고고하고 쉬크한 나님의 이글루

2008년 06월 22일

요하네스 얀 베르메르

물병을 쥔 여인

진주귀걸이를 한 소녀

회화의 기술

# by 고고앤쉬크 | 2008/06/22 05:11 | 트랙백 | 덧글(0)

2008년 06월 19일

(From 3차 수정본)

인류는 여전히 끊임없이 생산하고 소비하며 생물로서의 삶을 영위해나가고 있다. 그들이 자신에게 주어진 일을 하는 한, 적어도 이 사회가 모든 기능을 정지하고 생물학적 멸망을 맞이할 일은 없을 것이다.
그러나 우리 사회는 미묘한 변화를 감지하고 있다. 변화에 대한 설득력 있는 설명 중의 하나는 우리 인류가 불과 십수 년 전에 갖고 있었던, 중요하면서도 가시적이진 않았던 어떤 작은 특성 하나를 상실했다는 것이다.
그것이 무엇일까? 무엇이 우리 인류로 하여금 루비콘 강을 건너게 하였는가?

그것은 다름 아닌 우리의 탐욕스런 욕심이며 그로 인한 우리의 맹렬한 투쟁심이었다. 토머스 모어는 유토피아를 통해 말한다.

"양이 사람들을 잡아먹고 있다."

이어지는 내용

# by 고고앤쉬크 | 2008/06/19 05:12 | 트랙백 | 덧글(1)

2008년 06월 16일

참고자료 일람.

1부.
타임 라이프 북스, '라이프 네이쳐 라이브러리: 원시인', 한국일보
브르드 드니즈드 쏜느빌르, '구석기 시대', 학술원

2부.
에드워드 에델슨, 'DNA 구조의 발견과 왓슨, 크릭'. 바다출판사.
베레나 카스트, '꿈'. 프로네시스.
박한철, '정신신경백과', 민중서관.
피오나 스타, '꿈=Dream', 휴머니스트. (그다지.)
안드레아 록, '꿈꾸는 뇌의 비밀', 지식의 숲. (★)
지그문트 프로이트, '정신분석학 입문', 범우사.

3부.
요시자와 야스가츠, '원소란 무엇인가, 핵화학이 열어주는 세계', 전파과학사. (★)
이정우. '주름, 갈래, 울림: 라이프니츠와 철학', 거름. (★)
로스, 조지 맥도널드, '라이프니츠', 시공사
필립 볼, '자연의 재료들: 원소 주기율표 밖의 원소 여행', 한승
박민아, '(거인의 어깨에 올라선 거인) 뉴턴 & 데카르트', 김영사. (★)
홍성욱, '뉴턴과 아인슈타인: 우리가 몰랐던 천재들의 창조성', 창비.
로저 트리거, '인간 본성에 대한 철학적 논쟁', 간디서원. (☆)
& 환상회랑. (of 판갤)

# by 고고앤쉬크 | 2008/06/16 15:05 | 트랙백 | 덧글(0)

2008년 06월 16일

사.우.문. 관련. DNA Chip 자료.

멸망 연작 2부. 관련 자료.
출처 http://www.mediver.com/bbs/view.php?id=biology&no=15

DNA chip

DNA chip 이란?

Human genome project를 포함한 많은 유기체의 genome project가 수행되어 수많은 유전정보가 쏟아져 나옴에 따라, 이를 어떻게 해석하고 서로 연관 지을 수 있는가에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다. 즉 현대의 유전학과 분자생물학 분야의 연구방향이 과거의 DNA의 구조적 해석에서 기능적 해석과 유전자들의 상호 연관성을 규명하는 방향으로 연구 방향이 바뀌고 있는 것이다. 최근에 개발된 DNA chip은 여러 genome project로부터 축적된 방대한 양의 유전정보를 이용하여 시료를 효율적으로 분석할 수 있는 가장 주목받고 있는 방법이다. 특히 이 기술은 유전자 발현, 변이나 다형성(SNP)등을 단시간에 대량으로 고속처리검색(HTS)함으로써 유전자의 기능을 밝히는 데 매우 유용한 것으로 판명되고 있다. 이는 DNA chip이 짧은 시간에 많은 양의 정보를 분석할 수 있으며 자동화가 용이하기 때문이다.

