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2022 봄호 / 지식더하기 ②

2022-04-15 32

전기영동법

 

과학 실험에 관심이 있다면 한 번쯤 전기영동 실험을 해봤거나, 들어본 적이 있을 것입니다. 전기영동법Electrophoresis이란 전기장을 이용하여 고분자를 모양, 크기, 질량 등에 따라 분리하는 방법이라고 할 수 있습니다. 이는 DNA, RNA와 같은 핵산, 그리고 단백질을 분리하는 데 사용됩니다. 이러한 전기영동법의 원리와 종류에 대해 알아볼까요?

 

겔 전기영동법의 원리
가장 먼저, 어떤 원리로 DNA나 단백질이 전기장 속에서 이동할 수 있는지 알아보겠습니다. DNA의 경우에는 인산기를 가지기 때문에 음전하를 띠므로, 인력에 의해 양극(+) 방향으로 끌려가게 됩니다. 단백질의 경우 여러 전하를 띨 수 있지만, 전기영동 시에는 SDSSodium Dodecyl Sulfate라는 물질을 처리하여 단백질이 그 분자량에 비례하여 음전하를 띠도록 합니다. 이러한 이유로 DNA와 단백질이 음극에서 양극 방향으로 이동하게 되는 것입니다.
다음으로는 어떻게 전기영동법을 통해 물질이 분리되는지 살펴보겠습니다. 전기영동법에는 여러 종류가 있지만, 가장 널리 쓰이는 것은 바로 겔 전기영동법Gel Electrophoresis입니다. 겔은 미세한 구멍이 많은 구조를 가지기 때문에, 분자가 구멍을 통과하며 이동 속도에 따라 분리됩니다. 전기장에서 전하를 가지는 물질이 겔을 통과하는 속도는 v = qE/f (v : 이동속도, q : 전하량, E : 전기장의 크기, f : 마찰 계수)로 나타낼 수 있습니다. 이때, 전기장의 크기(E)는 일정하므로 겔에서 분자의 이동 속도는 q/f에 비례하게 됩니다. 즉, 전하가 크고 마찰력이 작을수록 빨리 이동하는 것이죠. 여기서 마찰 계수인 f는 분자의 크기나 모양, 겔의 구멍 크기나 점도Viscosity 등의 영향을 받습니다.

전기영동 실험 시 겔에 빗 모양의 콤Comb을 꽂아 웰Well이라는 일련의 구멍을 만들고, 각 웰에 실험하고자 하는 시료를 넣은 후 전기장을 걸어주는 방식을 사용하는데요. 이 경우 같은 겔을 사용하므로 시료 속 분자의 크기와 모양이 모두 같은 경우에는 분자량에 따라 분자들이 분리됩니다. 그리고 이는 앞선 공식에서 마찰 계수( f )에 해당하는 요인이 됩니다. 따라서, 가볍고 마찰 계수가 작은 분자는 상대적으로 빨리 이동하여 양극(+)에 가깝게 멀리 이동한 것을 관찰할 수 있고, 무거운 분자는 멀리 이동하지 못하여 음극(-)에 가깝게 위치하는 것을 관찰할 수 있습니다.

겔 전기영동법은 사용되는 겔에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 아가로스 겔Agarose Gel과 폴리아크릴아마이드 겔Polyacrylamide Gel이 그것인데, 폴리아크릴아마이드 겔을 사용하는 방법을 간단하게 PAGEPolyacrylamide Gel Electrophoresis라고 줄여 부르기도 합니다. 아가로스 겔은 폴리아크릴아마이드 겔에 비해 큰 구멍을 가져 큰 크기의 DNA를 분리하는 데 주로 사용되고, 폴리아크릴아마이드 겔은 단백질이나 작은 크기의 DNA를 분리하는 데 주로 사용됩니다. 아가로스나 폴리아크릴아마이드의 농도에 따라 분리할 수 있는 분자 크기의 범위를 조절할 수도 있습니다.

입체 구조를 가지는 단백질의 경우, 그 모양 때문에 분자의 크기에 따라 분리하기가 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 사용하는 것이 바로 SDS-PAGE인데요. 앞서 언급하였듯 SDS는 단백질이 본래 가지고 있는 전하를 제거하고 음전하를 띠도록 합니다. 또한 단백질의 입체 구조를 풀어 선형으로 만들고, 일정 개수의 아미노산에 일정한 SDS 분자가 결합함으로써 단백질의 전하량이 분자량에 대체로 비례하도록 만듭니다. 이 방법을 통해 다양한 전하와 모양을 가지는 단백질을 효과적으로 분리할 수 있게 되었습니다.

여기까지 전기영동법에 대해 알아보았는데요. 전기영동법은 생명과학, 또는 화학 관련 실험에 필수적인 실험 기술입니다. 이 글이 흥미로웠다면 함께 자주 수행되는 PCRPolymerase Chain Reaction의 원리나 전기영동법의 다른 종류에 대해서도 조사해 보는 것은 어떨까요?

 

 

[참고 자료]

1. 박창호, 「전기영동 (가용성 생성물의 회수 및 정제11)」, 『생물분리공정』, 2020.8.3.
https://www.cheric.org/files/education/cyberlecture/e200803/e200803-1401.pdf
2. 김동욱, 「전기영동」, 『미생물학백과』, 2020.10.30.
 https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5894293&cid=61232&categoryId=61232
3. Al-Tubuly A.A., 「SDS-PAGE and Western Blotting」, 『Diagnostic and Therapeutic Antibodies: Methods in Molecular Medicine, vol 40』, 2000.
https://doi.org/10.1385/1-59259-076-4:391

 

글 / 생명과학과 20학번 26기 알리미 신유빈