KR100869909B1

KR100869909B1 - 금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법

Info

Publication number: KR100869909B1
Application number: KR1020070056416A
Authority: KR
Inventors: 김학성; 김영필; 오영희; 오은규
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-06-10
Filing date: 2007-06-10
Publication date: 2008-11-21

Abstract

본 발명은 금 나노입자 단층막 기반의 바이오 칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 (A) 고체 지지체; (B) 상기 고체 지지체위에 형성된 자기조립 단층막; (C) 상기 자기조립 단층막의 말단 기능기와 금 나노입자의 이온 결합 혹은 화학적 흡착에 의해 형성된 금 나노입자 단층막; 및 (D) 상기 금 나노입자와 생체분자의 특이결합에 의해 상기 금 나노입자 단층막 위에 형성된 생체분자층;을 포함하는 금나노입자 단층막 기반의 바이오칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출 방법에 관한 것이다.

본 발명의 단백질과 생체분자간의 반응 검출 방법에 의하면 생체분자에 대한 단백질의 결합반응 또는 생체분자에 대한 효소의 활성을 신속히 고감도로 측정할 수 있다.

바이오칩, 바이오센서, 금 나노입자, 자기조립 단층막, 항체, 효소

Description

금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법{Detection method for the reaction between biomolecules and protein using biochip based on the monolayer of gold nanoparticles}

도 1은 금 나노입자 단층막에 기초한 바이오칩의 구성을 나타낸 모식도.

도 2는 금 나노입자 단층막과 기존 단층막의 항원-항체 반응 실험 비교 결과를 보여주는 사진 및 그래프.

도 3은 금 나노입자 단층막과 기존 단층막의 기질-효소 반응 실험 비교 결과를 보여주는 사진 및 그래프.

도 4는 금 나노입자 단층막과 기존 단층막의 기질-효소 반응 SPR 측정 결과를 보여주는 그래프.

본 발명은 금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판에 균일한 분포와 크기로 금 나노입자 단층막을 형성한 후 생체분자를 고정하여 형성된 바이오칩을 이용하여 상기 생체분자와 시료 단백질간의 반응을 신속히 고감도로 측정할 수 있는 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법에 관한 것이다.

바이오칩은 고체 기질 위에 DNA, 앱타머, 효소, 항체, 항원, 단백질 또는 세포 등을 고정화하여 원하는 표적 생체물질을 신속 정확하게 측정할 수 있는 시스템으로서, 발생된 신호는 광학, 전기화학, 질량, 전자 등의 다양한 물리화학적인 방법으로 변환하여 측정할 수 있으며 이는 유전자와 단백질의 발현 및 기능연구, 신약개발 검출도구, 임상진단 등의 생물학적 분야에 유용하게 사용될 수 있는 기술이다.

상기 바이오칩을 개발하는 과정에서 가장 중요한 점은 고체 기판위에 생체물질을 효율적으로 고정화하는 기술이다. 특히 생체물질을 기판의 단위면적에 집적화하는 기술은 신호 증폭을 위해 필수적이다. 특정 생체물질을 정량적으로 측정하기 위해 가장 널리 사용하는 방법 중의 하나로서 광학적 방법에 의한 효소면역 진단법 (Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)을 예로 들 수 있으나 이 경우, 프로브로 사용되는 일차항체의 고정화 시 집적화가 어렵고 다양한 기판에 사용할 수 없는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 유리기판, 실리콘, 금속기판, 플라스틱 등의 기판 표면에 생체물질을 효율적으로 고정화하기 위한 여러 방법들이 제시되어 왔고 이 중에서도 자기조립 단분자층(Self assembled monolayer)을 사용하여 생체분자를 고정화하는 방법이 가장 잘 알려져 있다(Love, J. C. Estroff, L. A. Kriebel, J. K. Nuzzo, R. G. and Whitesides, G. M. Chem. Rev. 2005, 105, 1103). 그러나 자기조립 단분자층을 사용할 경우에는 말단 기능기의 밀도를 균일하게 조절하는 것이 매우 어렵고 평면구조로 인한 생체분자의 접근성이 제한되기 때문에 표면에 고정될 수 있는 분자의 양은 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 자기조립 단분자층 위에 덴드리머(dendrimer)를 이용하거나(US 공개 20060269961), 다공성 폴리머(macroporous polymer) 등을 이용하여(US 공개 20050042363) 단위면적 당 고정된 생체분자의 양을 증가시키는 방법이 제시되었고, 최근에는 하이드로 겔(대한민국 특허 0450822), 솔-겔법(대한민국 특허 0577694) 등을 이용하여 생체 활성을 유지하면서 생체분자의 양을 조절할 수 있는 3차원적 고정화방법이 사용되고 있다. 하지만, 이 경우 단백질 혹은 DNA 등의 생체물질이 겔 내부로 결합하는 과정에서 생체분자크기에 따라 다르고 내부로 결합과정에서 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 또한 상기 폴리머나 하이드로 겔에 의한 방법은 다양한 화학반응에 의한 표면구성 절차가 간단치 않고, 표면에 쉽게 패턴화 할 수 없어 원하지 않는 위치에 생체물질이 고정될 수 있는 문제점 있다. 표면 패턴의 한 방법으로서 딥펜 나노리소그래피(Dip-pen nanolithography)법에 의해 생체물질을 고정화하는 부분에만 선택적으로 기능기를 도입하여 패턴화하는 방법(Demers, L. M. Ginger, D. S. Park, S.-J. Li, Z. Chung, S.-W. and Mirkin, C. A. Science, 2002, 296, 1836)이 제안되어 왔으나 공정단계가 복잡하고 시간이 많이 소요되어 대량 분석에 부적합한 문제가 있다.

