DNA Chip Technologies

 

  국내에서 수입, 시판하고 있는 DNA Chip  

  • 코람바이오텍 : Macroarray와 Atlas Glass Array를 생산하는 Clontech (www.clontech.com), Stratagene (www.stratagene.com)
  • 웅비메디텍 (www.woongbee.com) : R&D Systems (www.rndsystems.com) 제품 취급, Macroarray product로써 Cytokine Expression Array, Apoptosis Expression Array 도 취급
  • Takara-Korea Biomedical (www.takara.co.kr) : Intelligene DNA chip 수입
  • 화인 라이프사이언스 : Vysis (www.vysis.com) genomic microarray를 수입하는데 기존의 cDNA chip이나 oligochip과는 개념이 다른 제품인데 CGH 비슷한 정보를 제공하며, 여러개의 gene copy수를 한번의 실험으로 알 수 있다. AmpliOnco 같은 제품은 수십개의 잘 알려진 암유전자 및 suppressor gene 들이 올려진 칩과 검체를 교잡반응시켜 그 유전자들이 증폭이나 결실 정보를 한 차례 실험으로 알 수 있게해 준다. DNA를 검체로 사용하므로 오래 보관된 조직도 사용가능하며 정상, 비정상의 해석이 간단하다는 특징이 있다.

  국내에서 개발, 시판하고 있는 DNA Chip  

    약 450개의 바이오벤처 회사중 상당수가 자사가 개발한 DNA chip을 취급품목으로 내걸고 있으나, 실제 DNA chip을 개발중인 회사는 10개 남짓하고, 제품을 시장에 내놓은 곳은 2001년 전반기에 5-6곳 정도임.

  • 마크로젠 (www.macrogen.co.kr) : 2000년 한국 최초로 380여개의 한국인 유전자로 구성된 MAGIC Signal Profiler를 개발. 마크로젠 제품은 Takara에서 취급하고 있는 Intelligene DNA chip 시리즈와 거의 비슷한 cDNA microarray이다.
  • 바이오메드랩 (www.bemelab.co.kr) : 2000년 11월말부터 human papillomavirus (HPV) 진단용 DNA chip을 시판하고 있는데, 이 칩의 원리는 알데히드로 변형된 슬라이드에 적정 농도의 19가지 HPV type-specific oligonucleotide probe와  대조군으로 beta-globin에 대한 소식자를 고정한 뒤 표적(target) DNA를 교잡반응시켜 HPV의 감염여부 및 유전형을 검사하는 것으로 일종의 올리고칩이라고 할 수 있다. 현재 돌연변이 결핵균주 진단용 DNA chip, Huntington's disease 진단용 칩 등도 임상실험 단계가 끝나는대로 곧 시판될 예정.
  • 굿젠 (www.goodgene.co.kr) : 폐암 등 10여 가지 암을 진단할 수 있는 올리고칩 개발
  • 지노첵 (www.genocheck.com) : 산하연구소 GeneChip Research Center (대표: 황승용 박사)에서 유전병 진단용 칩 개발중이며, DNA chip 관련 정보를 제공
  • 에스제이하이텍 (www.sjhightech.co) : 부산의대 결핵진단용 DNA chip 상용화 프로젝트 진행.
  • 바이오니아 (www.bioneer.co.kr) : HLA genotyping과 관련된 DNA chip 개발중
  • 제노프라(주)  - 위암 및 간암 진단용 DNA Chip 제작, C형 간염바이러스 진단시스템 개발, 친자감별, 유전자검사.
  • 테진사이언스 (www.biogive.com) : Tejin Science의 홍보물 소개. DNAchip 제작과 판독을 위한 Virtek의 ChipWriter™ChipReader™ 및 DNA chip 관련 자료를 제공함.

