KR100590569B1 - 실시간 중합효소연쇄반응 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

실시간 중합효소연쇄반응 검사 방법이 개시된다. 본 발명의 중합효소연쇄반응 검사 방법은 복수의 전극을 구비한 반응기를 제조하고, 전극들 표면에 중합효소연쇄반응 프라이머를 고정시키며, 중합효소연쇄반응을 위한 혼합물을 반응기에 주입하여 중합효소연쇄반응이 전극의 표면에서 일어나게하면서 중합효소연쇄반응의 결과물에 대한 임피던스를 측정하는 단계를 포함하고, 반응기는 제1유리기판에 전극들을 만드는 단계; 제2유리기판에 반응실을 만드는 단계; 및 제1 및 제2유리기판들을 접합하는 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

실시간 중합효소연쇄반응 검사 방법{Method for real-time detection of Polymerase Chain Reaction}
도 1은 본 발명에 따른 PCR의 진행 여부를 실시간으로 검사하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 2는 17쌍의 서로 다른 전극 구조를 갖는 마이크로 PCR칩을 도시한 것이다.
도 3a는 임피던스 측정기를 이용하여 마이크로 PCR 칩의 임피던스를 측정하는 모습을 도시한 것이다.
도 3b는 전극에 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide)가 결합된 모습을 도시한 것이다.
도 4a는 PCR 혼합물의 임피던스 등가회로를 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a의 등가회로에 따라 계산된 임피던스의 실수성분에 대해 허수성분을 나타낸 나이퀴스트도(Nyquist plot)이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 도 2의 25 및 26번 PCR칩에서 혼성화(hybridization)에 따른 임피던스 변화를 측정하고, 측정된 임피던스의 실수성분에 대해 허수성분의 변화를 도시한 것이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 도 5(a) 및 도 5(b)의 임피던스를 주파수에 대한 임피 던스의 크기(magnitude)로 도시한 것이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 도 5(a) 및 도 5(b)의 임피던스를 주파수에 대한 임피던스의 위상(phase)으로 도시한 것이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 도 2의 15 및 16번 PCR칩에서 어닐링 사이클(annealing cycle)에 따른 임피던스 변화를 측정하고, 측정된 임피던스의 실수성분에 대해 허수성분의 변화를 도시한 것이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 도 8(a) 및 도 8(b)의 임피던스를 주파수에 대한 임피던스의 크기로 도시한 것이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 도 8(a) 및 도 8(b)의 임피던스를 주파수에 대한 임피던스의 위상으로 도시한 것이다.
본 발명은 실시간 중합효소연쇄반응 검사 방법에 관한 것으로, 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)이 진행됨에 따라 그 결과물에 대한 임피던스 변화를 실시간으로 측정하여 PCR이 잘 진행되는지의 여부를 검사하는 방법에 관한 것이다.
PCR이란 DNA 시료와 중합효소, dNTP(deoxyribose Nucleoside TriPhosphate) 등을 서로 혼합한 후, 혼합물(mixture)의 온도를 적절하게 조절하여주면 DNA가 증폭되는 것을 말한다.
종래의 PCR 검출은 젤전기영동(gelelectrophoresis)을 이용하여 단지 PCR이 끝난 후 증폭된 DNA의 정성적인 결과만을 보여주는 것으로서, DNA의 정량적 검출에서 정확성 등 많은 문제점을 가지고있다. 이러한 문제를 해결하기위해서 광학적 검출 시스템을 이용하여 증폭된 DNA의 농도에 비례하는 형광의 세기를 검출함으로써 DNA의 정량분석을 가능케하는 실시간 PCR이 개발되었다.
현재까지의 실시간 PCR 칩에는 레이저 소스와 미세거울, 현미경 이외에 필터 등 여러 광학장치가 필요함과 동시에 고가의 형광 염료(dye)가 사용되고 있고, 이외에도 기기의 소형화와 더불어 적은 시료의 사용 및 신속한 분석을 목적으로 미세 전자-기계 장치(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)를 이용하는 PCR칩도 개발되었다. 그러나 이러한 실시간 PCR칩은 형광 검출에 의한 경우 소형화 문제가 있고, MEMS를 이용하는 경우 경제성에 문제가 있다.
