KR101984702B1 - 핵산, 라만 활성 분자 및 금속 입자를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 이용하여 표적 물질을 검출하는 방법 - Google Patents
핵산, 라만 활성 분자 및 금속 입자를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 이용하여 표적 물질을 검출하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
일 양상에 따른 표적 물질 검출 방법에 의하면, 재현성 있는 라만 분광을 할 수 있다. 또한 다양한 표적 물질의 분석을 할 수 있다.
Description
라만 분광법(Raman Spectroscopy)에 사용될 수 있는 핵산 구조체 복합체를 이용한 표적 물질 검출 방법에 관한 것이다.
라만 산란은 입사되는 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 분자체에 가하면 분자체 고유의 진동 전이에 의해 조사된 빛과는 파장이 약간 다른 빛이 발생하는 현상을 말한다. 그러나, 라만 분광기술의 많은 응용 가능성에도 불구하고 그 신호의 세기가 약하고 재현성이 낮아 현재까지 상용화되지 못하고 있다.
이러한 문제를 극복할 수 있는 방법으로 표면증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)이 있다. 이는 은 전극에 산화-환원을 반복시킨 후 수용액 상에서 피리딘 분자가 흡착된 후 약 106 배 정도 세기가 증가하는 것을 관찰하였다. 그러나 SERS 현상은 정확하게 구조적으로 정의되어 있는 나노 물질 합성 및 제어의 어려움이 있다. 또한, 재현성 및 신뢰성 측면에서 해결해야할 문제가 많아 SERS 현상의 응용에 대한 연구가 진행되고 있다.
일 양상은 라만 분광법에 이용되는 핵산 구조체 복합체를 이용하여 표적 물질을 검출하는 방법을 제공한다.
일 양상은 단일가닥과 단일가닥이 혼성화되어 있는 혼성화 영역을 포함하는 핵산, 상기 핵산에 포함된 라만 활성 분자(Raman-active molecule), 및 상기 핵산에 부착된 금속입자를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제공한다.
라만 산란은 빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 일부는 진행 방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 현상을 의미한다. 용어 "SERS(surface enhanced Raman spectroscopy, surface enhanced Raman scattering)"는 금속 나노구조의 주변에 분자가 존재할 경우, 그 분자의 라만 산란의 세기가 크게 증가되는 현상을 의미하며, 표면 증강 라만 산란법 및/또는 분광법이라 한다.
상기 핵산 구조체 복합체에 있어서, 상기 핵산 구조체는 하나 이상의 올리고뉴클레오티드로부터 제조될 수 있다. 상기 핵산 구조체를 이루는 핵산은 단일가닥과 단일가닥이 혼성화되어 있는 혼성화 영역을 포함할 수 있다. 상기 혼성화 영역을 포함하는 핵산이 서로 혼성화되어 이중 가닥의 핵산이 형성될 수 있다. 상기 이중 가닥 핵산은 올리고뉴클레오티드와 자신과의 혼성화 또는 다른 올리고뉴클레오티드와의 혼성화를 통해 형성될 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 하나 이상의 혼성화 영역을 포함할 수 있다. 하나의 올리고뉴클레오티드가 복수의 혼성화 영역을 포함할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 동일한 뉴클레오티드 및/또는 다른 올리고뉴클레오티드의 혼성화 영역과 혼성화될 수 있다. 상기 핵산 구조체는 자기 조립될 수 있다. 용어 "자기 조립(self-assembly)"은 원자간 공유 결합 혹은 분자 상호인력에 의하여 자발적으로 나노구조를 형성하여 특정 구조를 이루는 현상을 의미한다. 상기 하나 이상의 올리고뉴클레오티드는 다른 올리고뉴클레오티드와 혼성화될 수 있는 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함할 수 있다. 핵산은 상보적인 서열간의 혼성화를 통하여 자기 조립될 수 있다.
상기 핵산 구조체는 상기 핵산 구조체 복합체 중의 핵산으로부터 형성된 다면체일 수 있다. 상기 다면체는 핵산 다면체(nucleic acid polyhedron)일 수 있다. 상기 핵산 다면체는 어떠한 개수의 면(face), 변(edge) 및/또는 꼭지점(vertex)을 갖도록 설계될 수 있다. 상기 핵산 다면체는 적어도 2개 이상의 면, 변 및/또는 꼭지점을 가질 수 있다. 상기 핵산 다면체의 각 변의 일부는 이중 가닥 핵산일 수 있다. 상기 핵산 다면체의 각 변의 대부분은 이중 가닥 핵산일 수 있다. 각 변의 모든 부분이 이중 가닥 핵산으로 이루어질 수 있다. 상기 핵산 다면체는 예를 들면, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 또는 그 이상의 면을 갖도록 설계될 수 있다. 상기 핵산 다면체는 예를 들면, 사면체, 육면체, 피라미드, 양추(dipyramid), 또는 팔면체일 수 있다. 상기 핵산 다면체는 정다면체(regular polyhedron) 또는 비정다면체(irregular polyhedron)일 수 있다. 상기 핵산 다면체는 경성(rigid)일 수 있다. 핵산 구조체에 있어서, 핵산 구조체를 이루는 각각의 올리고뉴클레오티드는 자가조립되어 각각의 올리고뉴클레오티드의 5' 말단 및/또는 3' 말단이 상기 핵산 다면체의 꼭지점에 배치될 수 있다. 상기 다면체는 사면체(tetrahedron), 팔면체(octahedron), 12면체(dodecahedron), 삼각 쌍뿔(trigonal bipyramid), 및 쌍뿔로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 핵산 구조체는 어느 크기를 갖도록 선택될 수 있다. 상기 핵산 구조체의 크기는 모이어티의 크기에 근거하여 선택될 수 있다. 상기 핵산 다면체의 변은 5 이상, 10 이상, 20 이상, 30 이상, 40 이상, 50 이상의 염기쌍 길이를 가질 수 있다.
