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전기영동 (electrophoresis)

화학
한 줄 정의: 전기장을 걸어 DNA나 단백질처럼 전하를 띤 분자를 크기·전하에 따라 이동시켜 분리하는 실험 기법입니다.

쉽게 풀면

좁은 그물망 통로에 크고 작은 구슬들을 한꺼번에 밀어 넣는다고 생각해 보세요. 작은 구슬은 그물코 사이사이를 요리조리 빠져나가 빨리 앞으로 나아가지만, 큰 구슬은 그물에 걸리적거려서 천천히 움직입니다. 전기영동도 비슷합니다.

젤리 같은 물질(젤)을 통로 삼아 놓고 한쪽 끝에는 (+)전극, 반대쪽 끝에는 (-)전극을 연결하면, 음전하를 띤 DNA 조각들이 (+)전극 쪽으로 끌려가며 이동합니다.

이때 크기가 작은 DNA 조각은 젤의 그물눈 사이를 빠르게 빠져나가고, 크기가 큰 조각은 걸려서 느리게 이동하기 때문에, 시간이 지나면 크기별로 줄지어 나뉘게 됩니다.

왜 중요한가

전기영동은 분자생물학, 생화학, 유전학 등 거의 모든 실험 기반 생명과학 논문에서 DNA·RNA·단백질을 분리하고 확인하는 가장 기본적인 검증 수단으로 쓰입니다.

PCR 산물 확인, 클로닝 검증, 단백질 발현 확인처럼 후속 실험의 성공 여부를 판단하는 관문 역할을 하기 때문에, 결과 신뢰성을 뒷받침하는 근거로 논문에 빠짐없이 등장합니다.

또한 웨스턴 블롯이나 서던 블롯 같은 후속 분석법의 기반 단계이기도 해서, 전기영동 자체의 원리를 이해하면 관련 실험 전반을 훨씬 쉽게 따라갈 수 있습니다.

어떤 절차인가

전하를 띤 분자를 전기장 속에서 움직여 갈라냅니다. 이동 속도는 대략 v = (q / f) · E (q 전하, f 마찰 계수, E 전기장 세기)로, 전하가 크고 크기가 작을수록 빠릅니다. 겔 전기영동의 흐름은 다음과 같습니다.

  1. 시료를 겔 한쪽 우물에 넣습니다. 비교용 크기 마커(DNA ladder, 단백질 마커)를 함께 둡니다.
  2. 완충액이 채워진 장치에서 전압을 걸면 시료가 전극 쪽으로 이동합니다. 핵산은 인산기 때문에 음전하를 띠어 (+)극 쪽으로 갑니다.
  3. 염색이나 형광, 전이(블로팅) 후 면역검출로 밴드 위치를 확인합니다.

겔 종류가 분해능 범위를 정합니다. 아가로스는 DNA처럼 큰 분자, 폴리아크릴아마이드는 단백질과 작은 핵산에 쓰이는 것이 일반적입니다. 단백질은 음이온성 계면활성제 SDS와 열처리로 전하/질량비를 비슷하게 만든 뒤 크기만으로 분리하는 SDS-PAGE가 표준적이며(Laemmli, 1970; Shapiro 외, 1967), 전하와 구조를 보존하는 비변성(native) PAGE도 있습니다. 전기장 세기와 완충액에 따라 열이 발생하므로 전압·시간이 조건에 들어갑니다.

안전: 높은 전압을 쓰므로 전원을 켠 채 장치를 열지 않습니다. 일부 핵산 염색약은 돌연변이 유발 가능성이 있어 장갑을 착용하고 폐기 규정을 따릅니다.

언제 쓰고 무엇을 얻나

얻는 것은 “어떤 크기의 분자가 있는가”라는 정성적 정보와 밴드 세기에 근거한 상대량입니다. 크기 추정은 마커와의 비교로 합니다. 일정한 범위에서 이동 거리와 분자 크기의 로그가 거의 직선 관계를 이룹니다.

가상의 계산. 마커의 크기가 10,000, 5,000, 2,000, 1,000, 500 bp이고 이동 거리가 각각 12, 19, 28, 35, 43 mm였다면 log10(크기)를 거리에 대해 직선 회귀한 결과는 log10(크기) = 4.500 + (−0.0423) × 거리(mm)입니다. 시료 밴드가 31 mm에 있다면

log10(크기) = 4.500 + (−0.0423) × 31 = 3.189 → 약 1,500 bp

입니다. 마커의 이동 곡선은 양 끝에서 휘므로 마커 범위 안쪽에서만 내삽하고, 결과는 유효숫자 두 자리 정도로 적습니다.

