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마인드 맵 갤러리 유전 공학
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유전 공학
상세한 소개와 포괄적인 설명이 담긴 유전공학에 관한 마인드맵입니다. 관심 있는 친구들에게 도움이 되길 바랍니다.
2023-11-24 01:34:49에 편집됨
- 추천 사항
- 개요
유전 공학
유전자
개념
DNA 분자에 유전적 영향을 미치는 특정 뉴클레오티드 서열
인체 내 단백질 등 중요 물질의 합성을 유도하고 인체의 정상적인 생리 기능을 유지합니다.
물질 수준: 염색체의 디옥시리보핵산(DNA) 서열.
기능적 수준: 유전 정보 전달자, 단백질 및 리보핵산(RNA) 분자 기능 암호화, 유전자 발현 조절.
핵산
분류
DNA (DNA)
핵, 미토콘드리아, 엽록체, 플라스미드...
유전정보 운반자
RNA (RNA)
세포질, 핵
분류
리보솜 RNA(rRNA)
리보솜의 구성성분
RNA 전달(tRNA)
수송 아미노산
메신저 RNA(mRNA)
DNA로부터 유전정보를 전달하고 단백질 합성을 유도
화학 성분
요소 구성: C, H, O, N, P
분자 구성:
베이스
퓨린 염기
피리미딘 염기
나선형의 안쪽
펜토스
리보스(U)
디옥시리보스(T)
인산
나선형 사슬의 골격
기본단위 : 뉴클레오티드
짧은 역사
멘델: 완두콩 실험
상속의 법칙을 발견하세요. 동일한 요소 쌍이 분리되고 서로 다른 요소 쌍이 자유롭게 결합됩니다.
처음으로 "유전적 요인"(즉, 유전자) 제안
모건: 초파리 실험
염색체의 유전자
유전되는 유전 사슬과 교환의 법칙
Watson & Crick: DNA 이중나선 구조 모델
DNA의 오른쪽 이중나선 구조
DNA 복제 메커니즘: 반보존적 복제
유전 공학
탄생의 기초
세 가지 주요 이론적 발견
유전정보의 전달체는 단백질이 아닌 DNA이다 [폐렴구균 형질전환 실험]
DNA 분자의 이중 나선 구조 모델 및 반보존적 복제 메커니즘
중앙도그마 및 연산자 이론과 유전암호 해독
이론적 기초
모든 유기체의 DNA의 기본 구조는 동일합니다. 서로 다른 유전자는 동일한 물질적 기반을 갖고 있으므로 유전자가 재조합되고 상호교환될 수 있습니다.
유전자는 절단 및 전달될 수 있으므로 유전공학이 유전자의 기능에 영향을 주지 않고 유전자에 작용할 수 있습니다.
유전암호는 보편적이며, 종에 관계없이 폴리펩티드와 유전자 사이에는 일치성이 있습니다.
유전자는 복제를 통해 유전정보를 다음 세대에 전달할 수 있습니다.
기술의 세 가지 주요 발명
DNA 분자의 체외 절단 및 접합 기술
유전공학 벡터의 사용
DNA 분자의 Xu Lei 분석, 한천겔 전기영동, 혼성화 기술...
1937년: 유전공학이 시작된 첫 해
개념
이는 효소적 방법을 사용하여 시험관 내에서 이종 유전자와 운반체 DNA를 재조합하고, 생성된 재조합 DNA를 숙주 세포에 도입하여 이종 유전자가 숙주 세포에서 복제 및 발현될 수 있도록 함으로써 수용자의 형질전환을 달성하는 것을 의미합니다. 생물학적 종이나 형질을 대량 생산하고, 인간이 필요로 하는 생물학적 변종과 생산물을 생산합니다.
분자 복제 또는 재조합 DNA 기술로도 알려져 있습니다.
메인 콘텐츠
생물학적 유기체의 게놈으로부터 관심 유전자를 포함하는 DNA 단편이 분리됩니다.
표적 유전자를 운반하는 외인성 DNA 단편은 선택 표시가 있는 자가 복제 벡터 분자와 연결되어 재조합 DNA 분자를 형성합니다.