상기 핵산 구조체는 DNA, RNA, PNA(peptide nucleic acids), LNA(locked nucleic acids), 핵산 유사 구조(nucleic acid-like structures), 이들의 조합, 및 이들의 유사체로 구성된 군으로부터 선택된 핵산을 포함할 수 있다. 상기 핵산은 천연 뉴클레오티드와 유사하거나 향상된 결합 성질을 가진 유사체를 포함한다. 상기 핵산 구조체는 합성 백본(backbone)을 갖는 핵산 유사 구조체를 포함할 수 있다. 상기 합성 백본 유사체는 포스포디에스테르, 포스포로티오에이트, 포스포로디티오에이트, 메틸포스포네이트, 포스포라미데이트, 알킬 포스포트리에스테르, 설파메이트, 3′-시오아세탈, 메틸렌(메틸이미토)(methylene(methylimino)), 3′-N-카바메이트, 모폴리노 카바메이트, 펩티드 핵산(PNAs), 변형된 포스포디에스테르, 또는 변형된 메틸포스포네이트 결합을 포함할 수 있다. 상기 핵산 구조체를 제조하는 데 사용되는 상기 DNA는 자연적으로 발생하는 DNA, 변형된 DNA, 또는 합성 DNA일 수 있다.
상기 핵산 구조체는 검출가능하게 표지될 수 있다. 상기 표지는 형광 분자, 방사성 동위 원소, 효소, 항체, 또는 링커 화합물을 포함할 수 있다. 용어 "링커 화합물"은, 올리고뉴클레오티드를 상기 금속 입자에 부착시키기 위해 각 올리고뉴클레오티드의 서열에 연결시킨 화합물을 의미한다. 상기 링커 화합물은 각 올리고뉴클레오티드의 5' 말단 및/또는 3' 말단에 연결될 수 있다. 상기 링커 화합물을 통하여 상기 금속 입자를 결합시키는 방법은 당업계에 공지되어 있다. 상기 링커 화합물의 한 말단은 상기 금속 입자 표면에 부착되는 관능기를 포함할 수 있다. 상기 관능기는 예를 들면, 티올기 또는 설프히드릴기를 포함하는 황-함유기일 수 있다. 상기 관능기는 알코올 및/또는 페놀의 유도체로서 산소 자리에 황이 포함된 RSH의 식을 가지는 화합물일 수 있다. 또한, 상기 관능기는 각각 RSSR' 또는 RSR'의 식을 가지는 티올 에스테르(thiol ester) 또는 다이티올 에스테르(dithiol ester)일 수 있다. 또한, 상기 관능기는 아미노기(-NH2) 또는 카르복실기일 수 있다. 상기 링커 화합물을 통해 상기 핵산 구조체에 상기 금속 입자가 부착될 수 있다. 상기 금속 입자는 각 올리고뉴클레오티드의 5' 말단 및/또는 3' 말단에 연결된 링커 화합물을 통해 상기 핵산 구조체의 꼭지점에 부착될 수 있다.
