꾸로 진행하는 것을 역전사라고 한다. 레트로바이러스들은 역전사효소를 내장하고 있으며 이를 PCR 검사법에 응용한 것이 역전사-정량화 PCR(RT-qPCR)이다. 코로나19 검사법에 쓰이는 PCR검사법이 사실은 역전사-정량화 PCR법이다.

6. 관련 문서

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2세대 편집	TALEN
3세대 편집	RGEN(CRISPR 시스템)

[1] 캐리 멀리스는 이 필수적인 유전자 조작법을 개발한 공로로 부위 특정 돌연변이유도(Site-directed mutagenesis)를 개발한 캐나다의 마이클 스미스와 1993년 노벨화학상을 공동 수상한다. # [2] 예를 들어 부위 특정 돌연변이유도(Site-directed mutagenesis)나 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR) 같은 유전자 조작법을 통해 조작된 DNA를 PCR를 통해 증폭시키면 DNA의 어느 부위에 조작을 가하면 어떤 변화를 가져오는지 탐구하는 게 가능해진다. [3] 물론 대량이라고 해도 일반인이 생각하는 단위가 아니다. 분자생물학에서의 질량은 [math(\rm g)] 단위도 큰 단위이며 [math(\rm mg)], [math(\rm\textμg)](마이크로그램) 단위를 많이 쓴다. 부피도 [math(\rm mL)]의 [math(\dfrac1{1000})]에 해당하는 [math(\rm\textμL)](마이크로리터)가 일반적이다. [4] 21세기 분자생물학 실험실에서도 항상 쓰이는 방법이기도 하다. 플라스미드 프렙이라든가... [5] DNA에서 DNA를 만드는 것. [6] 생체내에는 DNA 헬리케이스(DNA Helicase)라고 해서 나선 구조를 풀어주는 효소가 따로 있으며, 풀어진 상태로 가만히 놔두면 분자 운동에 의해 다시 이중 나선 구조를 형성하기 때문에 이를 막기 위해 단일 사슬 결합(single-stranded binding; SSB) 단백질 같은 보조 단백질들이 염기 부분에 달라붙는다. [7] 생물 교과서에 나오듯이 DNA를 이루는 네 종류의 염기 A-T, G-C 가 서로 짝을 이뤄 두가닥을 형성한다. [8] RNA는 불안정해서, 유전 정보를 안정적으로 보존해야 하는 유전체에는 적합하지 않다. [9] 충분한 원료(dNTP)만 있다면 이중 나선 1개가 2개가 되고, 2²개가 되고, [math(2^n)]씩 증가한다. [10] 일반적인 세포에서는 한 단위의 사슬 합성이 끝나면 RNA 프라이머를 모조리 분해한 뒤 빈 자리를 DNA로 채워넣어서 복제를 완료시킨다. 실험적으로는 이 과정이 불필요하므로 처음부터 DNA로 된 프라이머를 이용해서 시간을 절약하는 것이다. [11] 보통 90℃ 이상 [12] 보통 50~60℃ [13] 60-70℃. 후술하겠지만 이건 고온이 최적 온도인 DNA 합성 효소만 해당된다. 즉 아무데서나 얻을 수 있는 효소가 아니고 심해의 열수분출공 근처 같은 데에서 사는 미생물(호열균)들이 갖고 있는 걸 이용한다. 다만 이런 호열균이 갖고 있는 DNA 합성 효소라 하더라도 실험에 쓰기엔 정확도가 낮거나 내구성이 오래 가지 않는 단점이 있어서 높은 정밀도를 요구하는 실험의 경우 돌연변이 연구를 통해 성능이 향상된 것들을 쓴다. [14] 엄청나게 긴 생명체의 유전체와는 달리, 주로 PCR로는 짧은 염기서열(길어야 수천[math(\rm bp)] 정도)을 복제하기 때문에, 프라이머는 양쪽에 한 군데씩만 있어도 된다. 그렇기 때문에 기하급수적인 완전 복제가 가능하기도 하고. [15] 그림에서는 온도가 얼마라고 나오지만 반드시 저 온도여야 하는 것은 아니고, 프라이머의 길이와 조성에 따라 온도가 다르다. A-T 결합이 수소 결합 2개인데 비해, C-G 결합은 수소 결합을 3개나 가지고 있어 결합을 끊기 위해 필요한 에너지가 많이 든다. [16] 효소의 주 성분은 단백질임을 상기하자. 