최근에 금 나노입자는 바이오칩 및 바이오센서 분야에 다양하게 적용되어 왔 고, 칩 표면에서 금 나노입자를 적용하여 생체분자를 탐지하는 목적으로 사용한 경우가 보고된 바 있다. 대표적인 예로서, 금 나노입자의 LSPR (localized surface plasmon resonance) 현상을 이용한 방법(Nath, N. and Chilkoti, A. 2004. Anal. Chem. 76, 5370), 금 나노입자의 전도성을 이용한 전기화학적인 표지방법 (Wang, J. Electroanalysis 2007, 19, 769), SERS (Surface-enhanced Raman scattering)와 같은 라만분광법을 통한 방법이 알려져 있다(He, L. Natan, M. J. and Keating, C. D. 2000, Anal. Chem. 72, 5348; Cao, Y. C. Jin, R. Nam, J.-M. Thaxton, C. S. and Mirkin, C. A. 2003, J. Am. Chem. Soc. 125, 14676). 그러나 상기 방법들은 금 나노입자를 이용한 단층막을 직접적으로 적용한 예가 아닌 금 나노입자 표면에 생체물질을 결합시켜 측정한 예로서 생체물질 자체를 표면에 집적화한 기술로 사용된 것이 아니며 초고속 대량분석에는 여전히 한계점이 있다. 금 나노입자 단층막 위에 펩타이드 집적화하여 질량분석을 이용한 예가 있으나 (Kim, Y.-P. Oh, E. Hong, M.-Y. Lee, D. Han, M.-K. Shon, H. K. Moon, D. W. Kim, H.-S. and Lee, T. G. 2006, Anal. Chem. 78, 1913), 이는 펩타이드에만 한정된 것으로서 다양한 생체분자의 결합을 적용한 예가 아니다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판위에 금 나노입자 단층막을 형성함으로써 손쉽게 생체물질을 집적화 할 수 있는 바이오칩을 이용하여 항원-항체반응, 리셉터-리간드 반응, 기질-효소의 반응 등과 같은 단백질과 생체분자간의 반응을 빠르고 고감도로 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

삭제

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 고체 지지체; (B) 상기 고체 지지체위에 형성된 자기조립 단층막; (C) 상기 자기조립 단층막의 말단 기능기와 금 나노입자의 이온 결합 혹은 화학적 흡착에 의해 형성된 금 나노입자 단층막; 및 (D) 상기 금 나노입자와 생체분자의 특이결합에 의해 상기 금 나노입자 단층막 위에 형성된 생체분자층;을 포함하는 금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법에 관한 것이다.

상기 고체 지지체는 유리, 실리콘, 금속 또는 플라스틱의 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 자기조립 단층막(Self-assembled monolayers, SAMs)은 지지체의 표면에 입혀진 규칙적으로 정렬된 유기 분자 박막으로서 지지체의 성분에 따라 이온결합을 이루는 알칸산(alkanoic acid)이나, 상이온 복합체(charge-transfer complex)를 형성하는 유기황(organosulfur)화합물 또는 순수한 공유결합을 이루는 유기규소(organosilicon) 화합물을 사용하여 제조할 수 있다. 통상적으로 자기조립 단층막을 이루는 화합물들은 기질과 결합하는 머리부분의 반응기와 규칙적인 분자 막 형성을 가능하게 하는 몸통부분의 긴 알칸 사슬, 분자막의 기능을 좌우하는 말단부분의 작용기로 구성되어 있으며 본 발명에서는 상기 말단부분의 작용기로서, 아민기와 티올기를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 화합물의 구체적인 예로는 silanes계열 화합물로서 alkylaminosilanes, alkylmercaptosilanes 등의 화합물, 유기황 화합물로서 amino-terminated akanthiolates, n-alkyl sulfide, di-n-alkyl disulfides, thiophenols, mercaptopyridines, mercaptoanilines, mercaptoimidazoles 등을 들 수 있으며, 이 때 각 화합물에서 탄수의 수는 3~25개인 것이 바람직하다.

자기조립 단층막은 상기 화합물을 2~10mM 농도 범위에서 제조한 후 상기 지지체를 용액속에 침지하는 방법으로 행하여진다. 이때, 지지체 표면의 산화층을 먼저 제거하는 것이 바람직하며, 자기조립 단층막을 형성하는 과정에서도 반응 중 산소에 의한 산화반응을 차단시키기 위해 질소분위기 하에서 반응하는 것이 바람직하다. 지지체 상의 산화층은 지지체를 황산/과산화수소의 피라나(Pirana)용액이나 질산/과산화수소의 혼합용액으로 5~10분간 처리하는 것에 의해 제거될 수 있다. 상기 자기조립 단층막 구성을 위한 화합물의 반응은 반응 시간이 너무 짧으면 단층막이 제대로 형성되지 않으며, 반대로 반응 시간이 너무 길면 단층막이 아닌 복층 막이 형성될 수 있으므로 상온에서 1~24시간 반응시키는 것이 바람직하나 화합물의 종류에 따라 적절한 반응 시간이 달라지는 것은 당연하다. 예를 들어, 말단기가 아미노 그룹인 화합물의 경우에는 반응시간이 2시간 이상이 될 경우 말단기 간 스태킹(staking)이 일어나 단층막이 아닌 복층막 형태로 형성될 수 있으므로 2시간을 넘지 않는 것이 바람직하다.

자기조립 단층막 구성 후 금 나노입자 단층막의 형성은 콜로이드 용액으로 제조된 금 나노입자를 표면위에 결합시키는 것에 의해 제조된다. 금 나노입자의 콜로이드 용액은 금염과 리간드를 각각 용매에 용해시킨 후 두 용액을 혼합하고 교반하여 리간드가 금속 코아를 둘러쌈으로써 금 나노입자를 안정화시켜 제조할 수 있다(Handley, D. E. In Colloidal Gold-Principles, Method, and Applications; Hayat, M. A., Ed.; Academic Press: New York, 1989; Vol 1, Chapter 2, 13-32). 사용되는 금염으로는 HAuCl₄, NaAuCl₄와 같이 통상적으로 금나노입자의 분산액 제조에 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 리간드로는 시트레이트(citrate), dendrimer, alkylphosphine, alkylphosphine oxide, (trimethylsilyl)₃P, aryl isocyanine 의 군에서 선택된 하나 혹은 둘 이상 혼합물이 사용될 수 있다.