 

DNA chip의 정의

(주) 아래 많은 내용은 한양대 황승용 교수의 글에서 인용하였음

DNA chip은 기존의 분자생물학적 지식에다 고도의 기계 및 전자공학 기술을 접목해서 만들어졌다. 기계 자동화와 전자제어 기술 등을 이용하여 적게는 수백개부터 많게는 수십만개의 DNA를 아주 작은 공간에 집어 넣을 수 있게 만든 것이다. 즉 DNA chip이란 유전자 검색용으로서 엄청나게 많은 종류의 DNA를 고밀도로 붙여 놓은 것을 말한다. 이러한 DNA chip이 대체할 수 있는 기존의 대표적인 유전공학방법으로는 Southern과 Northern blot, 돌연변이 검색 그리고 DNA sequencing 등이 있다. 이와 같은 방법들과 가장 큰 차이점은 동시에 최소한 수백개 이상의 유전자를 빠른 시간 안에 검색할 수 있다는 것이다. 또 하나의 다른 점은 Southern이나 Northern blot의 경우 유전물질을 붙이는 매체로 nitrocellulose 막을 사용하는데 반하여 DNA chip에서는 유리와 같은 고형체를 사용한다는 것이다. 그럼으로서 DNA chip은 아주 적은 양의 유전물질을 고밀도로 붙일 수 있게 되었고 동시에 많은 수를 검색할 수 있게 된 것이다.  

DNA chip은 붙이는 유전물질 크기에 따라 cDNA chip과 oligonucleotide chip으로 나누어 질 수 있다. 이들 DNA chip의 이름에서도 알 수 있듯이 cDNA chip에는 최소한 500bp 이상의 유전자 (full-length open leading frame 또는 EST)가 붙여져 있고, oligonucleotide chip에는 약 15 ~ 25개의 염기들로 이루어진 oligonucleotide가 붙여져 있다.  다음은 지금까지 개발된 대표적인 DNA chip의 종류와 제작 방법 등을 간략히 소개한다.

 

DNA chip의 종류와 활용

1. DNA chip 제작 방법에 의한 분류

DNA chip은 제작하는 방법에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있다.  이들의 특징과 관련 정보는 아래 표 1-2에 요약하였다. 이들 기술중에 electronic array를 제외한 3개의 기술도 간략히 비교하였다. (그림 1-2).  그림의 a는 photolithography, b는 pin microarray, c는 inkjet 방식을 간략히 그린 것이다.

표 1-2 DNA chip 제작 기술 분류

DNA chip 제작 기술

특징

chip 종류

DNA chip 제작 회사

pin microarray

Pin을 이용한 micro dotting (surface contact)

cDNA & oligonucleotide

Hyseq
Incyte

Inkjet

Inkjet 원리를 이용한 micro dropping

cDNA & oligonucleotide

Incyte

Photolithography

Photolithography를 이용한 oligonucleotide 직접 합성

oligonucleotide

Affymetrix

Electronic array

전기를 이용한 oligonucleotide addressing

oligonucleotide

Clinical Micro Sensors
Nanogen

그림 1-2 DNA chip 제작 방법

(1) Pin microarray chip

 

Pin microarray chip은 1995년 미국 Stanford대학 생화학과에서 처음 개발되었으며 약 2 ~ 3천개의 유전자를 약 1 cm2 안에 붙일 수 있다.  처음에는 유전자 발현 측정을 목적으로 cDNA를 붙여놓은 chip을 만들었기 때문에 cDNA microarray chip이라고 불렸지만 지금은 돌연변이를 검색할 수 있도록 oligonucleotide를 같은 방법으로 붙인 chip도 개발되었다. 그러면 먼저 효모의 유전자를 예로 하여 어떻게 cDNA microarray chip을 만드는지 그 과정을 살펴보기로 하자. (그림 1-3) 먼저 효모의 모든 염기서열이 밝혀졌기 때문에 이것으로부터 모든 가능한 유전자 (open reanding frame)들의 위치

 

