KR101090340B1 - Nanohybrid-driven Optical DNA Identification System - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전자를 이용하여 정보를 코드화하고 이를 판독하는 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 형광체가 부착된 광학 유전자가 양이온성 나노물질로 캡슐화된 나노복합체를 포함하는 광학 유전자 코드 식별용 조성물을 이용한 광학 유전자 코드 식별 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 광학 유전자 코드 식별 시스템은 진위 판별 및 이력 추적 등에 있어서 훼손 및 복제가 불가하고 신뢰도가 높은 정보를 제공하는 판별시스템으로 구축될 수 있다.The present invention relates to a system for encoding and reading information using a gene, and specifically, an optical gene using an optical gene code identification composition comprising a nanocomposite in which an optical gene with a phosphor is encapsulated with a cationic nanomaterial. A code identification system. The optical genetic code identification system of the present invention can be constructed as a discrimination system that provides information with high reliability and that cannot be damaged or duplicated in authenticity determination and history tracking.

광학 유전자 코드 식별 시스템, 광학 합성 유전자, 양이온성 나노물질, 나노하이브리드, 바이오센서 Optical Genetic Code Identification System, Optical Synthetic Gene, Cationic Nanomaterial, Nanohybrid, Biosensor

Description

나노하이브리드 기술을 이용한 광학 유전자 코드 식별 시스템{Nanohybrid-driven Optical DNA Identification System}Nanohybrid-driven Optical DNA Identification System using Nanohybrid Technology

본 발명은 유전자를 이용하여 정보를 코드화하고 이를 판독하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for encoding and reading information using genes.

일반적으로 정보 및 암호 코드 인식기술로 가장 많이 사용되는 것이 바코드이다. 바코드란 흑과 백의 막대 모양 기호로 문자나 숫자를 조합한 것으로, 데이터를 빠르게 입력하고 판독하기 위하여 사용된다. 워터마크(Watermark)도 지폐의 진위 판별에 자주 쓰이는 코드체계이며, 생체인식 기술로는 개인마다 다른 지문정보를 추출하여 정보화시키는 지문 인증과 사람마다 고유한 특성을 가진 안구의 홍채 정보를 이용해 사람을 인식하는 홍채인식이 있다. 그 이외에도 소형 반도체 칩을 이용해 사물의 정보와 주 환경정보를 전송·처리하는 비접촉식 인식시스템인 전파식별(Radio frequency identification) 시스템도 코드 인식 체계이다. 코드 및 암호 체계는 세계적인 표준화가 이루어지지 않았고 훼손 및 복제·위조로 인한 진 위 여부의 판별 및 증명에 어려움이 발생할 수 있으며 예상치 못한 인권 침해 등을 유발할 수 있다는 문제점 등이 있다.In general, barcode is the most commonly used information and encryption code recognition technology. Bar codes are black and white bar symbols that combine letters or numbers and are used to enter and read data quickly. Watermark is a code system that is often used to determine the authenticity of banknotes.Biometric recognition technology uses fingerprint authentication to extract and fingerprint different fingerprint information for each person, and uses eye iris information with unique characteristics for each person. There is an iris recognition. In addition, a radio frequency identification system, which is a contactless recognition system that transmits and processes information of objects and main environmental information using a small semiconductor chip, is also a code recognition system. Code and cryptosystems are not globally standardized, and they may have difficulty in identifying and proving authenticity due to damage, duplication, and forgery, and may cause unexpected human rights violations.

이러한 문제점들은 분자 수준의 기술로 극복할 수 있다. 눈에 보이지 않는 미세한 사이즈의 나노 식별자는 해당 개체에 고루 감지되므로 쉽게 탐지되지 않는다는 장점이 있으며 훼손 및 복제·위조 불가능하게 할 수 있다. 이러한 분자 수준의 코드로서 가장 적절한 것이 유전자의 염기서열을 정보 단위로 사용하는 것인데, 유전자의 염기서열은 생물의 모든 유전 정보를 모두 담을 수 있어 정보의 집적화면에서 매우 효율적이며 세계적으로 통용될 수 있는 판단 기준이 있어 신뢰성이 매우 높다. 따라서 의도적으로 디자인한 유전자 합성 기술은 극소량에서도 다중복합적으로 탐색해 낼 수 있는 검출법과 함께 생물 정보학, 의학 진단, 과학 수사 등의 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다(Condon A, Nat . Rev . Genet . 7:565-575, 2006). 무기 나노입자 역시 매우 작은 면적에 복잡한 정보 코딩이 가능하여 견고함을 바탕으로 오랫동안 지속할 수 있는 라벨링 기술에 사용되고 있다(Han M, Nat. Biotechnol. 19:631-635, 2001). 이와 발맞추어 신속하고 정확하게 단일 분자를 검출할 수 있는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)나 NEMS(Nano Electro Mechanical Systems)는 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 유전자 시료의 모든 전처리 및 분석 단계를 소형화된 바이오센서에서 수행할 수 있는 랩온어칩(Lab on a Chip) 혹은 랩온어디스크(Lab on a Disk) 등의 개발에 접목되어 급진전하고 있다(Harold C, Nature 442:387-393, 2006; Cho Y-K et al ., Lab Chip 7:565-573, 2007).These problems can be overcome by molecular technology. Invisible micro-sized nano-identifiers have the advantage that they are not easily detected because they are evenly detected by the object, and can be tampered with and not replicated or counterfeited. As the molecular level code, the most appropriate is to use the nucleotide sequence of a gene as an information unit. The nucleotide sequence of a gene can contain all the genetic information of a living organism, which is very efficient and can be widely used worldwide. There is a criterion to judge, and the reliability is very high. Therefore, intentionally gene synthesis technology, design have been studied are actively in the field of bioinformatics, medical diagnostics, forensic science with a detection method that can explore multiple combination in a very small amount (Condon A, Nat. Rev. Genet. 7: 565-575, 2006). Inorganic nanoparticles are also used in long-lasting labeling technology because of their robustness and complex information coding (Han M, Nat. Biotechnol. 19: 631-635, 2001). In line with this, micro-electromechanical systems (MEMS) or nano-electromechanical systems (NEMS), which can detect single molecules quickly and accurately, miniaturize all pretreatment and analysis steps for genetic samples such as dilution, mixing, reaction, separation, and quantification. Advances in the development of lab on a chip or lab on a disk that can be performed in biosensors (Harold C, Nature 442: 387-393, 2006; Cho YK et al . , Lab Chip 7: 565-573, 2007).

최근에는 DNA 염기쌍 배열을 정보의 코드 단위로 사용하는 나노 DNA 바코드 시스템이 제안되었다(대한민국 등록특허 제10-0849465호; Choy JH, Adv . Mater ., 16, 1181-1184, 2004). 상기 시스템은 DNA를 무기 나노입자의 층간 사이에 삽입시킴으로써, 외부 환경에 노출되었을 경우 여러 가지 요인(효소, pH, 열) 등에 의하여 쉽게 파괴되고 변형이 일어날 수 있는 DNA를 안정화시켰고, 폴리피롤-마게마이트(polypyrrole-Maghemite)를 사용하여 DNA를 수집한 후, PCR(Polymerase chain reaction) 방법을 DNA 정보 코드를 판독하는 기술로 사용하였다. 하지만 상기 시스템은 실용화 측면에서 다음과 같은 여러 문제점이 있었다. 1) DNA 코드에는 현장 검출을 가능케 하는 탐침 구성 요소가 존재하지 않으며; 2) 거대 DNA 분자까지도 무기 나노 캡슐화시킬 수 없는 합성법의 취약점이 있고; 3) 장시간 소비 및 소량의 DNA가 요구되는 PCR 분석법 사용 등의 제약이 있다. 따라서 DNA가 실제로 바코드와 같은 실용적인 식별 시스템으로 사용되기 위해서는 DNA 정보 코드 생성과 그 분석 방법에 있어서의 획기적인 진보가 필요하다.Recently, a nano DNA barcode system using a DNA base pair sequence as a code unit of information has been proposed (Korean Patent No. 10-0849465; Choy JH, Adv . Mater . , 16, 1181-1184, 2004). The system inserts DNA between the layers of inorganic nanoparticles, stabilizing DNA that can be easily destroyed and modified by various factors (enzyme, pH, heat) when exposed to the external environment, and polypyrrole-margeite After collecting DNA using (polypyrrole-Maghemite), PCR (Polymerase chain reaction) method was used as a technique for reading the DNA information code. However, the system has several problems in terms of practical use. 1) There is no probe component in the DNA code that enables field detection; 2) there is a weakness of the synthesis method that cannot encapsulate inorganic nanoparticles even large DNA molecules; 3) There are limitations such as the use of PCR method which requires long time consumption and small amount of DNA. Therefore, in order for DNA to be actually used as a practical identification system such as a barcode, a breakthrough in the generation of DNA information codes and an analysis method thereof is required.

