KR100882554B1 - 생분자 동정 방법 - Google Patents

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KR100882554B1
KR100882554B1 KR1020070113958A KR20070113958A KR100882554B1 KR 100882554 B1 KR100882554 B1 KR 100882554B1 KR 1020070113958 A KR1020070113958 A KR 1020070113958A KR 20070113958 A KR20070113958 A KR 20070113958A KR 100882554 B1 KR100882554 B1 KR 100882554B1
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심저영
정원석
남궁각
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Abstract

전계 효과 트랜지스터(FET)가 구비된 생분자 검출 장치를 이용하여 생분자를 동정하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 생분자 동정 방법은, 생분자를 포함하는 시료가 주입된 생분자 검출장치에서 상기 시료를 가열하여 시료의 온도를 상승시키는 단계(a); 상기 단계(a)에서 온도를 상승시키면서, 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 형성되는 채널을 흐르는 전류를 측정하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 측정된 전류 데이터로부터 전류 변화량이 최대인 시점의 온도인 전이온도를 구하는 단계(c); 및 상기 단계(c)에서 구한 전이온도를 사용하여 상기 생분자를 동정하는 단계(d)를 포함한다.
PCR, 생분자, DNA, 동정, 정성분석, 흡착매개체, FET, 전계 효과 트랜지스터

Description

생분자 동정 방법{A method for indentifying a biomolecule}
본 발명은 생분자 동정(identification) 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 생분자를 검출할 수 있는 전계 효과 트랜지스터(FET, Fieled Effect Transistor)가 구비된 생분자 검출 장치를 이용하여 생분자의 종류를 확인하는 생분자 동정 방법에 관한 것이다.
전기적인 신호로 생분자(biomolecule), 예를 들어, DNA, RNA 또는 펩디트 핵산(PNA, peptide nucleic acid)과 같은 유전자를 검출하는 장치 중 트랜지스터를 기반으로 하는 검출 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 트랜지스터 기반의 검출 장치는 반도체 공정을 이용하여 제작되므로, 집적회로 및 미세 전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 공정에 접목하여 용이하게 제작될 수 있다. 또한, 상기 트랜지스터 기반의 검출 장치는 전기적인 신호를 처리하여 신속하게 검출 결과를 알 수 있다.
상기 트랜지스터 기반의 검출 장치 중 대표적인 것은 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하여 생물학적 반응을 측정하는 FET 기반 검출 장치이다. 상기 FET 기반 검출 장치는 크기를 최소화하여 랩온어칩(lab-on-a-chip, LOC: 칩 위의 실험 실이라는 의미로서, 작은 칩 내에서 한번에 각종 질병을 진단할 수 있는 기술) 또는 현장진료기기(Point of Care, POC) 등에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 전계 효과 트랜지스터(FET)가 구비된 생분자 검출 장치를 이용하여 생분자를 동정하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 생분자 동정 방법을 구현하는 프로그램을 저장한 기록매체를 제공하기 위한 것이다
본 발명에 따른 생분자 동정 방법은, 전계 효과 트랜지스터(FET)가 구비된 생분자 검출장치를 이용하여 생분자를 동정하는 방법으로서, 생분자를 포함하는 시료가 주입된 생분자 검출장치에서 상기 시료를 가열하여 시료의 온도를 상승시키는 단계(a); 상기 단계(a)에서 온도를 상승시키면서, 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 형성되는 채널을 흐르는 전류를 측정하는 단계(b); 및 상기 단계(b)에서 측정된 전류 데이터로부터 전류 변화량이 최대인 시점의 온도인 전이온도를 구하는 단계(c)를 포함한다.