논문에는 이렇게 적는다

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

국내 학술지 논문에서 이 용어가 쓰인 문장을 그대로 옮겼습니다. 제목·학술지·연도와 원문 링크를 함께 적었습니다.

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

"증폭된 PCR 산물은 1% 아가로스 젤 전기영동을 통해 예상 크기인 500 bp에서 단일 밴드로 확인되었다."

이 문장은 중합효소연쇄반응로 복제해서 늘린 DNA 조각을 전기영동으로 흘려보냈더니, 예상했던 크기(500 염기쌍)와 일치하는 위치에 하나의 선(밴드)이 나타나서 원하는 DNA가 제대로 증폭되었음을 확인했다는 뜻입니다. 유전자, 단백질 관련 연구 논문의 실험 방법과 결과 부분에서 자주 등장합니다.

"세포 용해물의 단백질 시료는 SDS-폴리아크릴아마이드 젤 전기영동으로 분리한 후 목표 단백질의 발현 수준을 확인하였다."

단백질 발현량 비교나 웨스턴 블롯 전 단계로 단백질을 분자량에 따라 분리할 때 쓰이는 표현이다.

"환자군과 대조군의 혈청 시료를 모세관 전기영동으로 분석하여 단백질 분획 패턴의 차이를 비교하였다."

임상 진단이나 생체시료 분석에서 좀 더 정밀한 전기영동 방식을 활용하는 문맥이다.

조금 더 깊게 보면

전기영동에서 분자가 이동하는 속도는 전하 대 크기의 비율과 젤의 그물눈 밀도(젤 농도)에 좌우되며, 이 때문에 DNA는 대체로 크기에만 비례해 분리되지만 단백질은 SDS 같은 계면활성제로 전하를 균일하게 맞춰준 뒤에야 크기순으로 분리됩니다(SDS-PAGE).

결과를 정량적으로 비교할 때는 표준 크기 마커(사다리)와 밴드 위치를 대조해 대략적인 크기를 추정하며, 밴드의 진하기로 상대적인 양을 비교하기도 합니다. 논문을 읽을 때는 젤의 종류와 농도, 사용한 마커, 그리고 밴드를 어떻게 정량화했는지를 함께 확인하면 결과 해석에 도움이 됩니다.

주의할 점

전기영동은 분자를 "크기나 전하에 따라 분리해서 보여주는" 기법일 뿐, 그 분자가 정확히 어떤 서열이나 구조를 가졌는지까지 알려주지는 않습니다. 젤 위의 밴드 위치가 비슷하다고 해서 반드시 같은 분자라고 단정할 수는 없으며, 정확한 정체를 확인하려면 염기서열 분석이나 질량분석법 같은 추가 검증이 필요합니다.

헷갈리기 쉬운 용어

용어무엇인가전기영동과의 관계
아가로스 겔 전기영동아가로스 겔을 쓰는 전기영동주로 DNA·RNA 분리용 방식입니다.
SDS-PAGESDS로 변성한 단백질을 폴리아크릴아마이드 겔에서 크기별 분리전기영동의 한 방식입니다.
웨스턴 블롯전기영동 뒤 막으로 옮기고 항체로 특정 단백질 검출전기영동은 분리 단계에 해당합니다.
크로마토그래피이동상·고정상 사이의 분배 차이로 분리전하·크기 대신 상호작용 차이를 이용합니다.
제타전위 분석기입자의 전기영동 이동도를 재서 표면 전위를 계산전기영동의 원리를 입자 분석에 쓴 예입니다.

참고 문헌

  1. Tiselius, A. (1937). A new apparatus for electrophoretic analysis of colloidal mixtures. Transactions of the Faraday Society, 33, 524–531.
  2. Shapiro, A. L., Viñuela, E., & Maizel, J. V. (1967). Molecular weight estimation of polypeptide chains by electrophoresis in SDS-polyacrylamide gels. Biochemical and Biophysical Research Communications, 28(5), 815–820.
  3. Laemmli, U. K. (1970). Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature, 227, 680–685.
  4. Sambrook, J., & Russell, D. W. (2001). Molecular Cloning: A Laboratory Manual (3rd ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.

관련 용어

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