겔 전기영동

겔 전기영동(gel electrophoresis)은 DNA, RNA, 단백질 등의 거대분자를 크기 및 전하량에 따라 분리하는 방법이다. 이 방법을 사용하여 제한효소에 의하여 절단된 DNA 조각들을 분리하고 분석할 수 있다.

목차

핵산(nucleic acid)은 인산기에 의해 음전하를 띠기 때문에, 전류가 흘러 전기장이 형성되면 양극을 향해 겔 내를 이동한다. 다당류인 아가로즈(agarose)의 중합체로 이루어진 겔을 통과할 때 각 분자는 전하량과 크기 및 모양에 따라 다른 속도로 이동하게 되는데 DNA의 길이가 길어질수록 저항을 많이 받게 된다. DNA가 통과하는 중합체의 밀도는 겔 농도에 따라 조절할 수 있다. DNA 분자들이 서로 분리될 만큼 충분히 이동하면 ethidium bromide(EtBr) 등의 화합물을 이용하여 DNA를 염색시켜 전기영동 결과를 확인할 수 있다. 또한, 겔로부터 DNA를 손상 없이 추출할 수 있기 때문에, 겔 전기영동은 동일한 DNA 절편을 획득하는 방법으로도 사용될 수 있다.

겔 전기영동 실험 모습. 출처: GettyimagesKorea

주로 많이 사용하는 겔은 아가로즈 겔과 폴리아크릴아마이드 겔이다. 분석하고자 하는 종류에 따라 적절한 겔을 선택하여 사용한다.

아가로즈겔(Agarose gel): 일반적으로 DNA를 분리할 때 사용하며, 분리할 수 있는 DNA 조각 크기의 범위가 비교적 넓다. 아가로즈는 해조류로부터 추출한 다당류 고분자를 이용하여 얻는다. 아가로즈겔은 쉽게 만들 수 있고 취급도 쉬워서 기본적인 겔 전기영동에 많이 사용된다. 또한 고체상태의 겔에 열을 가하면 다시 액체상태로 변하는 특성을 가지고 있다. 전기영동을 통해 분리하는 DNA사이의 거리는 첨가하는 아가로즈의 농도에 따라 조절 할 수 있는데, 높은 농도의 겔은 작은 크기의 DNA단편들을 분리를 하는 데 유리하다. 보통 1% 이하의 아가로즈가 포함된 겔은 비교적 큰 크기의(5-10kb) DNA 단편을 분리하는 데 이용하고, 2%이상의 아가로즈가 포함된 겔은 약 0.2-1kb의 크기의 DNA단편을 분리하는 데 이용하며, 3%이상의 아가로즈겔은 보다 작은 크기의 단편을 분리하는 데 이용한다.

폴리아크릴아마이드겔(Polyacrylamide gel): 주로 단백질 분리에 사용하며, 비교적 작은 크기의 DNA조각을 분리할 때 유리하다. 폴리아크릴아마이드겔을 이용한 전기영동은 PAGE(polyacrylamide gel electrophoresis)라고 부른다. 5-2000kDa의 단백질을 분리하는 데 사용하며, acrylamide와 bis-acrylamide의 농도를 이용하여 겔내에서 단백질이 이동하는 구멍(pore)크기를 조절할 수 있다. 아크릴아마이드는 인체에 유해한 영향을 줄 수 있으므로 주의하여 취급해야 한다.

그림 1. 겔 전기영동 결과. DNA 조각을 아가로즈 겔로 분리하고 ethidium bromide로 염색한 뒤 UV를 조사하여 관찰한다. 출처: GettyimagesKorea

변성 조건(Denaturing) : 변성 겔 전기영동은 분자 구조를 변성하는 조건에서 진행하는 전기영동으로 분자의 이동정도는 각 분자의 길이와 전하비에 의해 결정된다. 단백질은 sodium dodecyl sulfate(SDS)를 사용하여 변성시켜 SDS-PAGE로 전기영동을 한다. 핵산은 주로 완충용액(buffer)에 urea를 첨가하여 변성 시킨다. DNA와 RNA를 이용한 변성 겔 전기영동은 DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis), TGGE(temperature gradient gel electrophoresis) 및 TTGE(temporal temperature gradient electrophoresis)와 같은 방법이 사용된다.

비변성 조건(Native) : 비변성 겔 전기영동은 비변성 조건에서 실험을 하므로, 분자 구조가 유지된 상태에서 분석을 수행한다. 분자 구조는 접히거나 조립된 복합체의 형태를 가질 수 있으므로, 그 크기가 이동성에 영향을 미치기도 한다. 세포 내 지질막을 용해시키기 위해 detergent가 사용된다. 분자의 모양과 크기를 예측하기 힘들어 예상한대로 분리가 되지 않을 수도 있다. 단백질 정제 과정에서 시료에 존재하는 효소를 확인하기 위해 비변성 겔 전기영동 후 효소 활성 검사를 수행할 수도 있다.

변성 조건과 비변성 조건을 선택하기 위해서는 분석을 하고자하는 분자 물질의 특성을 이해하여 분리를 해야 한다.

단백질의 경우, 변성 조건에서는 단백질 변성이 일어나 분리가 되므로 아미노산의 종류가 달라도 전체 펩타이드 길이가 같으면 분리가 되지 않지만, 비변성 조건에서는 단백질 변성이 일어나지 않아 아미노산 종류에 따른 구조의 차이와 전기적 음성도가 달라서 동일한 길이의 펩타이드도 분리가 될 수 있다.

핵산의 경우, 변성 조건에서는 염기서열의 종류에 따라 변성이 되는 정도가 달라 동일한 길이의 핵산을 염기서열 구성에 따라 그 차이를 볼 수 있지만, 비변성 조건에서는 단순히 핵산의 길이의 차이로 구분이 되므로, 서로 다른 염기서열을 가지고 있더라도 길이가 동일하면 분리되지 않는다.

김봉수/한림대학교

김은자/한국미생물학회

Stellwagen NC. 2009. Electrophoresis of DNA in agarose gels, polyacrylamide gels and in free solution. Electrophoresis. 30(Suppl 1): S188-195.