DNA 복제시 중추적 단백질은 DNA 합성을 수행하는 DNA polymerase이다. 따라서 DNA polymerase의 구조 및 기능에 대한 연구는 DNA polymerase의 중합반응에 대한 기작을 비롯하여 교정 및 수선기능에 대한 정보를 얻게 함으로써 복잡한 DNA 복제 기적을 이해하는 첩경이 된다. Bacteriophage T7의 Gene 5 단백질은 T7 DNA polymerase로 Richardson group에 의해 처음으로 발견되었으며, E. coli의 12 KDa thioredoxin과 tight complex를 형성한다. T7 DNA polymerase의 클로닝은 분자생물학의 새로운 장을 열어준 중요한 의미를 지닌다 . 본 연구에서는 T7 DNA polymerase의 구조적, 기능적 특성을 파악하고 DNA 염기서열 분석에의 응용 및 DNA 염기서열 결정을 위한 새로운 전략 및 최근연구 동향에 대해 기술하였다.
유전자(DNA, RNA)복제 등은 이제 낯선 말이 아니다. 범죄 수사를 할 때도 'DNA 검사'를 통해 지문보다 더 정확한 증거를 찾아낸다. 하지만 이 DNA에 대한 연구가 우리 일상과 가까워지기까지는 정말 많은 과학자들의 노고를 거쳤다. 20세기 생물학의 최대 발견이라 인정받는 이 'DNA구조의 발견'의 종착역에 바로 왓슨과 크릭, 윌킨스가 있었다.
특정 단백질과 특이적으로 결합하는 핵산인 앱타머 (aptamer) 의 존재는, DNA 기반 컴퓨팅과 단백질 기반 컴퓨팅 사이에서 가교 역할을 할 수 있다는 가능성을 고려할 때 주목할 만하다. 본고에서는 전통적인 DNA 기반 컴퓨팅 방법론의 확장으로서, 앱타머 구조 변환의 활용 방안을 제안하였다.
DNA 스트링과 같은 대용량의 데이타에 대한 빠른 검색을 수행하기 위해서는 전체 텍스트 인덱스 자료구조를 구축하여 검색하는 방법이 효율적이다. 가장 일반적인 인덱스 자료구조는 써픽스 트리와 써픽스 배열이다. 써픽스 배열은 써픽스 트리보다 적은 공간을 사용하기 때문에 DNA 스트링과 같은 대용량의 데이타에 적합한 자료구조이다. 기존의 써픽스 배열 구축 알고리즘들은 정수 문자집합에 적합한 알고리즘들이어서 DNA 스트링에 적합하지 않았다. 본 논문에서는 DNA 스트링의 문자집합이 4로 고정되어 있는 사실을 이용하여 DNA 스트링에 대한 써픽스 배열을 마르게 구축하는 방법을 제안한다. 고정길이 문자집합에 효율적인 Kim et. al.[1]의 알고리즘의 인코딩 과정과 합병 과정 개선으로 전체 구축 시간을 향상시켰다. 실험 결과 1.3배에서 1.6배 정도 구축 속도가 향상되었으며, 기존의 다른 써픽스 배열 구축 알고리즘들과 비교한 결과에서도 대부분 가장 빠르게 써픽스 배열을 구축하였다.
DNA 칩에서 사용되는 프로브를 가장 효과적으로 설계하기 위해서는 상보결합을 위한 1차구조뿐만이 아니라 열역학적인 움직임과 함께 2차구조가 고려되어야만 한다. 그러나 핵산의 기능에 큰 영향을 미치는 2차구조에 대한 연구는 일찍부터 진행되어 왔지만, 상대적으로 DNA에 대한 연구는 크게 미흡한 것이 현실이다. 이에 우리는 유전자 알고리즘을 이용한 핵산의 이차구조 예측을 통해서 보다 효과적인 프로브의 설계를 위한 방법을 고안했다.