기존의 실시간 PCR칩 검사의 다른 예로, 용액상에서 PCR을 진행하면서 임피던스를 측정하는 방법이 있다. 이론적으로, 용액상에서 PCR을 하면 PCR 결과물(product)이 증가함에 따라 임피던스가 순차적인 경향성을 나타내야한다. 그러나, 실제의 경우 PCR 혼합물에는 여러 종류의 물질이 혼합되어있으므로 PCR 결과물에 따른 경향성을 보기가 힘들다. 또한 임피던스 측정시 시간이 점차 경과함에 따라 PCR 시료중 DNA이외에 성분들, 예를 들어 효소 또는 PCR 반응용 버퍼(buffer)가 전극에 흡착되는 비특이적 흡착 성질로 인하여 PCR 결과물에 의한 측정신호가 감소하고 이로 인하여 PCR 사이클(cycle)에 따른 결과의 재현성이 부족하다는 문제점이 있다. 또한, 비특이적 흡착 성질 때문에 전극 표면에 변화가 발생하므로 용액 상에 생성되는 PCR 결과물 자체를 측정하기가 어렵다는 문제점도 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 다양한 형태의 전극을 구비하는 반응기를 제조하고, 전극에 PCR 프라이머를 고정화한 후 반응기 내부에 PCR 혼합물을 주입하여 전극 표면에서 PCR이 일어나게하는 고상(solid phase) PCR을 실시하면서 임피던스를 실시간으로 측정함으로써 PCR이 잘 진행되는지의 여부를 검사하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명의 실시간 중합효소연쇄반응 검사 방법은 복수의 전극을 구비한 반응기를 제조하는 단계; 상기 전극들 표면에 중합효소연쇄반응 프라이머를 고정시키는 단계; 및 중합효소연쇄반응을 위한 혼합물을 상기 반응기에 주입하여 상기 중합효소연쇄반응이 상기 전극의 표면에서 일어나게하면서 상기 중합효소연쇄반응의 결과물에 대한 임피던스를 측정하고, 상기 반응기는 제1유리기판에 상기 전극들을 만드는 단계; 제2유리기판에 반응실을 만드는 단계; 및 상기 제1 및 제2유리기판들을 접합하는 단계에 의해 제조되는 것을는 단계를 포함하는 것을 특징으로한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로한다.
도 1은 본 발명에 따른 PCR의 진행 여부를 실시간으로 검사하는 방법에 대한 흐름도이다. 먼저, 본 발명에서 사용될 전극 구조를 갖는 반응기를 설계하고 제조한다(11단계). 반응기는 마이크로 PCR 칩으로, 유리기판 위에 전극으로 사용할 물질을 설계하고자하는 형태를 고려하여 패터닝(patterning)하고, 그 패턴 위에 스퍼터링(sputtering)한 후 리프트-오프(lift-off)를 한다. 다른 유리기판에는 반응 실(reaction chamber)을 식각한 후 모래 분사기(sandblast)를 이용하여 입구(inlet) 및 출구(outlet)를 만든다. 이렇게 만들어진 두 유리기판을 융합 접합(fusion bonding)하여 일정 양의 PCR 혼합물 용액이 칩 내부로 들어가도록한 것이다. 전극 구조는 전극간의 간격, 전극 개수, 전극 형태 또는 전극 면적 등을 변형함으로써 다양하게 설계될 수 있다.
본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 17쌍의 서로 다른 전극 구조를 갖는 마이크로 PCR 칩을 제조하였다. 참조번호 20은 PCR칩에서 PCR 혼합물이 주입되는 반응실을 나타내고, 21은 반응실(20)내에 위치한 전극을 나타낸다. 이러한 다양한 전극 구조들 중에서 PCR 혼합물(mixture)의 조성이나 버퍼의 종류, 소금 함량 등의 조건에 따라 적절한 전극 구조를 선택한다. 칩 내부에 기재된 참조번호는 칩번호를 나타낸다.
