경찰에 따르면 범죄 현장의 머리카락이나 정액 등 현장증거에서 채취 보관한 DNA와 구속피의자의 DNA를 대조하는 방법으로 범인을 찾아낼 수 있었다. 구속피의자의 DNA채취는 지난달 26일 시행된 ‘DNA신원확인정보의이용및보호에관한법률(DNA법)’에 따른 조치이다.

미국 인기 드라마 ‘과학수사대 CSI(Crime Scene Investigation)’ 덕분으로 일반인들도 현장에 무심코 흘린 범인의 머리카락 한 올이나 체액 한 방울만으로도 강력범죄의 진범을 찾을 수 있다는 사실 정도는 상식으로 알고 있다.
때문에 우리는 극소량의 DNA만 있다면 경찰의 수사망을 교묘하게 피해 여전히 강력 범죄를 저지르는 흉악범을 검거할 수 있을 것이라고 생각하기 쉽다. 기실 이러한 생각은 절반은 맞고 절반은 틀리다. 극소량의 DNA가 범인검거의 ‘움직일 수 없는 증거’가 될 수 있는 것은 사실이지만 또 한편으론 극소량의 DNA만으로는 증거로 활용할 수 있을 정도의 ‘유의미한 결과’를 도출할 수 없기 때문이다.


PCR, 극소량의 DNA 증폭 통해 범인 검거

그렇다면 움직일 수 없는 증거, DNA를 통한 과학수사의 숨은 비결은 무엇일까. 범죄현장의 머리카락 한 올이나 정액 한 방울 속에는 인간의 세포가 남아있기 마련이며 과학수사는 이 세포에서 용의자의 DNA를 추출해낸다. 하지만 이렇게 추출한 DNA는 매우 극소량이기 때문에 이를 범인 검거에 활용하기 위해서는 DNA의 양을 늘려야 할 필요성이 있다.
즉 DNA를 증폭해야 하는데 이 때 유용한 기술이 바로 중합효소연쇄반응 PCR(Polymerase Chain Reaction) 기술이다. PCR 기술은 쉽게 말하면 자신이 원하는 DNA의 특정 부위만을 증폭하는 기술이다. 특정 부위만을 증폭하는 이유는 인간의 DNA 전체를 증폭하기에는 DNA의 크기가 매우 크며 비효율적이기 때문에 유전자 분석에 활용할 수 있는 크기의 수준만큼 증폭하는 것이다.
이번 경찰청의 의뢰로 유전자 감식을 수행한 국립과학수사연구원의 경우 통상 DNA 상의 17개 특정 염기서열을 선정해 증폭했다. 이렇게 증폭된 DNA를 분석하면 개인마다 특별한 반복 패턴을 보이는데 이를 통해 진범인지 여부를 확인할 수 있는 것이다. PCR을 통해 증폭된 DNA는 전기영동(Electrophoresis)이란 기술을 통해 유전자 분석이 진행된다.
국립과학수사연구원 김남예 연구사는 “개인마다 DNA 서열 중 17개의 특정 부위를 선정해 PCR을 통해 증폭한 뒤, 이를 분석해보면 개인에 따라 반복서열이 다르다”며 “어떤 사람은 2개 부위가 반복을 보인다면 어떤 사람은 8개 부위가 반복을 나타내는데 이런 차이점을 활용해 범인을 검거할 수 있다”고 말했다.
이제 어떻게 DNA의 특정부위만을 증폭할 수 있는지 PCR의 기본원리에 대해 알아보자. PCR은 기본적으로 원하는 부분의 DNA만을 증폭하는 기술이고, 이는 다른 말로 하면 DNA의 특정 염기서열을 인위적으로 복제한다는 말이다.