본고에서는 바이오 기술(BT: Bio Technology)의 주요 소재인 DNA(DeoxyriboNucleic Acid, 디옥시리보핵산)를 정보기술(IT: Information Technology)과 나노 기술(NT: Nano Technology)에 적용한 세 가지 DNA 응용 기술 동향에 대해 소개하였다. 먼저 1958년 프랜시스 크릭(Francis Crick)이 주장한 센트럴 도그마(Central Dogma)의 출발점인 DNA의 구조와 기능에 대해 최대한 자세히 소개하였고, DNA의 염기 서열 방식을 이용한 DNA 저장장치에 관해 설명하였다. 그다음 장에서는 DNA의 자기 조립(Self-Assembly) 능력과 자기 복제 능력 및 다른 분자를 인식하여 결합하는 특성을 정보기술에 적용한 DNA 컴퓨터에 대해 설명하였다. 마지막으로, 나노 단위의 DNA 구조를 응용한 나노 기술 중에서 다양한 나노구조물을 만드는 기술인 DNA 오리가미 기술에 대해 설명하였다.
cAMP와 복합체를 형성한 cAMP 수용성 단백질은 DNA와 결합하여 ${\sim}90$도 정도의 예리한 DNA bending을 유도한다. 그러나 이전의 논문[5]에 의하면 돌연변이 CRP:cGMP 복합체는 돌연변이 CRP:cAMP 복합체보다 아크릴아미드 겔에서 상대적으로 빠른 이동속도를 보였다. CRP와 cyclic nucleotide 존재하에서 DNA의 구조 변화를 알아보기 위하여 6가지 준비된 DNA조각들을 사용하여 몰 고리화 인자(molar cyclization factor)[13]를 측정하였다. 이들 자료를 사용하여 nonlinear regression analysis를 통하여 cGMP 존재하에서 돌연변이 CRP는 DNA bending을 형성하지 않으나 CAMP 존재하에서 나선 꼬임과 같은 DNA 구조 변화없이 DNA bending을 형성한다.
DNA 시퀀스 데이터베이스 규모의 급격한 증가 추세를 고려할 때, DNA 시퀀스 검색 연산을 보다 효과적으로 지원할 수 있는 인덱싱 및 질의 처리 기술이 요구 된다. 접미어 트리는 DNA 시퀀스 검색을 위한 좋은 인덱스 구조로 알려져 왔다. 그러나 접미어 트리는 그 구조적 특성으로 인하여 저장공간, 검색 성능, DBMS와의 통합 등의 문제점을 갖는다. 본 논문에서는 이와 같은 접미어 트리의 문제점들을 해결하는 DNA 시퀀스 검색을 위한 새로운 인덱스 구조를 제안하고, 이를 기반으로 하는 효율적인 질의 처리 방식을 제안한다. 제안된 인덱스 기법은 이진 트라이를 기본 구조로 채택하며 DNA 시퀀스의 윈도우 서브 시퀀스를 인덱싱 대상으로 한다. 유사 서브 시퀀스 검색을 위한 질의 처리 알고리즘은 기본적으로 다이나믹 프로그래밍 기법에 근거하여 이진 트라이를 루트로부터 너비 우선(breadth-first) 방식으로 운행하며, 경로 상에 존재하는 모든 유사 서브 시퀀스를 검색해 낸다. 제안된 기법의 우수성을 검증하기 위하여, 기존의 접미어 트리와의 비교 실험을 통한 성능 평가를 수행하였다. 실험 결과에 의하면, 제안된 인덱스 기법은 접미어 트리에 비하여 약 30%의 작은 저장 공간을 가지고도 수배에서 수십배의 검색 성능의 개선 효과를 나타낸다.
서픽스 트리는 데이터의 내부구조를 자세히 나타내고 선형시간 탐색이 가능한 효과적인 자료구조로서 DNA 서열분석 등에 유용하다. 그러나 서열을 서픽스 트리로 구축하는 경우 트리의 크기가 원본의 최소 30배 이상으로 커지므로 테라바이트(TB)급의 대용량 DNA 서열의 경우에 메모리상의 응용은 매우 어려운 문제점이 있다. 이에 본 논문에서는 디스크를 이용한 대용량 DNA의 서픽스 트리 응용기법을 제시한다. 이때 DNA 서열구조를 고려한 서픽스 트리 선형 탐색 특성 유지를 보장한다. 이를 검증하기 위하여 9G Byte의 유전자 단편 서열을 이용해 424G Byte의 서픽스 트리를 디스크에 구축한 다음, 임의의 질의 서열에 대해 KMP알고리즘과 비교한 결과 질의 응답시간에서 우수한 성능을 보였다.
이 글에서는 DNA 염기서열의 자가조립 현상을 활용한 다양한 나노구조물의 설계 및 합성 사례를 소개하고 합성된 나노구조물의 동특성을 탄성네트워크모델(Elastic Network Model, 이하 ENM) 기법을 통해 해석해 봄으로써 향후 DNA 기반 나노구조물 합성 및 응용연구의 기반 기술을 제시하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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