다음으로, PCR 프라이머(primer)를 고정화(immobilization)한다(12단계). 본 실시예에서는 임피던스 변화를 가장 고감도로 읽을 수 있도록하기 위해서 PCR 반응이 전극 표면에서 일어나도록 고상 PCR을 실시하였다. 이를 위해서 PCR 프라이머를 전극 표면에 고정시켜야한다. 먼저, 전극 물질의 종류에 따라 전극에 잘 결합(binding)하는 화학기(chemical group)를 도입한 PCR 프라이머를 합성한다. 전극 물질로는 금 또는 백금과 같이 도전성이 뛰어난 물질이 바람직하고, 본 실시예에서는 금을 이용하였다. 합성된 PCR 프라이머는 버퍼에 녹여져서 반응실로 주입된 후 자기조립박막(Self Assembled Monolayer, SAM)과 같은 반응을 이용하여 고정화된다. 이 때, 고정화하는 프라이머는 업스트림(upstream)이나 다운스트림(downstream)중 한 종류만을 고정화할 수도 있고, 혹은 두 종류의 프라이머를 모두 고정화할 수도 있다. 본 실시예에서는 화학기가 전극 물질에 반응성이 뛰어난 설프히드릴기(sulfhydryl group)로 치환된 업스트림 프라이머를 이용하여 고정시켰다.
다음으로, 고상 PCR에 대한 임피던스를 실시간으로 측정한다(13단계). 프라이머가 고정화된 반응기에 PCR 버퍼와 dNTP, 염화마그네슘(MgCl2), 복제효소(Taq. polymerase enzyme)가 들어간 PCR 혼합물을 주입한 후 PCR에 적절한 온도 사이클을 진행하면서 각 사이클마다 확장 온도(extension temperature)에서 임피던스 신호를 측정한다. 도 3a는 임피던스 측정기(31)를 이용하여 마이크로 PCR 칩의 임피던스를 측정하는 모습을 도시한 것이다. 참조번호 30은 마이크로 PCR칩이다. 도 3b는 전극(21)에 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide)가 결합된 모습을 도시한 것이다.
도 4a는 PCR 혼합물의 임피던스 등가회로를 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, Rs는 혼합물의 저항, R1은 혼합물과 전극 사이의 저항, C1은 혼합물과 전극사이의 축전기(capacitor), R2는 전극 표면에서의 저항, C2는 전극 표면에서의 축전기를 나타낸다. 도 4a의 등가회로에 대한 임피던스를 각각 계산하면 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004006187471-pat00001
여기서, Z'은 Z의 실수 성분이고, Z''은 Z의 허수 성분을 각각 나타낸 것이다.
임피던스가 측정되면, 측정된 임피던스의 등가회로를 통한 분석이 이루어질 수도 있다.(14단계). 분석은, 예를 들어 도 4b와 같이 수학식 1에서 계산된 임피던스의 실수성분에 대해 허수성분을 나이퀴스트도(Nyquist plot)로 도시함으로써 어느 곳에서 PCR이 우세하게 일어났는지를 알 수 있다. 즉, 혼합물내에서의 반응이 우세한지, 혼합물과 전극 사이의 반응이 우세한지 또는 전극 표면에서의 반응이 우세한지를 알 수 있다. 도 4b에서 참조번호 40은 Rs, 41은 Rs+R1, 42는 R s+R1+R2인 위치를 각각 나타낸다. 또한 참조번호 43의 반원은 반경이 R1/2이고, 44의 반원은 반경이 R2/2이다. 도시된 바에 따르면 그 모양은 R1과 R2의 값에 따라 달라질 수 있고, 따라서 임피던스 측정이 보다 더 용이하도록 고상에서의 PCR을 통해 표면효과를 더 우세하게함으로써 유전자 증폭을 확인할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 도 2의 25 및 26번 PCR칩에서 혼성화(hybridization)에 따른 임피던스 변화를 측정한 것이다. 도 5(a), 도 6(a) 및 도 7(a)는 전극에 링커를 고정한 경우이고, 도 5(b), 도 6(b) 및 도 7(b)는 전극에 프라이머를 고정한 경우에 대한 측정값들이다.