자기조립 단층막과 금 나노입자의 결합은 자기조립 단층막의 말단기와 금 나노입자 표면작용기 간의 이온결합이나 티올흡착 의해 이루어진다. 본 실시예에서는 중성용액에서 음이온을 띠고 있는 금 나노입자와 양이온을 띠고 있는 아민말단 자기조립 단층막 사이의 이온결합 방법을 예시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 금 나노입자 단층막의 구성을 위하여 지지체에 자기조립 단층막을 형성한 후 금 나노입자의 분산액에 침지하는 방법으로 전표면을 도포하거나, 일정하게 패턴이 형성되어 있는 매스크(mask)를 사용하여 자기조립 단층막위에 덮어 씌운 후 표면위에 금 나노입자 분산액을 떨어뜨려 패턴을 형성할 수 있다. 상온에서 30분-1시간 반응시키거나 4℃에서 2-4시간반응 시킨 후 표면을 다시 증류수로 씻어낸다. 상온에서의 반응시간이 길어질 경우 금나노입자 분산액이 응집을 일으킬 수 있으므로 1시간 이상의 반응은 피하는 것이 좋다. 보다 재현성 있고 패턴화된 금 나노입자 단층막을 형성시키기 위해서는 자기조립 단층막위에 채널이 형성된 PDMS(poly-dimethylsiloxane)를 제작하여 씌운 후 금 나노입자의 분산액을 일정한 유속(1 μL/min ~ 50 μL/min)으로 10-30분간 단층막 표면위에 흘려주어 금 나노입자 단층막을 형성시키는 방법도 바람직하다.

상기 금 나노입자의 크기는 표면의 단면적당 부착된 금 나노입자의 개수에 영향을 미치므로, 금 나노입자 크기는 3~20nm인 것이 바람직하다. 금 나노입자의 크기가 커질수록 금 나노입자간의 반발력이 커져 단위 표면적당 부착된 금 나노입자의 개수가 작아지게 되므로 금 나노입자의 크기가 20nm 이상인 경우에는 금 나노입자에 의한 생체분자의 양을 증대시킬 수 있는 효과를 보기가 어렵게 된다. 반면 금 나노입자의 크기가 3nm 이하인 경우 금 나노입자의 크기가 일반적인 생체분자의 크기보다 작게 되므로 금 나노입체구조에 의한 생체분자의 유효 결합양을 늘릴 수 없게된다. 실시예에서 제조한 금 나노입자의 크기는 전자현미경(SEM)으로 확인한 결과, 약 10.7 nm (SD±2.7, n=100)로서 칩 표면위에서 단층막을 형성할 경우 상온에서도 수 십일간 안정하였다.

상기 금 나노입자 단층막에서 금 나노입자 사이의 간격을 보다 조밀하게 하기 위해서는 상기 방법에 의해 형성된 금 나노입자 단층막을 HAuCl₄과 NH₂OH이 1:1 몰비로 혼합된 용액으로 추가로 처리하는 것이 바람직하다. 이는 자기조립 단층막과의 결합으로 단층막을 형성한 금 나노입자가 고정된 상태에서 상기 용액중의 HAuCl₄에 의해 입자의 크기가 커지는 것에 의해 금 나노입자 간의 간격이 조밀해지 때문이다. HAuCl₄와 NH₂OH의 농도는 0.1~1 mM가 적당하나 혼합용액 내 몰비가 일정하도록 유지해야 한다. 농도가 진하면 빠른 시간 (수초이내)에 기판위에 형성된 금 나노입자가 급속히 성장되어 그 밀도를 조절하기가 어렵고, 농도가 적을 경우 금 나노입자의 성장이 제한될 수 있다. 상기 혼합용액 처리방법은 상기 농도 범위의 혼합용액에 금나노입자 단층막을 10초-5분간 침지시키는 공정이 바람직하며, 혼합용액의 농도가 일정할 경우 침지 시간에 따라 단층막 중 금 나노입자의 크기를 조절하는 것이 가능하다. 가령, 0.4 mM의 혼합용액에 3 nm 크기의 금나노입자 단층막을 침지시킬 경우 금 나노입자의 크기는 30초가 지나면 약 10 nm, 1분이 경과되면 약 20 nm로 커지게 된다. 따라서, 상기의 공정을 추가로 진행하는 것에 의해 단층막 중의 금 나노입자의 크기가 동일한 경우 단위 면적당 보다 많은 수의 금 나노입자를 부착시키는 것이 가능하게 되며 기판 상에 초기 단층막을 형성하는 나노입자의 크기가 작을수록 보다 조밀한 간격의 단층막을 얻을 수 있다.

금 나노입자 단층막위에 결합하는 상기 생체분자로서는 항원, 항체, 기질, 리셉터, 리간드로 사용될 수 있는 것으로서, DNA, RNA, PNA, 앱타머(aptamer), 펩타이드, 단백질, 탄수화물 및 지질로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 생체분자인 것이 바람직하다. 상기 생체분자들을 양 말단기중 어느 한쪽에 티올기를 도입하는 것이 가능하므로 금 나노입자 표면에 선택적으로 흡착될 수 있다. 예를들어, DNA의 5'-말단기 부분에 있는 인산기에는 티올변형체로 알려진 C6-ThiolModifier (시아노에틸 포스포아미다이트, cyanoethyl phosphoramidite)를 이용하여 티올기를, 단백질의 경우는 라이신부위의 아민기를 이용한 티올화를, 탄수화물이나 지질 또한 sodium periodate등의 산화과정을 이용하여 알데하이드로 변형한 후 티올기 도입하는 것에 의해 상기 생체분자들을 금나노입자에 효과적으로 부착시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 티올기가 부착된 Protein A와 시스테인이 부착된 펩타이드를 예시하였으나 이에 한정되지 않음이 당연하다. 본 결합을 위한 반응 용매로는 순수한 증류수나 완충용액이 적당하고, 아민기를 가지고 있는 Tris 용액이나 용액내 과량의 염이온이 존재시에는 음이온전하를 띠고 있는 금 나노입자의 표면안정성을 저해시킬 수 있으므로 피하는 것이 좋다. 상기 생체분자와 금 나노입자와의 반응은 상기 금 나노입자 단층막을 생체분자가 용해된 용액내에서 상온에서 1-2시간 침적시키거나 생체분자 용액을 금 나노입자 단층막 표면 위에 떨어뜨려 반응시킨다.

