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유전자 분석 기술 어디까지 왔나

2015-08-11

제임스 왓슨(James Watson)과 프란시스 크릭(Francis Crick)은 1953년 4월 25일자 ‘네이처’ 지에 DNA의 이중 나선구조에 대한 짤막한 편지 형식의 논문을 발표한다. 세계 최초로 DNA의 비밀이 밝혀지는 순간이었다.
그러나 연구자들이 염색체를 연구하면서 ‘DNA 염기서열 결정법(DNA sequencing)’을 본격적으로 적용하기 시작한 것은 20여년이 지난 후다.
1977년 캠브리지 대학 의학연구센터 소속이던 영국의 생화학자 프레드릭 생어(Frederick Sanger)는 미국 하버드대 월터 길버트(Walter Gilbert) 교수 등과 함께 ψX174파지의 전체 염기서열을 분석하는데 성공한다.

차세대 염기서열 분석장비 대거 등장해 

생어가 사용한 방식은 전기이동(電氣移動, electrophoresis) 방식을 기반으로 하고 있었다. 직류 전압을 가할 때 미세 입자가 어느 한쪽 방향으로 이동하는 현상을 말하는데 생어 교수는 전기이동 현상을 적절히 활용, DNA 염기서열을 성공적으로 분석하고 있었다.
이 기술은 1880년대 중반 생명공학 기기 회사인 어플라이드 바이오시스템즈(Applied Biosystems)의해 자동화된다. 그리고 1989년 미 국립보건원(NIH) 내 국립인간유전체연구센터(NHGRI)가 주도한 ‘인간게놈 프로젝트(HGP)’을 수행하는데 있어 핵심 기술로 채택된다.
DNA 유전정보는 4종의 염기(A, T, G, C)로 구성돼 있다. 염기서열을 분석한다는 것은 4종의 염기성분이 특정 유전정보 내에 어떻게 배열돼 있는지 그 순서를 밝히는 일이다.
미국·영국 등 6개국 공동연구팀은 여자 2명과 남자 2명에게서 채취한 DNA샘플을 이용, 32억쌍의 염기서열을 분석하기 시작했다. 그리고 12년이 지난 2001년 2월12일 연구팀은 미국의 생명공학회사 셀레라 지노믹스와 공동으로 인간 유전자 비밀을 인터넷에 공개한다.
새로운 사실도 밝혀졌다. 연구결과에 따르면 인간의 유전자수는 2만4000∼4만 개로, 종전까지 추정했던 10만 개를 훨씬 못 미칠 뿐만 아니라 초파리의 2배에 지나지 않았다. 또 개개인의 DNA의 차이는 전체의 2%에 지나지 않으며, 인종 간 차이 역시 근거 없다는 사실도 확인됐다.
‘인간게놈프로젝트’는 2003년 4월14일에 종결된다. 27억 달러의 비용이 투입된 대형 프로젝트였다. 막대한 자금이 투입된 만큼 염기서열을 분석하는 방식에도 혁신이 이어졌다. 2000년에는 DNA 염기서열분석 장비를 상용화하고 민간 기업들이 이 시장에 뛰어들기 시작했다.

기술 개발로 유전자분석 대중화 시대 열어 

그리고 13년이 지난 지금 과거 상상하지 못했던 ‘차세대 염기서열분석장비(NGS, Next-generation sequencing)’ 들이 등장하고 있다.
지난해 4월 MIT 미디어랩의 조이 이토(Joichi Ito) 소장은 한 강연에서 “200만 개 정도의 염기서열을 손쉽게 분석하고 있다”고 말했다. 오류도 크게 줄어들었다. 과거 100개당 오류가 한 개 정도 나왔는데 그 건수가 1만분의 1 정도로 줄어들었다는 것.
과거 손으로 일일이 작업해야 했으나 지금은 모든 기술이 자동화되고, 속도가 빨라지면서 분석 비용 역시 크게 낮아졌다고 말했다.
NGS(차세대 염기서열 분석장비)를 개발하고 있는 업체들은 글로벌 리더인 ‘일루미나(Illumina)’를 비롯 ‘라이프 테크놀로지(Life Technologies)’, ‘454 라이프 사이언스(454 Life Sciences)’, ‘퍼시픽 바이오사이언스(Pacific Biosciences)’ 등이다.
이들 기업들의 최대 이슈는 염기서열 분석 시간과 비용을 더 줄이고 시료조제 기술과 데이터의 질 등을 더 높이는 일이다. 특히 DNA, RNA 등 시료를 채취한 다음의 작업과정을 말하는 시료조제 기술은 많은 노력을 쏟고 있는 분야다.
낮은 품질의 시료를 업그레이드할 수 있는 기술들이 개발돼 세계 시장에 모습을 드러내고 있다. 새로운 기술을 첨가한 신제품이 등장하면서 차세대 염기서열분석장비(NGS) 시장 규모도 팽창하고 있는 중이다.
시장조사 전문기관 ‘마켓스탠드마켓츠(MarketsandMarkets)’에 따르면 지난해 NGS 세계 시장 규모는 24억달러에 달한 것으로 집계되고 있다. 지금과 같은 속도로 판매가 늘어난다면 오는 2020년에는 87억 달러 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다.
NGS 보급이 늘어나면서 분석 비용은 계속 내려가고 있다. ‘454 라이프 사이언스’의 경우 2007년 10만 달러였던 비용을 2011년 1만 달러 대로 줄였다. 2015년 들어서는 비용을 4000달러 이하로 내렸다.
그동안 시장을 주도해오던 ‘일루미나’ 는 지난해 새로운 NGS인 ‘HiSeq X Ten Sequencing System’을 선보이고, 유전자 분석 비용을 1000달러 선으로 낮췄다. 그리고 지금 유전자분석 대중화 시대를 열고 있다.
유전자분석은 미래 의료기술을 이끌어갈 핵심 기술 중의 하나다. 수요가 늘어날 수밖에 없다. 세계 시장이 팽창하고 있는 가운데 일반 대중에게는 값싸게 DNA 분석을 할 수 있는 시대가 더 빨리 도래하고 있다.

저자 이강봉 객원편집위원
원문 사이언스타임즈
출처 https://www.sciencetimes.co.kr/?p=139427