바이오 활성 분자 중에서도 유전자, 즉 DNA는 다양한 정보를 함유하고 있는 이상적인 분자로써 새로운 기능을 갖도록 염기서열 및 구조를 디자인할 수 있어서 유기물 혹은 무기물이 부착된 합성 유전자 디자인, 질병 유발 유전자 발현의 진단 및 치료 유전자의 세포 내 전달을 통한 치료, 극소량의 거대분자(Macromolecule) 검출 등 유전자를 적용하는 합성화학, 생명공학, 의학 등의 분야에서 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 유전자 자체는 외부 환경에 노출되었을 경우 여러 가 지 요인(효소환경, 화학적, 물리적 환경 등)에 의하여 쉽게 파괴되고 변형이 일어날 수 있기 때문에, 적절한 안정화 조치 없이는 실효성의 한계에 부딪힌다. Among bio-active molecules, genes, or DNAs, are ideal molecules containing various information, and they can design base sequences and structures to have new functions, and thus design synthetic genes with organic or inorganic substances, diagnosis and treatment of disease-causing gene expression. Research has been actively conducted in the fields of synthetic chemistry, biotechnology, and medicine where genes are applied, such as treatment through intracellular delivery and detection of very small amounts of macromolecules. However, since the gene itself can be easily destroyed and modified by various factors (enzyme environment, chemical, physical environment, etc.) when exposed to the external environment, there is a limit to the effectiveness without proper stabilization measures.

따라서 유전자 자체가 갖는 불안정한 문제점을 극복할 수 있으면서도 저장 및 보관 혹은 전달 효과를 높이기 위하여, 유전자를 안정화시킬 수 있는 무기 담체로서 층상형 무기 나노입자인 LDH(Layered double hydroxide)가 상당한 관심을 받고 있는바, 이에 대한 연구 역시 계속되어 왔다. 금속 이중층 수산화물 중의 하나인 LDH는 음이온 점토(anionic clays)라 불리는데, 양전하를 띤 금속 수산화물 층과 층간에 이 양전하를 상쇄시킬 음이온과 물로 구성되어 있다.Therefore, in order to overcome the unstable problems of the gene itself and to increase the storage, storage, or delivery effect, layered inorganic nanoparticles LDH (Layered double hydroxide) as a inorganic carrier that can stabilize the gene has received considerable attention. The research on this has also continued. One of the metal double layer hydroxides, called LDH, is called anionic clays, which consist of a layer of positively charged metal hydroxides and anion and water that will offset this positive charge between layers.

현재까지는 바이오 활성 분자를 상기 LDH에 담지하기 위하여 이온 교환 반응 및 공침 반응의 층간 삽입 화학을 이용하였고, 그 결과 층상형 바이오-무기 나노 복합체가 제조되었다. 유전자가 LDH에 삽입된 유전자-LDH 나노 복합체 역시 이온 교환 반응 및 공침 반응을 통해 음이온인 유전자가 양이온성 층 전하를 갖는 LDH의 층간에 강한 정전기적 인력에 의해 도입되어 유전자-LDH가 교대로 쌓여있는 2차원 층상 구조의 바이오-무기 나노 복합체를 제조하였다. 이와 같이 무기 나노입자에 캡슐화되어 안정화된 유전자는 효소환경에서도 변성되지 않으며, 산성 조건에서는 LDH가 가역적으로 손쉽게 해리되고 유전자가 서서히 방출되면서 기능이 발휘되는 것으로 보고되어 있다(대한민국 등록특허 제10-0359716호; Choy JH et al., J. Am . Chem. Soc . 121:1399-1400, 1999; Choy JH et al., Angew . Chem . Int . Ed . 39:4041-4045, 2000; 대한민국 등록특허 제10-0849465호; Choy JH, Adv . Mater ., 16, 1181-1184, 2004).Until now, intercalation chemistry of ion exchange reaction and coprecipitation reaction was used to support bioactive molecules in the LDH, and as a result, layered bio-inorganic nanocomposites were prepared. The gene-LDH nanocomposite in which the gene is inserted into the LDH is also introduced by the strong electrostatic attraction between the LDH layers having the cationic layer charge through the ion exchange reaction and the coprecipitation reaction. A bio-inorganic nanocomposite having a two-dimensional layered structure was prepared. Genes encapsulated and stabilized in inorganic nanoparticles as described above are not denatured even in the enzymatic environment, and under acidic conditions, LDH is reversibly easily dissociated and functions are gradually exerted as the gene is gradually released (Korea Patent No. 10-0359716). No. Choy JH et al ., J. Am . Chem. Soc . 121 : 1399-1400, 1999; Choy JH et al ., Angew . Chem . Int . Ed . 39: 4041-4045, 2000; Korean Patent No. 10-0849465; Choy JH, Adv . Mater . , 16, 1181-1184, 2004).

그러나 종래 유전자와 같은 바이오 활성 분자를 안정화시키기 위하여 도입한 층상형 무기 나노입자인 LDH와; 2차원 다층형 바이오-무기 나노 복합체 혹은 유전자-LDH 나노 복합체를 제조하기 위한 기존의 이온 교환법 및 공침법은 다음과 같은 문제점이 있다. 1) LDH의 층간 간격은 팽창될 수 있는 정도의 한계가 있으므로 플라스미드 유전자, 퀀텀 효과를 갖는 나노입자가 부착된 유전자, 유기 형광체가 부착된 유전자 등과 같은 3차원적으로 거대하거나 특이한 구조의 유전자를 담지할 수 없으며; 2) LDH층간에 삽입되더라도 LDH의 입도에 따라 안정화될 수 있는 유전자의 길이 혹은 크기가 제약을 받으며(Oh JM., J. Phys . Chem . Solids . 67:1028-1031, 2006); 3) 유기물 및 무기물이 부착되어 일부분 양전하를 함유하는 음이온성 유전자는 담지되기가 매우 어려우며; 4) 단일상(Single phase)의 유전자-LDH 나노 복합체 제조를 위해서는 화학반응 단계에서 과량의 유전자 및 장시간이 소요되는 경제적 문제점이 있다.However, LDH, which is a layered inorganic nanoparticle introduced to stabilize bioactive molecules such as conventional genes; Conventional ion exchange methods and coprecipitation methods for preparing two-dimensional multilayer bio-inorganic nanocomposites or gene-LDH nanocomposites have the following problems. 1) Since the interlayer spacing of LDH has a limit of expansion, it is possible to carry genes of three-dimensional huge or specific structure such as plasmid gene, gene with nanoparticle with quantum effect, gene with organic phosphor attached, etc. Can not; 2) the length or size of genes that can be stabilized depending on the particle size of LDH even if inserted between LDH layers (Oh JM., J. Phys . Chem . Solids . 67: 1028-1031, 2006); 3) It is very difficult to carry anionic genes to which organic and inorganic substances are attached and contain some positive charges; 4) Genetic-LDH nanocomposite of a single phase (Single phase) there is an economic problem that takes an excessive gene and a long time in the chemical reaction step.

이에, 본 발명자들은 Thus, the present inventors

1) 각각 다른 형광 특성을 갖는 형광체가 부착된 특정 염기서열의 광학유전자가 박리화된 금속 이중층 수산화물(LDH: Layered Double Hydroxide)로 캡슐화됨으로써, 상기 유전자를 안정적으로 보관할 수 있고;1) the genes of a specific base sequence to which phosphors having different fluorescent properties are attached are encapsulated with exfoliated metal double layer hydroxide (LDH), thereby stably storing the gene;

2) 상기 광학유전자-LDH 나노복합체가 포함된 매개체 또는 매체의 형광을 검출함으로써 나노복합체의 파괴 없이 1차 판독이 가능하며;2) primary reading is possible without destroying the nanocomposite by detecting fluorescence of the media or medium containing the opto-LDH nanocomposite;

3) 바이오센서를 이용해 상기 나노복합체에 보존된 유전자 코드를 2차 판독 함으로써;3) by secondary reading the genetic code preserved in the nanocomposite using a biosensor;

본 발명의 광학 유전자 코드 식별 시스템이 진위 판별 및 이력 추적 등에 있어서 훼손 및 복제가 불가하고 신뢰도가 높은 정보를 제공하는 판별시스템으로 구축될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The present invention has been completed by confirming that the optical genetic code identification system of the present invention can be constructed as a discrimination system that provides information with high reliability and cannot be damaged or duplicated in authenticity determination and history tracking.