바이오칩은 전자공학에서 사용하는 실리콘 반도체칩에 비유될 수 있는데, 좁은 면적 위에 고밀도로 집적된 DNA나 단백질을 이용하여 생물학적 검색이나 정보 처리의 속도를 높이고자 하는 방법이다. 즉, DNA 칩은 엄청나게 발전하는 분자 생물학적 지식과 기계 전자 기술이 접목돼 적게는 수백 개 많게는 수십만 개의 DNA를 반도체와 같이 작은 공간에 집어넣는 기술이다. DNA칩의 기본 개념은 1989년 유고슬라비아의 드르마냑 R 등이 DNA염기서열을 올리고염기와 이중결합하는 방식(SBH)을 처음 고안한 데서 출발한다. DNA는 A-T, C-G간의 강하고 선택적인 결합으로 인해 이중나선을 이루는 고유한 특징을 가지고 있는데, DNA칩은 바로 그 상보적인 서열을 인지하고 선택적으로 결합하는 DNA의 성질을 활용한 칩이다. 즉, 칩위에는 한 가닥의 DNA분자가 탐침로 미리 붙어있고, 검색하고자 하는 DNA시료를 칩위에 뿌려주면, 상보적인 서열을 가진 것들만 탐침 서열에 가서 달라붙게 되는 것이다. DNA칩위에는 수천에서 수십만 종류에 달하는 탐침 DNA를 심을 수 있고, 검색하는 시료에 포함된 DNA 숫자에는 제한이 없으므로, 엄청난 속도의 검색이 가능하다. 탐침 DNA는 붙어있는 자리에 따라, 어떤 서열을 가지고 있는지 미리 알고 있으므로, 검색하려는 DNA가 공간적으로 어느 위치에 결합했는지를 규명하는 것이 중요하다. 탐침 및 시료 DNA간의 결합을 정량적으로 검출하기 위해서는, 시료 DNA를 형광 표지해서 처리하고, 칩위에 펼져진 형광 강도를 스캐너로 판독하는 것이 일반적인 방법이다. 형광이 강하면, 해당 탐침의 상보적인 DNA가 시료 속에 많이 들어있는 것으로 판정하는 것이다. 최근에는 형광보다 더 감도가 우수한 전자적 검출법도 개발되고 있는데, 아직 일반화되지는 않았다.

첫 'DNA 마이크로 어레이 칩’ 은 1995년 미국의 스탠포드대학에서 탄생되었다. 당시 스탠포드대학은 자체 제작한 DNA칩 어레이어를 이용, DNA를 약1.8㎠의 유리판 위에 고정시킨 다음, 형광물질을 이용해 유전자 발현 정도를 한번에 측정할 수 있게 만들었다. 곧 이어 실리콘밸리 소재 에피메트릭스도 ’올리고 칩’을 개발했다. 에피메트릭스는 컴퓨터 칩 제작에 사용되는 ’포토리소그래피’ 기술을 응용, 40만개의 올리고염기들을 1.28㎠되는 유리 기판 위에서 직접 합성해 칩을 제작했다. DNA 칩은 격자 모양으로 촘촘한 구멍이 있는 칩 위에, 여러 종류의 유전자 염기서열을 격자에 하나씩 집어 넣은 것으로 여기서 얻은 data를 Micro array data라고 하며, DNA chip 혹은 gene chip이라고도 한다. 이것은 시료를 DNA 칩 위에 떨어뜨려, 시료 안에 존재하는 유전자들을 분석하거나 발현정도를 측정하는 것을 목적으로 한다.