상기 핵산 구조체 복합체에 있어서, 상기 금속 입자는 라만 신호를 측정하기 위한 신호물질일 수 있다. 상기 금속 입자는 광학 활성 분자일 수 있다. 상기 금속 입자는 Au, Ag, Cu, Na, Al, Cr, Pt, Ru, Pd, Fe, Co, Ni 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 금속 입자는 금속 나노입자일 수 있다. 또한, 금속 이온 또는 금속 이온의 킬레이트를 사용할 수도 있다. 본 발명에서 사용되는 신호물질은 라만 활성 분자, 형광유기분자, 비형광유기분자, 무기나노입자, 를 포괄하는 광의의 개념으로, 발색이 가능한 표지물질을 제한없이 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 용어 "라만 활성 분자"는, 본 발명의 나노입자가 하나 이상의 분석물에 부착되었을 때 라만 검출 장치에 의한 분석물의 검출 및 측정을 용이하게 하는 분자를 의미한다. 상기 라만 활성 분자는 표면 강화 라만 활성 분자, 표면증강 공명 라만 활성 분자, 하이퍼 라만 활성 분자, 또는 코히런트 반 스토크스 라만 활성 분자를 포함할 수 있다. 상기 라만 활성 분자는 날카로운 스펙트럼 피크를 발생시킬 수 있다. 상기 라만 활성 분자는 라만 활성 태그(Raman-active tags)를 포함할 수 있다. 상기 라만 활성 분자는 시아닌 (cyanines), 플루오레세인 (fluorescein), 로다민(rhodamine), 7-니트로벤젠-2-옥사-1,3-디아졸 (7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazole: NBD), 프탈산, 테레프탈산, 아이소프탈산, 크레실 패스트 바이올렛 (cresyl fast violet), 크레실 블루 바이올렛 (cresyl blue violet), 브릴리언트 크레실 블루 (brilliant cresyl blue), 파라아미노벤조산, 에리쓰로신, 비오틴, 디옥시제닌 (digoxigenin), 프탈로시아닌, 아조메틴, 크산틴, N,N-디에틸-4-(5′-아조벤조트리아졸일)-페닐아민, 아미노아크리딘, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 시아닌의 예에는 Cy3, Cy3.5, 또는 Cy5가 포함될 수 있다. 플로오레세인의 예에는, 카복시플루오레세인 (carboxyfluorescein: FAM), 6-카복시-2',4,4′,5′,7,7′-헥사클로로플루오레세인 (6-carboxy-2′,4,4′,5′,7,7′-hexachlorofluorescein: HEX), 6-카복시-2′,4,7,7′-테트라클로로플루오레세인 (6-carboxy-2′,4,7,7′-tetrachlorofluorescein: TET), 5-카복시-4′,5′-디클로로-2′,7′-디메톡시 플루오레세인, 6-카복시-4′,5′-디클로로-2′, 7′-디메톡시플루오레세인 (6-carboxy-4′,5′-dichloro-2′, 7′-dimethoxyfluorescein: Joe) 5-카복시-2′,4′,5′,7′-테트라클로로플루오레세인, 5-카복시플루오레세인, 또는 석신일플루오레세인이 포함될 수 있다. 로다민의 예에는 테트라메틸로다민 (tetramethylrhodamine: Tamra), 5-카복시로다민, 6-카복시로다민로다민, 6G (Rhodamine 6G: R6G), 테트라메틸 로다민 이소티올 (tetramethyl rhodamine isothiol: TRIT), 술포로다민 101 산 클로라이드 (sulforhodamine 101 acid chloride: Texas Red dye), 카복시-X-로다민 (carboxy-X-rhodamine: Rox), 또는 로다민 B (rhodamine B)가 포함될 수 있다.
상기 금속 입자는 화학적으로 환원될 수 있거나 레이적 삭마를 거친 것일 수 있다.
상기 핵산 구조체 복합체에 있어서, 상기 금속 입자의 표면에 표적 물질이 결합될 수 있다. 상기 표적 물질은 유기 분자, 무기 분자 또는 생체 분자로 이루어진 물질이 결합될 수 있다. 상기 생체분자는 단백질, 핵산, 당 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 생체분자는 병원체일 수 있다.
상기 핵산 구조체 복합체에 있어서, 상기 올리고뉴클레오티드는 관능기 또는 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 더 포함할 수 있다. 상기 관능기는 상기 핵산 구조체 복합체에 표적 물질에 결합하는 제1 물질을 결합하기 위한 것일 수 있다. 상기 관능기는 상기 올리고뉴클레오티드의 일 말단에 부착될 수 있다. 상기 관능기는 예를 들면, 티올기 또는 설프히드릴기를 포함하는 황-함유기일 수 있다. 상기 관능기는 알코올 및/또는 페놀의 유도체로서 산소 자리에 황이 포함된 RSH의 식을 가지는 화합물일 수 있다. 또한, 상기 관능기는 각각 RSSR' 또는 RSR'의 식을 가지는 티올 에스테르 또는 다이티올 에스테르일 수 있다. 또한, 상기 관능기는 아미노기 또는 카르복실기일 수 있다. 상기 관능기는 상기 핵산 구조체 복합체의 면 또는 꼭지점으로부터 돌출될 수 있다. 상기 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드는 상기 표적 물질에 포함된 표적 핵산을 이루는 올리고뉴클레오티드의 일부 서열과 혼성화될 수 있는 서열일 수 있다.
상기 표적 물질에 결합하는 물질은 표적 물질에 특이적으로 결합하는 것일 수 있다. 상기 특이적으로 결합하는 것은, 예를 들면, 표적 물질에 대하여 넓은 의미의 리간드와 수용체의 관계에 있는 것일 수 있다. 항원에 대하여 항체, 리간드에 대한 수용체, 효소와 기질 또는 억제인자 등이 포함될 수 있다. 상기 표적 물질에 결합하는 물질은 핵산에 결합하는 물질로서, 임의의 알려진 물질일 수 있다. 핵산에 결합하는 물질은 특이적 결합물질일 수 있다.
다른 양상은 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계로서; 상기 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계는 적어도 한 쌍 이상의 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 제공하는 단계, 상기 올리고뉴클레오티드를 혼성화시켜 핵산 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 핵산 구조체에 금속 입자를 부착시키는 단계를 포함하는 핵산 구조체 복합체 제조 단계; 상기 핵산 구조체 복합체를 표적 물질을 포함하는 시료에 노출시키는 단계; 및 라만 분광법을 이용하여 상기 라만 신호를 검출하는 단계를 포함하는 표적 물질 검출 방법을 제공한다.