상기 기판위에 형성된 금 나노입자간에는 공간이 존재하므로 추후 이차반응에서 자기조립 단층막과 생체분자사이의 비특이적 흡착을 야기할 수 있다. 가령, 자기조립 단층막의 말단 부분으로 구성되는 아민기 혹은 티올기가 금 나노입자와 결합하지 않은 채 노출되어 있는 경우 생체분자와 직접적으로 이온결합 반응이나 흡착이 일어날 수 있으므로, 금 나노입자간의 공간을 메워 비특이적 결합을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 금 나노입자간의 빈 공간은 표면 작용기가 아민인 경우에는 N-hydroxysuccinimide(NHS)-에틸렌글리콜, NHS-폴리에틸렌글리콜등을 사용할 수 있고 표면 작용기가 티올인 경우에는 maleimide-에틸렌글리콜, maleimide-폴리에틸렌글리콜을 사용할 수 있다. 보다 상세하게는 금 나노입자의 단층막을 구성한 후 상기 화합물의 용액을 뿌려주거나 침지하거나 흘려주는 것에 의해 반응시킨다. 상기 화합물의 반응성 및 용해도 따라 사용되는 용매, pH, 완충용액 등은 다르게 결정될 수 있으나 표면에 부착된 금 나노입자에 영향을 주지 않는 범위내에서 유기용매보다는 pH 5-9범위의 완충용액이 적절하며 화합물의 농도는 2-10mM의 조건을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 단백질과 생체분자간의 반응은 단순히 시료 단백질과 생체분자간의 직접적인 결합을 통해 복합체를 형성하는 반응 뿐만 아니라, 시료 단백질의 효소작용에 의해 생체분자가 변형 또는 수식되는 반응을 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면 항원-항체반응, 리간드-리셉터 반응, 탄수화물-렉틴 반응과 같은 단백질과 생체분자간의 결합 반응 혹은 단백질과 생체분자간의 기질-효소반응을 검출하는 데 응용할 수 있다.

보다 구체적으로 본 발명의 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법은 (A) 전술한 금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩의 생체분자와 시료 단백질을 반응시키는 단계; (B) 상기 반응산물에 특이적인 항체를 이용하여 표지하는 단계; 및 (C) 상기 표지된 신호를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 단백질과 바이오칩 상의 생체분자와의 반응이 완결되면 반응 여부를 확인하기 위하여 상기 반응 산물에 특이적인 항체를 이용하여 표지한다. 예를 들면, 바이오칩상의 생체분자에 대해 단백질의 결합반응을 측정하기 위해서는 결합된 단백질의 존재 여부를 상기 단백질에 대해 알려져 있는 특이적인 항체(예를들면 모노크로날 항체)를 사용하여 표지할 수 있다. 단백질의 결합이외에 단백질의 활성을 측정하는 경우에는 반응 산물이 효소반응에 의한 산물 (즉, 키나아제의 경우에는 인산화산물)에 대해 특이적인 항체로 표지할 수 있다.

표지된 신호의 측정은 형광(fluorescence), 화학발광(chemiluminescence), 생물발광(bioluminescence) 또는 침전(precipitation) 형성등의 광학적 방법을 사용할 수 있다. 표지 신호의 측정에 형광 혹은 발광을 사용할 경우에는 표지된 형광 혹은 발광체와 금 나노입자간의 거리를 20nm 이상 충분히 이격해야 한다. 거리가 짧을 경우 금 나노입자가 형광 혹은 발광체의 에너지를 수용하여 ?? 칭(quenching)현상을 일으켜 신호를 저하시킬 수가 있다. 본 실시예에서는 2개의 항체를 이용하여 표지하였으므로, 하나의 항체의 거리가 대개 수직으로 12 nm이고 금 나노입자 표면에 결합한 단백질 혹은 기질의 거리를 고려하면 20 nm이상 충분히 이격되어 있다. 그러나 ??칭이 일어난다고 할지라도 신호대 잡음비 (signal-to-background ratio, SBR)가 측정하기에 충분할 경우에는 적용가능하다.

항원-항체 반응에 대한 단백질의 활성을 측정한 본 발명의 실시예 1에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 의한 금 나노입자 단층막을 이용한 바이오칩에서의 측정 결과(도 2의 a)가 일반적인 바이오칩 위에서 측정한 결과(도 2의 b)보다 약 2배가량 높았다. 이러한 현상은 금 나노입자 단층막의 경우 3D구조로 인하여 프로브 역할을 하는 생체분자를 효과적으로 집적화할 수 있고 단백질의 접근이 상대적으로 용이할 뿐만 아니라 금 나노입자 단층막에 구성된 PEG 층이 비특이적 억제를 효과적으로 억제하기 때문으로 풀이된다. 실제 Quartz Crystal Microbalance (QCM, Q-Sense AB, Sweden)로 측정한 결과 금나노입자 단층막위에서 프로브로 사용된 생체물질의 결합양은 금나노입자의 크기 및 표면 밀도, 생체물질의 종류에 따라서 다르지만 일반적으로 자기조립 단층막위에서 결합된 양보다 1.3~2.4 배가량 높았다(결과미도시). 또한, 동일한 개수의 생체분자 프로브가 표면에 고정화 되었을 경우에도, 3차원적 입체구조는 2차원적 구조에 비해 고정된 프로브의 기하학적 저해(steric hindrance)가 덜하기 때문에 측정 단백질의 접근성을 용이하게 해주어 상대적으로 높은 결합을 유도할 수 있는 것으로 알려져 있다 (Hong, M. Y. Lee, D. and Kim, H. S. Anal. Chem. 2005, 77, 7326). 이와 같이 본 발명에 의한 금 나노 입자 단층막을 이용한 바이오칩은 기존방법에 비해 2배이상 향상된 SBR를 보여주었으며 다양한 항원-항체반응에 효과적으로 사용할 수 있음을 나타낸다.

