분자정보공학 중간고사 문항

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분자정보공학 중간고사 문제 — DNA Data Storage 6·7주차

총 30문항: 6-1강 10문항, 6-2강 10문항, 7-1강 5문항, 7-2강 5문항. 단답형·서술형·구조식 작성형·계산형으로 구성. 기존 출제 아이템 3문항을 1–3번에 포함.

6-1강 — DNA 고체상 화학 합성

문제 1. CPG의 정의와 사용 이유

CPG(Controlled Pore Glass, 세공 크기가 제어된 다공성 유리)의 구조적 특성과 DNA 화학 합성에서의 역할을 설명하시오. 사용 이유에 비표면적, 시약의 접근, 컬럼 내 시약 공급과 배출을 포함하시오. 또한 세공 크기와 합성 사슬 길이의 관계를 설명하시오.

문제 2. 한 표면 반응점의 분자 연결 구조

CPG의 한 표면 반응점에 고정된 두 잔기 길이의 DNA 사슬을 구조식으로 그리시오. 두 염기는 모두 Thymine(티민, T)으로 하시오.

CPG 무기 골격, LCAA 장쇄 부분 및 DMT는 약칭 사용 가능. 염기·당·숙시닐 연결기·인산·2-시아노에틸기는 구조식으로 작성.

문제 3. 4단계 합성 사이클

Phosphoramidite(포스포라미다이트)를 이용한 DNA 고체상 합성의 4단계 이름을 순서대로 쓰시오. 각 단계의 영어 명칭과 괄호 안의 한글 명칭을 함께 쓰시오.

문제 4. Phosphoramidite의 보호기와 반응점

DNA 합성용 phosphoramidite 단량체에서 5′-OH, 염기의 반응성 아미노기, 인산 부위를 보호하는 이유를 각각 설명하시오. 또한 Coupling(커플링)에서 기존 사슬과 반응하는 단량체의 원자를 표시하시오. 염기 아미노기 보호는 Adenine(아데닌), Cytosine(사이토신), Guanine(구아닌)을 기준으로 설명하시오.

문제 5. 화학 합성과 생체 합성의 신장 방향

DNA 화학 합성과 생체 내 DNA 중합의 사슬 신장 방향을 각각 쓰시오. 화학 합성이 생체 합성과 반대 방향으로 진행되는 이유를 고체 지지체에 고정된 말단, 기존 사슬의 자유 OH, 새 단량체의 연결 위치를 이용하여 설명하시오.

문제 6. 산에 의한 DMT 제거

Detritylation(탈트리틸화)에서 산 처리로 5′-DMT가 제거되어 자유 5′-OH가 생성되는 과정을 설명하시오. TCA와 DCA의 영어 전체 명칭을 쓰고, 산의 세기·처리 시간과 Depurination(탈퓨린화)의 관계를 설명하시오. 수용액 pKa를 디클로로메탄 합성 용액의 pH와 동일하게 해석할 수 있는지도 설명하시오.

문제 7. Coupling과 Oxidation의 반응

Coupling(커플링)에서 기존 사슬의 5′-OH와 새 단량체의 P(III)가 어떻게 연결되는지 설명하시오. 이어서 Oxidation(산화)의 필요성과 인의 산화 상태 변화를 설명하시오.

문제 8. Capping과 결손 서열

Coupling(커플링)에 실패한 사슬의 미반응 5′-OH를 Capping(캡핑)하는 이유를 설명하시오. Capping을 생략한 경우와 수행한 경우를 비교하여, 다음 사이클의 연장 여부와 최종 불순물의 차이를 설명하시오.

문제 9. Cleavage and Deprotection과 부산물

Cleavage and Deprotection(절단과 탈보호)에서 고체 지지체와의 연결, 염기 보호기, 인산의 2-시아노에틸 보호기가 어떻게 처리되는지 설명하시오. 또한 Acrylonitrile(아크릴로니트릴)이 어느 보호기의 제거 과정에서 생성되는지 쓰고, 이 부산물이 티민의 변형을 일으킬 수 있는 이유를 설명하시오.

문제 10. Coupling 효율과 전장 산물 비율

첫 뉴클레오사이드가 고체 지지체에 미리 고정되어 있고, 매 Coupling(커플링)의 성공률이 99.5%로 일정하다고 가정하시오. 다른 손실과 부반응은 고려하지 않으며, 각 단계의 성공 여부는 독립이라고 가정하시오.