세포 내에서 DNA가 복제되기 위해서는 크게 3가지가 반드시 필요하다. 첫 번째는 복제의 주형으로 작용하는 DNA이다. 두 번째는 실제로 DNA 복제를 수행하는 복제 효소이다. 세 번째는 이 효소가 DNA의 복제지점을 인지할 수 있는 시발체(프라이머, Primer)이다.
체내에서 DNA의 복제가 이뤄지기 위해서는 상보적 염기 결합을 통해 서로 붙어 있는 DNA 이중가닥이 먼저 단일가닥으로 분리돼야 한다. DNA를 구성하는 염기인 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신)은 A와 T, G와 C가 서로 상보적으로 결합한다. 이들 염기의 상보적 결합은 체내에서 효소가 풀어주는 역할을 담당한다.
이렇게 이중가닥이 단일가닥으로 풀리면 시발체인 프라이머가 DNA의 특정 부위에 달라붙어 여기에서부터 복제를 시작하라는 신호를 DNA 복제효소에 알려준다. 이후 DNA 복제효소가 프라이머를 인식해 그 시발지점부터 복제를 시작하는 것이다.
PCR 기술은 이와 같은 인체 내 DNA 복제 방법을 그대로 응용했다. 먼저 DNA 이중가닥을 단일가닥으로 분리해주는 것은 온도를 가열해주면 가능하다. 섭씨 92°~95°에서 DNA를 가열해주면 DNA는 자연적으로 이중가닥이 단일가닥으로 풀리는 데 이를 DNA의 변성이라고 부른다.
풀린 DNA에 시발체인 프라이머를 결합시킨다. 프라이머는 보통 실험실에서 인위적으로 조작한 DNA의 짧은 염기서열(대략 8~12염기쌍으로 구성)로 만들어진다. 과학자는 자신이 원하는 특정부위를 증폭시키기 위해 특정 염기서열의 프라이머를 만든다. 즉 내가 증폭하고 싶은 DNA 특정부위의 시발지점에 해당하는 짧은 서열의 프라이머를 만들면 이 프라이머는 해당 특정부위의 DNA와 상보적 결합을 통해 달라붙게 된다. 이 과정을 프라이머 결합 단계라고 부르며 대략 섭씨 50°~65°에서 진행된다.
프라이머가 특정 부위에 결합되면 비로서 DNA 중합효소가 DNA를 복제하기 시작한다. PCR 기술에서는 인체 내에서 DNA를 복제하는 DNA 중합효소(DNA Polymerase)가 아닌 Taq라는 중합효소가 이용된다. Taq 효소는 Thermophilus aquaticus라는 미생물의 DNA 중합효소에서 따온 것인데 열에 강하다는 장점이 있다. 즉 PCR의 첫 단계인 DNA 변성을 위한 높은 온도(섭씨 92°~95°)에서도 생존할 수 있다. 초기 PCR 중합효소는 높은 온도에서는 생존할 수 없다는 단점이 있었다.
DNA의 변성, 프라이머 결합, 중합효소 복제 과정이 끝나면 이를 PCR의 한 사이클이 끝났다고 말한다. PCR은 이 사이클을 보통 20~30회 반복해 DNA를 증폭한다. Taq 중합효소는 대략 1분에 2,000~4,000 DNA 염기쌍을 복제할 수 있다.



PCR, 유전자 분석 등 다양한 분야 광범위 적용

PCR 기술은 1984년 캐리 멀리스(Kary Mullis)가 처음 고안했으며, 멀리스는 PCR 기술을 개발한 공로로 1993년 노벨 화학상을 수상했다. PCR은 과학수사나 친자 감별 등 DNA 분석에 있어 기본적이며 가장 중요한 기술로 평가받는다. 유전자 발현 양상 연구에 사용되는 DNA Chip 제조, 개체 간의 차이를 발굴해 맞춤 의학에 적용하는 일염기다형체 연구인 SNP(Single Nucleotide Polymorphysm) 등의 연구에도 필수불가결한 기술이다.
인간 개체 간의 특이성을 결정하는 HLA형의 결정, 암을 비롯한 각종 질병 진단을 위한 유전자 검출, 바이러스, 세균 등 각종 병원균의 검출, 돌연변이 분석 등 의학적 응용, 여러 유전병을 판별하기 위한 인간 유전학 응용, 고생물이나 멸종 생물의 희소 DNA 증폭, 분류학에서 종 간의 DNA 비교, AIDS를 유발하는 HIV와 같은 레트로 바이러스의 역전사 효소를 응용해 RNA로부터 직접 DNA를 증폭시키는 RT-PCR 기술 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위한 도구로 활용되고 있다.
PCR 기술과 관련해 한 가지 재미있는 점은 개발자 멀리스 박사는 PCR 기술 로열티에 따른 막대한 이익을 얻지는 못했다는 점이다. 멀리스 박사가 PCR 기술 개발 초기 이 기술 특허권을 대형 제약회사에 팔았기 때문인데 이와 관련해 멀리스 박사는 돈을 버는 것이 중요한 것이 아니라 인류를 위해 어떻게 사용될 수 있는지 여부가 중요한 것이라고 말한 것으로 알려졌다.