재배학원론 - 2장 작물의 유전성(3) : 염색체와 유전자

2-3-3 염색체와 유전자

(1) 염색체와 게놈

① 염색체와 염색체돌연변이

㉠ 염색체

생물체를 구성하는 기본단위는 세포（細胞）이고 모든 세포에는 염색체가 들어 있다. 염색체는 DNA와 단백질로 구성되어 있으며, DNA는 유전자를 이루는 유전물질이다. 'chromosome（염색체）'은 색채를 뜻하는 'chroma' 와 몸을 뜻하는 'soma'의 합성어로 염색체가 특정 염색액에 잘 염색되어 붙여진 이름이다.
염색체를 염색하면 진하게 염색되는 이질염색질（異質染色質; heteroshromatin）과 밝게 염색되는 진정염색질（眞正染色質; euchrommtin）이 나타나는데, 이질염색질의 DNA는 대부분 유전자로 작용하지 않는다. 이질염색질은 동원체（觀原睡; centromere）를 포함하고 염색체를 안정화시키는 역할을 한다. 동원체는 염색체의 협착부위 로 여기에 방추사가 부착하여 염색체를 이동시킨다.
작물은 종류에 따라 체세포에 들어 있는 염색체수가 일정하다. 예컨대, 보리 14개. 완두 14개, 무 18개, 벼 24개의 염색체를 가지며, 같은 염색체가 두 세트（2n）씩 있는데, 이것을 상동염색체（相同染色惟; homologous chromosome）라고 한다. 상동영색 체의 한 세트는 자방친（(예) 벼의 배낭, n=12）으로부터, 다른 한 세트는 화분친（(예) 벼의 화분, n=12）으로부터 물려받은 것이다. 상동염색체의 두 염색체는 크기 • 모양 그리고 동원체의 위치 등이 같고 각 형질에 대한 유전자좌（選傳子座; locus : 유전자가 위치하고 있는 자리）가 일치한다. 상동염색체는 감수분일 때 짝을 짓는다.
작물 중에 암그루와 수그루가 따로 있는 자웅이주（雄雄異株, 암수딴그루）식물은 성을 결정하는 성염색체（性染色燙; sex chromosome）를 가지고 있다. 삼 • 뽕나무의 암그루는 성염색체가 XX이고 수그루는 XY이다. 성염색체는 한 쪽 성의 발생을 유도하는 반면에 다른 쪽 성의 발생을 억제하는 유전자가 있어 성을 결정한다. 성염색체 이외의 염색체를 상염색체（常染色髓; autosome）라고 한다.

㉡ 염색체돌연변이

염색체는 방사선이나 화학물질 등에 의하여 염색체의 구조와 수에 변화가 일어나는데 이를 염색체이상（染色艘異常; chromosome aberration）이라고 한다. 염색체이상은 심하면 개체가 죽게 되지만 일반적으로 유전자배열 또는 유전문질량에 변화를 가져온다. 작물육종에서는 유전변이를 작성하는 수단으로 이용된다.
염색체의 구조적 변화로 인한 염색체이상을 염색체돌연변이（染色鮭突然變異; chro mosomal mutation)라고 하며, 이에는 결실 • 중복 • 역위 , 전좌 등이 있다. 염색체돌연변이가 일어난 개체에서는 감수분열시에 구조적 이상이 생긴 염색체와 정상 염색세가 대합할 때 고리（loop）를 형성하게 되며. 유전적으로는 치사작용. 위우성. 위치효과 또는 교차의 억제현상이 나타난다.

염색체 돌연변이

- 결실（缺失; deficiency, deletion）은 염색체의 중간 또는 끝의 일부분이 절단되어 없어지는 것이며, 결실이형접합체는 결실부위에 해당하는 정상 염색세의 열성유전자가 발현되어 위우성（僞優性; pseudodominance）현상이 나타난다.
- 중복（更復; duplication）은 같은 염색체에 동일한 염색체 단편이 2개 이상 있게 되는 것으로, 염색체의 위치가 변동하여 표연형이 달라지게 되는데, 이를 위치효과（位竈效果; position effect）라고 한다.
- 역위(逆位; inversion)는 염색세 단편이 180° 회전하여 다시 그 염색체에 결합함으로써 유전자의 배열이 달라지는 것인데, 역위가 일어난 부위에서는 교차의 억제현상이 나타난다.
- 전좌（轉座; translocation）는 염색체 단편이 같은 염색체의 다른 위치 또는 다른 염색체로 이동하여 결합하는 것이며, 식물에서 흔히 볼 수 있다. 달맞이꽃은 14개의 염색체 중 12개가 상호전좌에 관련되어 있다.

