과학자들은 실험실에서 다른 출처, 다른 종의 DNA를 결합하여 재조합 DNA(recombinant DNA)를 만듭니다. DNA 클로닝(DNA cloning)은 과학자들이 박테리아와 같이 쉽게 조작할 수 있는 세포에 유전자를 삽입해 특정한 유전자를 연구할 수 있게 해줍니다. 재조합 DNA를 포함하는 유기체는 유전자 변형 유기체로 알려져 있습니다. 재조합 DNA 기술은 과학, 의학, 그리고 농업에 도움이 될 수 있는 새로운 유전자를 가진 유기체를 생산합니다.
재조합 DNA의 생성은 DNA 복제와 단백질 발현을 위해 외래 DNA를 숙주 세포로 운반하는 매개체인 벡터(vector)에 관심 유전자(gene of interest)를 삽입해 이루어집니다. 가장 일반적으로 사용되는 클로닝 벡터는 숙주의 염색체 DNA와 독립적으로 복제되는 작은 원형 DNA 조각인 플라스미드입니다.
재조합 DNA를 만들기 위해 관심 유전자를 포함한 공여 DNA(donor DNA)와 벡터를 제한 효소(restriction enzyme)를 사용하여 제한 부위(restriction site)라는 특정 뉴클레오타이드 서열(nucleotide sequence)에서 절단합니다. 이어서 DNA 연결효소(DNA ligase)를 사용해 관심 있는 유전자와 플라스미드가 연결되는 당-인산 뼈대를 봉합합니다.
그 결과, 재조합 DNA 분자는 삽입체(insert; 인서트)라고 불리는 공여 DNA 조각이 결합한 벡터로 구성됩니다. 그런 다음 과학자들은 이 혼합 DNA 분자를 숙주 유기체(일반적으로 박테리아나 효모)에 도입하여 쉽고 빠르게 복제할 수 있습니다. 이것은 과학 연구와 다른 응용 분야에 필요한 관심 유전자의 많은 사본을 만듭니다. 또한 숙주를 이용해 이 유전자를 인간의 인슐린과 같은 원하는 단백질로 전사(transcription)하고 번역(translation)할 수 있습니다.
재조합 DNA를 만드는 것은 불완전한 과정이며 종종 오류가 발생합니다. 예를 들어, 삽입체 없이 벡터가 닫히거나 삽입체가 정확하지 않을 수 있습니다(예: 거꾸로 삽입). 따라서 추가적인 연구를 위해 재조합 DNA를 사용하기 전에 오류를 확인해야 합니다. 뉴클레오타이드 서열분석(nucleotide sequencing)은 올바른 삽입체를 가진 플라스미드를 포함하는 박테리아 집락(colony)을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
과학자들은 유전자와 단백질을 연구하기 위해 재조합 DNA를 사용합니다
재조합 DNA 기술은 관심 있는 유전자나 단백질 생성물의 많은 사본이 필요할 때 특히 유용합니다. 그러나 어떤 연구에는 원하는 단백질의 검출이나 정제(purification) 같은 보다 복잡한 실험을 추가해야할 수도 있습니다. 이를 위해서 유전자 생성물을 식별하는 데 사용되는 단백질인 표지 단백질(protein tag)이나 리포터(reporter)를 원하는 단백질에 부착하여 융합 유전자(fusion gene) 또는 키메릭 유전자(chimeric gene)를 만들 수 있습니다.
과학자들은 처음에 박테리아에서 인슐린을 생산하기 위해 재조합 DNA 기술을 사용했고, 그 결과 당뇨병을 치료할 수 있었습니다. 이 최초 발견 이후, 과학자들은 치료 목적으로 다른 재조합 DNA를 만들어냈습니다. 재조합 박테리아는 성장 호르몬 결핍 환자를 치료하기 위해 정상적인 성장과 발육에 필요한 단백질인 인간 성장 호르몬을 만듭니다. 인간과 햄스터에서 파생된 재조합 포유류 세포는 혈우병 환자를 치료하는 데 필요한 단백질인 VIII인자를 생산합니다. 재조합 DNA 기술은 필수 단백질의 대규모 생산을 위한 강력한 도구입니다.
재조합 DNA 기술을 통한 농업 발전 또한 인간의 안녕에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 옥수수 농부들은 유럽옥수수좀(European corn borer) 때문에 상당한 농작물 피해를 보았습니다. 이에 대응하여 과학자들은 토양에 서식하는 박테리아 Bacillus thuringiensis (Bt)에서 유전자를 분리해 옥수수에 도입해 해충에 강한 옥수수를 만들었습니다. Bacillus thuringiensis는 특정 곤충에게는 독성이 있고 인간, 식물, 또는 다른 동물에겐 무해한 단백질을 생산합니다. 해충에 강한 Bt 옥수수의 도입은 농작물의 수확량을 개선하고 화학 농약의 사용을 줄였습니다. 이러한 농업에서의 응용은 세계적인 식량 공급의 질과 양을 향상시킵니다.
