PCR이란 무엇일까?

PCR은 DNA를 복사해서 양을 엄청나게 많이 늘리는 기술이다. 원래 DNA는 눈에 보이지 않을 만큼 아주 적은 양만 있기 때문에 실험을 하기가 어렵다. PCR은 이런 DNA를 마치 복사기처럼 빠르고 정확하게 수백만 배로 늘려주는 방법이라고 생각하면 된다.

 

PCR의 원리는 사실 단순하다. DNA 두 가닥을 잠깐 떼어놓고, 그 틈에 프라이머라는 “시작 표시”를 붙이고, 그 표시를 바탕으로 새로운 DNA를 만들어내는 과정을 반복하는 것이다. 결국 “DNA를 벌리고 → 시작점을 표시하고 → 그 부분을 복사하는 과정”을 계속 반복하는 기술이 PCR이다.

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PCR에는 세 단계가 있다.

• 첫 번째는 Denaturation 단계로, DNA를 뜨거운 온도로 가열해서 두 가닥이 서로 떨어지도록 만드는 단계이다.
• 두 번째는 Annealing 단계로 온도를 낮춰서 프라이머가 DNA의 특정 위치에 달라붙는 단계이다. 프라이머는 “여기부터 복사하세요”라고 알려주는 아주 중요한 역할을 한다.
• 세 번째는 Extension 단계인데, DNA polymerase라는 효소가 프라이머를 붙잡고 그 뒤에 새로운 염기를 하나씩 이어 붙이며 DNA를 복사해 나가는 단계이다.

이 세 단계가 한 번 돌면 DNA 양이 두 배가 되고, 두 번 돌면 네 배, 세 번 돌면 여덟 배, 이런 식으로 계속 두 배씩 증가한다. 보통 30번 정도 반복하면 처음에는 거의 보이지 않던 DNA가 실험할 만큼 충분한 양으로 폭발적으로 늘어난다.

 

PCR이 중요한 이유는 아주 적은 양의 DNA에서도 원하는 유전 정보를 분석할 수 있게 해준다는 점이다. 그래서 PCR은 유전자 연구, 질병 검사, 바이러스 감염 진단, 유전형 분석, 시퀀싱 준비 등 대부분의 생명과학 실험의 출발점이 되는 핵심 기술이다.

 

정리하면 PCR은 아주 작은 DNA 조각을 실험에 사용할 수 있을 만큼 크게 늘려주는 기술이다. 복사기가 종이를 여러 장으로 만들어주는 것처럼, PCR은 DNA를 복사해서 실험을 가능하게 해주는 필수 도구라고 할 수 있다.

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F Primer와 R Primer는 무엇일까?

 

PCR에서 DNA를 복사하려면 어디서부터 복사를 시작할지 표시해주는 “출발점”이 필요하다. 이 출발점을 만들어주는 것이 바로 프라이머(Primer)이다. PCR에는 두 개의 프라이머가 사용되는데, 그게 F primer(Forward primer)와 R primer(Reverse primer)이다.

 

F primer는 DNA의 앞쪽(시작 부분)을 지정하는 역할을 한다. R primer는 DNA의 뒤쪽(끝 부분)을 지정하는 역할을 한다. 이 두 프라이머가 서로 마주보는 구조로 DNA 양쪽에 붙어야 PCR이 제대로 진행된다. 마치 하나의 문장을 복사하려면 문장의 시작에 형광펜을 하나 긋고, 끝에도 형광펜을 하나 그어서 복사 범위를 지정하는 것과 똑같다.

 

여기서 중요한 사실은 프라이머가 어디에 붙든 DNA 합성은 항상 프라이머의 3' 끝에서 시작해서 5'→3' 방향으로만 자란다는 점이다. 즉, 합성 방향은 절대로 바뀌지 않는다. 종이 위에서는 왼쪽이나 오른쪽으로 확장되는 것처럼 보일 수 있지만, 화학적으로는 항상 5'→3' 방향으로만 늘어난다.

또 하나 중요한 점은, F primer와 R primer가 서로 다른 가닥에 붙어 서로 마주 보는 형태가 되어야 PCR이 가능한 구조가 된다는 것이다. 한 프라이머는 위 가닥에, 다른 프라이머는 아래 가닥에 붙어야 서로를 향해 DNA를 만들 수 있고, 이 두 개의 합성 방향이 서로 만나는 부분이 바로 PCR로 증폭되는 영역이 된다.

 

마지막으로, 내가 위에서 설명했던 Nanopore cDNA-PCR 실험의 경우에는 이미 RNA에서 만들어진 cDNA 양쪽에 ‘정해진 어댑터 서열’이 붙어 있기 때문에, 그 어댑터 서열에 F primer와 R primer가 정확하게 맞도록 만들어져 있다. 즉, 사용자가 프라이머를 새로 설계할 필요 없이 ONT가 설계한 고정된 프라이머가 자동으로 양쪽에 붙도록 구성된 시스템이다.

 

정리하면, F primer는 복사의 시작점을, R primer는 복사의 끝점을 결정하는 역할을 하고, 이 두 프라이머가 서로 마주보고 붙어야 PCR이 가능하다.

그리고 프라이머가 어디에 붙든 DNA는 항상 5'에서 3' 방향으로만 만들어진다.
이 두 가지 원리만 기억하면 PCR에서 프라이머가 하는 역할이 아주 쉽게 이해된다.