상기 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계는 적어도 한 쌍 이상의 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 제공하는 단계, 상기 올리고뉴클레오티드를 혼성화시켜 핵산 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 핵산 구조체에 금속 입자를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 핵산 구조체 및 금속 입자에 대한 내용은 상기 핵산 구조체 및 금속 입자에 관해 기술한 바와 같다. 상기 올리고뉴클레오티드를 제공하는 단계에 있어서, 상기 올리고뉴클레오티드에 링커 화합물을 부착시킬 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드에 라만 활성 분자를 부착시킬 수 있다. 상기 라만 활성 분자에 대한 내용은 상기 라만 활성 분자에 관해 기술한 바와 같다. 상기 핵산 구조체를 형성하는 단계에 있어서, 상기 핵산 구조체는 자기 조립될 수 있다. 상기 핵산 구조체 제조방법에 있어서, 상기 금속 입자를 환원시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 금속 입자는 화학적으로 환원시키거나 레이적 삭마(laser ablation)을 거칠 수 있다.
상기 핵산 구조체 복합체를 표적 물질을 포함하는 시료에 노출시키는 단계에 있어서, 상기 시료는 표적 물질을 포함하는 것이면 어느 것이나 될 수 있다. 상기 표적 물질은 생물 또는 비생물 유래 물질일 수 있다. 생물 유래 물질은 바이러스 또는 생물로부터 유래된 물질일 수 있다. 생물 유래 물질은 세포, 또는 그 성분을 포함한다. 상기 세포는 진핵 세포 또는 원핵 세포를 포함할 수 있다. 예를 들면, 그람 양성 또는 음성 박테리아 세포일 수 있다. 상기 생물 세포 성분은 단백질, 당 지방, 핵산 및 이들의 조합일 수 있다. 상기 시료는 예를 들면, 생물학적 물질을 포함하는 시료일 수 있다. 예를 들면, 혈액, 뇨, 점막 스왑, 타액, 체액, 조직, 생검물 및 이들의 조합일 수 있다.
상기 라만 분광법을 이용하여 상기 라만 신호를 검출하는 단계에 있어서, 상기 라만 분광법은 표면 증강 라만 분광법 (SERS), 표면증강 공명 라만 분광법 (surface enhanced resonance Raman spectroscopy: SERRS), 하이퍼 라만 분광법(Hyper Raman Scattering), 또는 코히런트 반 스토크스 라만 분광법 (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering: CARS)일 수 있다.
상기 방법은 관능기에 표적 물질에 결합하는 제1 물질을 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 관능기에 관한 내용은 상술한 바와 같다. 표적 물질에 결합하는 제1 물질은 아미노기 또는 카르복실기를 포함할 수 있다. 제1 물질은 아미노기 또는 카르복실기를 제1 물질의 말단에 포함할 수 있다. 제1 물질은 아미노산, 단백질, 또는 항체일 수 있다.
상기 방법은 상기 표적 핵산과 혼성화될 수 있는 영역을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 표적 핵산을 포함하는 시료에 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 표적 핵산과 혼성화될 수 있는 영역을 포함하는 올리고뉴클레오티드는 표적 핵산과 서로 혼성화되어 이중 가닥의 핵산을 형성할 수 있다.
상기 방법은 표적 물질에 결합하는 제2 물질을 포함하는 지지체에 표적 물질을 포함하는 시료를 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 지지체는 수소 결합 공여능을 갖는 관능기를 갖는 것으로, 기판 재질의 특성상 그러한 관능기를 가지고 있거나, 코팅과 같은 화학적 또는 물리적 처리에 의하여 그러한 관능기가 부가된 것을 포함할 수 있다. 상기 관능기는 바이오틴일 수 있다. 제2 물질은 생물로부터 유래하는 화합물로서, 예를 들면, 핵산, 단백질, 다당류 및 그의 조합으로 이루어지는 분자로 구성되는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 상기 핵산에는, DNA 또는 RNA가 포함된다. 제2 물질은 일반적으로 분석하고자 하는 표적 물질과 특이적으로 반응하는 특성을 가지고 있을 수 있다. 예를 들면, 제2 물질이 핵산인 경우 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 표적 핵산과 혼성화 반응을 통하여 상호반응할 수 있다. 제2 물질이 단백질인 경우, 항원 및 항체 반응, 리간드 및 수용체 사이의 상호반응, 효소와 기질 사이의 상호 반응을 통하여 서로 특이적으로 상호작용할 수 있다. 또한, 제2 물질이 다당류인 경우, 다당류를 인지하는 렉틴(lectin)과 같은 단백질 또는 항체에 의하여 특이적으로 인지될 수 있다.
상기 노출시키는 단계는 상기 지지체에 상기 핵산 구조체를 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 핵산 구조체는 상기 지지체에 고정된 표적 물질과 특이적으로 결합될 수 있다.
상기 방법은 고체 지지체에 결합된 표적 물질을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 세척하는 방법은 고체 지지체에 결합된 표적 물질을 실질적으로 제거하지 않으면서, 상기 고체 지지체에 결합하지 않은 물질 또는 약하게 결합된 물질을 제거하는 것일 수 있다. 세척액 및 세척 조건은 당업자가 적절하게 선택할 수 있다.