② 게놈과 게놈돌연변이

㉠ 게놈

보리의 체세포 엄색세수는 14개（2n=14）이고 생식세포（배우자）에는 그 절반인 7개(n=7)가 있다. 보리가 생존하는 데 꼭 필요한 염색체수는 배우자에 있는 7개이며, 이 염색체 세트를 게놈(genome；道傳路)이라고 한다. 게놈에 포함되는 염색체수를 기본수(基本數; basic number)라 하고 x 로 표시한다. 2 배체인 보리(2n=14)의 염색체 기본수는 x=7 이다.
'genome(유전체)'은 'gene(유전자)과 'chromosome(염색체)'이 합쳐진 것으로, 생명체가 생존하기 위한 최소한의 염색체 세트를 가리키는 용어이다. 게놈이 다른 종의 염색체들은 감수분열 때 짝을 이루지 못하는데. 이러한 성질을 이용하여 게놈분석 (genome analysis)을 한다. 게놈분석에 의하여 근연식물들의 게놈이 같은지를 가려내고 또한 게놈의 분화. 종의 분화과정 등을 추정할 수 있다.

㉡ 게놈돌연변이

게놈의 수적 변화에 의한 염색체이상을 게놈돌연변이(genome mutation)라고 하며, 이에는 게놈수가 정배수로 증가하는 정배수체(正倍數睑; euploid)와 게놈 내의 염색체 한두 개가 없어지거나 증가하는 이수체(異數燈; aneuploid)가 있다.
정배수체에는 동질배수체(同質倍數種;autopolyploid)와 이질배수체(異質倍數髓; allopolyploid)가 있다. 작물의 거의 절반은 정배수체이며, 정배수체의 대부분은 이질배수체이고 동질배수체는 10% 미만이다.
이수체는 흔하지 않은데 주로 1염색체생물(monosomic, 2n-1)과 3염색체생물(trisomic, 2 n+1)로 나타난다.
동질배수체는 증가된 게놈수에 따라 2 배체(2x), 3배체(3x), 4배체(4x) 등으로 불리며, 3배체와 4배체가 많이 발견된다. 바나나는 3배체l(x=11)이고, 감자는 4배체 (x=12)이다. 배수체가 생기는 원인은 체세포분열 때 복제된 자매염색분세가 분리되지 않거나, 감수분열이 안 된 배우자끼리 수정되기 때문이다.
동질배수체는 유전물질이 증가된 것이므로 2배체에 비하여 세포와 기관이 커지고 생리적으로 강하며, 함유성분이 변화하고 생육이 지연되는 특징을 나타낸다. 그런데 동질배수체는 감수분열시 다가염색체(multivalent)를 형성하고 상동염색체가 균등하게 분리되지 못하여 임성이 떨어지기 때문에 영양번식 수단이 발달되어 있다.
게놈이 1개뿐인 반수체(半數強; haploid)는 식물체가 연약하고 완전불임인데, 콜히친(colchicine)을 처리하여 인위적으로 염색체를 배가시키면 곧바로 동형접합체가 되므로 유전 • 육종에서 이용가치가 높다.
이질배수체는 같은 게놈을 복수로 가지고 있어서 복2배체(複二倍借; amphidiploid)라고 한다. 담배(TTSS, 2n=48)는 이질4배체이고, 빵밀(AABBDD, 2n=42)은 이질6배체이다. 이질배수체는 두 종의 중간형질을 나타내고 적응력이 크며. 감수분열시 염색체 대합이 이루어지므로 임성이 높다. 트리티케일(triticale. AABBDDRR)은 밀(AABBDD)과 호밀(RR)을 인공교배하여 육성한 이질배수체이다.
이수체가 생기는 것은 염색체의 불분리(nondisjunction)현상 때문이다. 2배체식물이 감수분열을 할 때 1개의 상동염색체쌍이 분리되지 않고 한쪽 극으로 이동하면 n+1 인 배우자와 n-1인 배우자가 형성된다. 이 배우자들이 정상인 배우자(n)와 수정되면 그 접합자는 2n+1 또는 2n-1이 되어 이수체가 나타난다. 이러한 이수체는 감수분열을 할 때 염색체의 중복과 결실이 생겨서 식물체가 생존할 수 없게 된다.