재조합 DNA 분자는 적절한 수용자 세포(숙주 세포)로 전달되어 함께 증식됩니다.
다수의 세포 증식 집단으로부터 재조합 DNA 분자를 얻은 수용 세포가 선별되고, 증폭된 표적 유전자가 선별됩니다.
목적 유전자를 발현 벡터에 클로닝하여 숙주 세포에 도입함으로써 새로운 유전적 배경에서 기능적 발현을 달성하고 인간에게 필요한 물질을 생산할 수 있게 됩니다.
기본 프로세스
5가지 기본 작동 단위: 절단, 연결, 전송, 추가 및 검사
관심 유전자가 포함된 DNA를 분리합니다.
제한효소는 DNA 단편을 절단(cut)
플라스미드는 E. coli로부터 분리되어 소화(digested)됩니다.
리가아제는 효소 소화를 위해 표적 유전자와 플라스미드를 연결합니다(연결: DNA 재조합)
절단 및 접합: DNA의 시험관 내 재조합
재조합 플라스미드를 숙주 세포에 도입(형질전환)
표적 유전자를 클로닝하고 발현을 위한 스크리닝(증폭 및 검출)
테스트: 형질전환체의 스크리닝 및 식별
변환 및 증폭: 재조합 DNA 분자의 변환 및 증폭
어떤 유기체의 유전자 → 그것과 아무 관련이 없는 다른 수용체 세포
DNA의 특정 부분 → 수용 세포에서 복제 → 정제된 DNA 단편을 대량으로 준비
네 가지 요소
도구효소
표적 유전자(준비)
유전자 벡터
유전자 수용체
DNA
분류
염색체 DNA
표적 유전자 획득
플라스미드 DNA
담체
바이러스, 파지 DNA
클로닝 벡터 구축, 표적 유전자 및 유전자 발현 조절 인자 분리
미토콘드리아 엽록체 DNA
표적 유전자 획득
발췌
생물학적 재료 준비
불순물이 거의 없는 풍부한 DNA 함량
플라스미드 DNA
세균 액체배양 → 후기 대수증식기
식물 DNA
어린 부분이나 묘목, 전분/당 축적 감소 → DNA 추출 방해
동물 DNA
효소 활성이 높은 부위 제거
용해된 세포
DNA 가닥 파손을 방지하기 위한 적절한 용해
원핵생물: 라이소자임, 초음파, NaOH, SDS 처리 또는 비등, 냉동 처리
진핵생물: 분쇄 → 위와 동일
DNA 분리 및 정제
용해 후 세포액 → + 단백질 변성제[페놀/클로로포름/이소아밀알코올/SDS...](단백질 변성) → 원심분리(단백질 등 불순물 제거) → 유기용매[에탄올/이소프로필알코올](응집 및 침전) DNA) → 용액 제거 → Crude DNA → 추가 정제 [페놀/클로로포름: 추출, 70% 에탄올]
검출: 겔 전기영동 기술
원칙
유동성
전기장 내 전기영동 분자의 이동 속도
전계 강도 및 자체 순 전하에 비례
유전체 분자의 마찰계수에 반비례
DNA 백본 자체는 음전하를 띠고 전기장에서 양극쪽으로 이동합니다.
DNA 분자량과 구성이 다르므로 → 전기영동 이동성이 다릅니다 → 구역이 다릅니다.
단백질이나 핵산 분자 혼합물의 구성 요소를 분리합니다.
유형
한천겔 전기영동
"작고 넓음": 분리 정도: 나쁨 분리 범위: 더 좋음;
폴리아크릴아미드 젤
겔 농도가 높을수록 기공이 작아지고 해상력이 강해집니다.
도구효소
제한효소
개념
기질: 원형 또는 선형 이중 가닥 DNA
인식: 특수 뉴클레오티드 서열
파괴: (적절한 반응 조건) 각 사슬의 특정 포스포디에스테르 결합
생산: 3'-OH 및 5'-P 유전자의 DNA 단편
엔도데옥시리보뉴클레아제
유형
I형 효소
인식 부위가 멀고, 임의의 절단이 있고, 특이성이 낮고, 보조 인자가 필요합니다.