웬만한 효소는 후라이팬 위의 계란후라이처럼 익어 버려서 더 이상 효소로서의 역할을 하지 못한다. [17] 복제하려는 DNA 서열에 따라 결합이나 신장 단계의 최적 온도가 달라진다. [18] 극초기의 PCR는 사람이 튜브를 들고 세 개의 다른 온도로 맞춰진 비커를 스톱워치에 맞춰서 퐁당퐁당(...)해가며 실험했다고 한다. 현재는 PCR기기의 발달로 보통 2시간 내외로 끝나지만 초기에는 하루종일 이것만 하다가 밤을 새는 일이 일상이었다. [19] 온천에 사는 원핵생물. 호열성 세균(Thermophile)이다. [20] 속명(Thermos)과 종명(aquaticus)을 따서 Taq polymerase라고 한다. 고온에서 살아야 하기 때문에 ~~불저항 만렙~~ 열안정성이 아주 높다. Denature 과정에서 겪는 95도 온도에서도 활성 반감기가 40분 정도이며 최적의 효소 활성을 가지는 온도도 72~74도 이다. 일반적인 단백질은 37도가 최적이고 42도가 넘어가면 망가지는 걸 생각하면 흠좀무. [21] Pyrococcus furiosus라는 초호열성 세균(hyperthermophile)에서 유래했으며 최적 생장 온도가 무려 [math(\bf100\,\degree\!C)]에 육박한다! 즉 이놈은 다른 일반적인 미생물들과는 달리 끓이면 오히려 더 잘 자란다. 그냥 호열성 세균인 T. aquaticus의 최적 생장 온도가 [math(\rm65\sim70\,\degree\!C)]임을 감안하면 흠좀무한 스펙이다. [22] PCR에 사용되는 내열성 중합효소의 종류만 해도 따로 문서를 만들어야 될 정도로 엄청난 수를 자랑한다. [23] 그렇긴 해도 '연구실 수준'에서 싸진 거지 일반인 기준에선 아직도 비싼 게 현실이다. PCR에 필요한 게 중합 효소뿐 아니라 프라이머나 완충 용액등이 필요한데 프라이머(Primer, 시발체) 가격도 만만치 않다. [24] 2024년 기준으로는 전체적으로 가격이 많이 떨어져, 20bp정도의 Primer를 합성하는데 5천원 정도 밖에 들지않고 기간도 하루이틀이면 된다. [25] 심지어 일반적인 Taq DNA Polymerase는 너무 많이 알려져, 회사 제품을 사서 쓰는게 아닌 랩에서 Homemade로도 많이 만들기 때문에 매우 낮은 가격에 운용이 가능하다. [26] 간단히 설명하면 Coding Region에서 단 하나의 염기서열이 PCR error로 Tryptophan에 해당하는 TGG가 아닌 TGA로 증폭되었다면, 이는 Stop 코돈에 해당되어 바로 단백질 합성이 중단될수 있다. [27] 온도 조건을 순환시킨다는 의미에서 보통 thermocycler라고 한다. [28] 실제 제품화된 PCR기계는 그리 간단하지만은 않다. 검체가 많든 적든 모든 검체에 대해 항상 일정한 온도가 보증되어야 하며, 변성단계는 90도가 넘어가는 온도가 보통이기 때문에, PCR이 진행되는 동안 검체 용액이 증발하면서 내용물의 농도가 변하지 않도록 뚜껑도 100도가 넘는 온도로 유지해줘야 한다. 퐁당퐁당을 시전한 옛날에도 검체 용액을 미네랄 오일로 덮어서 증발을 막는 방법을 썼다. 그리고 온도차/시간도 중요한 요소기 때문에 보통의 PCR 기계는 내용물이 얼마나 들어있는지 지정할 수 있게 되어있다. 온도가 너무 빨리 변하면 내용물이 다 가열되거나 냉각되기도 전에 다음 스텝으로 넘어가기 때문. 그리고 온도/시간이 공랭식으로 식히는 것보다 훨씬 빠르게 내려간다. 초당 1도씩 가열하고 식히는 것도 가능하다. 