 

 

 

 

(2) 유전자의 구조와 발현

① 유전자의 구조

생물의 형질은 유전자가 지배하며, 유전자는 염색체를 통해 다음 세대로 전해진다. 유전자는 물질적으로 핵산(核酸; nucleic acid： 1869년 Miescher가 처음 발견함)이며, 핵산의 기본단위는 인산 • 5탄당 및 염기가 공유결합한 뉴클레오티드(nucleotide)이다. 핵산에는 DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)가 있다. 대부분의 생물은 DNA가 유전물질이고 DNA가 발현될 때 RNA가 나타난다.

㉠ 핵 내외의 DNA

DNA 는 두 가닥의 2중나선(double helix)구조로 되어 있고 두 가닥은 염기와 염기의 상보적 결합(adenine 과 thymine ： A=T. guanine 과 cytosine : G三C)에 의하여 염기쌍(base pair, bp)을 이루고 있다. DNA 의 2중나선구조는 Watson 과 Crick(1953)에 의하여 밝혀졌다.
DNA가닥의 염기서열은 단백질에 대한 유전정보이고 그 단백질의 기능에 의하여 형질이 나타나게 된다. DNA 의 염기서열에서 3 염기조합〔트리플렛(triplet)〕이 1개의 아미노산을 지정하는데, 이것이 유전암호(遺傳暗號; genetic code)이다.
생물체가 가진 게놈의 염기서열을 결정하는 게놈연구사업(genome project)을 통해 사람을 포함한 여러 동 • 식물 및 미생물의 전체 염기서열이 속속 밝혀지고 있다. 사람(x=23)의 게놈지도는 2001년에 완성되었다. 최근에는 게놈 전체의 구조와 기능을 거시적으로 연구하는 유전체학(道傳館學; genomics)이 등장하였다.
식물에서 핵 게놈 DNA의 염기쌍은 2 x 10⁸ ~ 8 x 10¹⁰개로 추정되며, DNA의 전체 길이는 수cm 에서 20여m에 이른다. 벼의 게놈 DNA는 3.9x10⁸bp 이고, 여기에 약 5만 개의 유전자가 있다. 유전자 DNA는 단백질을 지정하는 엑손(exon)과 단백질을 지정하지 않는 인트론(intron)을 포함한다.
진핵세포의 DNA는 히스톤(histone)단백질과 결합하여 뉴클레오솜(nucleosome)을 형성하며, 뉴클레오솜들이 나선형 섬유를 만들고 나선형 섬유가 다시 감기고 압축•포장되어 염색체 구조를 이룬다. 나선형 섬유를 염색사(染色絲; chromatin fiber)라 하고 염색사의 덩어리를 염색질(染色質; chromatin)이라고 한다. 핵에서 DNA 는 염색질로 존재하며, 세포분열 때 염색체 구조로 된다.
식물의 세포질에 있는 엽록체 (chloroplast)와 미토콘드리아는 핵 DNA 와는 독립된 DNA를 가지고 있는데 이를 핵외유전자(技外近傳子; extranuclear gene)라고 한다.

DNA의 구성과 포장

 

㉡트랜스포존

대부분의 유전자는 염색체 상의 일정한 위치에 고정되어 있다. 트랜스포존（transposon； 轉移因子）은 게놈의 한 장소에서 다른 장소로 이동하여 삽입될 수 있는 DNA 단편（유전자）이다. 트랜스포존의 절단과 이동은 전이효소（transposase）에 의하여 촉매 되며, 전이효소유전자는 트랜스포존 내에 있다.
트랜스포존은 원핵생물（박테리아）과 진핵생물에 광범위하게 분포하며, 그 종류가 수백 가지이고 돌연변이의 원인이 된다. 트랜스포존은 McClintock(1951이 옥수수 알갱이의 색깔이 불안정하게 나타나는 원인을 연구하는 과정에서 처음으로 발견하였다.
트랜스포존은 유전분석과 유전자조작에 유용하게 쓰인다. 유전자에 삽입된 트랜스포존을 표지（標識; marker）로 이용하면 특정 유전자를 구별할 수 있다. 트랜스포존은 유전자조작에서 유전자운반체로 이용되고 돌연변이를 유기（誘起）하는 데에도 유용하다.