파악한다.  각각 확인된 이들 유전자들의 시작과 끝 부분에 polymerase chain reaction (PCR)을 하기 위해 필요한 염기들인 primer를 computer에 의하여 찾아낸다.  즉 6,100개의 모든 효모 유전자를 PCR 하기 위해선 12,200개의 다른 primer들이 필요한 것이다.  이들 primer들은 서로 비슷한 결합 온도 (annealing temperature)를 가지고 있어서 동시에 여러 유전자를 PCR 할수 있어야 한다.  이렇게 설정된 primer들은 Stanford 대학에서 만든 96-well oligonucleotide synthersizer로 합성 되게 된다.  이 기계를 사용하면 96개의 다른 oligonucleotide를 20 nmole의 크기로 합성할 수 있는 것이다.  이렇게 만들어진 primer들을 이용하여 효모의 genomic DNA로부터 유전자를 증폭시킨다.  대부분의 효모 유전자들은 intron을 가지고 있지 않기 때문에 바로 genomic DNA로부터 증폭된 DNA들은 하나의 완벽한 유전자이다.  

그림 1-3. cDNA microarray chip

PCR을 한 후 성공 여부는 agarose gel에서 검사하고 증폭된 유전자들은 ethanol을 이용하여 침전시킨다. 이렇게 증폭된 효모의 유전자들은 microarrayer에 의해 보통 현미경 실험에 자주 쓰이는 glass slide에 심어지는 것이다 (그림 1-4). 각각의 glass slide들은 poly-L-lysine으로 처리되어 있기 때문에 유전자들과 결합할 수 있다.

DNA microarrayer는 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 첫 번째가 수십개의 glass slide들을 놓는 곳이고 두 번째가 PCR 된 유전자를 담고 있는 96well plate를 놓는 곳이다. 마지막으로는 DNA를 glass slide에 옮겨 주는 역할을 하는 pin이 붙어 있는 robotic print head이다.  이 pin이 DNA를 96well plate로부터 담아서 glass slide로 computer가 지정한 똑같은 장소에 심는 것이다.  이와같은 연속적인 반복 동작을 통해서 수천개의 효모 유전자를 가진 cDNA microarray chip이 탄생된 것이다.

그림 1-4 cDNA microarray chip 생산 및 검색 과정

이렇게 개발된 cDNA microarray chip은 두가지 다른 환경에서 발현되는 독특한 유전자들을 분석하는데 엄청난 도움이 된다.  수천개 이상의 유전자 발현변이를 단 한번의 실험으로 검색 할 수 있는 것이다.  실험과정을 살펴보면 그림 1-4에서 보는 것과 같이 먼저 두 개의 다른 환경에서 얻은 세포들로부터 mRNA를 추출한다 (Duggan DJ et al., 1999). 이들 mRNA를 역전사 (reverse transcription) 시킬 때 각각 다른 색깔의 형광 물질을 띤 염기를 집어넣어 빨간 색 (Cy5)이나 녹색 (Cy3)을 띤 cDNA를 합성한다. 이와같이 합성된 두 개의 cDNA를 똑 같은 양으로 섞어서 하나의 cDNA microarray chip에 결합시킨다. 결합이 안된 유전자들을 씻어낸 chip은 laser fluorecence scanner에 의하여 읽혀진다. 각각 유전자의 형광 정도는 그 유전자의 발현정도를 알려주는 것으로 이들 정보는 computer에 의하여 분석되어 진다. 그림 1-5에서는 약 2,500개의 효모 유전자를 가진 cDNA

microarray chip을 가지고 2% galactose와 glucose에서 각각 따로 자란 효모들의 유전자 발현을 비교해 본 것이다 (Lashkari DA et al., 1997). 이 실험에서는 galactose에서 자란 효모의 유전자들이 녹색으로, glucose에서 자란 효모의 유전자들은 빨간색으로 합성되었다. 이 두가지 색깔을 띤 유전자들을 섞어서 한 chip에 결합시킨 결과 이와 같은 결과를 얻었다. 이 그림에서 각각의 동그란 점들은 서로 다른 유전자를 대표한다. 녹색을 띠는 점들은 이 유전자들이 galactose 가 주어진 환경에서만 발현되는 것임을 보여주고 빨간색을 띠는 점들은 glucose 가 주어진 환경에만 발현되는 유전자를 나타낸다. 그리고 노란색 점들 은 녹색과 빨간색의 보색에 의하여 나타난 것으로 이 유전자들은 두 환경에서 서로 비슷한 양이 발현되는 것을 알 수 있다. 