구체적으로, 도 5(a) 및 도 5(b)는 수학식 1에서 Z'에 대한 Z"의 변화를 도시한 것이다. 혼성화 시간은 각각 1분, 5분, 30분 및 1시간이다. 두 그래프에서 참조번호 50 및 53은 각각 링커(linker)와 프라이머가 전극에 고정되기 전에 측정된 임피던스이고, 참조번호 51 및 54는 전극에 고정된 이후 측정된 임피던스이다. 도시된 바에 따르면, 링커와 프라이머가 전극에 고정되기 전후에 임피던스의 차이가 있으므로, 링커와 프라이머가 전극에 잘 고정되었음을 알 수 있다. 한편, 혼성화에 따른 임피던스 측정 결과를 살펴보면, 참조번호 52의 경우 링커가 고정된 경우에 대한 것으로, 1시간이 경과하여도 혼성화에 따른 임피던스의 변화가 없다. 그러나, 프라이머가 전극에 결합된 경우 혼성화가 30분동안 진행하였을 때는 참조번호 55와 같이 임피던스의 변화가 없으나, 1시간 정도 진행하면 참조번호 56과 같이 임피던스의 변화가 측정되어 유전자 증폭이 이루어졌음을 알 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 주파수에 대한 임피던스의 크기(magnitude)를 각각 도시한 것이다. 참조번호 60 및 63은 각각 링커와 프라이머가 전극에 고정되기 전의 측정값이고, 61과 64는 전극에 고정된 후의 측정값이다. 참조번호 62는 링커가 고정되었을 때 1분, 5분, 30분 및 1시간동안 혼성화가 진행된 경우의 측정값을 도시한 것으로, 측정값의 변화가 없음을 알 수 있다. 참조번호 65는 프라이머가 고정되었을 때 30분동안 혼성화가 진행된 경우이고, 참조번호 66은 혼성화가 1시간 진행된 경우의 측정값으로, 임피던스의 크기의 변화가 측정되어 유전자 증폭이 이루어졌음을 알 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 주파수에 대한 임피던스의 위상(phase)을 각각 도시한 것이다. 참조번호 70 및 73은 각각 링커와 프라이머가 전극에 고정되기 전의 측정값이고, 71과 74는 전극에 고정된 후의 측정값이다. 참조번호 72는 링커가 고정되었을 때 1분, 5분, 30분 및 1시간동안 혼성화가 진행된 경우의 측정값이다. 참조번호 75는 프라이머가 고정되었을 때 30분동안 혼성화가 진행된 경우이고, 참조번호 76은 혼성화가 1시간 진행된 경우의 측정값으로, 임피던스의 위상의 변화가 측정되어 유전자 증폭이 이루어졌음을 알 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바에 따르면, 임피던스에 대해 실수성분에 대한 허수성분의 크기, 주파수에 대한 크기 및 주파수에 대한 위상중 어떠한 값을 측정하여도 유전자의 증폭여부를 확인할 수 있음을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10은 도 2에 도시된 칩들중 15 및 16번 칩에서 고상 PCR을 측정한 값들을 도시한 것이다. PCR의 대상 유전자는 B형간염바이러스(HBV)의 유전자이다. 도 8(a), 도 9(a) 및 도 10(a)은 전극에 링커를 고정한 경우이고, 도 8(b), 도 9(b) 및 도 10(b)는 전극에 프라이머를 고정한 경우에 대한 측정값들이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 1, 20 및 40 사이클의 어닐링(annealing)을 수행하는동안 수학식 1에서 Z'에 대한 Z"의 변화를 측정하여 도시한 것이다. 도 8(a)의 링커가 고정된 경우에 임피던스 측정값의 변화가 거의 없지만, 프라이머가 고정된 경우 측정값의 변화가 커서 유전자 증폭이 이루어짐을 것을 알 수 있다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 주파수에 대한 임피던스의 크기를 각각 도시한 것이다. 참조번호 90 및 93은 각각 1사이클, 91 및 94는 각각 20사이클, 92 및 95는 각각 40사이클의 어닐링이 이루어진 후 측정된 값들을 도시한 것이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 주파수에 대한 임피던스의 위상을 각각 도시한 것이다. 참조번호 100 및 103은 각각 1사이클, 101 및 104는 각각 20사이클, 102는 40사이클의 어닐링이 이루어진 후 측정된 값들을 도시한 것이다.