또한 실시예에는 기재하지 않았으나, 본 발명의 바이오칩에 항체를 고정 후 미지의 단백질을 측정할 경우에는 측정시료 내 단백질이 농도가 증가할수록 측정신호가 증가하므로 단백질 농도를 확인하는 정량분석에 사용할 수 있음은 당연하다. 즉, ELISA에 의한 방법과 동일하게 측정하고자 하는 단백질의 농도에 따른 신호값을 표준 곡선(standard curve)으로 나타날 수 있고, 미지 농도의 단백질의 측정신호는 표준 곡선과 비교하는 것에 의해 그 농도를 정량할 수 있다.

또한 상기 발명에서 단백질 및 효소반응에 대해 특이적인 저해제(inhibitor)가 존재할 경우에는 측정신호가 감소하게 되므로 이를 이용하여 저해제를 효과적으로 선별할 수 있다. 보다 구체적으로 (A) (a) 제 1 항에 의한 금 나노입자를 이용한 바이오칩의 생체분자와 효소와의 반응 및 (b) 저해제 후보물질의 존재하에서 제 1 항에 의한 금 나노입자를 이용한 바이오칩의 생체분자와 효소와의 반응을 각각 수행하는 단계; (B) (a) 및 (b)의 반응이 완료된 각 바이오칩을 상기 효소 반응 산물에 특이적인 항체를 이용하여 각각 표지하는 단계; 및 (C) 상기 표지된 (a)와 (b) 바이오칩 상에서 표지된 신호를 측정하여 비교하는 단계;에 의해 효소 활성에 대한 저해제(inhibition)를 탐색하는 것이 가능하다. 저해제 선별의 예로서, 금 나노입자위에 키나아제 효소에 대한 기질로서 펩타이드를 결합한 후, 키나아제와 이의 저해제 후보로 알려져 있는 다양한 종류의 합성 화합물, 천연물, 폴리펩타이드, 호르몬 등과 섞어 반응시키고, 인산화티로신항체 (anti-phosphotyrosine antibody)와 2차 형광표지 항체를 사용하여 나타나는 형광신호값을 통해 키나아제 활성을 저해하는 신약후보물질을 탐색(screening)할 수 있다.

실시예 2의 키나아제 활성 측정 결과에서 볼 수 있듯이, 금 나노입자 단층막의 3차원적인 구조로 인하여 2차원적인 구조를 하고 있는 자기조립단층막과 비교해 볼 때 키나아제의 활성 및 이에 대한 저해효과를 보다 효과적으로 검출할 수 있었다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1 : 면역반응측정 (immunoassay)

1) 금 나노입자 단층막을 이용한 바이오칩의 제조

도 1의 a)에 도시된 금나노입자를 이용한 바이오칩을 하기 방법에 의해 제조하였다.

자기조립 단층막이 형성된 유리기판으로 Schott Nexterion사의 Slide A+를 사용하였다. 상기 기판 상의 자기조립 단층막에는 말단기로 아민기를 갖는 것을 특징으로 한다.

순수한 증류수 98.3 mL에 300 mM HAuCl₄ㆍ3H₂O(Aldrich) 수용액 100 μL를 첨가하고 1분간 교반한 후, 30 mM C₆H₅Na₃O₇ㆍ2H₂O 수용액(Sodium citrate, Sigma) 1.5 mL를 첨가한 후 추가로 2분간 교반을 지속하였다. 이후 상기 용액에 300 mM NaBH₄(Sodium borohydride, Sigma) 수용액 100 μL을 첨가한 후 상온에서 추가로 10분간 교반하여 금나노입자 분산액을 제조하고 4 ℃에 보관하며 사용하였다(금 나노입자의 지름 = 10.7 nm ± 2.7 nm). 이 때 HAuCl₄: C₆H₅Na₃O₇: NaBH₄의 농도 (mol/L) 비율은 1 : 1.5 : 1 이었다.

상기 유리기판 Slide A+(75×25 mm)의 표면위에 원형모양의 well(지름 3mm, 두께 1mm, total 50 wells)이 뚫려진 실리콘 막 (chambered silicon coverslip, Sigma-Aldrich)을 부착시킨 후 상기 금 나노입자 용액을 각 well위에 떨어뜨려 1시간동안 반응시킨 후 증류수로 세척하여 금 나노입자 단층막을 구성하였다. 상기 well위에서의 반응용액 부피는 각기 10 μL였고, 반응 후 세척은 칩 표면위에 구성된 well 위에서 세척액을 피펫을 통해 상하운동으로 여러번 노출시켜 반복함으로써 수행되었다. 이후, 금 나노입자사이의 공간에 존재하는 아민그룹에 비특이적 흡착을 억제하기 위해 NHS-폴리에틸렌글리콜 (mPEG-SMB-2000, Nektar)을 50 mM sodium bicarbonate 완충용액 (pH 8.5)에 최종농도 5 mM로 녹인 후 상기 well 내에 상온에서 30분간 반응하여 블로킹하는 데 사용하였다.

상기 PEG 처리된 금 나노입자 단층막 위에 인산완충용액에 녹인 티올기로 변형된 protein A (thiolated protein A, 1 μM)를 상온에서 한시간 동안 반응 후 완 충용액으로 세척하였다. Protein A의 thiolation은 protein A (Sigma)의 아민기와 이미노티올란(2-imminothiolane, Simga)의 반응을 통해 획득되었다. 구체적으로 10 mM 인산완충용액 (pH 8.0)에 10 μM의 농도로 녹인 protein A 용액 500 μL와 동일한 완충용액에 200 μM 농도로 녹인 2-imminothiolane 용액 500 μL를 섞어 상온에서 1시간동안 반응하였다 (protein A : 2-imminothiolane = 1 : 100, mol/mol). 이후, 반응에 참여하지 않은 과량의 2-imminothiolane을 12시간 동안 투석(7 kDa cut-off, Pierce)하여 제거하였다. 티올기가 붙은 protein A는 Bradford 정량법에 의해 그 양을 확인할 수 있었다. Protein A를 금 나노입자 표면위에 형성한 이후, 항원-항체반응 실험을 위해 다클론항체(Anti-BSA antibody, rabbit source, Sigma)를 상온에서 1시간동안 반응시키고 (10 μg/mL in PBS pH 7.4) 완충용액으로 세척하여 바이오칩을 구성하였다.