그림 1-5 chip 검색 결과

 

이 방법으로 1:50,000의 빈도로 발현하는 유전자까지 검색할 수 있다. 이렇게 cDNA microarray chip을 사용한 한번의 실험으로 한 환경에만 발현하는 유전자를 찾을 수 있을뿐만 아니라 발현 정도까지도 알 수 있다. 이와같은 방법은 인간의 새로운 암 유발 유전자를 찾을 때나 진단에도 널리 사용할 수 있다.  미국에서 진행되고 있는 CGAP (cancer genome anatomy project)에서도 이 cDNA microarray chip 기술을 사용하여 암관련유전자들의 발현정보를 모으고 있다. 그림 1-6에서 보는 것과 같이 모든 다른 종류의 세포는 서로 다른 유전자들을 발현하여 그들만의 특징을 나타낸다.이와 같이 암세포에만 특별히 발현되는 유전자는 이 암이 생성되는데 이 유전자가 어떠한 역할을 담당했다는 것을 의미하며 이들은 그 암의 진단을 할 때도 많은 도움을 줄 것이다. 이와 같은 암 연구 이외에도 각각 다른 장기로부터 얻은 세포들의 유전자 발현 정도를 알아냄으로서 생명의 신비를 좀더 분명하게 밝힐 수도 있을 것이다. 한마디로 요약해서 인간의 유전자 발현 청사진을 얻는 것이다.이 청사진을 이용하면 이때까지 볼 수 없었던 유전자들간의 복잡한 연결 고리들을 한결 쉽게 풀 수 있을 것이다.

    그림 1-6 유전자 발현의 다양성

 

(2) Inkjet microarray chip

Inkjet 원리를 이용하여 DNA chip을 만드는 방법은 위에서 설명한 microarray chip과 거의 비슷하다. 다만 pin 대신에 computer inkjet printer에서 쓰이는 것과 같은 원리의 cartridge를 사용한다는 것이 다르다 (그림 1-2) (http://www.biodot.com/). 각각의 cartridge 안에는 유전자가 들어 있어서 전기적인 힘으로서 유전자를 고형체 위에 뿌리게 되는 것이다. 지금까지 뿌리는 방법에 따라서 thermal, solenoid 그리고 piezoelectric의 3가지 방법이 있다. (그림 1-7) 이 기술들의 장점은 유전자를 전기

적으로 chip 표면에 닿지 않고 뿌릴 수 있기 때문에 정량의 유전자가 붙어 있는 많은 수의 chip을 생산할 수 있다는 것이다.  하지만 아직까지는 많은 종류의 다른 유전자를 가진 DNA chip을 생산하기 위해서 필요한 cartridge 안의 유전물질 교환과 같은 기술적인 문제가 조금 있다. 그러나 이들 기술적인 문제들을 해결하는데는 많은 시간이 걸리지 않을 것이다.

그림 1-7 Inkjet의 종류

 

(3) Photholithograph chip

미국의 silicon valley에 있는 Affymetrix라는 회사는 computer 산업계에서 computer chip을 만들기 위해서 쓰는 photolithography라는 기술을 사용하여 수만개의 다른 염기 (nucleotide)들을 하나의 유리위에 직접 합성하는데 성공하였다. 아마도 이 기술은 20세기를 대표하는 computer 산업과 21 세기를 대표할 생명공학 산업의 절묘한 결합이라 할 수 있다.  Affymetrix는 이 기술을 사용하여 초기에 1.28 cm2 안에 65,000개의 다른 oligonucleotide를 가진 chip을 만들었고 지금은 400,000개의 다른 oligonucleotide를 가진 chip을 만들 수 있게 되었다 (그림 1-8).  

