가장 먼저, 어떤 원리로 DNA나 단백질이 전기장 속에서 이동할 수 있는지 알아보겠습니다. DNA의 경우에는 인산기를 가지기 때문에 음전하를 띠므로, 인력에 의해 양극(+) 방향으로 끌려가게 됩니다. 단백질의 경우 여러 전하를 띨 수 있지만, 전기영동 시에는 SDSSodium Dodecyl Sulfate 라는 물질을 처리하여 단백질이 그 분자량에 비례하여 음전하를 띠도록 합니다. 이러한 이유로 DNA와 단백질이 음극에서 양극 방향으로 이동하게 되는 것입니다. 다음으로는 어떻게 전기영동법을 통해 물질이 분리되는지 살펴보겠습니다. 전기영동법에는 여러 종류가 있지만, 가장 널리 쓰이는 것은 바로 겔 전기영동법Gel Electrophoresis 입니다. 겔은 미세한 구멍이 많은 구조를 가지기 때문에, 분자가 구멍을 통과하며 이동 속도에 따라 분리됩니다. 전기장에서 전하를 가지는 물질이 겔을 통과하는 속도는 v= (v : 이동속도, q : 전하량, E : 전기장의 크기, f : 마찰 계수)로 나타낼 수 있습니다. 이때, 전기장의 크기(E)는 일정하므로 겔에서 분자의 이동 속도는 에 비례하게 됩니다. 즉, 전하가 크고 마찰력이 작을수록 빨리 이동하는 것이죠. 여기서 마찰계수인 f는 분자의 크기나 모양, 겔의 구멍 크기나 점도Viscosity 등의 영향을 받습니다.

겔 전기영동법은 사용되는 겔에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 아가로스 겔Agarose Gel 과 폴리아크릴아마이드 겔Polyacrylamide Gel 이 그것인데, 폴리아크릴아마이드 겔을 사용하는 방법을 간단하게 PAGEPolyacrylamide Gel Electrophoresis 라고 줄여부르기도 합니다. 아가로스 겔은 폴리아크릴아마이드 겔에 비해 큰 구멍을 가져 큰 크기의 DNA를 분리하는 데 주로 사용되고, 폴리아크릴아마이드겔은 단백질이나 작은 크기의 DNA를 분리하는 데 주로 사용됩니다. 아가로스나 폴리아크릴아마이드의 농도에 따라 분리할 수 있는 분자 크기의 범위를 조절할 수도 있습니다.

입체 구조를 가지는 단백질의 경우, 그 모양 때문에 분자의 크기에 따라 분리하기가 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 사용하는 것이 바로 SDS PAGE인데요. 앞서 언급하였듯 SDS는 단백질이 본래 가지고 있는 전하를 제거하고 음전하를 띠도록 합니다. 또한 단백질의 입체 구조를 풀어 선형으로 만들고, 일정 개수의 아미노산에 일정한 SDS 분자가 결합함으로써 단백질의 전하량이 분자량에 대체로 비례하도록 만듭니다. 이 방법을 통해 다양한 전하와 모양을 가지는 단백질을 효과적으로 분리할 수 있게 되었습니다.


여기까지 전기영동법에 대해 알아보았는데요. 전기영동법은 생명과학, 또는 화학 관련 실험에 필수적인 실험 기술입니다. 이 글이 흥미로웠다면 함께 자주 수행되는 PCRPolymerase Chain Reaction 의 원리나 전기영동법의 다른 종류에 대해서도 조사해 보는 것은 어떨까요?