추후 단백질 결합 반응에 대한 대조군으로 사용하기 위하여 다클론 항체 anti-BSA antibody대신 BSA와 면역반응에 의해 결합하지 않는 anti-human IgG (rabbit source, Sigma)을 사용한 것을 제외하고는 상기 본 실시예와 동일한 반응에 의하여 별도의 바이오칩을 제조하였다.

2) 금 나노입자 단층막을 사용하지 않은 바이오칩의 제조

금 나노입자 단층막의 효과를 관찰하기 위해 금 나노입자 단층막을 사용하지 않은 바이오칩을 제조하여 비교하였다.

이를 위해, 상기 아민기로 치환된 자기조립 단층막은 금 나노입자를 이용하 여 개질화 하지 않고 대신 표면을 링커 (sulfosuccinimydyl 4-(N-maleimidometyl) cyclohexane-1-carboxylate, SSMCC, Pierce)를 사용하여 (최종농도 2 mM in 50 mM sodium bicarbonate buffer, pH 8.5) 상온에서 30분간 반응 후 세척하였다. 이 후 PEG 처리, 티올기로 변형된 protein A의 반응, 다클론항체의 반응은 1)의 금나 노입자 단층막을 이용한 바이오칩 제조시와 동일한 방법으로 처리하였다.

3) 바이오칩 상에서의 면역반응 측정

본 단계는 상기 1) 및 2)에서 제조한 바이오칩 상에 면역반응을 유도한 후 형광표지된 이차항체로 반응강도를 인식하는 과정으로서 하기 공정을 1)과 2)의 4종의 바이오칩에 각각 동일하게 적용하였다.

먼저 각각의 바이오칩에 BSA(Sigma)를 100 ng/mL(in PBS pH 7.4)의 농도를 사용하여 상온에서 1시간 반응시키고 완충용액으로 세척하였다. 세척된 각각의 바이오칩에 형광체가 결합된 단클론항체 (Cy3-labled anti-BSA antibody, mouse source, Sigma) (1 μg/mL in PBS pH 7.4)를 1시간 반응시킨 후 완충용액과 증류수로 세척한 후 질소가스로 건조시켰다.

바이오칩 위에서 수행된 상기 항원-항체반응을 확인하기 위해 최종단계에서 표지된 형광체(Cy3)의 신호를 형광스캐너 (GenePix Personal 4100A, Axon Instruments, Union City, CA, USA)를 사용하여 형광이미지를 얻고, GenePix 프로그램(Pro 4.1)을 통하여 각 well당 평균 형광값을 계산하였다. 측정 신호값은 생 체분자로서 anti-BSA antibody를 사용한 바이오칩에서 측정된 형광 신호값으로 계산하였으며 바탕값(background)은 생체분자로서 anti-human IgG를 사용한 바이오칩의 형광 신호값으로 계산하였다. 신호 대 잡음비(Signal-to-background ratio, SBR)는 상기 두 값에 대한 비율로 계산하였다. 표준편차 (standard deviation)는 하나의 well내에서의 형광 편차를 포함하고 동일하게 실험해서 얻은 두 개의 sample에서의 형광 편차를 계산하여 획득하였다.

1)에서 제조한 금 나노입자 단층막을 이용한 바이오칩에서 측정한 결과와 대조군으로 사용한 2)에서 제조한 일반적인 바이오칩에서 측정한 결과를 비교하기 위해, 상기 두가지칩에서 측정한 형광 신호값에 의해 SBR 값을 구하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 확인할 수 있듯이, 금 나노입자 단층막을 이용한 바이오칩에서 측정한 결과(도 2의 a)가 일반적인 바이오칩 위에서 측정한 결과(도 2의 b)보다 약 2배가량 높았다.

실시예 2 : 키나아제 활성 측정 (kinase assay)

1) 금나노입자 단층막을 이용한 바이오칩의 제조

키나아제 활성을 측정하기 위하여 도 1의 b)에 도시된 바와 같은 금나노입자를 이용한 바이오칩을 하기 방법에 의해 제조하였다.

먼저 실시예 1의 1)의 방법에 따라 Slide A+기판 상에 금나노입자 단층막을 형성하였다. 이후, 키나아제에 대한 기질로서, 카르복시 말단기에 시스테인이 부 착된 펩타이드(Pep _Abl ;Ac-IYAAPKKGGGGC, Peptron. Inc. Korea)를 금 나노입자 표면위에 결합시켰다. 키나아제 활성 비교를 위하여 상기 펩타이드에 대한 기준펩타이드(negative control)로서 Abl 키나아제와 반응성이 없는 펩타이드 (Pep _Ref ;Ac-AKTPVKKGGGGC)를 사용하여 별도의 바이오칩을 제조하였다.

상기 두 펩타이드에서 글라이신 링커(GGGG)는 향후 키나아제를 이용한 효소활성 측정 시 키나아제의 효과적인 접근을 유도하기 위해 를 도입하였다. 키나아제의 인식부위는 N말단기 부위쪽에 있으므로 (즉, Ac-IYAAP 혹은 Ac-AKTPV) 상기와 같이 금나노입자와 결합하는 C말단부위에 글라이신을 첨가하여 N말단기 부위가 보다 표면위에 노출될 수 있는 확률을 높이게 되면 키나아제가 펩타이드에 접근하기 용이하게 된다. 글라이신 링커는 3~6개정도가 바람직하다. 글라이신의 개수가 많아지면 펩타이드 상호간의 충돌로 인해 높은 밀도로 금나노입자에 부착하기가 어려우며 또한 글라이신 링커의 유연성 때문에 오히려 펩타이드의 N말단기 부위가 표면에 노출되지 않고 금나노입자 표면쪽으로 구부러지게 되어 키나아제 반응을 저해할 수 있다.