㉢ 플라스미드

박테리아 세포에는 기본염색체 1개（DNA 1분자）이외에 크기가 다양한 플라스미드（plasmid）가 들어 있다. 플라스미드는 작은 고리모양의 두 가닥 DNA 로 항생제 및 제초제저항성 유전자 등을 가지고 있다. 특히, 쌍떡잎식물에 잘 감염하여 식물혹（tumor）을 형성하는 토양박테리아 Agrobacterium tumefaciens의 Ti-플라스미드는 식물의 유전자조작에서 유전자운반체로 많이 사용된다.

㉣ 바이러스의 유전물질

바이러스는 캡시드（capsid）라고 하는 단백질껍질 속에 유전물질（RNA 또는 DNA)이 들어 있다. 한 가닥 RNA로 된 역전사바이러스（retrovirus）는 역전사효소（逆轉寫 酵素; reverse transcriptase)를 가지고 있다. 이 바이러스가 진핵세포에 감염하면 역전사효소를 이용하여 자신의 RNA로부터 DNA를 합성하고 그 DNA를 숙주 염색체에 삽입하여 증식한다. 역전사효소는 유전자은행을 만드는 데 쓰인다.

② 유전자의 복제와 발현

DNA는 스스로 복제됨으로써 유전정보를 정확하게 다음 세대로 전달한다. DNA의 유전정보는 RNA로 전사（transcription）된 다음 리보솜（ribosome）에서 아미노산으로 번역（translation）되어 단백질이 합성되는데, 이를 유전자발현（道傳子發現; gene expression）이라고 한다. 유전자발현에 의하여 합성된 단백질을 유전자산물 (gene product）이라고 한다. 유전정보가 DNA 에서 RNA를 거쳐(전사) 단백질로 합성(번역)된다는 것은 Crick（1956）이 제안하였으며, 이를 중심원리（中心原理; central dogma）라고 부른다.

㉠ DNA 복제

DNA의 복제는 두 가닥이 풀려지고 풀려진 각 가닥을 주형(錯型)으로 상보적인 새 가닥이 합성됨으로써 똑같은 두 분자의 딸DNA가 생기는데, 이를 반보존적 복제(semiconservative replication)라고 한다.
DNA복제에서 풀려진 한 가닥은 5'->3, 방향으로 복제되며, DNA중합효소를 비롯하여 여러 가지 효소가 관여한다. DNA 복제는 프라이머[primer； 시발체（始發燈)]가 있어야 시작되며, 이는 프리마아제（primase）효소가 주형 DNA를 복제해서 만든 짧은 한 가닥 핵산이다.

㉡ 유전자발현

ⓐ 전사（RNA 합성）

전사（轉寫; transcription）는 RNA 중합효소가 DNA의 프로모터 （promoter : 중합효소가 결합하는 특정 염기서열에 결합함으로써 시작되며, DNA 두 가닥 중 한 가닥만이 전사되어 RNA를 합성한다. 진핵세포에서 1차 전사물（RNA)은 스플라이싱（splicing）등 가공과정을 거쳐서 완성된다. 스플라이싱은 RNA 전구체에서 인트론을 제거하고 엑손만 연결되는 과정이다.
RNA 에는 mRNA, tRNA, rRNA 등이 있으며. 이들의 합성에는 각기 다른 RNA 중합효소가 관여한다. mRNA（messenger RNA, 전령 RNA）는 유전정보의 전달체 기능을 수행하고 tRNA（transfer RNA, 운반 RNA）는 아미노산을 운반하며, rRNA （ribosomal RNA, 리보솜 RNA）는 리보솜의 구성분이다.
DNA의 유전암호（triplet）는 mRNA로 전사되어 코돈（codon）을 만들고 mRNA 의 코돈이 아미노산으로 번역된다. 유전암호는 코돈으로 표시하는데. 이는 번역에 직접 참여하는 유전암호가 코돈이기 때문이다. 코돈의 종류는 64개로 각 코돈은 거의 모든 생물종에서 같은 아미노산을 지정하는 보편성을 가지나 예외적인 경우도 있다.