제2형 효소 ✓
인식 부위: 정의된 부위 내/근처의 특정 부위, 특정 절단, 강한 특이성, 일관된 인식 및 절단 순서, 보조인자가 필요하지 않거나 Mg2만 필요함
III형 효소
인식 부위 외부를 절단하면 인식 부위가 역전된 반복 순서로 불규칙하고 완전히 절단된 조각이 거의 생성되지 않습니다.
명명 원칙
구성: 균주번호, 균주명, 분리순서
속명의 첫 글자는 대문자로 하고, 종명의 처음 두 글자는 소문자로 하며, 구분순서는 로마자로 표기한다.
기구
인식 순서
제한 효소는 이중 가닥 DNA의 특수한 뉴클레오티드 서열을 인식할 수 있습니다.
동일한 분자는 길이가 짧고 발생 확률이 높습니다.
행동 모드
효소 절단 특성
인식 길이
베이스 4~8쌍
절단 위치
시퀀스의 내부 또는 양쪽을 인식합니다.
구조 식별
회문
효소의 종류
레어 다이서
등골분해효소
인식 순서는 동일합니다.
균질화효소
인식 순서는 다르지만 동일한 끈적끈적한 끝을 얻습니다.
절단방법
끈끈한 끝(엇갈린 절단)
5' 끈끈한 끝(5' 짧음)
3' 끈끈한 끝(3' 짧음)
평평한 끝(절단 플러시)
반응 시스템
반응 기질(DNA)
엔도뉴클레아제 용량(활성에 따라 결정)
반응 완충액(최적 pH7.5)
적정온도(주로 37℃)
효소 분해 식별: 겔 전기영동 기술
DNA 리가아제
개념
촉매 작용: DNA 분자의 인접한 3'-OH와 5'-P 끝 사이
형성됨: 포스포디에스테르 결합
즉, 이중 가닥 DNA의 인접한 뉴클레오티드 사이의 단일 가닥 간격을 밀봉하는 것입니다.
두 가지 주요 유형이 있습니다.
E. coli-DNA 리가제
끈끈한 말단, 보조 인자 필요: NAD
동일한 제한 효소 또는 두 개의 동종 효소
T4-DNA 리가제
끈적끈적한 끝, 평평한 끝, 보조 인자 필요: ATP
동일하거나 두 개의 제한 효소
끝이 끈적이지 않고 평평하지 않은 연결
엑소뉴클레아제
평평한 끝
말단 뉴클레오티딜 전이효소
보완적인 끈끈한 끝으로 수정됨
알칼리성 포스파타제
캐리어가 자체 고리화되는 것을 방지하기 위해 5'-P를 5'-OH로 수정
DNA의 주요 연결 방법
상동성 엔도뉴클레아제 → 끈적끈적한 말단
호모테일라제→끈적말단
다른 끈적한 끝
평평하게 자르고 평평하게 채우세요
인공 끈끈한 끝 - 5개의 돌출된 끝
레벨을 구성하세요
인공 끈끈한 끝 - 3개의 돌출된 끝
인공 끈끈한 끝 - 평평한 끝
끈적끈적한 끝부분 교체
기타 도구 효소
DNA 중합효소
PCR 증폭
역전사 효소
cDNA 라이브러리 구축
T4 폴리뉴클레오티드 키나제
S1 뉴클레아제
표적 유전자의 준비
표적 유전자
개념
☞분리, 변형, 증폭 및 발현된 특정 유전자/DNA 단편은 특정 제품/형질을 암호화할 수 있습니다.
특수 유전자 또는 표적 유전자로도 알려져 있음
원천
진핵생물 염색체 게놈(인간 및 동물)
원핵생물 염색체
플라스미드, 바이러스
미토콘드리아, 엽록체...
방법
직접분해방식
원칙
염색체 DNA → 제한 엔도뉴클레아제: 절단 → 모든 단편 연결 → 특정 벡터 → E. coli로 전달 → 전파 → 적절한 방법으로 스크리닝 → 표적 유전자를 포함하는 재조합 콜로니 → DNA 추출 → 효소 분해 → 표적 유전자 획득.
물체
원핵 생물의 게놈은 작고, 유전자의 위치를 쉽게 찾을 수 있으며, 알려진 뉴클레오티드 서열을 가진 DNA 분자입니다.