일 양상에 따른 표적 물질 검출 방법에 의하면, 재현성 있는 라만 분광을 할 수 있다. 또한 다양한 표적 물질의 분석을 할 수 있다.
도 1은 일 구체예에 따른 DNA 구조체, 금속 입자, 및 라만 활성 분자를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 구체예에 따른 라만 활성 분자를 포함하는 DNA 구조체의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 구체예에 따른 여러 종류의 라만 활성 분자를 도입하여 SERS 측정할 수 있음을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체의 금속입자를 환원시켜 금속입자를 은으로 코팅하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 구체예에 따른 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 구체예에 따른 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체와 표적 물질에 결합하는 제1 물질의 결합을 나타낸 도면이다.
도 8은 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체와 표적 물질과의 결합을 나타낸 도면이다.
도 9는 일 구체예에 따른 지지체에 고정된 표적 물질과 핵산 구조체 복합체의 결합을 나타낸 도면이다.
도 10은 일 구체예에 따른 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 11은 일 구체예에 따른 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산 구조체 복합체와 표적 핵산의 결합을 나타낸 도면이다.
도 12는 일 구체예에 따른 지지체에 고정된 표적 핵산과 핵산 구조체 복합체의 결합을 나타낸 도면이다.
도 13은 합성된 핵산 구조체를 겔을 이용하여 확인한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14 및 15는 핵산 구조체 복합체를 STEM으로 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 16 및 17은 시료, 대조군을 이용하여 측정한 SERS 스펙트럼 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 구체예에 따른 라만 활성 분자를 포함하는 DNA 구조체의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 구체예에 따른 여러 종류의 라만 활성 분자를 도입하여 SERS 측정할 수 있음을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체의 금속입자를 환원시켜 금속입자를 은으로 코팅하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 구체예에 따른 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 구체예에 따른 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체와 표적 물질에 결합하는 제1 물질의 결합을 나타낸 도면이다.
도 8은 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체와 표적 물질과의 결합을 나타낸 도면이다.
도 9는 일 구체예에 따른 지지체에 고정된 표적 물질과 핵산 구조체 복합체의 결합을 나타낸 도면이다.
도 10은 일 구체예에 따른 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 나타낸 도면이다.
도 11은 일 구체예에 따른 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산 구조체 복합체와 표적 핵산의 결합을 나타낸 도면이다.
도 12는 일 구체예에 따른 지지체에 고정된 표적 핵산과 핵산 구조체 복합체의 결합을 나타낸 도면이다.
도 13은 합성된 핵산 구조체를 겔을 이용하여 확인한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14 및 15는 핵산 구조체 복합체를 STEM으로 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 16 및 17은 시료, 대조군을 이용하여 측정한 SERS 스펙트럼 결과를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 구체예에 따른 DNA 구조체, 금속 입자, 및 라만 활성 분자를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 1에 의하면, 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 4 개의 올리고뉴클레오티드를 제공할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 라만 활성 분자를 포함할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 그 내부에 상기 라만 활성 분자를 포함할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 뉴클레오티드 간의 사이에 상기 라만 활성 분자를 포함할 수 있다. 상기 라만 활성 분자를 표면 강화 라만 활성 분자를 포함할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 링커 화합물을 포함할 수 있다(도시되지 않음).
상기 올리고뉴클레오티드는 하나 이상의 혼성화 영역을 포함할 수 있다. 상기 혼성화 영역은 단일가닥과 단일가닥이 혼성화되거나, 혼성화될 수 있는 영역을 포함할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드를 혼성화시켜 DNA 사면체를 형성할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 상기 혼성화를 통하여 자기 조립되어 DNA 사면체를 형성할 수 있다.
형성된 DNA 사면체에 금 입자를 부착시켜 핵산 구조체 복합체를 제조할 수 있다. 상기 DNA 사면체를 이루는 올리고뉴클레오티드에 포함된 링커 화합물을 통해 상기 DNA 사면체에 금 입자가 부착될 수 있다. 경직성(rigidity)을 갖는 DNA 구조체를 이용하여 국소 영역에 강한 전자기장이 발생하는 핫 스팟(hot spot)의 거리를 조절할 수 있어, 재현성 있게 증가된 라만 신호를 얻을 수 있다.
도 2는 일 구체예에 따른 라만 활성 분자를 포함하는 DNA 구조체의 모식도를 나타낸 도면이다. 도 2에 의하면, 라만 활성 분자 A, B, 및 C 모두가 DNA 구조체에 도입될 수 있다. 상기 라만 활성 분자는 상기 DNA 구조체를 이루는 올리고뉴클레오티드에 도입될 수 있어, DNA 구조체의 어느 곳에나 도입될 수 있다. 또한 상기 도입될 수 있는 라만 활성 분자의 수는 다양할 수 있다. 상기 DNA 사면체를 이루는 올리고뉴클레오티드에 포함된 SH를 포함하는 링커 화합물을 통해 상기 DNA 사면체에 금 입자가 부착될 수 있다. 상기 SH는 탄화수소와 결합된 SH일 수 있다. 상기 SH는 -(SH)2를 포함할 수 있다. 상기 금 입자는 상기 SH를 포함하는 링커 화합물이 위치한 DNA 사면체의 꼭지점에 부착될 수 있다. 상기 SH를 포함하는 링커 화합물은 디티올기일 수 있다.