ⓑ 번역（단백질합성）

번역(translation）은 리보솜에서 이루어지는데, mRNA의 코돈과 tRNA의 안티코돈（anticodon）이 상보적 결합을 하고 mRNA의 코돈이 아미노산으로 전환되어 단백질을 합성한다. 단백질합성에는 여러 가지 조절인자가 관여하고 에너지가 필요하다. 번역이 끝나면 합성된 단백질은 인산화 • 당부가 등의 가공과정을 거쳐 기능을 발휘하게 된다.
원핵세포는 핵막이 없어 전사와 번역이 거의 동시에 이루어진다. 그러나 진핵세포의 경우 전사는 핵에서, 번역은 세포질에서 서로 다른 시간에 일어난다. 그래서 원핵세포（박테리아）는 진핵세포보다 증식이 빨리 이루어진다.

DNA의 복제와 유전자발현

③ 유전자발현과 환경

한 개체를 구성하는 모든 세포는 똑같은 유전자를 가지며, 각 세포마다 모든 종류의 단백질을 만들 수 있다. 그러나 세포는 필요할 때 필요한 유전자만 발연하도록 조절함으로써 특정 형질이 나타나게 된다.
세포는 환경의 변화를 신호로 인식하고 그에 대응하기 위하여 유전자가 발현하며, 진핵세포는 여러 단계를 거친다. 우선 세포질에 있는 수용체(受容龍; receptor)에서 외부신호를 감지하고, 그 다음에 수용체에 감지된 신호를 신호전달계 (signal transduction)가 전사조절단백질에 전달한다. 그러면 전사조절단백질이 핵으로 이동하여 DNA에 결합함으로써 전사가 이루어진다. 그리고 전사된 mRNA가 세포질로 나와 번역되어서 필요한 단백질이 생산되고 그 단백질의 작용에 의하여 형질(形質)이 나타난다.
식물 병원균이 식물체에 침입하면 병원균의 분비물이 신호가 되고 프로테인키나아제(단백질인산화효소)등이 신호전달계로 작용한다. 그리고 저항성 식물은 저항성 유전자가 발현하여 독성단백질인 피토알렉신(phytoalexin)을 생성함으로써 병원체가 죽게 된다.
원핵세포는 환경변화에 대응하기 위해 일련의 유전자세트를 발현한다. 콩과식물과 공생하는 뿌리혹박테리아는 식물 뿌리가 분비하는 플라본 (flavone)을 신호로 감지하여 10여 종의 유전자세트(nod regulon)를 발현시킴으로써 뿌리혹착생(nodulation)이 이루어진다.

(3) 유전자와 단백질

형질의 특성은유전자산물인 단백질의 기능과환경의 영향에 의하여 나타난다. 단백질은 세포 내에서 효소로 작용하여 화학반응을 촉매하고, 유전자발현을 조절하는 인자로 작용한다. 또한, 단백질은 물질을 운반하고, 저 장• 운동• 방어 등 세포와 조직의 기능 및 특성을 결정하는 데 중심역할을 한다.
단백질은 20종류의 아미노산들로 구성된 고분자물질이다. 아미노산들은 펩티드결합에 의하여 연결되어 폴리펩티드(polypeptide)가 되며, 폴리펩티드를 구성하는 아미노산 서열은 유전자에 의하여 결정된다. 다시 말하면, 각 폴리펩티드는 특정 유전자에 의하여 만들어지는데, 이를 1 유전자一1 폴리펩티드(one gene-one polypeptide)라고 한다.
폴리펩티드가 특정한 구조를 이룰 때 이를 단백질(成白質; protein)이라고 부르며, 많은 종류의 단백질은2개 이상의 폴리펩티드로 구성된다.