상기 두종의 펩타이드를 각각 인산완충용액(10 mM PBS, pH 7.4)에 50 μg/mL의 농도로 녹인 다음 금 나노입자 표면위에 부착된 well에 Pep _Abl ;Ac 또는 Pep _Ref ;Ac를 10 μL씩 떨어뜨려 상온에서 1시간동안 반응시킨 후 완충용액과 증류수로 세척하였다. 이후, 금 나노입자사이의 공간에 존재하는 아민그룹에 비특이적 흡착을 억제하기 위해 NHS-폴리에틸렌글리콜(mPEG-SMB-2000, Nektar)을 50 mM sodium bicarbonate 완충용액 (pH 8.5)에 최종농도 5 mM로 녹인 후 상기 well 내에 상온에서 30분간 반응하였다. PEG 코팅효과를 확인하기 위해, 다른 한쪽은 PEG를 처리하지 않고 이후 과정을 동일하게 진행시켰다.

2) 금 나노입자 단층막을 사용하지 않은 바이오칩의 제조

금 나노입자 단층막의 효과를 관찰하기 위해 금 나노입자 단층막을 사용하지 않은 표면을 제조하여 실시예 1과 같이 동일하게 비교하였다. 이를 위해, Slide A+기판의 아민기로 치환된 자기조립 단층막을 금 나노입자를 이용하여 개질화 하는 대신 표면을 SSMCC 링커를 사용하여(최종농도 2 mM in 50 mM sodium bicarbonate buffer, pH 8.5) 상온에서 30분간 반응 후 세척하였다. 이후 펩타이드 결합, PEG 처리은 1)과 동일하게 수행하였고 자기조립 단층막 위에서도 PEG처리 효과를 확인하기 위해 하나의 well에는 상기반응에서 PEG 처리단계를 제외하고 반응시켜 비교하였다.

3) 키나아제 활성 측정

키나아제 용액은 Tris 완충용액 (pH 7.5, 0.05 mM EDTA, 0.015 % Tween-20, 0.1 mg/mL BSA)에 ATP (Sigma)가 최종 농도 150 μM가 되도록 녹이고 Abl kinase (New England Biolab)를 최종 농도 2 nM가 되도록 녹여 제조하였다. 키나아제 반응을 위해 상기 Abl 키나아제 용액을 상기 1)에서 제조된 4종의 바이오 칩(Pep _Abl ;Ac-PEG 처리, Pep _Abl ;Ac-PEG 미처리, Pep _Ref ;A-PEG 처리, Pep _Ref ;A-PEG 미처리) 및 2)에서 제조된 2종의 바이오칩(PEG 처리, PEG 미처리)의 well 내에 각각 10 μL씩 떨어뜨려 30 ℃에서 60분간 반응하여 수행하였다. 유리 기판에서 용액이 건조되는 것을 최대한 막기 위해 페트리접시 (petridish) 속에 상기 유리기판을 넣고 파라필름으로 밀봉을 한 후 반응시켰다.

Abl 키나아제에 대한 저해효과(inhibition effect)를 확인하기 위해서, 각 바이오칩의 한쪽 well에는 2 nM Abl 키나아제와 저해제인 Stauroporine (Sigma)을 최종농도 10 nM로 넣어주어 동일하게 반응시켰다. 키나아제 반응 끝난 후 완충용액으로 세척한 다음, 포스포타이로신 특이 항체(monoclonal anti-phosphotyrisine antibody, α-pY, Sigma)를 인산완충용액 (10 mM PBS, pH 7.4)에 1 μg/mL의 농도로 녹여 상온에서 1시간 반응시킨 후 완충용액으로 세척하였다. 이후 형광체가 결합된 이차항체 (Cy3-labled anti-mouse IgG, Sigma) 1 μg/mL (in PBS pH 7.4)를 이용하여 상온에서 1시간 반응시킨 후 완충용액과 증류 수로 세척한 후 질소가스로 건조시켰다.

유리 기판위에서 수행된 상기 효소반응을 확인하기 위해 형광체(Cy3)의 신호는 실시예 1과 동일하게 형광스캐너과 GenePix 프로그램을 통하여 계산하였다. 신호대 잡음비 (SBR)를 계산하기 위해 측정신호값은 프로브로서 사용된 Pep _Abl 를 기준으로 하였으며 바탕값 (background)은 프로브로서 Pep _Ref 를 사용한 신호값을 상대적으로 비교하여 계산하여 도 3에 나타내었다. 표준편차 (standard deviation)는 하나의 well내에서의 형광 편차를 포함하고 동일하게 실험해서 얻은 두 개의 sample에서의 형광 편차를 계산하여 획득하였다.

도 3에서 볼 수 있듯이, 키나아제 반응에 대해서 Pep _Abl 와 Pep _Ref 에 대한 SBR을 비교한 결과 금 나노입자 단층막을 이용한 바이오칩(도 3의 a)의 경우 약 3.3인 반면, 통상의 자기조립 단층막에 의한 바이오칩(도 3의 b)의 경우 2.1로서 금나노입자 단층막을 이용한 바이오칩에서 수행한 것이 1.6배정도 높았다. 특히, 금 나노입자 단층막에서는 PEG를 처리하였을 경우가 처리하지 않았을 경우 보다 효과적인 것으로 나타났으며, PEG를 처리하였을 경우에는 저해제에 대한 효과를 분명히 관찰할 수 있었다.

실시예 3 : 표면플라즈몬 분광법(SPR)을 이용한 금나노입자 단층막과 자기조립 단층막에서의 특이적 혹은 비특이적 반응 비교 실험

실시예 2에서 수행한 결과를 효과적으로 증명하기 위해서, 표면플라즈몬 분광법(Surface Plasmon Resonance Spectrometry, SPR)을 통해 금 나노입자 단층막과 자기조립 단층막에서의 키나아제 반응정도를 비교하였다.