각각의 oligonucleotide들은 15 ~ 25개의 염기로 이루어져 있다. Oligonucleotide가 합성되는 유리의 표면은 각각의 염기들이 합성할 수 있게 보조체가 붙어 있다(그림 1-9 , 10) (Lipshutz RJ et al., 1999). 하지만 이들 보조체는 평소에 빛에 민감한 화학 물질로 덮여 있어 염기들이 합성될 수 없다. 이러한성질을 이용하여 특별히 설계된 photomask를 위에 놓고 빛을 쏘이면 구멍이 나있는 곳으로 빛이 들어가 그곳에 있는 보조체의 화학물질들을 제거한다.  이렇게 화학물질이 제거된 보조체들을 가진 chip을 한가지 염기가 있는 곳에 넣으면 모든 활성화된 보조체들에 염기가 가서 합성된다.

그림 1-8 Affymetrix DNA chip

 

 

    그림 1-9 Photolithography I

 

물론 각각의 염기들도 빛에 민감한 화학물질로 덮여 있어 한 개씩밖에 합성이 안된다. 이러한 chip을 씻은 다음 다시 다르게 설계된 photomask를 이용하여 빛을 쏘여 주면 그곳에 있는 보조체나 염기들이 활성화되어 다음 염기들과 합성할 수 있게 되는 것이다. 이와 같은 반복적인 과정을 통하여 65,000개의 다른 25mer (25개의 염기를 가진 oligonucleotide)를 약 100 cycle 안에 합성할 수 있다.  이렇게 photolithography를 거친 유리판은 그림 1-11에서 보는 것과 같은 과정을 통하여 완벽한 형태의 Affymetrix chip이 완성이 되는 것이다. 앞에서 설명한 cDNA microarray chip과 이 oligonucleotide chip의 다른 점은 chip에 완전한 유전자 (full-length ORF) 대신에 25mer를 심은 것이다.  이와 같은 차이점 때문에 유전자 발현을 검색하는데 쓰이는 oligonu- cleotide chip을 만들 때 유전자의 어떤 부분을 선택하여 합성하는 지가 아주 중요하다. 평균 20개의 25mer들이 하나의 유전자를 대표하여 선택된다.  또한 각각의 결합 온도 (annealing temperature)가 서로 비슷해야 한다.

그림 1-10 Photolithography II

 

그림 1-11 Affymetrix Chip 제작 과정

가장 중요한 것은 이들 25mer들이 전체 게놈에서 유일해야 한다는 것이다.  만약에 중복되어 있다면 결과를 해석할 수 없게 되기 때문이다.  이와 같은 조건 때문에 전체 게놈의 염기서열이 밝혀진 생물의 chip을 만드는 것이 가장 수월하다. 그래서 Affymetrix에서도 효모 유전자를 가진 oligonucleotide chip을 만들었다.  처음에는 한 개의 chip에 65,000개의 oligonucleotide 밖에 넣을 수 없어서 그림 1-12에서 보는 것과 같이 모든 효모의 유전자들은 4개의 chip으로 나뉘어 졌다.  A chip은 염색체 1번서부터 4 번까지의 유전자들을 가지고 있고 나머지 3 chip들은 나머지 염색체 16번까지의 유전자들이 나누어져 있다. 하나의 유전자를 대표하여 선택된 평균 20개의 25mer들의 바로 밑에는 각각의