도 3은 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체의 모식도를 나타낸 도면이다. 도 3에 의하면, 금속 입자는 라만 활성 분자를 포함하는 DNA 사면체의 꼭지점에 부착될 수 있다. 상기 DNA 구조체와 금속 입자간의 부착은 링커 화합물을 통하여 이루어질 수 있다. 상기 링커 화합물은 DNA 구조체를 이루는 올리고뉴클레오티드의 어느 위치에나 연결될 수 있다. 금속 입자는 올리고뉴클레오티드에 도입된 링커 화합물이 있는 곳에 부착될 수 있다.
도 4는 일 구체예에 따른 여러 종류의 라만 활성 분자를 도입하여 SERS 측정할 수 있음을 나타낸 도면이다. 도 4에 의하면, 3 종류의 라만 활성 분자인 SERS 활성 리포터를 도입하여 총 7개의 표적 물질을 구별할 수 있다. 핵산 구조체를 이루는 뉴클레오티드에 도입할 수 있는 라만 활성 분자의 수는 다양하므로 많은 종류의 표적 물질을 동시에 검출할 수 있다. 상기 라만 활성 분자는 날카로운 스펙트럼 피크를 발생시킬 수 있다. 상기 라만 활성 분자는 좁은 반치폭(hlaf width)을 가지므로 다양한 라만 활성 분자를 동시에 사용할 수 있다.
도 5는 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체의 금속입자를 환원시켜 금속입자를 은으로 코팅하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 5에 의하면, 상기 금속입자에 화학적 환원 과정을 거쳐 은으로 금속입자를 코팅할 수 있다. 상기 코팅된 금속 입자를 포함한 핵산 구조체는 증가된 라만 신호를 재현성 있게 얻을 수 있다.
도 6은 일 구체예에 따른 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 나타낸 도면이다. 도 6에 의하면, 핵산 구조체 복합체를 이루는 핵산에 관능기를 부착하여 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조할 수 있다. 상기 관능기는 상기 핵산의 어느 부분에도 부착될 수 있다. 상기 관능기는 올리고뉴클레오티드의 일 말단에 부착될 수 있다. 상기 핵산 구조체 복합체는 복수의 관능기를 포함할 수 있다. 상기 관능기는 상기 핵산 구조체 복합체에 표적 물질에 결합하는 제1 물질을 결합하기 위한 것일 수 있다. 상기 관능기는 예를 들면, 아민기, 카르복실기, 또는 티올기일 수 있다. 상기 관능기는 상기 핵산 구조체 복합체의 면 또는 꼭지점으로부터 돌출될 수 있다.
도 7은 일 구체예에 따른 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체와 표적 물질에 결합하는 제1 물질의 결합을 나타낸 도면이다. 도 7에 의하면, 상기 관능기를 포함하는 핵산 구조체 복합체는 표적 물질에 결합하는 제1 물질과 상기 관능기를 통하여 결합될 수 있다. 상기 관능기는 아미노기 또는 카르복실기일 수 있다.
도 8은 일 구체예에 따른 핵산 구조체 복합체와 표적 물질과의 결합을 나타낸 도면이다. 도 8에 의하면, 표적 물질에 결합하는 제1 물질을 포함하는 핵산 구조체 복합체는 표적 물질과 결합할 수 있다. 상기 표적 물질에 결합된 핵산 구조체 복합체로부터 라만 신호를 측정할 수 있다.
도 9는 일 구체예에 따른 지지체에 고정된 표적 물질과 핵산 구조체 복합체의 결합을 나타낸 도면이다. 도 9에 의하면, 표적 물질에 결합하는 제2 물질을 포함하는 지지체에 표적 물질을 노출하여, 상기 지지체에 표적 물질을 고정화할 수 있다. 상기 고정화된 표적 물질에 제1 표적 물질을 포함하는 상기 핵산 구조체 복합체를 노출시켜, 상기 복합체는 상기 표적 물질과 결합할 수 있다. 상기 표적 물질에 결합된 핵산 구조체 복합체로부터 라만 신호를 측정할 수 있다.
도 10은 일 구체예에 따른 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 나타낸 도면이다. 도 10에 의하면, 핵산 구조체 복합체를 이루는 핵산은 상기 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 더 포함할 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 핵산의 어느 부분에도 포함될 수 있다. 상기 올리고뉴클레오티드는 상기 핵산의 일 말단에 부착될 수 있다. 상기 핵산 구조체 복합체는 복수의 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 상기 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드는 상기 핵산 구조체 복합체와 표적 물질에 포함된 표적 핵산을 결합하기 위한 것일 수 있다. 상기 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드는 상기 핵산 구조체 복합체의 면 또는 꼭지점으로부터 돌출될 수 있다.
도 11은 일 구체예에 따른 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 핵산 구조체 복합체와 표적 핵산의 결합을 나타낸 도면이다. 도 11에 의하면, 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드는 표적 핵산의 일부와의 혼성화 영역을 통하여 결합될 수 있다. 상기 표적 핵산은 DNA 또는 RNA일 수 있다.