DNA 칩의 원리는 DNA 이중 나선이 A-T, G-C와 같이 코드가 특별하게 맞을 경우 달라 붙는 성질이다. 예를 들어, DNA 칩의 각 격자를 X-Y 좌표로 표현할 때, 격자 (1,1) 위치에는 AAACCC, 격자 (1,2) 위치에는 GGGCCC 가닥이 심어져 있다고 하자. 조사하고자 하는 시료가 TTTGGG 염기 서열을 갖고 있다고 하자. 이 시료를 적색 형광물질등으로 염색한 후, DNA 칩 위에 투여한다. 그러면, 이 시료의 염기 서열은 (1,1) 격자에는 꼭 달라 붙지만, (1,2)에는 붙지 않는다. 다음에 DNA 칩을 물로 씻어 내면, (1,1)위치에만 DNA가 달라 붙어서, 형광물질의 색깔인 붉은 색을 띄게 된다. 따라서 시료안에 존재하는 염기 서열과 상보적 결합을 할 수 있는 격자들만 적색을 띄고, 결합이 되지 않는 격자들은 검은색을 띄기 때문에, 시료안에 존재하는 유전자를 시각적으로 검출할 수 있다. 다음 단계에서는 스캐너로 DNA 칩의 영상을 입력받아, 어느 격자가 어느 색깔을 갖는지와 얼마나 색깔이 진한지를 판별하여, Microarray data로 유전자들의 일치 정도와 발현 정도를 수치화할 수 있다.

Chip에 포함되는 DNA분자는 대상유기체의 DNA sequencing으로부터 얻어진 염기서열로부터 결정된다. DNA chip은 재조합 유전자기술과 PCR에 비견될 만큼 다양한 응용분야와 기존기술을 능가하는 장점을 가지고 있다. DNA chip은 그 이용방법에 따라 그 적용대상이 매우 넓기 때문에 응용분야 또한 광범위하다. 현재 DNA chip의 주 응용분야는 gene expression monitoring으로서, 이는 여러 genome project로부터 밝혀진 DNA 염기서열을 바탕으로 하 여 chip을 제작, 이용하여 cell 내의 metabolism과 physiology, 그리고 각 유전자간의 상호 연관성을 규명하려는 시도이다. DNA chip은 mutation과 polymorphism의 확인, phenotype 분석에도 이용될 수 있으며, 신약개발 실험에 이용될 경우, 전체 신약개발 비용뿐 아니라 개발비용도 크게 절감할 수 있다. 앞으로의 DNA chip의 가장 큰 응용분야는 유전병리학과 접목한 의약품 개발과 유전자 질병의 진단하는데 이용될 것으로 보이는데, 이 분야에는 수십 조 달러의 시장이 예상되고 있다.

DNA칩 기술은 방대한 게놈(유전정보)을 하나의 칩에 담은, 반도체 칩의 DNA 버전으로, 분자학적 지식에 기계 및 전자공학의 기술을 접목시킨 것이다. 이 기술은 다수의 DNA 단편이나 올리고(짧은 DNA가닥)염기를 기판 위에 고밀도로 정렬하는 장치제작기술, 이들을 DNA염기와 접합시키는 기술 등을 필요로 한다. 그러나 무엇보다도 칩기술에 의한 데이터를 해석하려면 고부가가치의 데이터베이스 및 고급정보분석 소프트웨어와 연결되어야 하는 것이 필수불가결하다.

DNA chip 개발의 중요성

Genome project로부터 가속화되고 있는 생명체들의 유용한 정보를 이용하는 산업분야는 생명체 기원에 대한 정보를 얻게 하고 나아가 인간을 질병으로부터 해방시킬 수 있는 가장 유력한 방법으로 제시되어지고 있다. 이러한 엄청난 과학적/경제적 잠재력을 지닌 유전자산업은 현재 미국 전체의 가장 큰 시장을 형성하고 있는 보건의료산업 뿐만 아니라, 농업, 식품, 환경 및 화학산업의 분야에서 원천 기술 개발을 할 수 있게 하여 새로운 경제시장을 형성시키고 있다.