100-mer와 200-mer 합성에서 필요한 Coupling 횟수와 예상 전장 산물 비율을 각각 계산하시오. 같은 단계별 효율에서도 사슬 길이가 증가하면 전장 산물 비율이 감소하는 이유를 설명하시오. 계산기 사용 가능.

6-2강 — 장치 기반 병렬 합성과 올리고 풀

문제 11. 주요 장치 기반 합성 방법 5가지

6-2강에서 다룬 주요 장치 기반 DNA 병렬 합성 방법 5가지를 쓰시오. 각 방법에서 위치별 반응을 선택하는 장치 또는 구조를 함께 쓰시오.

문제 12. Photomask-guided synthesis의 장치와 공정

Photomask-guided synthesis(포토마스크 광유도 합성)에서 광원, 포토마스크, 합성 기판의 역할을 설명하시오. 마스크 개구부 아래에서만 탈보호가 일어나는 이유와, 서로 다른 서열을 합성하기 위해 마스크를 교체하는 이유를 설명하시오.

문제 13. Maskless DMD synthesis의 장치와 공정

Maskless DMD synthesis(마스크리스 DMD 합성)에서 DMD(Digital Micromirror Device, 디지털 미세거울 장치)의 역할을 설명하시오. 거울의 ON/OFF 상태로 조사 위치를 선택하는 과정과 물리적 포토마스크 방식과의 차이를 설명하시오.

문제 14. Inkjet synthesis의 장치와 공정

Inkjet synthesis(잉크젯 합성)에서 프린트헤드, 토출 좌표, 단량체 용액의 역할을 설명하시오. 서로 다른 위치에 A·C·G·T를 도입하는 방법과, 광유도 합성에 비해 공간 선택성이 적용되는 반응 단계의 차이를 설명하시오. 합성 챔버에서 무수 조건을 유지하는 이유도 설명하시오.

문제 15. Electrochemical synthesis의 장치와 공정

Electrochemical synthesis(전기화학적 합성)에서 전극 배열, 전해액, 전압 인가의 역할을 설명하시오. 선택한 양극 부근의 산 생성이 DMT 제거로 이어지는 과정과, 인접 음극에서 양성자를 소모하여 반응 영역을 제한하는 이유를 설명하시오.

문제 16. Silicon microwell synthesis의 장치와 공정

Silicon microwell synthesis(실리콘 미세웰 합성)에서 미세웰, 격벽, 웰별 시약 분배의 역할을 설명하시오. 여러 서열을 동시에 합성하면서 인접 반응 구획의 시약 혼합을 줄이는 방법과, 표준 산 탈보호를 적용할 수 있는 이유를 설명하시오.

문제 17. 장치별 공간 선택성 비교

주요 합성 방법 5가지를 반응 위치 선택 방식, 위치별로 제어되는 반응 또는 시약 전달, 인접 반응 구획의 간섭 요인을 기준으로 비교하시오. 답은 표로 작성하시오.

문제 18. 두 광탈보호 방식의 차이

Photoacid generation(광산 발생) 방식과 Photolabile protecting group(광분해성 보호기) 방식의 탈보호 과정을 각각 설명하시오. 빛으로 직접 변하는 대상, DMT 사용 여부, 공간 선택성을 제한하는 요인을 비교하시오.

문제 19. 컬럼 합성과 칩 합성의 산출물

컬럼 합성과 칩 기반 병렬 합성을 동시에 합성하는 서열 종류 수, 서열당 산출량, 회수 형태를 기준으로 비교하시오. DNA 데이터 저장에서 Oligonucleotide pool(올리고뉴클레오타이드 풀)을 사용하는 이유와, 서열별 산출량의 불균일이 판독 누락으로 이어질 수 있는 이유를 설명하시오.

문제 20. 올리고 풀의 정제

Desalting(탈염), HPLC(고성능 액체 크로마토그래피), PAGE(폴리아크릴아마이드 겔 전기영동)의 분리 원리를 각각 쓰시오. 단일 서열 올리고와 수만 종 이상의 올리고 풀에서 정제법을 선택할 때 불순물의 종류, 서열당 양, 서열별 분리·회수를 어떻게 고려해야 하는지 설명하시오.

7-1강 — 효소 합성과 유전자 조립

문제 21. TdT의 역할과 주형 비의존적 합성

TdT(Terminal deoxynucleotidyl transferase, 말단 디옥시뉴클레오타이드 전이효소)의 역할을 설명하시오. 주형 의존 DNA 중합효소와 비교하여 주형의 필요 여부, 뉴클레오타이드가 도입되는 말단, 사슬 신장 방향을 쓰시오. 자유 dNTP를 공급하는 것만으로는 설계한 서열을 한 염기씩 합성하기 어려운 이유도 설명하시오.