이점
빠르고 간편하며 제품 순도가 높습니다. 표적 유전자
유전자 라이브러리 방법
원칙
특정 유기체 게놈의 모든 유전 정보 → 클로닝 벡터 → 저장: 수용 박테리아의 클론 하위 집단(이 유기체의 게놈 라이브러리).
특정 유기체의 게놈에 있는 모든 유전자를 포함하는 수용 박테리아 그룹을 유기체의 게놈 라이브러리라고 합니다.
화학 합성
서열 정보를 알면 목적 유전자를 얻는 가장 편리한 방법입니다!
PCR 증폭 방법 (폴리 메라 제 연쇠 반응)
물질
생체 내 DNA 복제의 시험관 내 시뮬레이션
원칙
주기
성전환
94℃
가열/알칼리성, DNA 이중가닥 → 수소결합 끊어짐 → 단일가닥
가열 냉각
55℃
템플릿 및 프라이머 재생
연장하다
72℃
특정 DNS 시퀀스: 기하급수적으로 증가
PCR 반응 과정/반응 단계
주형 DNA의 변성
주형 DNA를 94~95°C로 일정시간 가열한 후 주형 DNA의 이중나선 DNA 또는 PCR 증폭에 의해 형성된 이중나선 DNA가 단일가닥으로 해리되어 결합할 수 있게 됩니다. 프라이머를 준비하고 다음 반응 라운드를 준비합니다.
주형 DNA 및 프라이머의 어닐링(재성화)
주형 DNA가 가열되어 단일 가닥으로 변성된 후 온도는 약 55°C로 떨어지고 프라이머는 주형 DNA 단일 가닥의 상보적인 서열과 쌍을 이룹니다.
프라이머 확장
Taq DNA 중합효소의 작용에 따라 DNA 주형-프라이머 접합체는 dNTP를 반응 원료로, 표적 서열을 주형으로 사용하여 염기쌍 형성 및 반보존적 복제 원리에 따라 새로운 반보존적 복제 가닥을 상보적으로 만듭니다. 템플릿 DNA 가닥에 합성됩니다.
PCR 반응 시스템
반응 완충액
기질: dNTP(데옥시뉴클레오티드 4종: dATP, dGTP, dTT, dCTP)
프라이머×2
템플릿: DNA 분자
Taq 효소(DNA 중합효소)
Mg2(효소 보조 인자)
PCR 특성
고감도
강한 특이성
간단하고 빠르며 재현 가능
표본 순도에 대한 낮은 요구 사항
담체
유전자 운반체의 개념
외부 DNA 또는 표적 유전자를 적절한 숙주 세포에 도입하는 도구 또는 운반체
운송업체는 조건을 충족해야 합니다.
상대적인 분자 질량은 작고 표적 유전자를 수용하는 데 적합합니다.
숙주 세포 내에서 독립적이고 안정적인 자가 복제를 수행할 수 있으며, 외래 DNA가 삽입되어도 안정적인 복제 및 유전적 특성을 유지할 수 있습니다.
이는 숙주 세포(수용체)에 대한 선택 가능한 마커를 제공할 수 있으며 쉬운 스크리닝을 위해 식별 가능한 표현형 특성을 가질 수 있습니다.
DNA 서열에는 적절한 단일 제한 엔도뉴클레아제 절단 부위가 있는데, 이 부위는 DNA 복제에 필수적이지 않은 영역에 위치합니다. 즉, 특정 제한 엔도뉴클레아제에 의해 절단된 후 플라스미드 DNA가 닫히고 열리게 됩니다. 자신의 단편을 잃지 않고 DNA 단편을 추출합니다.
플라스미드
개념
이중 나선 폐쇄 원형 DNA 분자
이는 복제 및 유전을 위해 염색체와 독립적이며, 복제 및 전사를 위해 숙주가 코딩하는 효소 및 단백질에 의존합니다.
대 염색체
생물학적 유전학과 관련된 모든 것
화학적으로 다르다
염색체: 단백질 및 DNA
플라스미드: DNA
유형
타이트한 타입
사본이 하나만 있거나 최대 몇 개만 있습니다.