13번째 염기서열에 변형을 준 oligonucleotide들이 합성 되어있다.  이렇게 변형된 25mer를 만든 이유는 정상적인 DNA가 변형된 염기 때문에 이곳에 절대 붙지 않는 성질 때문이다.  이들 변형된 25mer들은 물론 전체 게놈에 없는 염기서열이며, 각각의 정상적인 25mer들의 local background나 만약에 일어 날 수 있는 cross- hybridization을 측정하는데 쓰인다. Oligonucleotide chip도 cDNA microarray chip과 비슷한 과정을 거쳐 다르게 발현되는 수천개의 유전자들을 동시에 검색한다.  다만 한 유전자를 대표하는 20개 25mer의 밝기 정도가 그 유전자의 발현정도를 대표하는 것이 다르다.  이 chip을 이용하여 1:300,000의 빈도로 발현하는 유전자도 검색할 수 있다. 이 oligonucleotide chip도 cDNA microarray chip과 마찬가지로 한 환경에만 발현하는 유전자를 찾을 수 있을 뿐만 아니라 발현 정도까지도 알 수 있다. 또한 Affymetrix oligonucleotide chip은 하나의 염기서열만 틀려도 결합을 하지 않는 성질을 이용하여 한 염기에 생긴 돌연 변이 (point mutation)까지도 찾아낼 수 있다.  

그림 1-11 Affy chip 분석결과

많은 암이나 유전병들이 특정 유전자에 생긴 작은 돌연변이에 의해서 유발되기 때문에, 이것을 이용하여 지금까지 밝혀진 암 관련 유전자를 가진 DNA chip을 만든다면 한번의 실험으로 아주 쉽게 돌연변이를 찾을 수 있다.  지금 Affymetrix 회사에서는 앞에서 설명한 유전자 발현 검색용 chip 뿐만 아니라 암 관련 유전자인 p53와 BRCA1을 가진 chip, AIDS의 원인인 HIV의 종류도 알 수 있는 chip, 그리고 SNP (single nucleotide polymorphism) 측정용 chip등을 생산하고 있다 (Table 2).

 

 

    Table 2. Affymetrix Chip의 종류

 

    (4). Electronic array DNA chip

DNA가 (-) 전하를 띠는 성질을 이용하여 chip의 표면에 있는 특정 위치에 (+) 전기를 넣어서 그 위치에 원하는 유전자를 붙게 만드는 방법이다 (그림 1-13)

        그림 1-13 Electronic addressing

이와 같은 원리를 이용한 chip이 미국의 Nanogen에서 개발되었고 지금은 10,000개의 DNA를 이러한 방법으로 붙일 수 있는 chip이 개발되어 있다 (그림1-14)

    그림 1-14 Nanogen Chip

    그림 1-15 전기의 힘을 이용한 농축

이 기술의 장점은 이와 같은 electronic addressing 뿐만 아니라 전기를 이용하여 target DNA를 원하는 특정 위치에 끌어드림으로서 결합 시간을 단축할 수 있다는 것이다 (그림 1-15).

또한 전기적인 힘을 이용하여 정상 DNA와 하나의 염기가 다른 DNA를 떨어뜨릴 수 있는 장점이 있다(그림 1-16). 최근에는 지금까지 보통 수주가 걸리던 DNA 감식 작업을 범행현장에서 수초만에 끝낼 수 있도록 미국 법무부 산하 연구기관인 국립사법연구소 (NIJ)가 Nanogen chip을 2년안에 모든 경찰차에 도입하겠다고 발표하였다. 아직까지 Nanogen chip의 검색은 형광 물질을 이용하고 있지만 Clinical Micro Sensors라는 회사에서는 아주 획기적으로 검색과

그림 1-16 Electronic Stringency 조절

정도 전기 신호로서 측정하는 기술을 개발하였다(그림 1-17, 18). 그럼으로서 고가의 laser scanner 대신 손으로 들고 다닐 수 있는 저가의 측정장비를 사용하게 만들었다. 이러한 DNA chip은 앞으로 더욱더 폭 넓게 여러 가지 영역에서 쓰여지리라 예상되고 있다.