본 발명의 목적은 광학 유전자 코드 식별용 조성물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a composition for optical gene code identification.

본 발명의 목적은 상기 조성물 및 도료를 포함하는 광학 유전자 코드 식별 시스템용 잉크를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an ink for an optical genetic code identification system comprising the composition and paint.

본 발명의 다른 목적은 상기 조성물이 포함된 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a label for an optical genetic code identification system containing the composition.

본 발명의 다른 목적은 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a biosensor for optical gene code identification.

본 발명의 다른 목적은 상기 라벨 및 바이오센서를 이용한 코드 식별 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a code identification method using the label and the biosensor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

i) 셀(shell)로서, 양이온성 전하를 띄는 나노물질; 및, i) a shell, the nanomaterial having a cationic charge; And,

ii) 코어(core)로서, 1차 형광체가 표지된 센스 단일가닥 광학 유전자 및 상기 센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열을 갖고, 상기 1차 형광체와 다른 형광 특성을 갖는 2차 형광체가 표지된 안티센스 단일가닥 광학 유전자가 상보적으로 결합하여 형성된 이중가닥 광학 유전자;ii) a core having a sense single-stranded optical gene labeled with a primary phosphor and a nucleotide sequence complementary to the sense single-stranded optical gene, and labeled with a secondary phosphor having a different fluorescence property than the primary phosphor Double-stranded optical genes formed by complementary binding of antisense single-stranded optical genes;

로 구성된 나노복합체를 포함하는 광학 유전자 코드 식별용 조성물을 제공한 다.It provides an optical genetic code identification composition comprising a nanocomposite consisting of.

또한, 본 발명은 상기 조성물 및 도료를 포함하는 광학 유전자 코드 식별 시스템용 잉크 조성물을 제공한다.The present invention also provides an ink composition for an optical genetic code identification system comprising the composition and paint.

또한, 본 발명은 상기 조성물이 포함된 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨을 제공한다.The present invention also provides a label for an optical genetic code identification system comprising the composition.

또한, 본 발명은 In addition,

(i) 상기 센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열이 순차적으로 연결된 센스 단일가닥 유전자 프로브; 또는,(i) a sense single strand gene probe in which base sequences complementary to the sense single strand optical gene are sequentially connected; or,

(ii) 상기 안티센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열이 순차적으로 연결된 센스 단일가닥 유전자 프로브;(ii) a sense single stranded gene probe sequentially linked to a base sequence complementary to the antisense single stranded optical gene;

가 고형기질에 점적된, 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서를 제공한다.Provides a biosensor for optical gene code identification, dipped in a solid substrate.

아울러, 본 발명은In addition,

1) 상기 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨의 형광을 검출하는 단계;1) detecting fluorescence of the label for the optical genetic code identification system;

2) 형광이 검출되지 않으면 위조로 판정하고, 형광이 검출된 경우에는 상기 라벨에 산성용액을 처리하여 박리화된 금속 이중층 수산화물로 형성된 캡슐을 분해하는 단계;2) if the fluorescence is not detected, it is determined as a forgery; if fluorescence is detected, treating the label with an acidic solution to decompose the capsule formed of the exfoliated metal double layer hydroxide;

3) 캡슐이 분해된 라벨로부터 광학 유전자만을 추출하는 단계;3) extracting only the optical gene from the label in which the capsule was digested;

4) 추출된 광학 유전자를 변성시킨 후, 상기 바이오센서와 혼성화하는 단계;4) denature the extracted optical gene, and hybridize with the biosensor;

5) 상기 혼성화된 바이오센서를 세척하여 결합하지 않은 광학 유전자를 제거하는 단계;5) washing the hybridized biosensor to remove unbound optical genes;

6) 상기 세척된 바이오센서를 건조한 후, 광학 이미지를 검출하는 단계; 및,6) after drying the washed biosensor, detecting an optical image; And,

7) 상기 단계 6)에서 검출된 광학 이미지를 분석하여 위조 또는 정품인지를 판별하는 단계를 포함하는, 상기 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서를 이용한 코드 식별 방법을 제공한다.7) provides a code identification method using the biosensor for identifying the optical genetic code, comprising the step of analyzing the optical image detected in step 6) to determine whether the forgery or genuine.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 The present invention

i) 셀(shell)로서, 양이온성 전하를 띄는 나노물질; 및, i) a shell, the nanomaterial having a cationic charge; And,

ii) 코어(core)로서, 5' 말단에 1차 형광체가 표지된 센스 단일가닥 광학 유전자 및 상기 센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열을 갖고, 5' 말단에 상기 1차 형광체와 다른 형광 특성을 갖는 2차 형광체가 표지된 안티센스 단일가닥 광학 유전자가 상보적으로 결합하여 형성된 이중가닥 광학 유전자;ii) a core having a sense single-strand optical gene labeled with a primary phosphor at the 5 'end and a base sequence complementary to the sense single strand optical gene, and having different fluorescence properties at the 5' end than the primary phosphor A double-stranded optical gene formed by complementarily binding an antisense single-stranded optical gene labeled with a secondary phosphor;

로 구성된 나노복합체를 포함하는 광학 유전자 코드 식별용 조성물을 제공한다.It provides an optical genetic code identification composition comprising a nanocomposite consisting of.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 단일가닥 유전자가 헤어핀 루프(Hairpin loops)나 자가 이량체(Self dimer)를 형성하지 않고, 35 bp 정도 길이의 서로 상보적인 염기서열의 5' 말단에 각각 다른 색의 형광체가 부착된 이중가닥 광학 유전자를 설계 및 합성하였다. 구체적으로, 5' 말단에 녹색 형광체가 부착된, 35 bp 길이의 서열번호 1로 기재되는 단일가닥 광학 유전자(Cy3-A); 및 적색 형광체가 부착 된, 상기 서열번호 1에 상보적인, 서열번호 2로 기재되는 단일가닥 광학 유전자(Cy5-B)를 제작한 후 혼성화하여 이중가닥 광학 유전자를 합성하였다.In a specific embodiment of the present invention, single-stranded genes do not form hairpin loops or self dimers, and have different colors at 5 'ends of complementary sequences of about 35 bp in length. Fluorescent double-stranded optical genes were designed and synthesized. Specifically, the single-stranded optical gene (Cy3-A) described in SEQ ID NO: 1 of 35 bp in length with a green phosphor attached to the 5 'end; And a single stranded optical gene (Cy5-B) described in SEQ ID NO: 2, complementary to SEQ ID NO: 1, to which a red phosphor was attached, was hybridized to synthesize a double stranded optical gene.

상기 단일가닥 광학 유전자를 포름아마이드에 박리화된 LDH(Layered Double Hydroxide) 나노입자 콜로이드 용액에 첨가함으로써 나노하이브리드 식별자인 광학 유전자 무기캡슐을 합성하였다. 이때, 상기 유전자의 길이는 35 bp로 제한되지 않고, 10 내지 3000 bp 정도의 길이일 수 있다. 이는, 포름아마이드에 박리화된 LDH를 담체로 2500 bp 또는 35 bp 길이의 유전자를 캡슐화할 경우(도 2 참조), 무정형 또는 코어-셀 구조의 유전자-LDH 나노복합체를 형성하였고(도 3 및 4 참조), 외부 환경에 대한 안정성을 획득하여(도 7 참조), 유전자의 보관, 전달 및 기능의 증가가 가능해졌기 때문이다. 또한, 5' 말단에 형광체가 표지된 유전자도 포름아마이드에 박리화된 LDH에 의해 캡슐화되어서(도 5 및 6 참조), 안정적으로 보관되는 것을 확인하였다(도 7b의 오른쪽 패널 참조). 상기와 같이 안정적인 캡슐구조가 확인된 광학 유전자-LDH 나노복합체는 임의의 매체에서 우수한 분산성을 확보하여 적용 분야를 극대화시키고 장기적/항구적으로 안정성을 유지할 수 있다.By adding the single-stranded optical gene to a layered LDH (Layered Double Hydroxide) nanoparticle colloid solution exfoliated in formamide, an optical gene inorganic capsule having a nanohybrid identifier was synthesized. At this time, the length of the gene is not limited to 35 bp, it may be a length of about 10 to 3000 bp. When encapsulated 2500 bp or 35 bp long genes with carriers of LDH exfoliated on formamide (see Fig. 2), they formed a gene-LDH nanocomposite of amorphous or core-cell structure (Figs. 3 and 4). Stability of the external environment (see FIG. 7), thereby enabling storage, delivery and increased function of the gene. In addition, the gene labeled with the phosphor at the 5 'end was also encapsulated by LDH exfoliated in formamide (see FIGS. 5 and 6), and it was confirmed that the gene was stably stored (see the right panel of FIG. 7B). As described above, the optical gene-LDH nanocomposite having a stable capsule structure can be secured with excellent dispersibility in any medium, thereby maximizing the application field and maintaining stability in the long term / periodically.