본 발명에 따른 생분자 동정 방법은 상기 단계(c)에서 구한 전이온도를 사용하여 상기 생분자를 동정하는 단계(d)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 프로그램 저장 기록 매체는, 전계 효과 트랜지스터(FET)가 구비된 생분자 검출장치를 이용하여 생분자를 동정하기 위한, 컴퓨터로 해독가능한 기록매체로서, 생분자를 포함하는 시료가 주입된 생분자 검출장치에서 상기 시료를 가열하여 시료의 온도를 상승시키는 동안에, 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 영 역 및 드레인 영역 사이의 채널을 흐르는 전류값을 측정하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 측정한 전류 데이터를 온도에 대하여 미분하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 미분한 결과로부터 미분계수가 최대인 시점의 온도를 전이온도로 결정하는 단계(c); 및 상기 단계(c)에서 구한 전이온도를 사용하여 상기 생분자를 동정하는 단계(d)를 구현하는 프로그램을 저장한 기록매체이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생분자 동정 방법을 도시한 순서도이고, 도 2a 내지 도 2f는 상기 실시예에 따라 생분자를 동정하는 방법에 있어서, 각 단계에서의 생분자 또는 흡착매개체의 형태를 모식적으로 도시한 것이다.
상기 도 1 및 도 2a 내지 도 2f를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 생분자 동정 방법을 설명한다.
우선, PCR 등의 방법을 사용하여 DNA를 증폭시킨다(S10). 이와 같이 DNA를 증폭시키는 경우, PCR 생성물을 포함하는 시료 내에는 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, DNA(10), PCR 증폭시 사용되는 프라이머(14), 및 dNTP, 효소 및 염류 등과 같은 불순물(16) 등이 존재한다.
여기에서, 상기 프라이머(14)는 그 말단에 바이오틴, 아민, 에폭시, 카복실 산, 또는 티올 등과 같은 물질로 표지되어 있다. 이들 물질들은 후에 비드와 같은 흡착매개체에 용이하게 흡착될 수 있도록 상기 흡착매개체와 가교(crosslink)를 형성한다. 따라서, 본 명세서에서는 프라이머의 말단에 부착된 상기 표지 물질들을 가교 형성제라 칭한다.
이후, 상기 PCR 생성물을 도 2b에 도시되어 있는 바와 같은 흡착매개체(20)와 혼합하여, 상기 PCR 생성물 중 DNA(10)가 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이 상기 흡착매개체(20)에 흡착되도록 한다(S20).
상기 흡착매개체(20)로는 유리, 실리콘(silicon), 플라스틱, 또는 자성물질로 이루어진 비드를 사용할 수 있다.
또한, 상기 흡착매개체(20)의 표면에는 DNA(10)가 용이하게 흡착되도록 흡착 자리(22)가 부착될 수 있다.
이후, 상기 DNA(10)가 흡착된 비드(18)를 포함하는 시료를 FET 기반의 생분자 검출 장치의 챔버(36) 내에 주입한다(S30).
여기에서, 상기 FET 기반 생분자 검출 장치는, 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 반도체 기판(34) 상에 형성되며, 서로 이격되어 있는 소스 영역(30)과 드레인 영역(32); 상기 소스 영역(30) 및 드레인 영역(32)을 포함하는 반도체 기판(34) 상부에 형성되며, DNA(10)가 흡착된 흡착매개체(20)를 포함하는 시료를 넣을 수 있는 공간인 챔버(36); 및 상기 챔버(36) 내의 시료에 전압을 인가하기 위한 전극(38)을 포함한다.
상기 챔버(36) 내에 시료를 넣고, 상기 전극(38)에 전압을 인가하는 경우에, 상기 소스 영역(30)과 상기 드레인 영역(32) 사이에 채널이 형성되고, 상기 채널을 통하여 흐르는 전류량에 의하여 상기 시료 내의 DNA(10)를 검출할 수 있다.
이후, 상기 챔버(36) 내의 시료를 완충액(buffer) 등으로 세척하여, 상기 DNA(10)가 흡착된 비드(20) 이외의 불순물(예를 들어, dNTP, 효소 및 염류 등)을 제거한다.
본 실시 예에서는 PCR 증폭된 DNA(10)가 흡착된 비드(20)를 생분자 검출 장치의 챔버(36) 내에 주입(S30)한 후에 이를 세척하여 불순물을 제거하는 것으로 구성하였다. 그러나, 대안으로서 DNA(10)가 흡착된 비드(20)를 먼저 세척하여 불순물을 제거하고, 이후에 세척된 DNA(10) 흡착 비드(20)를 챔버(36) 내 주입(S30)하는 것으로 구성하여도 무방하다.