그림 1-17 CMS chip과 Scanner

그림 1-18 Electronic detection

 

2. DNA chip 활용 분야

    (1) DNA chip 활용 가능 분야

유전자 발현을 검색하는 데에는 cDNA chip이나 oligonucleotide chip이 기존의 방법들보다도 모두 뛰어나다.  일단 많은 수의 유전자들을 한번에 검색한다는 데에 그 의미가 있는 것이다.  앞에서 밝힌 것과 같이 oligonucleotide chip은 또한 돌연변이 검색에도 사용될 수 있다.  그러므로 이 두 가지의 DNA chip들은 돌연변이 검색, 병의 진단 또는 유전자 발현 청사진을 만드는데 많은 기여를 할 것이다.  아래 표에서는 이들 DNA chip의 사용 가능 분야들을 간략히 요약하였다.

 

Table 3 DNA chip 활용분야

      cDNA chip 활용 가능 분야

    Oligonucleotide chip 활용 가능 분야

인체 유전자 기능분석 연구
산업용 유전자 재조합 동식물 및 미생물 연구
실험용 동식물 모델 연구
암 및 질병관련 유전자 진단
유전자 치료
임상 병리학
동식물 검역
환경변화에 따른 생태학 연구
식품 안전성 검사
신약개발

암관련 유전자 돌연변이 검색진단
유전병관련 유전자 돌연변이 검색진단
약제내성 검색진단
DNA 염기서열 분석
유전자 변이 가계도 작성
장기 이식가능 조직 검사
병원성 미생물 동정
법의학 (용의자확인, 친자 확인 등..)
DNA 고고학

인간의 발생 초기단계에서는 하나의 세포로 시작하나 태어날 때는 수 조개의 여러 다른 세포들로 형성된 개체로 만들어진다. 어떻게 하나의 세포가 이렇게 수 없이 많은 다른 세포와 조직을 형성할 수 있는가? 이와 같은 엄청난 변화와 역할분담은 약 10만개에 이르는 유전자들에 의하여 대부분 조절되어진다. 인간의 모든 세포는 똑같은 유전정보를 가지고 있지만 발생단계에서 자신의 결정된 역할들에 의하여 특정 유전자들만 발현함으로서 다른 세포들과 구별되어진다. 즉 인간의 몸을 형성하는 각각의 세포군들에게는 그들만의 독특한 유전자들이 발현되는 것이다. 이들은 서로 아주 긴밀한 관계를 유지하고 있으며, 만약 이들 유전자들에 돌연변이가 생기거나 변화가 일어나면 질병이 발생한다. 그러므로 DNA chip을 이용하여 게놈 차원에서의 유전자 기능과 변화를 알아내는 것은 과학 기술적인 측면뿐만 아니라 인류의 건강과 생명의 신비를 해석하는데 아주 중요하다.  이러한 지식은 신약 개발이나 유전자 치료 등에도 많은 기여를 할 것이다.

인류의 건강을 위해서는 인간 유전자 기능 검색뿐만 아니라 많은 인간 질병의 원인이 되고 있는 미생물들의 동정을 검색하는 것도 아주 중요하다.  이미 많은 질병관련 미생물들의 게놈이 밝혀져 있으며, 앞으로도 계속해서 밝혀질 것이다.  이렇게 밝혀진 염기서열을 통한 연구는 계속될 것이고 연구 진행의 결과로 미생물의 유전자 검색 또한 손쉽게 이루어질 수 있을 것이다.  예를 들면 이미 모든 게놈 구조가 밝혀져 있는 결핵균은 우리 나라뿐만 아니라 미국에서도 AIDS 환자들 사이에서 많이 발병하며, 또한 항생제의 오용으로 내성을 가진 종이 많아지고 있다.  이러한 요인으로 난치성 결핵환자의 원인균으로 최근 문제가 되고 있는 비결핵 마이코박테리아의 균주를 빠른 시간 안에 환자로부터 찾아내고 어떠한 항생제에 내성을 가졌는가를 밝히는 일은 매우 중요하다.  이러한 일은 다른 수없이 많이 존재하는 모든 병원균들의 발견과 치료에도 적용되는 아주 중요한 과정이다. 그러나 현존의 병원성 세균동정검사는 많은 시간과 경비가 소요된다. 따라서 빠르고 정확한 새로운 검색방법의 개발은 임상 의사가 적절한 판단과 치료를 하는데 결정적인 기여를 할 수 있을 것이다. 그러므로 병원성 미생물 검색용 DNA chip의 시장성은 아주 높다고 할 수 있다.  또한 이러한 DNA chip은 병원뿐만 아니라 동 식물 및 식품 검역소, 환경 오염등에도 쓰여 질 수 있다.앞에서 언급한 Nanogen chip이 2년후에는 모든 경찰차에서 용의자 확인에 쓰이기로 결정되었듯이 사람의 ID, 친자확인, 장기 이식 가능 조직의 검사 등에도 DNA chip은 널리 쓰이게 될 것이다. 이들 기술이 DNA chip에 사용 가능한 이유는 모든 사람들이 각자 조금씩 다른 DNA 구조를 가지고 있기 때문이다.  이와 같이 가까운 미래에 DNA chip은 우리의 생활 구석 구석에 파고들어 우리의 삶을 보다 윤택하게 만들 것이다.