상기 나노물질은 음이온성 전하를 갖는 광학 유전자를 캡슐화하는 경우에는 양이온성 전하를 띄는 것이 바람직하며, 상기 양이온성 전하를 띄는 나노물질에는 고분자, 생분해성 고분자, 리포좀 및 무기 나노입자 등이 사용될 수 있다. 무기 나노입자는 실리카 또는 양이온성 금속 등이 사용될 수 있는데, 양이온성 층전하를 띄는 박리화된 금속 이중층 수산화물(LDH: Layered Double Hydroxide)을 이용하는 것이 바람직하며, 양이온성 층전하를 띄는 박리화된 LDH가 음이온성 광학 유전자와 강한 정전기적 인력에 인한 자가조립(self-assembly)을 통해 재조합되는 특성을 이용하면 광학 유전자 분자를 캡슐화시켜 안정성을 극대화할 수 있다.When the nanomaterial encapsulates an optical gene having an anionic charge, it is preferable to have a cationic charge, and the nanomaterial having a cationic charge may be a polymer, a biodegradable polymer, liposomes, and inorganic nanoparticles. . The inorganic nanoparticles may be silica or cationic metal, and the like, and it is preferable to use cationic layer charge exfoliated metal double layer hydroxide (LDH), and cationic layer charge exfoliated LDH. Recombination through self-assembly due to anionic optical genes and strong electrostatic attraction can maximize stability by encapsulating optical gene molecules.

구체적으로, 상기 박리화된 LDH는 하기 화학식 1의 층상형 LDH를 전구체(pristine)로 하며,Specifically, the exfoliated LDH is a precursor (pristine) of the layered LDH of the formula (1),

[M2 + (1-x)N3 + x(OH)2][An -]zㆍyH2O [M 2 + (1-x ) N 3 + x (OH) 2] [A n -] z and yH 2 O

(상기 화학식 1에서,(In the formula 1,

M2 +는 2가 금속 양이온이고,M + 2 is a divalent metal cation,

N3 +는 3가 금속 양이온이며,N 3 + is a trivalent metal cation,

상기 A는 음이온계 게스트(Guest) 화학종이며,A is an anionic guest species,

n은 A의 음이온의 전하수이며,n is the number of charges of the anion of A,

x는 0.1 초과 0.4 미만의 수이며,x is a number greater than 0.1 and less than 0.4,

z와 y는 0을 초과하는 양수이다).z and y are positive numbers greater than zero).

M은 마그네슘(Mg2 +), 니켈(Ni2 +), 구리(Cu2 +) 및 아연(Zn2 +)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을,M is any one selected from the group consisting of magnesium (Mg 2 + ), nickel (Ni 2 + ), copper (Cu 2 + ) and zinc (Zn 2 + ),

N은 알루미늄(Al3 +), 철(Fe3 +), 바나듐(V3 +), 티타늄(Ti3 +) 및 갈륨(Ga3 +)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.N is characterized in that any one selected from the group consisting of aluminum (Al 3 + ), iron (Fe 3 + ), vanadium (V 3 + ), titanium (Ti 3 + ) and gallium (Ga 3 + ).

상기 단일가닥(Single-stranded) 유전자는 자가 헤어핀 루프(Hairpin loops) 및 자가 이량체(Self dimer)를 형성하지 않도록 설계되는 것이라면 무엇이든지 사용 가능하고, 그 염기서열의 길이는 10 내지 3000 bp의 넓은 범위도 사용가능하다. 그러나 본 발명의 이중가닥 광학 유전자로 구성된 나노복합체가 눈으로 식별할 수 없을 정도의 '나노' 크기인 것이 바람직하므로, 나노단위(일반적으로 500 ㎚)에 해당하는 복합체를 제조하기 위해서는 유전자는 10 내지 1500 bp 정도가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15 내지 1000 bp, 더욱더 바람직하게는 20 내지 500 bp, 가장 바람직하게는 25 내지 300 bp 정도일 수 있다. 참고로, 이중가닥 유전자의 경우 1 bp가 0.34 ㎚이므로 1500 bp 유전자의 길이는 510 ㎚이며, 일반적으로 적어도 10 bp이하의 길이의 프로브는 선택성이 없으므로 제작을 하지 않는다.The single-stranded gene can be used as long as it is designed not to form self hairpin loops and self dimers, and the base sequence has a length of 10 to 3000 bp wide. Ranges are also available. However, since the nanocomposite composed of the double-stranded optical gene of the present invention is preferably 'nano' size that cannot be discerned by the eye, the gene is 10 to 10 to prepare a complex corresponding to the nanounit (generally 500 nm). It is preferably about 1500 bp, more preferably 15 to 1000 bp, even more preferably 20 to 500 bp, most preferably about 25 to 300 bp. For reference, in the case of the double-stranded gene, 1 bp is 0.34 nm, so the length of the 1500 bp gene is 510 nm, and in general, a probe having a length of at least 10 bp or less is not produced because it is not selective.

하지만 유전자 코드 식별 시스템에 적용하기 위해서는 10 내지 300 bp 정도가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20 내지 200 bp, 가장 바람직하게는 25 내지 50 bp 정도일 수 있다.However, in order to apply to the genetic code identification system, 10 to 300 bp is preferred, more preferably 20 to 200 bp, most preferably 25 to 50 bp.

또한 상기 이중가닥 유전자는 몇 개의 짧은 단일가닥 유전자와 긴 단일가닥 유전자의 혼성체의 형태도 가질 수 있다. 길이가 짧은 여러 개의 단일가닥 유전자의 상보적인 염기서열을 이용하면 독특한 2차, 3차 구조의 다중가닥 유전자로 코드화도 가능하며, 플라스미드(Plasmid) DNA와 엔지니어드(Engineered) DNA도 정보를 부여할 수 있다. 그 이외에도 RNA, 인공 DNA 유사체인 PNP(Peptide Nucleic Acid) 등도 이용할 수 있다. 이러한 다중 코드화는 특정 염기서열의 조합 코드와 형광체 의 구조/색상/개수 등의 조합 코드로 방대한 정보/암호 코드를 디자인 및 생산할 수 있다.The double stranded gene may also have the form of a hybrid of several short single stranded genes and a long single stranded gene. Complementary sequences of several short-length single-stranded genes can be used to encode unique, multi-stranded genes with secondary and tertiary structures, and plasmid and engineered DNA can also be informed. have. In addition, RNA, PNP (Peptide Nucleic Acid), which is an artificial DNA analog, may be used. Such multiple encodings can design and produce a vast amount of information / password codes using a combination code of a specific base sequence and a structure code, such as the structure / color / number of phosphors.