이후, 상기 챔버(36) 내 시료에 열을 가하여 시료의 온도를 DNA(10)의 융점(melting point) 이상의 온도(예를 들어, 약 50~100℃ 범위)로 올린다(S40). 이때, 온도 상승 속도가 일정하도록 유지한다(예를 들어, 0.05℃/sec). 이와 같이 온도가 융점 이상으로 상승하는 경우, 시료 내 DNA(10)는 변성되어, 도 2e에 도시되어 있는 바와 같이 DNA(10)의 이중가닥(double strand) 구조가 단일가닥 구조로 풀리게 된다.
따라서, 상기 비드(20)에 흡착되어 있던 단일가닥 DNA(11)는 계속 흡착되어 있으나, 상기 흡착되어 있는 단일가닥 DNA와 상보적 관계에 있던 다른 단일가닥 DNA(12)는 시료 내에서 상기 비드 사이의 공간(공극) 사이를 자유로이 이동하게 된다.
한편, 상기한 바와 같이 시료를 가열하면서, 상기 생분자 검출 장치를 사용하여 상기 소스 영역(30) 및 드레인 영역(32) 사이에 형성되는 채널을 통하여 흐르는 전류를 측정한다(S50).
즉, 도 2f에 도시되어 있는 바와 같이 전극(38)에 전압을 인가하여, 상기 DNA(11) 흡착 비드(20)가 포함되어 있는 시료에 전압이 가해지도록 한다. 이 때, 상기 시료의 온도 상승에 따라 DNA(10)가 변성되어 단일 가닥 DNA(12)가 생성되며, 상기 단일 가닥 DNA에 의하여 이온 강도가 변화하고, 이에 따라 소스 영역(30) 및 드레인 영역(32) 사이에 채널(35)이 형성되고, 상기 채널을 흐르는 전류량이 증가하게 된다. 이와 같이 소스 영역과 드레인 영역 사이의 채널을 통하여 흐르는 전류를 측정한 결과를 도 3의 도면 상부에 그래프로 도시하였다.
이후, 상기 측정된 전류 데이터를 온도에 대하여 미분하고(S60), 미분 결과로부터 미분계수가 최대인 시점의 온도(전이온도, transition temperature, Ttr)를 구한다(S70). 상기 측정된 전류 데이터를 온도에 대하여 미분(dA/dT)한 결과를 도 3의 도면 하부에 그래프로 도시하였다. 상기 도 3의 전류(A)-온도(T) 그래프에서 상기 전이온도(Ttr)에 해당하는 지점이 변곡점에 해당되며, 상기 변곡점에서 미분계수(dA/dT)가 최대임을 알 수 있다.
동일한 DNA이더라도, 전이온도 측정 실험 시 사용되는 버퍼 내의 염의 종류 및 염의 양 등에 의하여, 전이온도가 서로 상이한 값으로 측정될 수 있다. 그러나, 동일한 환경 및 조건 하에서 실험하는 경우, 동일한 DNA는 전이온도가 동일한 값으로 측정된다.
따라서, 상기 전이온도를 이용하여 상기 PCR 생성물 내의 DNA(10)가 어떠한 종류의 DNA인지를 확인 및 동정할 수 있다.
이를 위하여, 종류를 이미 알고 있는 DNA(예를 들어, 대장균 E. coli의 DNA 등)를 상기 단계(S10) 내지 단계(S70)과 동일한 조건 및 환경에서 동일한 방법으로 전이온도를 측정하여, 각각의 DNA가 가지게 되는 고유의 전이온도를 구하여 데이터베이스를 구축한다.
이후, 상기 단계(S70)에서 구한 전이온도(Ttr)와 동일한 전이온도를 갖는 생분자가 상기 데이터베이스에 있는지를 검색한다(S80). 검색 결과 동일한 전이온도를 갖는 DNA가 있는 것으로 검색된 경우, 검색된 DNA가 상기 단계(S10)에서 증폭시킨 DNA(10)와 동일한 종류임을 알 수 있다(S90).
상기 실시예에서 사용된 생분자 검출 장치의 FET는 시료의 이온 강도에 따른 채널(35) 내 전류량을 측정하여, 상기 시료 내 생분자를 검출하도록 설계되었다. 대안으로서, DNA 변성에 의하여 생성되는 단일가닥 DNA가 FET의 게이트 전극에 흡착되도록 하여 채널 내 전류량을 측정하는 생분자 검출 장치를 사용할 수도 있다.