(4) 유전자돌연변이

유전자 DNA는 구조적으로 안정되어 있으며, 또한 DNA의 두 가닥이 상보적인 염기쌍을 형성하기 때문에 두 가닥 중 한 가닥이 손상되면 나머지 가닥을 이용하여 복구할 수 있다. 세포는 DNA의 손상을 수선하는 메커니즘을 가지고 있다.
그럼에도 불구하고 방사선이나 화학물질 등에 의하여 DNA는 염기의 치환. 첨가. 결실 등이 일어나 유전자돌연변이（遺傳子突然變異; gene mutation）가 생긴다. 유전자돌연변이 중에서 유용한 것은 자연선택에 의하여 다음 세대로 유전된다.
유전자돌연변이는 표현형의 변화에 의하여 여러 유형으로 나누어질 수 있다. 자연집단에서 흔히 나타나는 표현형을 야생형（野生型; wild type）이라 하고 이것이 돌연변이에 의하여 새로운 형（變異型）으로 바뀌는 것을 정방향돌연변이（正方向突然變異; forward mutation)라고 하며, 변이형이 다시 야생형으로 돌연변이되는 것을 복귀돌연변이（復歸突然變異; reverse mutation）라고 한다. 돌연변이가 특정 조건에서만 표현형이 나타나는 것을 조건돌연 변이（條件突然變異; conditional mutation）라 하고 돌연변이로 인해 생존할 수 없는 경우에는 치사돌연변이（致死突然變異; lethal mutation)라고 한다.
자연적으로 발생하는 유전자돌연변이는 10⁻⁷ ~ 10⁻⁶에 불과하지만 생물의 유전적 다양성을 유지하고 진화의 소재가 되며, 실용적으로는 유용물질 생산에 이용하거나 육종의 재료를 제공한다. 또한, 유전자와 유전물질 분석, 생화학적 대사경로 분석, 유전자발현 및 조절메커니즘 규명 등 유전학 연구의 재료가 된다.

(5) 유전자조작

① 재조합 DNA

유전자조작은 다른 생물의 DNA 가닥에서 잘라낸 DNA 단편(외래유전자)을 운반체 DNA(vector)에 연결하여 재조합 DNA(recombinant DNA)를 만들고, 그 재조합DNA를 숙주세포에 도입하여 증식하는 과정을 통해 이루어진다. 이 과정을 유전자클로닝(cloning)이라고 하며, 유전자클로닝에 의하여 증식한 세포집단을 클론(clone)이라고 부른다.
유전자클로닝을 위해서는 DNA를 자르는 제한효소(制限酵素; restriction enzyme)와 끊어진 DNA를 이어주는 연결효소(ligase)가 있어야 하고, 또 재조합 DNA를 숙주세포로 운반할 벡터가 있어야 한다. 유전자조작에서 제한효소는 '가위'의 역할을 하고, 연결효소는 '풀(접착제)'로서 작용한다.

㉠ 제한효소

제한효소는 DNA의 특정 염기서열(제한부위 라고 함)을 인지하여 절단한다. 제한효소는 원핵세포에서 생산되는 DNA 절단효소로서 이제까지 400여 종류가 발견되었다. 제한효소의 이름은 그 효소가 분리된 미생물 속명의 첫 글자와 종명의 처음 두 글자를 합하여 세 글자로 하고 이탤릭체로 쓴다.
많은 제한효소는 제한부위의 염기서열을 엇갈리게 절단함으로써 한 가닥의 점착성 말단(sticky end)을 가진 DNA 단편을 만든다. 이러한 DNA 단편은 상보적인 점착성 말단을 가진 다른 DNA 와 결합하여 재조합 DNA를 만들 수 있다. 이때 연결효소의 작용에 의하여 끊어진 DNA 의 당一인산이 연결되어 완전한 DNA 가 된다. 연결효소는 모든 세포에서 생성되는데 유전자조작에서는 대장균과 T₄ 파지 의 연결효소를 주로 사용한다.

㉡ 벡터

벡터(vector)는 외래유전자(DNA 단편)를 숙주세포로 운반해 주는 유전자운반체이 다. 벡터는 외래 DNA를 삽입하기 쉽고 숙주세포에서 자기증식을 할 수 있어야 하 며. DNA재조합형을 식별할 수 있는 표지유전자를 가지고 있어야 한다. 유전자클로닝에 많이 사용되는 벡터는 대장균박테리아를 숙주로 하는 플라스미드(plasmid)와 박테리오파지 (bacteriophage)이다.