상기 형광체는 온도, pH 변화, 열 등의 외부조건으로부터 안정적인 것은 무엇이든지 사용 가능하며, 그 종류에는 유기계 형광체 혹은 퀀텀(Quantum) 효과를 갖는 무기계 형광체 등이 있다. 상기 유기계 형광체의 구체적인 예로는 CYTM, Fluorescein, Alexa Flur®, Bodipy®, CAL Fluor®, Oregon Green, Oyster®, 로다민(Rhodamine), TAMRATM 및 WellRED 등 다양하게 있고, 무기계 형광체 역시 금 나노입자, ZnS, CdSe, CdTe, CdS 등 다양하며, 유전자와 직접적인 공유결합이나 스페이서(Spacer)를 사용하여 5', 3' 또는 중간에 부착이 가능하다. 이때, 형광체 자체가 코드의 단위로 사용할 수 있어서, 상기 1차 형광체와 2차 형광체가 서로 다른 형광 특성(예, 다른 성분, 구조 및 색상)을 갖도록 조합하면 다양한 코드 디자인이 가능하여, ① 형광체에서 발광하는 광학 신호는 광학 유전자로 구성된 나노복합체의 삽입 여부 판별에 이용될 수 있고; 또는 ② 광학 유전자의 염기서열 판독에 쓰이는 분자 센서 요소 및 탐침의 역할도 할 수 있다.The phosphor may be used as long as it is stable from external conditions such as temperature, pH change, heat, and the like, and organic phosphor or inorganic phosphor having a quantum effect may be used. Specific examples of the organic phosphor include CY TM , Fluorescein, Alexa Flur ® , Bodipy ® , CAL Fluor ® , Oregon Green, Oyster ® , Rhodamine, TAMRA TM and WellRED, and inorganic phosphors are also gold nanoparticles. , ZnS, CdSe, CdTe, CdS and various, and can be attached to the 5 ', 3' or in the middle by using a direct covalent bond or spacer (Spacer). At this time, the phosphor itself can be used as a unit of the code, and the combination of the primary phosphor and the secondary phosphor to have different fluorescence properties (eg, different components, structures and colors) is possible to design a variety of codes, ① in the phosphor The light emitting optical signal can be used to determine whether the nanocomposite composed of the optical gene is inserted; Or (2) can also serve as molecular sensor elements and probes used to read sequences of optical genes.

상기 이중가닥 광학 유전자의 염기서열과 형광체 사이에 스페이서를 추가로 함유할 수 있는데, 상기 스페이서는 광학 유전자의 혼성화에 영향을 주지 않고 유전자와 형광체를 연결할 수 있는 어떤 분자도 가능하며, 예컨대, C-3 링커(linker), C-6 링커, C-6 TFA 링커, C-5 아미노 변형기(amino modifier), C-12 링커, 아미노 dT C2 링커, 아미노 dT C6 링커, 5' 티올(Thiol) C-2 링커, 5' 티올 C-6 링커, 5' 티올 C-6 S-S 등을 포함할 수 있다.The spacer may further contain a spacer between the nucleotide sequence of the double-stranded optical gene and the phosphor, and the spacer may be any molecule capable of linking the gene and the phosphor without affecting hybridization of the optical gene, for example, C- 3 linker, C-6 linker, C-6 TFA linker, C-5 amino modifier, C-12 linker, amino dT C2 linker, amino dT C6 linker, 5 ′ Thiol C- 2 linker, 5 'thiol C-6 linker, 5' thiol C-6 SS and the like.

본 발명의 이중가닥 광학 유전자로 구성된 나노복합체는 염기서열로 코드화된 정보 및 광학 탐침을 안정적으로 보관할 수 있으므로 보안기술, 상품식별기술, 진위판별기술, 이력추적시스템, 위조복제 방지기술 등에 적용될 수 있는 나노하이브리드 식별자로 유용하게 이용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 조성물을 i) ID카드, 여권 등 위조 및 복제가 쉬운 보안 제품; ii) 진품, 명품 등 도난 위협이 있는 고가 제품; iii) 제품 이력이 조작 및 둔갑할 수 있는 유통과정에서 품질 관리가 필요한 제품; 등의 다양한 매개체 및 매체에 물리적, 화학적으로 분산 및 도포하여 적용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 발명의 조성물을 보안 제품의 제조를 위한 기기감응물질(Machine readable materials), 미세추적물질(Micro tracer), 주화용 신소재, 위·변조 방지용 특수 잉크·안료·페인트·도료 등에 혼합하고 분산시켜 사용하는 방법과 특수 인쇄 보안용지, 제지용 특수 섬유, 고내구성지(Durable papers)에 직접 삽입하는 방법, 이외에도 물리적·화학적 흡착으로 적절하게 개체 및 포장지에 직접 도포하는 방법 등으로 표지하여 사용할 수 있다.The nanocomposite composed of the double-stranded optical gene of the present invention can stably store information and optical probes encoded in the nucleotide sequence, which can be applied to security technology, product identification technology, authenticity identification technology, traceability system, anti-counterfeiting technology, and the like. It can be usefully used as a nanohybrid identifier. Specifically, the composition of the present invention i) ID card, passport, etc., easy to counterfeit and duplicate security products; ii) high-priced products with the threat of theft, such as authentic and luxury goods; iii) products requiring quality control in the distribution process where product history can be tampered with; It is preferable to disperse and apply physically and chemically to various media and media, such as these. For example, the composition of the present invention is mixed with machine readable materials, micro tracers, new materials for coins, special inks, pigments, paints, paints, etc., for the manufacture of security products. Labeling by using it, dispersing and dispersing it, inserting it directly into special printing security paper, special paper for paper, durable papers, and applying it directly to objects and packaging by physical and chemical adsorption. Can be used.

또한, 본 발명은 상기 조성물 및 도료를 포함하는 광학 유전자 코드 식별 시스템용 잉크 조성물을 제공한다.The present invention also provides an ink composition for an optical genetic code identification system comprising the composition and paint.

상기 도료는 위·변조 방지용 특수 잉크, 상용의 잉크, 안료, 염료 및 페인트 등을 포함한다.The paints include special inks for preventing forgery and alteration, commercial inks, pigments, dyes and paints, and the like.

또한, 본 발명은 상기 조성물이 포함된 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨을 제공한다.The present invention also provides a label for an optical genetic code identification system comprising the composition.

상기 조성물은 라벨에 도포되거나, 라벨 제조시 첨가되거나, 라벨에 인쇄되어 포함될 수 있다. 예를 들면, ① 용매에 분산하여 라벨에 도포하는 방법, ② 종이 등의 상품 제조시 직접 심어 넣는 방법, ③ 페인트나 도료 등에 혼합하여 사용하는 방법 등을 모두 포함한다.The composition may be applied to the label, added during the manufacture of the label, or printed on the label. Examples include ① dispersing in a solvent and applying it to a label, ② directly injecting the product into a paper or the like, and ③ mixing a paint or a paint.

또한, 본 발명은 In addition,

(i) 상기 센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열이 순차적으로 연결된 안티센스 단일가닥 유전자 프로브; 또는,(i) an antisense single stranded gene probe sequentially linked to a base sequence complementary to the sense single stranded optical gene; or,

(ii) 상기 안티센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열이 순차적으로 연결된 센스 단일가닥 유전자 프로브;(ii) a sense single stranded gene probe sequentially linked to a base sequence complementary to the antisense single stranded optical gene;

가 고형기질에 점적된, 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서를 제공한다.Provides a biosensor for optical gene code identification, dipped in a solid substrate.

본 발명의 조성물은 형광체의 검출을 통해 1차 판독될 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 나노하이브리드 식별자를 흑색 잉크와 혼합한 후, 상기 나노하이브리드 식별자가 포함된 나노하이브리드 잉크를 유리 슬라이드에 [S] 문자로 각각 날인하고, 광학 스캐너로 이미지를 수득한 결과, 순수한 잉크로 날인한 [S]는 형광물질을 포함하지 않았고(도 8 참조), 나노하이브리드 잉크로 날인한 [S]는 녹색과 적색 형광체가 병합된 황색 [S] 이미지를 나타내는 것을 확인하였다(도 9 참조). 이에, 상기 황색 [S]이미지의 검출을 통해, 나노 캡슐을 제거하지 않은 상태에서 나노하이브리드 식별자를 1차 판독할 수 있는 것을 확인하였다.The composition of the present invention can be read first through the detection of phosphors. In a specific embodiment of the present invention, the nanohybrid identifier is mixed with black ink, and then the nanohybrid ink including the nanohybrid identifier is stamped with a [S] letter on a glass slide, respectively, to obtain an image with an optical scanner. As a result, [S] stamped with pure ink did not contain a fluorescent material (see FIG. 8), and [S] stamped with nanohybrid ink showed a yellow [S] image in which green and red phosphors were merged. (See Figure 9). Thus, the detection of the yellow [S] image, it was confirmed that the nanohybrid identifier can be read first without removing the nanocapsules.