실제로 보면 검체를 꽂는 블럭만 해도 몇 십만 원 한다. [29] mRNA로 cDNA를 합성할 수 있으니까 많이 발현 중이라면 당연히 그 유전자에 대한 mRNA가 많이 있을 것이고, cDNA가 많이 합성된다. [30] 사용처가 제한되어있긴 하지만, 임상적으로 인정되는 유일한 PCR방법이며 아래의 진단키트도 qPCR 기반이다. 한 cycle에 이상적으로는 정확히 2배씩 표적이 불어난다는 것에 착안한 방법이다. [31] 사이클을 반복할 때마다 한쪽 가닥만 생기기 때문에 결과적으로 PCR산물이 선형적으로 늘어난다. [32] 어찌보면 당연한 얘기이다. 모든 기술은 시간이 경과하고 기술이 널리 보급될 수록 단가가 내려가는 경향이 있다. 상술 했듯이, 어지간한 국내 대학의 생물학과 관련 실험실에서 PCR은 기본 중의 기본이다. 대표적인 예시가 차세대 염기서열 분석(Next generation Sequencing; NGS) 등장 이후의 염기서열을 해독하는 단가의 하락이다. [33] 무증상이라고는 해도, 잠복기의 바이러스는 숙주의 체내에서 해가 되지 않는 범위에서 복제를 계속하기 때문에 DNA가 검출 될 수 밖에 없다. [34] 검출하려는 대상을 항원으로 삼아 반응하는 항체를 붙여서 검출하는 방식인데, 사람이 병에 걸렸다 나으면 면역 능력을 획득하듯이 보통 쥐나 토끼, 원숭이 등 동물의 면역계를 이용해서 생산되기 때문에 시간도 많이 걸리고 그만한 개노가다(……)도 요구하기 때문에 시약 단가가 매우 비싸다. 항체를 어느정도 재활용(?) 할 수는 있으나 무한정 써먹을 수는 없으며, 갑자기 수요가 늘어날 경우, 그 수요에 맞춰 공급을 늘리기가 어려워 수급에도 문제가 많다. 애초에 별로 수익이 남는 것도 아니라서 원래 만들던 회사들이나 계속 조금씩 이런 항체들을 만들어왔다. [35] 사실 이번 대유행때만 이런 기법을 쓴건 아니다. 항체를 이용한 기법이 더 흔할 뿐. [36] 단백질이 변성하고도 남는 95~99℃에서 DNA는 이중 나선이 풀어질 뿐 그 염기 서열이 바뀌거나 끊어지지 않는다. 염기들이 자외선에 취약하다는 문제가 있으나 이는 단백질도 마찬가지이다. [37] 보통 본문의 사이클을 40번 정도 반복하는데 한 번 반복할 때마다 표적 DNA배열이 2배씩 늘어나므로 이론상 [math(2^{40}\fallingdotseq1.10\times10^{12})]배, 즉 약 1조배로 늘어난다. 이는 표적 염기 배열의 양이 [math(\rm 1\,pg=1\times10^{-12}\,g)], 즉 1조분의 1 g 스케일로 존재하더라도 충분히 검출이 가능한 수준으로 뻥튀기 된다는 것을 의미한다. [38] Ct값(Cycle Threshold Value, 사이클역치값, 사이클임계값): 바이러스에 감염된 환자로부터 샘플을 채취해서 PCR검사를 했을 때 그 바이러스가 검출될 때까지 필요한 실제 사이클 수를 Ct값이라 한다. Ct값이 낮다는 것은 환자의 검체를 유전자 증폭했을 때 적은 cycle에서 바이러스가 확인되었다는 것이다. 이는 바이러스의 양이 금방 감지될 수 있을 만큼 그 샘플에 충분히 많은 양의 바이러스가 있었다는 것을 뜻한다. 코로나19 진단키트에 따라 Ct값 기준이 조금씩 다르다. 현재 한국 내 승인된 국산 6종 진단키트 중 3종은 Ct값이 40으로 설정해놓았고, 나머지 3종은 각각 38, 36, 35다. Ct값이 35~40미만이면 양성이고, 그 이상이면 음성으로 판정된다. 현재 국내 대부분의 진단제품들은 2개의 유전자가 양성일 경우 확진하게 되어 있다. Ct값은 샘플 채취 방법, 샘플 채취량, PCR 기계, 등 여러 요인에 따라 달라질 수 있다. Ct값만으로 감염력, 위중도 등의 정도를 단정지을 수는 없다. [39] 이것 때문에 PCR 검사법은 장기간 여러 번에 걸친 검사가 반드시 이루어져야 한다. [40] 그래서 RNA 샘플을 이용해서 실험을 할 때에는 RNA분해효소(RNase)가 없는 조건을 갖춘 기기들만을 이용해서 실험해야한다.