DNA chip은 또한 지금까지 알지 못했던 유전자들의 상호 연관성을 규명하는 실험적 수단으로 최근에 개발된 유전정보를 분석할 수 있는 여러 방법 중 가장 주목받고 있는 방법이다.

특히 개인 간, 인종 간, 개체 간, 또는 건강인과 환자 간의 유전자 구조의 차이를 밝힘으로 암이나 유전병을 일으키는 돌연변이를 찾을 수 있고 장기이식 전 조직 적합성 검사, 약제내성연구, 결핵이나 인유두종 바이러스 등의 병원성 미생물 바이러스의 동정, 친자 확인, 유전자 변이 가계도의 작성, 법의학, 고고학 등 광범위한 부분의 발전에 기여할 것이다. 이는 당뇨병, 심혈관 질환, 비만, 골다공증, 암 등의 만성 질환이나 불치병에서 발현되는 돌연변이의 탐색 또는 이들 질병의 소인이 되는 유전자들의 구조의 차이점을 밝힘으로 신약개발과 궁극적으로는 유전자 치료 영역에서 획기적인 발전에 기여하리라 예측되며, 생명과학의 연구뿐만 아니라, 환경보존, 농업, 식품, 법의학 및 군사부분 등에 광범위하게 이용될 것으로 예측되고 있다.

그 시장규모도 2005년경 50조원에 달할 정도로 막대하여 미국, 유럽, 일본 등에서 벤처기업들과 거대 제약회사 (Big Pharma)들을 중심으로 많은 예산을 투입하여 개발 중에 있다.

DNA칩의 세계시장은 매년 35%가량 증가, 2010년 100억달러 규모로 확대될 전망. 이에 따라 국내외 바이오 업체들의 기술ㆍ시장 선점경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 창업투자회사 Kleiner Perkins Caufield & Byers의 Brook Byers씨는 이 분야 기업들중 시장가치가 50억달러를 초과하는 업체가 2005년경 탄생할 것이며, 2010년에는 시장가치 4백억달러에 이르는 기업이 생겨날 것이라고 예상했다. 캘리포니아주 Mountain View에 있는 마케팅 컨설팅 업체 Frost & Sullivan은 수억 달러의 시장을 창조할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 DNA 칩 및 시장에 관한 보고서 "A Strategic Assessment of the DNA Microchip Market"을 발간했다. 이번 보고서에서는 Genomics, 임상적 진단, 질병 관리를 포함하여 DNA 칩 기술의 활용면을 검토하고 있는데, 이 보고서에 따르면, 현재로서는 Genomics 분야가 재정적으로 가장 성공적인 DNA 칩 활용분야이지만, HIV Genotyping을 위해 Affymetrix가 최근에 발표한 "GeneChip"의 출현을 계기로 앞으로 4-5년 후에는 임상적 진단을 위한 많은 DNA 칩 제품이 등장하게 될 것이며, 시장규모 또한 급속히 확대될 것으로 전망되고 있다 (http://www.frost.com)

DNA chip에 의한 target의 검출

1. Sample(Target)의 표식

- 제작한 DNA chip은 유전자 발현의 monitoring, 염기서열의 결정, 변이해석, 다형해석 등에 이용할 수 있다. 위의 그림과 같이 검출원리는 target이 되는 핵산과의 hybridization이다. Target 핵산의 표식에는 주로 RI 또는 형광을 사용한다.

- 유전자발현(gene expression)을 조사하는 경우는 sample로부터 RNA를 추출하여 역전사반응으로 표식 dNTP를 삽입하여 표식 cDNA를 사용한다.

- 유전자의 변이(mutation)이나 다형(polymorphism)을 조사하는 경우는 표식primer나 표식 dNTP를 함유하는 반응계에서 target영역을 PCR로 증폭한다.