또한, 본 발명의 나노하이브리드 식별자는 상기 유전자와 상보적인 유전자 서열과의 혼성화 반응의 검출을 통해 2차 판독될 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 광학 유전자와 상보적인 염기서열을 갖고, 5' 말단에 아민이 부착된 12개의 티민을 포함하는, 탐침 유전자가 적절히 적재된 바이오센서를 제작하였다. 이때, 상기 두 종류의 광학 유전자의 스팟 위치를 적절히 조절함으로써, 판독된 이미지가 녹색 바탕에 적색의 ⓢ 그래픽이 되도록 디자인하였다. 이후, 나노하이브리드 잉크가 [S]자로 날인된 유리 슬라이드로부터 광학 유전자만을 추출하여 혼성화 반응을 수행한 결과, 광학 이미지로 녹색 바탕에 적색의 ⓢ 그래픽을 수득함으로써, 신속·정확하게 광학 유전자 코드를 2차 판독할 수 있었다(도 10 참조).In addition, the nanohybrid identifiers of the present invention can be read secondary through detection of hybridization reactions with the gene and complementary gene sequences. In a specific embodiment of the present invention, a biosensor having a base sequence complementary to the optical gene and comprising 12 thymines attached with an amine at the 5 'end was properly loaded with a probe gene. At this time, by appropriately adjusting the spot positions of the two types of optical genes, the read image is designed to be a red ⓢ graphic on a green background. Subsequently, the hybridization reaction was performed by extracting only the optical gene from the glass slide in which the nanohybrid ink was stamped with the [S] letter. As a result, an optical genetic code was quickly and precisely obtained by obtaining a red ⓢ graphic on a green background as an optical image. It could be read (see FIG. 10).

이에 본 발명의 광학 유전자 코드 식별 시스템은 다색 광학 검출법 및 유전자 코드 판독의 2단계의 판독 과정을 거침으로써, 진위 판별 및 이력 추적 등에 있어서 접근성이 높은 식별 시스템으로 구축될 수 있다.Accordingly, the optical genetic code identification system of the present invention can be constructed as a highly accessible identification system for authenticity determination and history tracking by going through two-step reading process of multi-color optical detection and gene code reading.

본 발명에서, 판독기로 이용하는 "바이오센서"는 생체분자의 고유한 기능을 이용하는 바이오칩(Biochip)과 흡사하다. 바이오센서는 고체 기질의 유리 슬라이드(Glass slide) 표면에 수천 혹은 수 만개 이상의 유전자를 고밀도로 집적화시키고 배열시켜 부착하여 제조한 것으로, 아주 빠르게 유전자 코드를 검색하고 정확하게 검출하는 기능이 있어서 코드화된 염기서열을 검출하고 분석하기 위한 기존의 "PCR기술"을 효과적으로 대체할 수 있는 획기적인 방법이다.In the present invention, a "biosensor" used as a reader is similar to a biochip utilizing a unique function of a biomolecule. Biosensors are manufactured by integrating, arranging, and attaching thousands or tens of thousands of genes at high density onto the surface of glass slides on solid substrates. It is a revolutionary way to effectively replace the existing "PCR technology" for detecting and analyzing them.

상기 바이오센서는 마이크로어레이 형식으로 유리 슬라이드에 알데하이 드(Aldehyde; -CHO)를 사용하여 개질하고 여기에 아민(Amine; NH2)이 말단에 부착되어 있는 탐침 유전자 프로브를 결합하여 제작하였다.The biosensor was modified by using an Aldehyde (-CHO) on a glass slide in a microarray format and combining a probe gene probe having an amine (Amine; NH 2 ) attached thereto.

본 발명의 프로브와 고형기질 사이에 스페이서(spacer)를 추가로 함유할 수 있는데, 상기 스페이서는 혼성화에 영향을 주지 않고 프로브와 고형기질을 연결할 수 있는 어떤 분자도 가능하며, 예컨대, 아민-올리고 dT 링커(linker), C-3 링커(linker), C-6 링커, C-6 TFA 링커, C-5 아미노 변형기(amino modifier), C-12 링커, 아미노 dT C2 링커, 아미노 dT C6 링커, 5' 티올(Thiol) C-2 링커, 5' 티올 C-6 링커, 5' 티올 C-6 S-S 등을 포함할 수 있다.The spacer may further contain a spacer between the probe and the solid substrate of the present invention, which may be any molecule capable of linking the probe and the solid substrate without affecting hybridization, eg, amine-oligo dT Linker, C-3 linker, C-6 linker, C-6 TFA linker, C-5 amino modifier, C-12 linker, amino dT C2 linker, amino dT C6 linker, 5 'Thiol C-2 linker, 5' thiol C-6 linker, 5 'thiol C-6 SS and the like.

상기 고형기질은 광학 검출을 허용하며 신호 방출을 심하게 간섭하지 않는다. 상기 고형기질은 이에 제한되지는 않지만 가소성 물질, 세라믹, 유리, 폴리스티렌, 메틸스티렌, 아크릴 중합체, 상자성 물질, 토리아 솔, 탄소 그래파이트, 이산화티탄, 라텍스 또는 가교-결합된 덱스트란 예컨대 세파로스, 셀룰로스, 나일론, 가교 결합된 마이셀(micelle) 및 테플론(Teflon)이 모두 사용될 수 있다. 고형기질의 표면은 개별 스팟에서 프로브의 부착을 허용하기 위해 개질될 수 있다. 구체적으로, 화학적 작용기, 예컨대 아미노기, 카르복시기, 옥소기 및 티올기의 패턴의 첨가는 일반적으로 해당 반응성 작용기 또는 링커 분자를 포함하는 프로브를 공유 결합시키는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 기질의 표면은 아민기를 갖도록 제조된 프로브가 기질에 용이하게 결합하도록 알데하이드로 개질되었다.The solid substrate allows for optical detection and does not severely interfere with signal emission. The solid substrates include, but are not limited to, plastic materials, ceramics, glass, polystyrene, methylstyrene, acrylic polymers, paramagnetic materials, teria sol, carbon graphite, titanium dioxide, latex or cross-linked dextran such as sepharose, cellulose, Nylon, crosslinked micelles and Teflon can all be used. The surface of the solid substrate can be modified to allow attachment of the probe at individual spots. Specifically, the addition of patterns of chemical functional groups such as amino groups, carboxyl groups, oxo groups and thiol groups can generally be used to covalently link probes comprising the corresponding reactive functional groups or linker molecules. In a specific embodiment of the present invention, the surface of the substrate was modified with aldehyde so that probes prepared with amine groups readily bound to the substrate.

본 발명의 바이오센서는 아주 높은 밀도, 높은 밀도, 중간 밀도, 낮은 밀도 또는 아주 낮은 밀도로 프로브가 점적된 스팟을 갖도록 제조될 수 있다. 아주 높은-밀도 바이오센서에 대한 범위는 바이오센서 당 약 10,000,000 내지 약 2,000,000,000 개의 스팟을 갖는다. 높은-밀도 바이오센서의 범위는 약 100,000 내지 약 10,000,000 개의 스팟을 갖는다. 중간 밀도 바이오센서의 범위는 약 10,000 내지 약 50,000 개의 스팟을 갖는다. 낮은-밀도 바이오센서는 일반적으로 10,000 부위 미만이다. 아주 낮은-밀도 바이오센서는 1,000 개 미만의 스팟을 갖는다. 프로브 스팟들은 패턴, 즉 규칙적인 디자인 또는 구성을 포함하거나, 또는 랜덤하게 분포될 수 있다. 규칙적인 패턴 스팟들은 X-Y좌표 평면상에 지정되도록 사용될 수 있다. 따라서 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서는 광학 유전자 코드의 상보적인 염기서열이 혼성화되는 위치를 사전에 임의로 디자인하여 판독 결과가 광학 그래픽 이미지로 판독되는 것이 특징이다.The biosensor of the present invention can be made with spots in which probes are deposited at very high, high, medium, low or very low density. The range for very high-density biosensors is from about 10,000,000 to about 2,000,000,000 spots per biosensor. The range of high-density biosensors has from about 100,000 to about 10,000,000 spots. The medium density biosensor ranges from about 10,000 to about 50,000 spots. Low-density biosensors are generally less than 10,000 sites. Very low-density biosensors have less than 1,000 spots. Probe spots may include a pattern, that is, a regular design or configuration, or may be randomly distributed. Regular pattern spots can be used to be specified on the X-Y coordinate plane. Therefore, the biosensor for optical genetic code identification is designed to randomly designate the position where the complementary nucleotide sequences of the optical genetic code are hybridized in advance, so that the reading result is read as an optical graphic image.