문제 22. TdT–dNTP conjugate의 단일 잔기 도입

TdT–dNTP conjugate(효소–뉴클레오타이드 결합체)를 이용한 합성에서 한 염기를 도입한 뒤 추가 연장이 억제되는 이유를 설명하시오. 프라이머, 도입된 뉴클레오타이드, 절단성 linker, TdT의 연결 관계를 간단한 도식으로 그리시오. 3′-OH가 차단되지 않은 상태에서 연장이 멈추는 이유와, 다음 사이클을 위해 linker를 절단하는 이유를 포함하시오.

문제 23. 가역적 종결기의 도입과 제거

DNA Script의 3′-ONH₂ 방식과 Molecular Assemblies의 FES에서 사용하는 3′-인산 방식을 비교하시오. 각각의 단일 잔기 도입, 추가 연장 억제, 차단기 제거 방법을 설명하고, 두 방식 모두 개조 TdT가 필요한 이유를 설명하시오. 답은 표로 작성하시오.

문제 24. PCA에 의한 유전자 조립

PCA(Polymerase construction and amplification, 중합효소를 이용한 구축과 증폭)로 짧은 올리고에서 긴 이중가닥 DNA를 만드는 과정을 설명하시오. 올리고 간 중첩 영역, 어닐링과 신장, 양 끝 증폭 프라이머의 역할을 포함하시오. 구축 단계의 중합효소 반응과 TdT 합성의 주형 사용 차이도 설명하시오.

문제 25. 치환 오류와 MutS를 이용한 제거

길이가 동일하고 한 염기만 다른 두 올리고를 일반적인 길이 기반 정제로 구분하기 어려운 이유를 설명하시오. MutS를 이용한 오류 제거에서 변성, 재혼성화, 불일치 염기쌍 형성, MutS 결합과 분리가 필요한 이유를 순서대로 설명하시오.

7-2강 — XNA의 구조·합성·분석과 데이터 저장

문제 26. XNA의 정의와 구조 변형

XNA(Xeno nucleic acid, 이종 핵산)의 정의를 쓰고, 천연 DNA와 비교하여 당 또는 골격의 변형을 설명하시오. LNA(Locked nucleic acid, 잠금 핵산), TNA(Threose nucleic acid, 트레오스 핵산), PNA(Peptide nucleic acid, 펩타이드 핵산)의 대표적인 구조 차이를 각각 쓰시오.

문제 27. LNA의 구조 고정과 결합 안정성

LNA에서 당 고리의 어느 위치가 연결되어 구조가 고정되는지 표시하고, 이 구조 고정이 상보적 가닥과의 결합 안정성에 영향을 주는 이유를 설명하시오. Tm(융해 온도)이 높다는 것과 뉴클레아제에 잘 분해되지 않는다는 것이 서로 다른 성질인 이유도 설명하시오.

문제 28. XNA의 화학 합성과 효소 합성

XNA의 화학 합성과 효소 합성의 기본 원리와 제한 요인을 비교하시오. 단량체 제조의 복잡성, 반복 반응의 누적 수율, 중합효소의 변형 기질 수용성, 주형 의존·비의존 합성의 차이를 포함하시오.

문제 29. XNA 분석 장치의 측정 원리

UV–Vis thermal melting(자외선–가시광 열용융 분석), CD(Circular dichroism, 원편광 이색성), MS(Mass spectrometry, 질량분석법)가 각각 무엇을 측정하고 어떤 정보를 제공하는지 설명하시오. 이중가닥의 가역적 2상태 전이를 가정하여 온도에 따른 260 nm 흡광 곡선을 그린 뒤, Tm과 흡광 증가의 원인을 표시하시오.

문제 30. XNA 데이터 저장의 밀도·내구성·판독

서로 구분 가능한 염기를 동일한 확률로 사용하는 이상적인 경우, 4종 및 8종 알파벳의 뉴클레오타이드당 정보량을 각각 계산하시오. 또한 TNA의 뉴클레아제 저항성이 데이터 보존에 도움이 되는 이유와, XNA를 표준 PCR·NGS로 판독할 때 효소 호환성을 확인해야 하는 이유를 설명하시오. DNA로의 전환 후 판독과 직접 nanopore(나노포어) 판독의 차이를 포함하시오.