도시된 바에 따르면, 도 8(a) 및 도 8(b)의 경우와 마찬가지로 링커가 고정된 경우에는 측정값에 변화가 거의 없으나, 프라이머가 고정된 경우에는 어닐링 사이클 회수가 증가함에 따라 측정값의 변화가 큰 것으로 나타나고, 따라서 유전자 증폭이 이루어짐을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 고상 PCR을 실시하면서 임피던스를 측정하므로 용액상의 측정보다 감도를 향상시킬 수 있다. 또한 전극 표면에서 비특이적 흡착이 일어나는 것을 제거할 수 있으므로 실시간으로 재현성있게 PCR 결과물을 측정하는 것이 가능하다.

Claims (9)

  1. 복수의 전극을 구비한 반응기를 제조하는 단계;
    상기 전극들 표면에 중합효소연쇄반응 프라이머를 고정시키는 단계; 및
    중합효소연쇄반응을 위한 혼합물을 상기 반응기에 주입하여 상기 중합효소연쇄반응이 상기 전극의 표면에서 일어나게하면서 상기 중합효소연쇄반응의 결과물에 대한 임피던스를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 반응기는
    제1유리기판에 상기 전극들을 만드는 단계;
    제2유리기판에 반응실을 만드는 단계; 및
    상기 제1 및 제2유리기판들을 접합하는 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 제조는
    상기 제1유리기판에 전극 개수, 전극간의 간격, 전극 형태 및 전극 면적중 적어도 어느 하나의 조건을 포함하여 전극 구조를 설계하는 단계;
    상기 제1유리기판 위에 설계된 전극형태로 패터닝하는 단계;
    패턴이 형성된 유리기판위에 전극으로 사용할 물질을 스퍼터링하는 단계;
    설계된 전극 구조에 따라 스퍼터링된 전극 물질을 리프트-오프하는 단계;
    상기 제2유리기판에 반응실을 식각하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2유리기판을 융합 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전극 물질은
    금 또는 백금인 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응 프라이머를 고정화하는 단계는
    상기 전극과 결합하는 소정 물질을 도입하여 상기 중합효소연쇄반응 프라이머를 합성하는 단계;
    합성된 중합효소연쇄반응 프라이머를 버퍼에 녹여서 상기 혼합물을 만드는 단계; 및
    상기 혼합물을 상기 반응기 내부로 주입하여 상기 전극에 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 소정 물질은
    상기 전극의 물질 종류에 따라 상기 전극과 결합하는 화학기 또는 설프히드릴기임을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 혼합물은
    자기조립박막 반응에 의해 상기 전극에 고정되는 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응 프라이머는
    업스트림 및 다운스트림중 어느 하나 또는 둘 다를 고정화하는 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물, 상기 혼합물과 전극 사이 및 상기 전극 표면에서의 임피던스를 포함하는 등가회로를 구성하는 단계;
    측정된 임피던스를 분석하여 어느 위치에서 반응이 우세하게 진행되었는지를 판별하는 단계; 및
    반응이 우세한 위치에서 상기 중합효소연쇄반응이 상대적으로 더 잘 일어나도록 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방 법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 임피던스의 측정은
    상기 임피던스의 실수성분에 대한 허수성분의 크기, 주파수에 대한 크기 및 주파수에 대한 위상중 적어도 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로하는 중합효소연쇄반응 검사 방법.
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