$2,000 이하로 내 DNA 시퀀싱하는 방법

• DNA 시퀀싱 비용이 Moore의 법칙보다 더 빠르게 감소하는 중임
• Oxford Nanopore MinION을 이용하면 $1,100 정도로 집에서도 DNA를 시퀀싱할 수 있음
• 실제 실험에서는 채혈, DNA 추출, 나노포어로 시퀀싱 등 단계를 거쳤음
• 결과적으로 전체 게놈의 약 13%만을 커버했고 오염, 장비 결함 등으로 분석은 제한적이었음
• 그럼에도 불구하고 저렴하게 직접 DNA 일부를 시퀀싱하는 의미 있는 경험을 얻음

서론

• DNA 시퀀싱 비용이 빠르게 하락해 과거 23억 달러, 13년이 걸렸던 인간 게놈 해독을 이제는 Oxford Nanopore(약 $1,000) 장비만으로 48시간 이내 직접 해볼 수 있게 됨
• 기존에는 불안정한 제3자 업체에 샘플을 보내야 했으나, 이 글에서는 직접 실험실이 없는 환경에서 시퀀싱을 시도함

DNA 시퀀싱 과정 개요

• 목표는 10ml의 혈액에서 A, C, G, T로 이루어진 인간 게놈 서열(약 30억)을 얻는 것임
• 전체 단계 요약
  • 혈액 채취
  • 혈액에서 인간 DNA 추출
  • 추출된 DNA를 전기적 방식으로 Oxford Nanopore 장비에 통과시켜 각 염기를 판독함

DNA 시퀀싱의 간략한 역사

• Sanger 시대(1960~2003): 아날로그 기반, 매뉴얼 처리, 매우 느린 진행
  • 결함이 있는 뉴클레오타이드를 이용해 DNA 복제를 끊고, 각 조각을 전기로 분리한 후, 바코드처럼 판독
  • 인간 게놈 해독에 13년, 23억 달러 소요
• Illumina 시대(2005~2010년대): 병렬화 및 자동화
  • 합성을 통한 시퀀싱 방식 도입, 처리 속도 및 효율이 크게 개선됨
• 단일 분자 시퀀싱 시대:
  • 전기적 나노포어를 통해 DNA 염기를 직접 판독, 조각을 쪼갤 필요가 없음
  • 이번 실험에서도 이 방식을 사용함

필요한 장비 및 비용

• Oxford Nanopore MinION 스타터 키트 ($1,000): USB 기반 시퀀서, 플로우 셀 및 준비 화학 시약 포함
• Zymo DNA 추출 키트 (무료 샘플)
• 미니 원심분리기 (Amazon, $50)
• 실험용 소모품 (eppendorf 튜브, 란셋, 피펫 등, $50)
• 총 비용 약 $1,100

실험 단계 상세

Step 1: 혈액 채취

• 약 200㎕(0.2ml)의 혈액 필요, 작은 란셋으로는 충분히 나오지 않아 반복적으로 손가락을 찌르는 방식으로 채혈함

Step 2: DNA 추출

• 혈액에는 대부분 DNA가 없는 적혈구 등 불순물이 많음
• 백혈구에서 DNA만 분리해야 하며, Zymo 키트의 효소와 원심분리 필터를 이용해 진행함
• Nanopore 준비 키트의 어댑터 부착 과정도 따름

Step 3: Nanopore로 시퀀싱

• 준비된 DNA를 MinION의 작은 포트에 주입 후, USB로 연결
• MinKNOW 소프트웨어가 실시간 베이스콜링을 수행하며, 전기 신호를 신경망 알고리듬으로 A, T, C, G로 예측함

결과 및 한계

• 총 약 1기가베이스의 데이터를 두 번 시퀀싱하는데 성공함(전체 인간 게놈 30억 염기 중 약 13%)
• 첫 번째 실험은 하드웨어 오류로 중단, 플로우 셀 결함(2048개 중 623개의 포어만 작동)
• 25%는 박테리아 등 오염이 확인됨
• SNP(단일 염기 다형성) 분석을 위해서는 여러 번 반복 시퀀싱이 필수인데, 대부분의 염기서열이 중복 없이 한 번만 판독됨
• 그럼에도 $1,100의 저비용으로 의미 있는 인간 게놈 일부 시퀀싱 경험을 얻음

감사의 말

• 본 실험에 함께 참여한 친구들에게 감사를 전함