편안한
일반적으로 사용되는 플라스미드 벡터
대장균 플라스미드 벡터
두 개의 항생제 내성 유전자
유당 오페론: lacZ 유전자 → β-갈락토시다제 → 가수분해 X-gal(lacZ 청백색 반점 스크리닝)
플라스미드 DNA 추출
선택적 추출
보다 온화한 조건에서는 리소자임(lysozyme)을 사용하여 박테리아를 용해하고, 염색체 DNA와 플라스미드 DNA의 상대적 분자량 차이로 인해 생성된 세포 조각을 고속 원심분리로 분리합니다. 상대적으로 작은 분자량을 갖는 플라스미드 DNA가 상등액에 남아 있으며 이를 에탄올로 침전시켜 조 플라스미드 DNA를 얻습니다.
알칼리성 SDS 방법
이는 pH 범위 12.0-12.5 내에서 염색체의 이중 나선 개방형 DNA를 선택적으로 변성시키는 동시에 폐쇄 루프 이중 가닥 DNA는 변경되지 않은 상태로 유지합니다. SDS는 아세트산나트륨으로 중화시킨 후 단백질-SDS 복합체와 상대적 분자량이 높은 DNA를 침전시킨 후 상층액에 남겨둔 플라스미드 DNA를 고속 원심분리하여 분리한다.
플라스미드 DNA 정제
알칼리성 자당 밀도 구배 원심분리
염색체 이중 나선 개방형 DNA는 쉽게 변성되는 반면, 폐쇄형 이중 가닥 플라스미드 DNA는 쉽게 변성되지 않습니다. 수크로스 농도 구배에서 플라스미드 DNA는 변성된 DNA보다 빠르게 침전되어 분리 및 정제됩니다.
염화세슘-브롬화에티듐(Et-Br) 밀도구배 원심분리 방법
염색체 이중나선의 열린 가닥 DNA는 염료 Et-Br과 결합하기 쉽고 밀도가 감소하는데, 플라스미드 DNA는 단단히 닫혀 있고 밀도가 높아 결합에 적합하지 않습니다. 원심분리로 분리됩니다.
니트로셀룰로오스 막 흡착법
니트로셀룰로오스 막은 단일 가닥 DNA를 흡착하고 염색체 DNA는 쉽게 변성되어 단일 가닥 DNA를 형성하며 플라스미드 DNA와 분리됩니다.
변환 및 구축
필수적이지 않은 영역 삭제
새로운 유전자 마커 유전자 추가
다중 제한효소 인식 및 절단 부위, 즉 다중 클로닝 부위를 갖는 DNA 서열 도입
람다 파지
파지
이는 숙주 세포와 독립적으로 번식할 수 없으며 살아있는 세포에서만 자랄 수 있으며 엄밀히 말하면 숙주 세포에만 국한됩니다.
주요 유형
벡터 삽입
대체 벡터
기타 통신사
유전자 재조합
개념
표적 유전자 및 벡터: in vitro 조합 → 재조합.
재구성 방법
주로 끈적끈적한 끝부분
직접 결합
간단하고 효율적
꼬리 본딩 추가
말단 뉴클레오티딜 트랜스퍼라제를 사용하여 DNA 말단에 끈적끈적한 말단 생성
주요 도구 효소: T4-DNA 리가제(5'-P 및 3'-OH)
DNA 재조합
① 동일한 엔도뉴클레아제에 의해 생성된 끈적한 말단의 결찰
② Homologase에 의해 생성된 끈적한 말단의 Ligation
③다른 끈끈한 끝의 연결
④인공끈끈이말단 연결 (5'돌출말단, 3'돌출말단, 편평말단)
⑤ 끈끈한 말단 교체
재조합율 = 외인성 DNA를 포함하는 재조합 성분의 지수 / 벡터 분자의 수, 일상적인 실험 조건 : 25~75%
유전자 변형 및 발현
표적 유전자가 수용 세포에 도입됩니다.