SPR 측정은 SPR gold 센서칩 (SIA kit Au, BIAcore)과 BIAcore-X (BIAcore, Sweden) 장비로 수행하였다. SPR gold 센서 칩 표면은 먼저 0.1N NaOH와 0.1% Triton-X의 혼합용액 속에 5분간 침지한 다음 증류수로 세척하는 과정을 3회 반복하였다. 이후, 말단기가 아민기로 표지된 자기조립 단층막을 형성하기 위해서, 세 척한 gold 센서 칩을 11-amino-1-undecanethiol(AUT, Dojindo)을 에탄올에 녹인 용액(최종 농도 2 mM)속에 침지하여 상온에서 2시간 반응시켰다. 반응 후, 에탄올과 증류수로 세척한 다음, 금 나노입자 단층막, 펩타이드 결합, PEG 처리과정을 실시예 2와 동일하게 수행하여 칩 표면을 질소가스로 건조하고 나서 SPR 측정기기에 장착하였다. 상기 칩에 대한 대조군으로서, 금 나노입자없이 AUT로 치환된 SPR gold 센서칩을 실시예 2의 2)의 방법에 따라 금 나노입자 대신 링커(SSMCC, Pierce)로 결합을 하고, 펩타이드 결합, PEG 처리과정을 동일하게 하여 비교하였다.

상기 gold 센서칩을 SPR에 장착한 후, 먼저 PBST 완충용액(10 mM PBS pH 7.4, containing 0.05% Tween-20)을 2 μL/min의 속도로 10분간 흘려주어 안정화시켰다. 이후, Abl 키나아제 용액을 1 μL/min의 속도로 30 ℃에서 35분간 흘려주어 Abl 키나아제 반응을 수행하였다. 반응농도는 실시예 2와 동일한 용액조성을 사용하였다. 반응 후 다시 PBST 완충용액으로 흘려주어 안정화한 후, 특이적 혹은 비특이적 반응을 확인하기 위해 한쪽 채널에는 α-pY를(도 4의 a의 실선), 다른 한쪽 채널에는 mIgG(mouse IgG, Sigma)를 (도 4의 a의 점선) 각각 10 mM PBST 완충용액(pH 7.4)에 10 μg/mL의 농도로 녹여 25 ℃에서 2 μL/min의 속도로 30분간 흘려주어 반응시켰다. 항체가 결합된 정도는 각 항체를 흘려준 다음 완충용액으로 세척한 후의 신호값과 항체를 흘려주기 전의 신호값을 비교하여 산출하였다. 금 나노입자 단층막과 마찬가지로, 자기조립 단층막으로 개질화된 SPR gold 센서칩의 경우에도 동일하게 상기과정을 거쳐 α-pY(도 4의 b의 실선)와 mIgG (도 4의 b의 점선)에 대한 SPR 신호값을 비교하였다.

두 gold 센서 칩에서 Abl 키나아제에 대한 특이적 반응과 비특이적 반응간의 차이를 비교한 결과 금 나노입자 단층막이 자기조립 단층막에서 보다 SBR차이가 2배정도 크게 나타났다. 이는 실시예 2에서 형광으로 측정한 것과 유사한 결과로서 금 나노입자 단층막이 키나아제 활성을 분석하는데 보다 효과적임을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩을 이용한 단백질과 생체분자간의 반응 검출 방법은, 질병관련 단백질의 초고속 스크리닝을 위한 면역센서 및 효소센서 등에 빠르게 적용할 수 있으며 저해제의 스크리닝에도 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

<110> Korea Advanced Institute of Science and Technology <120> Biochip using the monolayer of gold nanoparticles <160> 2 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 12 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> substrate for kinase <400> 1 Ile Tyr Ala Ala Pro Lys Lys Gly Gly Gly Gly Cys 1 5 10 <210> 2 <211> 12 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> oligopeptide <400> 2 Ala Lys Thr Pro Val Lys Lys Gly Gly Gly Gly Cys 1 5 10

Claims

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(A) (a) 고체 지지체; (b) 상기 고체 지지체위에 형성된 자기조립 단층막; (c) 상기 자기조립 단층막의 말단 기능기와 금 나노입자의 이온 결합 혹은 화학적 흡착에 의해 형성된 금 나노입자 단층막; 및 (d) 상기 금 나노입자와 생체분자의 특이결합에 의해 상기 금 나노입자 단층막 위에 형성된 생체분자층;을 포함하여 구성된 금 나노입자 단층막 기반의 바이오칩에서 상기 생체분자와 시료 단백질을 반응시키는 단계;

(B) 상기 반응 산물에 특이적인 항체를 이용하여 표지하는 단계; 및

(C) 상기 표지된 신호를 측정하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 단백질과 생체분자간의 반응 검출 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 단백질과 생체분자간의 반응은 금나노입자 표면에 부착된 생체분자와 시료 단백질과의 복합체를 형성하는 결합반응으로서 항원-항체 반응, 리간드-리셉터 반응 또는 탄수화물-렉틴 반응인 것을 특징으로 하는 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법.
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제 9 항에 있어서,

상기 표지된 신호의 측정값을 표준 곡선과 비교하는 것에 의해 상기 바이오칩 상의 생체분자에 결합된 시료 단백질의 농도를 정량하는 것을 특징으로 하는 단백질과 생체분자간의 반응 검출 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 단백질과 생체분자의 반응은 상기 시료 단백질이 효소로 작용하고 상기 생체분자가 기질로 작용하여 상기 생체분자가 변형 또는 수식되는 반응인 것을 특징으로 하는 단백질과 생체분자간의 반응 검출방법.
제 8 항 또는 제 9 항 또는 제 11항 또는 제 12 항에 있어서,,

표지된 신호의 측정은 형광(fluorescence), 화학발광(chemiluminescence), 생물발광(bioluminescence) 또는 침전(precipitation) 형성량의 측정인 것을 특징으로 하는 단백질과 생체분자간의 반응 검출 방법.
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