아울러, 본 발명은In addition,

1) 상기 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨의 형광을 검출하는 단계;1) detecting fluorescence of the label for the optical genetic code identification system;

2) 형광이 검출되지 않으면 위조로 판정하고, 형광이 검출된 경우에는 상기 라벨에 산성용액을 처리하여 박리화된 금속 이중층 수산화물로 형성된 캡슐을 분해하는 단계;2) if the fluorescence is not detected, it is determined as a forgery; if fluorescence is detected, treating the label with an acidic solution to decompose the capsule formed of the exfoliated metal double layer hydroxide;

3) 캡슐이 분해된 라벨로부터 광학 유전자만을 추출하는 단계;3) extracting only the optical gene from the label in which the capsule was digested;

4) 추출된 광학 유전자를 변성시킨 후, 상기 바이오센서와 혼성화하는 단계;4) denature the extracted optical gene, and hybridize with the biosensor;

5) 상기 혼성화된 바이오센서를 세척하여 결합하지 않은 광학 유전자를 제거하는 단계;5) washing the hybridized biosensor to remove unbound optical genes;

6) 상기 세척된 바이오센서를 건조한 후, 광학 이미지를 검출하는 단계; 및,6) after drying the washed biosensor, detecting an optical image; And,

7) 상기 단계 6)에서 검출된 광학 이미지를 분석하여 위조 또는 정품인지를 판별하는 단계를 포함하는, 상기 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서를 이용한 코드 식별 방법을 제공한다.7) provides a code identification method using the biosensor for identifying the optical genetic code, comprising the step of analyzing the optical image detected in step 6) to determine whether the forgery or genuine.

단계 2) 캡슐 분해는 pH 4 이하의 산성 완충 용액을 사용하여 2시간 내지 6시간, 바람직하게는 5시간 동안 용해시키는 것이 바람직하다. 유전자 코드가 변형되지 않도록 금속 이중층 수산화물만 선택적으로 녹여낸 후에, EDTA(Ethylene diamine tetra acetic acid)를 첨가하면 캡슐을 쉽게 제거하여 안전하게 광학 유전자 코드를 추출할 수 있다. 이중가닥 유전자는 강한 산성 용액에서 오랜 시간 동안 용해되어 있을 경우에 염기쌍 배열(A, T, C, G)이 양성자화(Protonation)되면서 구조적 변형이 일어난다. 그리고 금속 양이온의 존재 하에서는 이중가닥 유전자의 염기쌍과 금속 양이온의 상호작용으로 단일가닥으로 변형되거나, 인산기와의 상호작용으로 복합체를 형성하면서 집결되어 불용성 형태로 유전자가 불안정해진다(Muntean CM et al ., J. Raman Spectrosc . 36:1047-1051, 2005; Duguid J et al ., Biophys . J. 65:1916-1928, 1993). 따라서 산성 완충 용액으로 적절한 시간 동안 금속 이중층 수산화물만 선택적으로 녹여낸 후에 2가/3가 금속 양이온과 강하게 결합하여 킬레이트 화합물을 형성하는 약품으로 알려져 있는 EDTA를 첨가하면, 산성 용액에서 용해되어 생성된 금속 양이온과 킬레이트를 형성하여 쉽게 제거됨으 로써 광학 유전자를 변형/변성의 위협으로부터 안전하게 추출할 수 있다.Step 2) The capsule decomposition is preferably dissolved for 2 to 6 hours, preferably 5 hours using an acidic buffer solution of pH 4 or less. After dissolving only the metal double layer hydroxide selectively so that the genetic code is not modified, EDTA (Ethylene diamine tetra acetic acid) can be added to easily remove the capsule and safely extract the optical genetic code. When double-stranded genes are dissolved in a strong acid solution for a long time, structural modification occurs as the protonation of base pair arrays (A, T, C, G) occurs. In the presence of a metal cation, the base pair of the double-stranded gene and the metal cation are transformed into a single strand, or they are collected by forming a complex by interacting with a phosphate group to make the gene unstable in an insoluble form (Muntean CM et. al . , J. Raman Spectrosc . 36: 1047-1051, 2005; Duguid J et al . , Biophys . J. 65: 1916-1928, 1993). Therefore, by selectively dissolving only the metal bilayer hydroxide in an acidic buffer solution for a suitable time, and then adding EDTA, a chemical known to bind strongly to divalent / 3 divalent metal cations to form chelate compounds, the metal cations dissolved and formed in the acidic solution It can be easily removed by forming chelates so that optical genes can be safely extracted from the threat of modification / degeneration.

상기 단계 4)에서 바이오센서와 광학 유전자의 혼성화를 "1초" 동안 수행함으로써 혼성화된 결과 이미지를 얻을 수 있었고, 이를 통해 일순간(一瞬間)에 상보적인 유전자가 혼성화되어 형광 신호를 방출하고, 광학 이미지의 검출 유무를 통해 눈으로 확인/인식하여 정보의 일치 여부를 극단적으로 판단할 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 바이오센서는 정확하고 신속하게 광학 유전자 코드를 분석하여 사전에 부여한 정보/암호와 일치하는 경우에 생물학적 신호가 광학 신호로 전환되어 발신하는 다중 컬러 이미지 코드의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 판독 정보를 부가 설명 없이도 누구나 쉽고 간단하게 육안으로 눈 깜짝할 사이에 인식(認識, Recognition)하여 일치 여부를 직감(直感, Intuition)적으로 판별할 수 있도록 사용된다.In the step 4), hybridization of the biosensor and the optical gene was performed for "1 second" to obtain a hybridized result image. Through this, the complementary genes were hybridized at one moment to emit a fluorescence signal. Through the presence or absence of an image detection, it is possible to determine whether or not the information is matched by visually confirming / recognizing. Therefore, the biosensor of the present invention not only functions as a multi-color image code in which a biological signal is converted into an optical signal and transmitted when the optical genetic code is accurately and quickly matched with a previously given information / password. Without any additional explanation, the reader can easily and simply recognize the reading information in the blink of an eye and use it to intuitively determine whether the match is intuition.

본 발명의 광학 유전자 코드 식별 시스템은 진위 판별 및 이력 추적 등에 있어서 훼손 및 복제가 불가하고 신뢰도가 높은 정보를 제공하는 판별시스템으로 구축될 수 있다.The optical genetic code identification system of the present invention can be constructed as a discrimination system that provides information with high reliability and that cannot be damaged or duplicated in authenticity determination and history tracking.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실 시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the present invention, the contents of the present invention is not limited to the following examples.

<< 실시예Example 1> 거대 길이(~2500  1> Giant Length (~ 2500 bpbp )의 유전자가 캡슐화된 나노복합체 합성Nanocomposite synthesis of genes

<1-1> <1-1> 박리화된Exfoliated 금속  metal 이중층Double layer 수산화물의 합성 Synthesis of Hydroxide

공침과 수열합성을 통하여 100 ㎚크기의 금속 이중층 수산화물을 합성하였다. 0.3 M Mg(NO3)2·6H2O와 0.15M Al(NO3)3·9H2O를 탄산 이온이 제거된 3차 증류수에 녹이고, pH가 10 내지 11이 될 때까지 0.5 M NaOH로 적정한 후, 상온에서 30분간 강하게 교반하여 금속 이중층 수산화물(LDH: Layered Double Hydroxide) 결정체를 얻었다. 공침된 LDH를 수열합성 용기에 넣고 100℃에서 12시간 동안 교반한 후, 원심분리기로 분리하며 세척과정을 통해 미반응 염을 제거하여 100 ㎚의 균일한 크기로 LDH를 얻었다. 상기 합성한 LDH를 포름아마이드에 0.05중량%로 분산시켜 상온에서 2일간 강하게 교반하여 박리화된 LDH 나노시트를 얻었다. 전 과정은 공기 중의 이산화탄소에 의한 탄산 이온(CO3 2 -) 생성을 방지하기 위하여 질소 분위기하에서 진행되었다.A 100 nm metal bilayer hydroxide was synthesized by coprecipitation and hydrothermal synthesis. 0.3 M Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and 0.15M Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O are dissolved in tertiary distilled water from which carbonates have been removed, and 0.5 M NaOH until the pH is between 10 and 11. After titration, the mixture was vigorously stirred at room temperature for 30 minutes to obtain metal layered double hydroxide (LDH) crystals. The co-precipitated LDH was placed in a hydrothermal synthesis vessel, stirred at 100 ° C. for 12 hours, separated by a centrifuge, and the unreacted salt was removed by washing to obtain LDH with a uniform size of 100 nm. The synthesized LDH was dispersed in formamide at 0.05% by weight, and vigorously stirred at room temperature for 2 days to obtain exfoliated LDH nanosheets. The whole process was carried out in a nitrogen atmosphere to prevent the formation of carbonate ions (CO 3 2 ) by carbon dioxide in the air.