㉢ 유전자클로닝

외래유전자(DNA단편)를 벡터에 연결시켜 재조합DNA를 만든 다음에는 그것은 숙주박테리아에 주입한 후 형질전환세포를 선발하여 증식시킨다.
재조합 DNA를 주입할 때 박테리아에 50mM 정도의 염화칼슘(CaCl₂)을 처리하면 세포막의 투과성이 높아져 DNA가 잘 흡수된다. 일단 박테리아 속으로 들어간 재조합 DNA는 숙주세포가 분열할 때마다 함께 복제되어 대량 증식함으로써 형질전환세포의 클론이 만들어진다.

② 유전자은행

특정한 DNA 단편(유전자)의 클론(clone)을 모아 놓은 유전자의 집단을 유전자은행 (遺傳子銀行; DNA library)이라고 부른다. 유전자은행에는 게놈라이브러리(genomic library)와 cDNA 라이브러리(cDNA library)가 있다. 게놈라이브러리는 생물체의 게놈을 특정한 제한효소로 절단한 모든 DNA단편을 벡터에 삼입하여 만든 유전자은행이며, 생명체의 유전자를 원래대로 모두 가지고 있다.
cDNA 라이브러리는 특정한 조건에서 발현된 유전자의 mRNA를 모두 역전사시켜 합성한 cDNA(complementary DNA)의 집단이며, 게놈의 일부분(subset)만을 나타낸다. 역전사(逆轉寫; reverse transcription)란 전사(RNA 합성)와는 반대로 RNA를 주형으로 삼아 그것에 상보적인 DNA(cDNA)를 합성하는 반응이다. 역전사를 촉매하기 위해 역전사바이러스에서 분리한 역전사효소(逆轉寫酵素; reverse transcriptase)를 사용한다.
유전자은행에서 원하는 DNA를 찾을 때에는 프로브［probe； 탐침(探針))가 필요하다. 프로브는 찾고자 하는 DNA에 상보적인 한 가닥 DNA 단편으로서 흔히 방사능으로 표지하여 사용한다.

③ 유전공학

재조합 DNA 기술과 유전자클로닝 기술을 실용적으로 응용하는 분야를 유전공학 (遺傳工學; genetic engineering이라고 한다. 그리고 유전공학 기술에 의하여 형질전환된 작물이 생산한 농산물을 유전자변형농산물(遺傳子變形慶産物; genetically modified organism, GMO)이라고 부른다.
옥수수 • 콩 • 벼 등 여러 작물에서 박테리아의 특정 유전자를 재조합하여 제초제 • 병 • 해충 등에 저항성인 형질전환품종을 육성하였다. 최근 스위스에서 개발한 황금쌀(Golden Rice)은 박테리아의 카로틴디새류라아제(carotene desaturase)유전자를 벼 종자의 저장단백질인 글루텔린(glutelin)유전자에 재조합한 것으로 황금쌀은 비타민 A의 전구물질인 β-카로틴(β-carotene)을 다량 함유한다.
미국에서 제품화된 토마토 품종 '플레이버세이버(Flavr Savr)'는 성숙 후에도 물러 지지 않는데, 이것은 안티센스RNA(antisense RNA)기술에 의하여 세포벽 분해효소인 폴리갈락튜로나아제(polygalacturonase)유전자의 발현을 억제시킨 것이다.
안티센스RNA란 세포질에서 단백질로 번역되는 mRNA（이것을 sense RNA 라고 함）와 상보적인 한 가닥의 RNA를 말한다. 특정 유전자의 안티센스 RNA는 mRNA(센스 RNA)와 2중나선을 형성하며, 2중나선 RNA는 번역될 수 없다.
식물의 유전공학에서는 식물을 생체반응기（生反應器; bioreactor）로 만들어 유용 물질을 대량 생산하는 연구가 이루어지고 있다. 현재 식물에서 생산을 시도하는 외래유전자 산물은 생물학적 분해가 가능한 플라스틱(biodegradable plastic), 독성물질（toxin）, 항체（antibody）. 백신(vaccine）등이 있다. 또한, 유전자조작을 통해 식물이 생산하는 단백질을 개선하고 광합성효율을 높이며 질소고정능력을 부여하는 등 다방면의 연구가 진행되고 있다.