2. Hybridization

- 기존의 Southern이나 Northern blot의 경우 유전 물질을 붙이는 매체로서 nitrocellulose같은 막을 사용하는데 반하여 Chip을 이용하는 hybridization의 특징은 유리와 같은 고형체를 사용한다는 것이다. 그러므로 DNA chip은 아주 적은 양 (통상 10ul 전후)의 물질을 고밀도로 붙일 수 있으며 동시에 많은 수를 검색할 수 있다는 것이다.

- DNA chip은 붙이는 유전물질의 크기에 따라 cDNA chip과 oligonucleotide chip으로 나눌 수 있으며, 사용목적에 따라 Protein을 붙여서 Bio-Chip으로 응용할 수 있다.

- cDNA chip에는 최소한 500bp이상의 유전자가 붙여져 있고, oligonucleotide chip에는 약 15-25개의 염기들로 이루어진 oligonucleotide가 붙여져 있다.

3. 검출

- Hybridization으로 chip위에 형성된 두가닥은 RI 또는 형광(fluorescence) image scanner로 해석한다.

- Chip위의 형광감도는 형광 laser현미경과 CCD카메라 그리고 computer를 연결한 장치로 자동으로 측정한다.

- Scanner는 기본적인 성능으로서 크기가 수십 micron이고, 간격이 100micron정도인 spot을 정량적으로 식별할 수 있어야 하며 복수의 형광 표식에 대응할 수 있으며, 넓은 범위를 고속으로 scanning할 수 있고, 기판의 기묘한 굴곡에도 대응할 수 있는 자동초점 기능이 있어야 한다.

- 데이터 해석 software는 변이다 다형의 해석과 같이 부분적으로 중복한 배열이 oligonucleotide가 다수 포함되는 복잡한 해석에도 대응할 수 있어야 한다. 또 발현해석에는 외부 data base와의 link도 필요하다.

Expression Profiling

Microarray 기술로 인하여 분자생물학의 패러다임이 Hypothesis에서 시작하여 결과를 얻던 것이 data에서 결과를 도출하는 패러다임으로 변화하고 있다. 기존의 분자생물학적인 방법으로는 “one gene in one experiment” 을 토대로 하는 반면, microarray 기술은 수천 개의 gene을 동시에 분석하여 regulatory network 및 pathways를 분석 가능하게 하였다.

1. From Image to Data

: Microarray 이미지 분석은 gridding, segmentation and intensity extraction으로 나뉠 수 있다. 이미지 분석 도구에는 SCAN ALYZE, GENEPIX, QUANTARRAY, R-package 등이 일반적으로 쓰이고 있다.

2. Data Preprocessing

: Data 를 분석하기 전에 normalization 과 filtering 을 해야 한다. Filtering은 2배 fold 차이를 비교하여 정확하지 않은 data, 특별히 차이가 나지 않는 data를 제거하는 과정이다. Normalization을 통해 서로 다른 실험 군끼리 비교할 수 있게 된다. Normalization을 함으로써 total mRNA의 loading량의 차이나 PMT setting 차이에 의한 experimental error의 영향을 제거해 준다.

3. Analysis of Comparative Experiments

: 동시에 서로 다른 두 조건에서 발현량 차이를 구분하기 위해서 fold analysis 또는 t-statistic이 이용된다.

4. Analysis of Multiple conditions

: 여러 개의 서로 다른 조건(예를 들면, 시간)에서 실험한 결과를 가지고 gene들 간의 상호관계를 밝히기 위해서는 gene들 간의 class를 분석해야 한다. Class를 분석하는 방법에는 supervised 그리고 unsupervised machine learning method가 있는데 clustering method는 unsupervised method에 해당하는 것이다. Clustering이란 비슷한 expression profile을 갖는 것끼리 구분을 하는 것이다. Clustering을 하기 위해서는 similarity measure (distance에 반비례; Euclidean distance, 정보이론 metrics), clustering criterion (Complete Linkage, Single Linkage, Average Linkage), Clustering algorithm (Hierarchical clustering, K-mean, SOM, PCA 등등)의 3가지 요소가 필요하다.