숙주 세포(수용체 세포)
개념
형질전환, 형질도입 및 혼성화 과정에서 외래 유전자 DNA를 받는 세포
재조합 증폭 장소
유형
원핵 세포
대장균, 고초균
진핵 세포
효모(주로)
특징
단세포
비병원성, 안전함
능력
능력
숙주 세포는 외인성 DNA 분자를 흡수하고 특정 생리학적 상태에서 형질전환 수용체로 효과적으로 작용할 수 있습니다.
에 따라
수용체 세포 자체의 생리학적 상태
재조합 DNA 분자의 구성 및 크기
대수증식기의 일반 숙주세포 : 형질전환 능력 Max
유능한 세포
외부 DNA 분자를 흡수할 수 있는 생리학적 상태의 세포입니다.
전환하다
온전한 박테리아 세포의 Ca2 유도 형질전환
전기천공 변환
전환율
개념
영향을 미치는 요인
증폭 스크리닝
더욱 상세히하다
심사방법
벡터 항생제 내성 유전자 및 이에 상응하는 선별 약물을 기반으로 한 스크리닝
이중 항생제 내성 마커를 보유하는 플라스미드 벡터를 이용한 대장균의 형질전환 스크리닝 방법
캐리어: Amp(암피실린에 내성), Tet(테트라사이클린에 내성)
외부 유전자가 항생제 내성 유전자 중 하나에 삽입되어 비활성화됩니다.
재조합체를 선별하기 위한 두 개의 항생제 플레이트
단계
①긍정적인 선택
삽입되지 않은 불활성화 저항성 유전자에 해당하는 항생제 함유
변신자√
목적 유전자가 포함된 플라스미드가 포함된 형질전환체 √
재조합 표적 유전자를 함유한 형질전환체 √
비형질전환체 ×
②네거티브 선택
삽입적으로 비활성화된 저항성 유전자를 함유한 항생제
목적 유전자를 포함하지 않는 비재조합 형질전환체√
표적 유전자의 재조합체를 포함하는 형질전환체×
두 배지 비교 → 선택 : 목적 유전자의 재조합체를 포함하는 형질전환체
유당 오페론(청백색 반점)의 lacZ 유전자를 이용한 스크리닝
완전한 유당 오페론을 가진 박테리아는 β-갈락토시다제를 코딩하는 LacZ 유전자를 번역하고 → X-gal을 가수분해 → 파란색으로 전환할 수 있습니다.
외래 유전자 삽입 → LacZ 유전자 발현 불가 → 백색
필수: 비활성화된 항생제 내성 유전자가 삽입되지 않음 → 암피실린 배양 배지
목적 유전자를 포함하는 플라스미드를 포함하는 형질전환체: 블루 균주
재조합 표적 유전자를 함유하는 형질전환체: 화이트 균주
재조합체 식별을 위한 DNA 칩 적용
많은 특정 DNA 올리고뉴클레오티드/DNA 단편(프로브) → 고정: 칩의 사전 설정 위치
테스트 대상 샘플: 라벨링 → 칩과 혼성화(상보적 염기쌍 원리) → 혼성화 신호 감지 및 컴퓨터 분석
표적 유전자 번역 산물(단백질, 효소, 폴리펩타이드)을 기반으로 한 스크리닝 [마커 유전자가 없거나 프로브를 합성할 수 없음]
단백질 겔 전기영동
페이지
면역분석
엘리사
웨스턴 블로팅
면역침강
고체상 방사면역분석법
표적 유전자의 발현
식품 산업에서의 응용: 유전자 변형 식품
유전자 변형 미생물 식품
정의
엔지니어링 박테리아
특징
애플리케이션
(1) 식품의 품질을 향상시킨다
(2) 생산공정 단순화 및 생산주기 단축
(3) 식품의 항균, 방부 보존
(4) 식품등급 효소 생산균의 개선
(5) 건강식품 기능성 소재의 생산
(6) 식품미생물의 신속한 검출
유전자 변형 동물성 식품
관련 유형
주요 응용 프로그램
가축 산란율을 변경합니다.
특히 영유아를 위한 유제품의 영양학적 구성을 개선합니다.
생물반응기를 통한 인간 혈청 단백질 등의 생산.
유전자 변형 식물성 식품
정의
유형
애플리케이션
식재료의 품질을 향상시키다
식품 생산 공정 개선
식품첨가물 및 기능성식품 생산