도 12는 일 구체예에 따른 지지체에 고정된 표적 핵산과 핵산 구조체 복합체의 결합을 나타낸 도면이다. 도 12에 의하면, 표적 핵산을 포함하는 지지체에 상기 핵산 구조체 복합체를 노출시켜, 상기 복합체는 상기 표적 핵산과 결합할 수 있다. 상기 표적 핵산에 결합된 핵산 구조체 복합체로부터 라만 신호를 측정할 수 있다.
실시예
1: 사면체 모양의
DNA
나노 구조체 합성
한 변의 길이가 7 nm인 DNA 다면체를 형성할 수 있도록 4개의 단일가닥 DNA의 서열을 디자인하고 표 1에 나타내었다. 상기 4개의 서열의 올리고뉴클레오티드부분의 서열을 서열번호 1 내지 4에 나타내었다. 4개의 서열은 서로 상보적인 서열을 가지며, 각 서열은 3개의 혼성화 영역을 가진다. 상기 DNA의 서열 중 4번 서열에 Cy3 라만 염료를 도입하였다. 1 내지 3번 서열의 5' 말단에 디설피드, HS2-CH(CH2)5-를 관능화하였다.
| 서열 번호 1 |
Disulfide-TCCCATGTGTCTCGTCGTAAATTATATCATTCGGACGTTCCAGCTTCCCTGTTAAGTTCTAC |
| 서열 번호 2 |
Disulfide-TTACGACGAGACACATGGGAACCGAACAATGTCGGAACGGCAGGCCAATGCTCACGGCGGAG |
| 서열 번호 3 |
Disulfide-GGAACGTCCGAATGATATAAACTCCGCCGTGAGCATTGGCCATGAAACTCCCAGCGAGCAGC |
| 서열 번호 4 |
GCCGTTCCGACATTGTTCGGAGTAGAACTTA/iCy3/ACAGGGAAGCAGCTGCTCGCTGGGAGTTTCA |
10 uM의 4개의 각 DNA를 1 uL 넣고, 버퍼로 100 uL로 채웠다. 상기 버퍼의 조성은 다음과 같다: 20 mM Tris (pH 7.6), 2 mM EDTA, 12.5 mM MgCl2 . Thermocycler를 이용해 DNA 혼합물의 온도를 95℃에서 5분 동안 유지한 후 4℃로 낮추었다. 겔을 이용하여 DNA 나노 구조체의 합성을 확인하였다. 이는 시료를 5% TBE 겔에 넣고 70V 로 한 시간 영동시킨 후, SYBR 그린으로 염색하여 확인하였다. 표 2에 시료에 첨가된 DNA 서열 번호를 표시하였다.
| 레인 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 첨가된 DNA 서열 번호 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 및 2 | 1, 2 및 3 | 1, 2, 3 및 4 |
도 13은 합성된 핵산 구조체를 겔을 이용하여 확인한 결과를 나타내는 도면이다. 도 13에 의하면, 4개의 DNA 서열을 모두 첨가하였을 경우, DNA 나노 구조체가 제조되었음을 확인하였다.
실시예
2:
DNA
나노 구조체와 금 입자의 결합
5' 디설피드(Disulfide)로 관능화된, 동결 건조된 DNA를 3 % TCEP 용액 400 uL에 한 시간 동안 반응시켜 환원시켰다. 0.1 uM, 3 uL의 DNA 나노 구조체와 1 nM, 1.2 mL의 20 nm 금 입자를 섞은 후 실온에서 하룻밤 동안 교반하였다. 그 후, 이를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM), 구체적으로 UHR-SEM(S-5500)으로 확인하였다. 도 14 및 15는 핵산 구조체 복합체를 주사 투과형 전자현미경(Scanning Transmission Electron Microscope: STEM)으로 확인한 결과를 나타낸 도면이다. 도 14 및 15에 나타난 바와 같이, DNA 나노 구조체에 금 입자가 결합되었음을 확인하였다.
실시예
3: 금 입자에의 은 코팅
25 ul 금 입자 용액에 안정제(stabilizer)인 10 ul 1% 폴리-N-비닐-2-피롤리돈, 환원제인 5ul 0.1M L-소듐 아스코베이트 존재 하에서, 1 mM AgNO3 용액을 실온에서 3시간 동안 반응시켰다. 이 용액을 0.3M PBS에 녹였다. 1 mM AgNO3 용액의 부피를 0 ul, 3 ul, 5 ul, 및 7 ul로 하여 반응 후, 이들 용액의 UV-VIS를 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 1 mM AgNO3 | 최대파장(nm) |
| 0 ul | 525 |
| 3 ul | 509 |
| 5 ul | 506 |
| 7 ul | 495 |
실시예
4:
SERS
측정
시료 및 대조군을 실리콘 시편에 1.5 ul 액적을 떨어뜨린 후 라만을 측정하였다. 대조군은 라만 염료가 첨가되지 않은 시료이다. 구체적으로, 인비아(inVia) 모델 장비(Renishaw 사)를 이용하여 514 nm 여기 레이저(excitation laser), 1초의 축적 시간(1's accumulation time), 레이저 파워 100%, 20X 배율로 측정하였다. 도 16 및 17은 시료, 대조군을 이용하여 측정한 SERS 스펙트럼 결과를 나타낸 도면이다. 도 16에 나타난 바와 같이, 시료의 라만 측정은 정확하게 나타나는 반면, 도 17에 나타난 바와 같이, 대조군의 라만 측정은 정확하게 나타나지 않음을 확인하였다.