도 4는 이러한 구성을 갖는 생분자 검출 장치의 구성을 도시한 것이다. 상기 도 4에 도시되어 있는 생분자 검출 장치는, 반도체 기판(34) 상에 형성되며, 서로 이격되어 있는 소스 영역(30)과 드레인 영역(32); 상기 소스 영역(32) 및 드레인 영역(34) 사이에 형성되는 게이트 전극층(37); 상기 소스 영역(32), 드레인 영역(34), 및 게이트 전극층(37)을 포함하는 상기 반도체 기판(34)의 상부에 형성되며, 상기 DNA(10) 흡착 비드(20)가 포함된 시료가 주입되는 공간인 챔버(36)을 포함한다. 상기 게이트 전극층(37) 상부에는 유전자가 흡착될 수 있는 게이트 흡착층(47)이 형성되어 있다.
DNA 변성 시 생성되는 단일가닥 DNA(12)가 상기 게이트 전극층(37) 상에 형성되어 있는 게이트 흡착층(47)에 흡착되고, 이에 따라 소스 영역(30) 및 드레인 영역(32) 사이에 채널(35)이 형성되며, 상기 채널을 흐르는 전류량이 증가하게 된다.
도 5는 복수개의 FET(100, 200)를 구비하는 생분자 검출 장치에서 각 FET에 대응되는 챔버(36-1, 36-2)에 각각 서로 상이한 PCR 생성물(1, 2)을 주입하고, 본 발명에 따라 전이온도를 구하여 각각의 PCR 생성물(1, 2)를 동정하기 위한 실험 구성을 도시한 것이다.
상기 도 5에 도시된 실험 구성으로부터 측정되는 전류-온도 그래프 및 전이온도를 도 6에 도시하였다. PCR 생성물 A(1) 및 PCR 생성물 B(2)가 각각 서로 상이한 전이온도 (TtrA, TtrB)를 가지므로, 이러한 전이온도 특성을 이용하여 각각의 PCR 생성물 A 및 B를 동정할 수 있다.
도 7은 하나의 챔버(36) 내에 서로 상이한 PCT 생성물(1, 2)을 주입하고, 본 발명에 따라 전이온도를 구하여 각각의 PCR 생성물(1, 2)를 동정하기 위한 실험 구성을 도시한 것이다.
상기 도 7에 도시된 실험 구성으로부터 측정되는 전류-온도 그래프 및 전이온도를 도 8에 도시하였다. FET의 채널(35)을 흐르는 전류는 PCR 생성물 A(1) 및 PCR 생성물 B(2)의 영향을 모두 받게 된다. 따라서, 상기 측정된 전류를 온도에 대하여 미분한 값은 두 개의 최대값을 갖게 되며, 각각 PCR 생성물 A(1)의 전이온도(TtrA) 및 PCR 생성물 B(2)의 전이온도(TtrB)를 의미하게 된다. 이러한 전이온도 특성을 이용하여 각각의 PCR 생성물 A 및 B를 동정할 수 있다. 따라서, 여러 종류의 DNA를 동시에 PCR 증폭하더라도, 본 발명에 따른 동정 방법을 사용함으로써, 하나의 시료로부터 각각의 DNA를 동시에 동정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생분자 동정 방법을 도시한 순서도.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일실시예에 따라 생분자를 동정하는 방법에 있어서, 각 단계에서의 생분자 또는 흡착매개체의 형태를 모식적으로 도시한 것.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 생분자 동정 방법에서 전계 효과 트랜지스터(FET)의 채널을 통하여 흐르는 전류의 변화량이 최대인 시점의 온도인 전이온도를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생분자 동정 방법에서 사용되는, FET 기반 생분자 검출 장치의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라 서로 상이한 종류의 생분자를 서로 상이한 FET 기반 생분자 검출 장치에서 검출하여 동정하기 위한 실험 구성도.
도 6은 도 5에 도시된 실시예에서 구한 전이온도를 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따라 서로 상이한 종류의 생분자를 동일한 FET 기반 생분자 검출 장치에서 검출하여 동정하기 위한 실험 구성도.