DNA chip 제작방식에 따른 종류

1. Photolithography

2. Pin microarray

3. Ink-jet microarray

4. Electronic array

cDNA chip & oligonucleotide chip의 응용가능 분야

1. 염기서열 해석 (Genotyping)

- Sequencing level에서의 DNA를 조사하는 것이라고 할 수 있다. 예를 들어 oligos는 알려진 모든 염기의 배열을 chip위에 배열하고 있으므로 알려지지 않은 target gene의 sequence의 결손 및 염기변화를 매우 빠른 시간내에 스크린 할 수 있다.

- Sapolsky등은 STS(sequence-tagged site) marker의 chip으로 cosmid clone의 mapping을 실시하였고, 최근 Wang등은 2.3Mb에 이르는 human genome DNA의 SNP(single nucleotide polymorphism; 1염기 다형)를 조사하여 3.241의 SNP의 후보를 동정하고 이중 2.227의 SNP의 유전자지도를 작성하였으며, Drmanac등은 SBH에 의해 p53의 exon 5-8 (약 1kb)의 염기서열을 12검체에 대하여 정확하게 결정하였다.

- 염기서열의 해석을 통해 유전자간의 연관성(linkage analysis)을 알아볼 수 있다.

2. 돌연변이 및 다형의 검출 (Detection of mutation/polymorphism)

- 염기서열만 틀려도 결합을 하지 않는 성질을 이용하여 한 염기에 생긴 point mutation까지도 찾아낼 수 있다.

- Kozal등은 oligonucelotide array를 이용하여 HIV-1의 protease유전자변이를 167검체에 대하여 조사한 결과 47.5%의 아미노산 위치에 다형(변이)이 존재함을 증명함 (Nat Med 1996, 2: 753)

- Hacia등은 유방암 유전자 (BRCA1)의 exon11에 있어서의 다수의 변이를 검출하고 또한 영장류간의 관련유전자(CFTR)의 exon11에 있어서 다수의 변이를 검출하고 있다(Nat Genet 1996, 14:441).

- Chee등은 33kb의 human mitochondria DNA의 다형을 조사하여 180종의 지지의 다형중에 179의 다형을 검출(Science 1996, 274:610).

- Shoemaker등은 PCR에 의해 결손주 표현형을 동시에 해석하는 방법을 개발하였다 (Hum Mutat 1996, 7:346).

- Affymmetrix회사는 암관련 유전자인 p52과 BRCA1을 가진 chip, aids의 원인인 HIV의 종류도 알 수 있는 chip 그리고 SNP(single nucleotide polymorphism) 측정용 chip 등을 생산하고 있다.

3. 유전자 발현의 해석

- Shena 등은 냉이의 cDNA chip을 제작하여 2형광 표식법으로 잎과 뿌리에 있어서의 유전자 발현의 차이를 조사하여 그 유용성을 확인하였다 (Science 1995, 270: 467).

- Lockart등은 oligonucelotide chip을 이용하여 mouse B세포에서의 이미 보고된 cytokine유전자의 발현을 정량적으로 해석하고 있다 (Nat Biotechnol 1998, 16: 40)

- DeRisi등은 효모의 전 유전자를 함유하는 chip을 다시 제작하여 알코올 발효 전후의 전 유전자의 발현 변화를 경시적으로 측정하였다.

- Argonne 국립연구소의 그룹은 유아의 brain cDNA library로부터 약 73,000의 filter array를 제작하여 200-320종의 32P표식 oligonucleotide probe를 이용하여 약 20,000의 유전자를 동정하고 그 발현 수준을 그룹으로 구분하였다.

4. 질병의 진단 (Disease diagnosis)

- Heller 등은 염증관련 유전자와 말초혈 림파구의 유전자 chip을 이용하여 환자조직과 cell line화 세포에서의 유전자 발현을 조사하여 그 유용성을 확인하였다. (PNAS 1997, 94: 210-2155)

- 밝혀진 유전자 질환이나 관련성이 있는 질환 혹은 조직 특이성 발현을 검색하여 볼 수 있다.