3. 결 론

20세기 후반에 가장 큰 발전을 한 유전자 조작 기술의 발달로 암이나 질병에 유전자가 관여한다는 것은 밝혀진지 오래되었고 병원성 세균의 감염여부 및 항생제 내성 검사, 신약개발, 유전자의 기능 연구, 동식물 검역, 범죄자 확인 등 많은 부분에 DNA와 유전자 감식 기술이 이용되고 있다.  지금까지는 이러한 사실을 밝히기 위하여 DNA sequencing, RFLP, Southern blot, Northern blot등의 기술을 이용하였다. 그리고 결핵균의 경우 세균의 감염여부를 확인하고 균 동정을 하기 위해서는 몇 주 동안 배양해야 하는 번거로움이 있었다. 또한 이러한 기술을 사용하여 한번에 여러 개의 유전자 발현변이나 돌연변이를 확인한다는 것은 쉽지 않았다.  하지만 DNA chip은 동시에 이러한 문제점들을 해결해 줄 수 있다. 먼저 DNA chip을 이용한 게놈 차원에서의 유전자 발현 확인은 유전자 발현 청사진을 제공함으로서 과학기술적인 측면뿐만 아니라 인류의 건강과 생명의 신비를 해석하는데 결정적인 기여를 할 것이다. 또한 인간의 질병이나 암과 관련된 하나 이상의 돌연변이들을 동시에 검색할 수 있을 것이다.

이와 같은 일이 현실로 빨리 다가오기 위해서는 생물정보학(bioinformatics)의 발달이 가장 시급하다. 엄청나게 쏟아지는 유전 정보들의 효율적인 관리가 필요한 것이다.  DNA chip으로 생산된 결과들을 금광에 비유한다면 생물정보학은 바로 그 금을 얻기 위한 중요한 도구가 될 것이다. 그림 1-20은 DNA chip 실험으로 나온 결과를 분석하기 위해서는 많은 다른 Database와 연결하여 서로의 정보를 공유해야만 한다는 사실을 보여 주고 있다 (Bassett Jr. et al., 1999)  그리고 최근에 소개된 laboratory on a chip 개념이 DNA chip과 결합하면 더욱더 빠르고 정확한 정보들을 얻을 수 있을 것이다 (Burns MA, 1998).

 

    그림 1-20 Bioinformatics의 계통도

처음 게놈 연구를 시작할 때 많은 사람들은 인간의 모든 유전자가 밝혀지더라도 그들의 모든 성질을 밝히는데는 100년 이상이 걸릴 것이라고 추측했다.  하지만 이 DNA chip과 같은 기술의 개발로 이 시간은 많이 단축되리라고 생각한다.  그럼으로 가까운 미래에 우리는 유전정보 청사진을 가지고 모든 암과 유전병을 정복할 수 있는 시대를 맞이할 것이다.