전기영동(gel electrophoresis)의 원리, 단계, 응용

 

전기영동(electrophoresis)는 실험실 단위에서 DNA, RNA, 단백질과 같이 전하를 가진 분자들을 크기에 따라 분리하기 위해 자주 사용되는 실험 방법 중 하나에요.

 

 

 

 

 

위 그림과 같이 전하를 가진 분자들은 외부에서 전압을 가해줄 시 전하의 방향에 따라 필연적으로 이동할 수 밖에 없어요. 이 때 전압을 가해준다는 것은 한쪽 끝에 + 전하를, 다른쪽 끝에 -전하를 가지게 하여서 전하의 기울기를 부여한다는 것을 의미해요.

 

 

 

 

이 때 전압을 걸어준 결과 전하를 가진 분자들이 이동하는 것을 migration(이동)으로 불러주며, + 전하를 가진 분자는 - 극 쪽으로, - 전하를 가진 분자는 + 극 쪽으로 이동해요.

 

예를 들어 DNA는 내부에 있는 인산기에 의해 - 전하를 가지기 때문에 + 극 방향으로 이동하겠죠?

 

 

 

 

위 그림은 실제로 DNA를 전기영동해서 얻을 수 있는 결과의 예시에요. 보면 DNA 조각의 크기에 따라 매우 다양한 위치에서 밴드가 나타나는데요. 이 때 더 많이 migration(이동)한 조각일수록 크기가 더 작다는 것을 의미해요.

 

 

쉽게 말해 매우 덩치가 큰 사람과 덩치가 작은 사람이 사람들이 가득차있는 지하철역에서 앞으로 이동한다고 했을 때, 작은 사람이 더 많은 거리를 이동하는 것처럼 DNA의 경우에도 작을수록 더 빨리 이동할 수 있는 거라고 생각하면 쉬워요.

 

 

 

한편, 전기영동에서 핵심적인 것이 있는데, 바로 marker(마커)에요.

 

 

 

 

위 그림에는 DNA 전기영동 시 사용하는 마커의 대표적인 예시가 나타나 있어요. 마커는 말 그대로, 이미 크기가 완전히 정해져있는 밴드들이 일렬로 포함된 제품에 해당하며, 이 마커와 함께 샘플들을 같이 로딩할 시 마커 각각의 밴드와 샘플 밴드의 상대적인 위치를 대조해가며 밴드의 크기를 거의 정확하게 유추해내는 것이 가능해요.

 

 

 

그렇다면 전기영동을 사용, 응용하는 대표적인 상황들에는 어떤 것들이 있을까요?

 

 

첫 번째로, 실험실 단위에서 흔히 하는 genotyping(유전형 분석)을 위해 전기영동이 수행될 수 있어요.

 

 

 

 

예를 들어 내가 키우고 있는 실험동물이 특정 유전자를 가지고 있는지의 여부를 확인하고자 한다면, 적절한 프라이머를 디자인하여 PCR을 수행한 이후 전기영동을 내려서 정말 내가 생각한 특정 크기의 조각이 나오는지 여부를 판단함으로써 genotyping을 수행할 수 있겠죠.

 

 

 

 

두 번째로, 특정 크기의 DNA 조각을 증폭시킨 후 클로닝과 같은 후속실험에 사용하기 위해 전기영동을 수행할 수 있어요.

 

 

 

 

실제로 전기영동 후 우리가 원하는 사이즈의 DNA 밴드를 위 그림에 나타난 것과 같이 gel purification을 통해 다시 추출해낼 수 있으며, 그럴 시 내가 원하는 특정 DNA만을 순도 높게 분리, 정제할 수 있어요.

 

 

 

세 번째로, 전하를 가진 단백질들을 분리하기 위해 전기영동의 방식이 사용되기도 해요.

 

 

 

 

사실상 원리는 DNA를 전기영동할때와 비슷하며, 다만 이 때 SDS와 같은 특수한 물질을 사용해주고, 특수한 젤을 사용해주기에 이 방식을 특별히 SDS-PAGE라고 불러줘요. SDS-PAGE에 대해서는 이후 포스트에서 자세히 다루도록 할게요.

 

 

 

마지막으로 DNA, 단백질 뿐만 아니라 전하를 가진 RNA를 분리하는 데에도 전기영동의 방식이 활용될 수 있어요.

 

 

 

실제로 위 그림에 나타난 자료는 RNA를 크기에 따라 분리한 결과에요. 이런 식으로 전기영동을 통해 RNA를 분리해내어서 관찰하는 실험방식 전체를 일컬어 Nothern blot(노던블랏)이라고 불러요. 이에 대해서도 차후 포스트에서 자세히 다루어볼게요.