정의 겔 전기영동(영어: gel electrophoresis)은 겔(gel)이라 불리는 다공성 고분자 매트릭스에 전기장을 걸어 DNA, RNA, 단백질 등의 하전된 생체 고분자를 크기·전하·형태 등 물리화학적 성질에 따라 분리·분석·정제하는 실험 기법이다. 전기영동(electrophoresis)이라는 용어는 "전기(electro-)에 의해 운반된다(-phoresis)"는 뜻을 지닌다.
원리 전기영동은 전기장을 이용하여 분자를 겔을 통해 이동시키는 과정이다. 완충 용액 속에서 핵산은 인산기 때문에 중성 pH에서 순 음전하를 띠므로 양극(+) 쪽으로 이동한다. 겔은 다공성 구조로 일종의 체(sieve)처럼 작용하여, 작은 분자는 겔의 그물망을 빠르게 통과하고 큰 분자는 상대적으로 느리게 이동한다. 그 결과 분자량이 다른 분자가 겔 상에서 서로 다른 위치의 띠(band)로 분리된다. 이동 거리는 분자 크기의 로그값에 대략 반비례하는 것으로 알려져 있다. 단백질의 경우 전하가 균일하지 않으므로, SDS(도데실 황산 나트륨)와 같은 음이온성 계면활성제로 변성시켜 전하 대 질량비를 균일하게 만든 뒤 크기에 따라 분리하는 SDS-PAGE 방식이 널리 쓰인다.
겔의 종류
- 아가로스 겔: 해조류에서 추출한 천연 다당류 중합체로 만들어진다. 겔화가 물리적 과정이어서 주조와 취급이 비교적 쉽고 시료 회수도 용이하다. 약 50 bp에서 수 메가베이스(Mb) 범위의 DNA 단편 분리에 사용되며, 보통 0.7~2% 농도가 쓰이고 때로 3%까지 사용된다. 구멍 크기가 균일하지 않아 200 kDa 이상의 큰 단백질 분리에도 적합하다.
- 폴리아크릴아마이드 겔: 아크릴아마이드와 가교제(비스아크릴아마이드)의 중합으로 만들어지며, 균일한 기공 크기를 제공하여 약 5~2,000 kDa 범위의 단백질 분리에 사용된다. 아크릴아마이드 단량체는 강한 신경독이므로 취급 시 주의가 필요하다. 일반적으로 6~15%의 분리 겔(resolving gel) 위에 5% 농축 겔(stacking gel)을 쌓는 불연속 완충계가 사용된다.
- 녹말 겔: 부분 가수분해된 감자 녹말로 만들어지는 무독성 매체로, 주로 5~10% 농도가 쓰인다. 변성되지 않은 단백질을 전하와 크기에 따라 분리할 수 있다.
일반적 절차
- 완충 용액(버퍼): 주로 Tris를 기본 성분으로 하고 EDTA 등을 포함한다. TBE 버퍼가 TAE 버퍼보다 해상력이 좋은 것으로 알려져 있으며, TAE는 주로 큰 DNA 단편용, TBE는 작은 DNA 단편이나 시퀀싱용으로 쓰인다.
- 시료를 겔의 웰(well)에 넣고 전기영동 챔버에 장치를 연결하여 전원을 인가한다.
- 전기영동 완료 후 염색으로 분리 결과를 시각화한다. DNA는 브로민화 에티듐(UV 아래에서 형광), 단백질은 은 염색 또는 쿠마시 브릴리언트 블루 등이 사용되며, 방사성 표지 시료는 자가방사선 사진(autoradiography)으로 검출한다.
- 필요에 따라 겔 조각을 절단하여 단백질 복합체를 추출하고 펩타이드 질량 지문 분석 등 후속 분석을 수행한다.
응용 분자생물학·생화학·법과학 분야에서 널리 사용된다. PCR 산물 확인, 클로닝 성공 여부 판별, RNA 추출 품질 평가, 유전형 분석(genotyping), 단백질 순도 검사 및 웨스턴 블롯의 선행 단계 등에 활용된다. 변이형으로는 펄스 전기장 겔 전기영동(PFGE, 약 20 kb~수 Mb의 거대 DNA 분리), 등전점 전기영동(IEF), 2차원(2D) 전기영동, 변성 구배 겔 전기영동(DGGE) 등이 있다.
한계 전류가 흐르면 겔이 가열되어 녹을 수 있다. 또한 전기장으로 인한 pH 변화를 줄이기 위해 완충 용액을 사용하지만, 과도하게 오래 실행하면 완충 능력이 소진될 수 있다. SDS-PAGE에 의한 분자량 측정에는 한계가 있으며, 단백질 구조, 번역 후 변형, 아미노산 조성 등 생물학적 변수가 이동도에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 트로포미오신과 같은 산성 단백질은 음전하를 띠는 SDS와 반발하여 비정상적으로 이동하는 것으로 보고되어 있다.
역사 1955년 올리버 스미시스(Oliver Smithies)가 녹말 겔을 전기영동 지지체로 도입하면서 구역 전기영동(zone electrophoresis)이 생화학 분야에서 널리 쓰이게 되었다. 이후 폴리아크릴아마이드 겔과 아가로스 겔이 개발되었고, 1970년 레믈리(Laemmli)의 SDS-PAGE 완충계 등이 정립되었다. 1984년에는 슈워츠(Schwartz)와 캔터(Cantor)가 펄스 전기장 겔 전기영동을 개발하였다.
참고 자료
- Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002), Biochemistry (5th ed.), WH Freeman.
- Hofmann A, Clokie S (eds.), Wilson and Walker's Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular Biology, Cambridge University Press.
- 위키백과 "겔 전기영동" 항목, 영문 위키백과 "History of electrophoresis", "Pulsed-field gel electrophoresis" 항목.