<110> Samsung Electronics Co. Ltd
<120> Method of detecting target materials using nucleic acid structure
complex having nucleic acid, Raman-active molecule and metal
particle
<130> PN098789
<160> 4
<170> KopatentIn 2.0
<210> 1
<211> 62
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> nucleotide for manufacturing a nucleic acid sturcture
<400> 1
tcccatgtgt ctcgtcgtaa attatatcat tcggacgttc cagcttccct gttaagttct 60
ac 62
<210> 2
<211> 62
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> nucleotide for manufacturing a nucleic acid sturcture
<400> 2
ttacgacgag acacatggga accgaacaat gtcggaacgg caggccaatg ctcacggcgg 60
ag 62
<210> 3
<211> 62
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<213> Artificial Sequence
<220>
<223> nucleotide for manufacturing a nucleic acid sturcture
<400> 3
ggaacgtccg aatgatataa actccgccgt gagcattggc catgaaactc ccagcgagca 60
gc 62
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<211> 62
<212> DNA
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<220>
<223> nucleotide for manufacturing a nucleic acid sturcture
<400> 4
gccgttccga cattgttcgg agtagaactt aacagggaag cagctgctcg ctgggagttt 60
ca 62
Claims (20)
- 하나 이상의 이중가닥 혼성화 영역에서 서로 혼성화되고 6개 이상의 변(edge) 및 4개 이상의 꼭지점(vertex)을 포함하는 다면체의 형태를 이루는 복수의 핵산;
둘 이상의 금속 입자로서, 상기 다면체의 다른 꼭지점에 각각 부착된 금속 입자; 및
상기 금속 입자들이 부착된 꼭지점 사이에 위치한 상기 다면체의 변에 부착된 라만 활성 분자를 포함하고,
상기 다면체의 변의 어느 하나 이상의 부분은 핵산의 이중가닥 영역인 핵산 구조체 복합체. - 청구항 1에 있어서, 상기 핵산 구조체 복합체는 표적 물질에 특이적으로 결합하는 제1 물질을 더 포함하는 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 다면체는 사면체(tetrahedron), 팔면체(octahedron), 12면체(dodecahedron), 삼각 쌍뿔(trigonal bipyramid), 또는 쌍뿔인 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 핵산 구조체 복합체는 링커 화합물을 포함하는 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 입자는 링커 화합물에 의해 상기 다면체에 연결된 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 입자는 Au, Ag, Cu, Na, Al, Cr, Pt, Ru, Pd, Fe, Co, Ni 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 2에 있어서, 표적 물질에 결합하는 제1 물질은 단백질, 항체, 또는 표적 핵산과 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드인 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 입자는 화학적으로 환원될 수 있거나 레이저 삭마(laser ablation)를 거친 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 라만 활성 분자는 시아닌, 플루오레세인, 로다민 (rhodamine), 7-니트로벤젠-2-옥사-1,3-디아졸 (7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazole: NBD), 프탈산, 테레프탈산, 아이소프탈산, 크레실 패스트 바이올렛(cresyl fast violet), 크레실 블루 바이올렛(cresyl blue violet), 브릴리언트 크레실 블루(brilliant cresyl blue), 파라아미노벤조산, 에리쓰로신, 비오틴, 디옥시제닌(digoxigenin), 프탈로시아닌, 아조메틴, 크산틴, N,N-디에틸-4-(5'-아조벤조트리아졸일)-페닐아민, 아미노아크리딘, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 핵산 구조체 복합체.
- 청구항 1의 핵산 구조체 복합체를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
적어도 한 쌍 이상의 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 올리고뉴클레오티드를 제공하는 단계;
상기 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 하나 이상의 올리고뉴클레오티드를 혼성화시켜 핵산 구조체를 형성하는 단계로서,
상기 핵산 구조체는 6개 이상의 변 및 4개 이상의 꼭지점을 포함하는 다면체의 형태이고, 상기 다면체의 변의 하나 이상의 부분은 핵산의 이중가닥 영역인 단계; 및
2개 이상의 금속을 각각 상기 다면체의 다른 꼭지점에 부착시키고 금속 입자가 부착된 꼭지점 사이에 위치한 하나 이상의 변에 하나 이상의 라만-활성 분자를 부착시켜 핵산 구조체 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 방법. - 표적 물질을 검출하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은
청구항 2의 핵산 구조체 복합체를 표적 물질에 노출시켜 상기 표적 물질과 표적 물질에 특이적으로 결합하는 제1 물질을 결합시키는 단계; 및
라만 분광법을 이용하여 상기 핵산 구조체 복합체로부터 라만 신호를 검출하는 단계로서,
라만 신호의 검출은 시료 중 표적 물질의 존재를 나타내는 것인 방법. - 청구항 11에 있어서, 상기 라만 분광법은 표면 증강 라만 분광법, 표면증강 공명 라만 분광법, 하이퍼 라만 분광법, 또는 코히런트 반 스토크스 라만 분광법인 것인 방법.
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