도 8은 도 7에 도시된 실시예에서 구한 전이온도를 도시한 그래프.

Claims (10)

  1. 전계 효과 트랜지스터(FET)가 구비된 생분자 검출장치를 이용하여 생분자를 동정하는 방법으로서,
    생분자를 포함하는 시료가 주입된 생분자 검출장치에서 상기 시료를 가열하여 시료의 온도를 상승시키는 단계(a);
    상기 단계(a)에서 온도를 상승시키면서, 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 형성되는 채널을 흐르는 전류를 측정하는 단계(b); 및
    상기 단계(b)에서 측정된 전류 데이터로부터 전류 변화량이 최대인 시점의 온도인 전이온도를 구하는 단계(c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)에서 구한 전이온도를 사용하여 상기 생분자를 동정하는 단계(d)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(a)에서 상기 생분자는 흡착 매개체에 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(c)는,
    상기 단계(b)에서 측정된 전류 데이터를 온도에 대하여 미분하는 단계(c1); 및
    상기 단계(c1)에서 미분한 결과로부터 미분계수가 최대인 시점의 온도를 전이온도로 결정하는 단계(c2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 기지의 생분자를 대상으로 상기 시료 내의 생분자와 동일한 조건 하에서 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 수행하여, 상기 기지의 생분자에 대한 전이온도를 구하는 단계(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단계(d)는
    상기 단계(e)에서 구한 전이온도 데이터로부터 상기 시료 내 생분자의 전이온도와 동일한 전이온도를 갖는 생분자를 검색하는 단계(d1); 및
    상기 단계(d1)에서 상기 시료 내 생분자와 동일한 전이온도를 갖는 생분자가 검색된 경우, 상기 검색된 생분자와 상기 시료 내 생분자는 동일한 종류인 것으로 판단하는 단계(d2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 생분자 검출 장치는,
    반도체 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 있는 소스 영역과 드레인 영역;
    상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 형성되는 게이트 전극층; 및
    상기 소스 영역, 드레인 영역, 및 게이트 전극층을 포함하는 반도체 기판 상부에 형성되며, 유전자를 포함하는 시료를 넣을 수 있는 공간인 챔버를 포함하되,
    상기 게이트 전극층 상부에는 유전자가 흡착될 수 있는 게이트 흡착층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 생분자 검출 장치는,
    반도체 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 있는 소스 영역과 드레인 영역;
    상기 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하는 반도체 기판 상부에 형성되며, 유전자를 포함하는 시료를 넣을 수 있는 공간인 챔버; 및
    상기 챔버 내의 시료에 전압을 인가하기 위한 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 생분자 동정 방법.
  9. 전계 효과 트랜지스터(FET)가 구비된 생분자 검출장치를 이용하여 생분자를 동정하기 위한, 컴퓨터로 해독가능한 기록매체로서,
    생분자를 포함하는 시료가 주입된 생분자 검출장치에서 상기 시료를 가열하여 시료의 온도를 상승시키는 동안에, 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 채널을 흐르는 전류값을 측정하는 단계(a);
    상기 단계(a)에서 측정한 전류 데이터를 온도에 대하여 미분하는 단계(b);
    상기 단계(b)에서 미분한 결과로부터 미분계수가 최대인 시점의 온도를 전이온도로 결정하는 단계(c); 및
    상기 단계(c)에서 구한 전이온도를 사용하여 상기 생분자를 동정하는 단계(d)를 구현하는 프로그램을 저장한 기록매체.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 단계(d)는
    기지의 생분자를 대상으로 상기 시료 내의 생분자와 동일한 조건 하에서 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 수행하여, 상기 기지의 생분자에 대한 전이온도를 획득하는 단계(d1);
    상기 단계(d1)에서 구한 전이온도 데이터로부터 상기 시료 내 생분자의 전이온도와 동일한 전이온도를 갖는 생분자를 검색하는 단계(d2); 및
    상기 단계(d2)에서 상기 시료 내 생분자와 동일한 전이온도를 갖는 생분자가 검색된 경우, 상기 검색된 생분자와 상기 시료 내 생분자는 동일한 종류인 것으로 판단하는 단계(d3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기록 매체.
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