<1-2> 거대 길이(~2500 <1-2> huge length (~ 2500 bpbp )의 유전자의 캡슐화Encapsulation of genes

상기 실시예 1-1에서 박리화된 LDH 콜로이드 용액에 50~2500 bp 크기의 이중가닥 청어 유전자(Herring testis DNA)를 1:1의 중량 비율로 혼합하여 상온에서 1시간 동안 교반시켰다. 반응이 끝난 후 원심분리기로 분리하며 세척과정을 통해 과량의 유전자를 완전히 제거하여 코어-셀 유전자-이중층 수산화물 나노복합체를 얻었다(도 2a). 전 과정은 공기 중의 이산화탄소에 의한 탄산 이온(CO32 -) 생성을 방지하기 위하여 질소 분위기하에서 진행하였다.50 to 2500 bp double-stranded herring gene (Herring testis DNA) was mixed in a weight ratio of 1: 1 to the exfoliated LDH colloidal solution in Example 1-1, and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of the reaction, the centrifuge was separated and the excess gene was completely removed by washing to obtain a core-cell gene-bilayer hydroxide nanocomposite (FIG. 2A). The whole process is a carbonate ion (CO3 2 -) according to the carbon dioxide in the air it was carried out in a nitrogen atmosphere in order to prevent the generation.

<< 실시예Example 2> 형광체가 부착된 유전자가 캡슐화된 나노복합체 합성 2> Synthesis of Nanocomposite Encapsulated Gene with Phosphor

<2-1> 광학 유전자 코드화<2-1> Optical Gene Coding

녹색 형광체인 시아닌 3가 부착되고, 35 bp 길이의 서열번호 1[5'-(Cy3)ATT CGG ACG CTC ATC ATT CTG GTG TGG CTG CTG GC-3']로 기재되는 단일가닥 광학 유전자(Cy3-A); 및 적색 형광체인 시아닌 5가 부착되고, 서열번호 1에 상보적인, 서열번호 2[5'-(Cy5)GCC AGC AGC CAC ACC AGA ATG ATG AGC GTC CGA AT-3']로 기재되는 단일가닥 광학 유전자(Cy5-B)를 디자인한 후, 상기 단일가닥 광학 유전자를 Integrated DNA Technologies(미국)에 의뢰하여 합성하였다. 이때, 각각의 단일가닥 광학 유전자는 헤어핀 루프(Hairpin loops)나 자가 이량체(Self dimer)가 형성되지 않도록 제조되었다. 단일가닥 광학 유전자를 각각 STE 버퍼(10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 50 nM NaCl, 1 mM EDTA)에 용해시켜 같은 농도로 섞은 후, 94℃에서 2분간 가열한 후 상온에서 천천히 식힘으로써 이중가닥의 광학 유전자로 합성되었다.Single stranded optical gene (Cy3-A) attached with a green phosphor, cyanine 3, described by SEQ ID NO: 1 [5 '-(Cy3) ATT CGG ACG CTC ATC ATT CTG GTG TGG CTG CTG GC-3'], 35 bp in length ); And a single-stranded optical gene described by SEQ ID NO: 2 [5 ′-(Cy5) GCC AGC AGC CAC ACC AGA ATG ATG AGC GTC CGA AT-3 ′], to which the red phosphor cyanine 5 is attached and complementary to SEQ ID NO: 1 After designing (Cy5-B), the single-stranded optical gene was synthesized by requesting Integrated DNA Technologies (USA). At this time, each single-stranded optical gene was prepared such that hairpin loops or self dimers were not formed. Single-stranded optical genes were dissolved in STE buffer (10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 50 nM NaCl, 1 mM EDTA), mixed at the same concentration, heated at 94 ° C for 2 minutes, and then cooled slowly at room temperature. Was synthesized with the optical gene.

<2-2> 광학 유전자-<2-2> optical gene LDHLDH 나노복합체 합성 Nanocomposite Synthesis

실시예 2-1에서 준비한 광학 유전자 용액에 박리화된 LDH 콜로이드 용액을 첨가한 후(질량비=0.5~1.5, 부비피=1~2), 15℃에서 1시간 동안 교반시켜 나노하이브리드 식별자인 광학 유전자 무기캡슐을 합성하였다(도 2b). 전 과정은 공기 중 의 이산화탄소에 의한 탄산 이온(CO3 2 -) 생성을 방지하기 위하여 질소 분위기하에서 진행되었다.After the exfoliated LDH colloidal solution was added to the optical gene solution prepared in Example 2-1 (mass ratio = 0.5 to 1.5, boolean = 1 to 2), the resultant was stirred at 15 ° C for 1 hour for the optical gene as a nanohybrid identifier. Inorganic capsules were synthesized (FIG. 2B). The whole process was carried out under a nitrogen atmosphere to prevent the formation of carbonate ions (CO 3 2 ) by carbon dioxide in the air.

<< 실시예Example 3> 나노복합체의 특징 확인 3> Characterization of Nanocomposites

<3-1> X 선 <3-1> X-ray 회절diffraction 분석 analysis

상기 실시예 1 및 2에서 제조한 LDH 및 유전자-LDH 나노복합체의 결정 구조를 확인하기 위하여 X 선 회절(Rigaku, D/Max 2200, 일본) 분석을 수행하였다.X-ray diffraction (Rigaku, D / Max 2200, Japan) analysis was performed to confirm the crystal structure of the LDH and gene-LDH nanocomposites prepared in Examples 1 and 2.

그 결과, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 LDH의 층간 간격은 0.79 ㎚로 질산 이온(NO3)이 삽입되어 있는 전형적인 구조임을 확인하였고, 상기 유전자-LDH 나노복합체는 2θ<15°인 저각에서의 회절이 없으므로, 더 이상 다층상 구조의 나노복합체가 아닌 무정형 구조의 유전자-LDH 나노복합체임을 알 수 있었다.As a result, as shown in FIG. 3, the interlayer spacing of LDH was 0.79 nm, and it was confirmed that the nitrate ion (NO 3 ) is a typical structure, and the gene-LDH nanocomposite has a low angle of 2θ <15 °. Since there is no diffraction, it can be seen that the gene-LDH nanocomposite has an amorphous structure instead of the nanocomposite of the multi-layered structure.

<3-2> 투과 전자 현미경 분석<3-2> transmission electron microscope analysis

상기 실시예 1 및 2에서 제조한 LDH 및 유전자-LDH 나노복합체의 형상 및 결정 구조를 미세하게 확인하기 위하여 투과 전자 현미경(JEOL JEM-2000EXII, 일본) 분석을 수행하였다. 각각의 시편은 에폭시 수지에 고정하여 50 ㎚ 두께로 절단하여 염색 과정 없이 관찰하였다.Transmission electron microscopy (JEOL JEM-2000EXII, Japan) analysis was performed to finely check the shape and crystal structure of the LDH and gene-LDH nanocomposites prepared in Examples 1 and 2. Each specimen was fixed to epoxy resin, cut to 50 nm thickness, and observed without staining.

그 결과, 상기 LDH는 약 100 ㎚의 균일한 크기의 육각 형상의 입자이며, 층간 간격 약 0.8 ㎚로 질산 이온(NO3)이 삽입되어 있는 구조임을 확인하였다(도 4a).As a result, it was confirmed that the LDH was a hexagonal particle having a uniform size of about 100 nm and a structure in which nitrate ions (NO 3 ) were inserted at an interlayer spacing of about 0.8 nm (FIG. 4A).

상기 거대 유전자-LDH 나노복합체는 거대 유전자를 매우 얇게 박리화된 LDH 나노시트가 수 ㎛ 크기로 무질서하게 캡슐화함으로써, 카드집(House of card) 형태에 가까운 무정형 구조의 코어-셀 나노복합체가 형성되었음을 확인하였다(도 4b).The large gene-LDH nanocomposite is a disordered encapsulation of a very thin exfoliated LDH nanosheet in a few μm size, thereby forming a core-cell nanocomposite having an amorphous structure close to the shape of a house of card. It was confirmed (FIG. 4B).

상기 광학 유전자-LDH 나노복합체는 박리화된 LDH 나노시트가 재조합되면서 약 10 ㎚ 두께로 무기 공동을 형성하였고, 유전자가 그 안에 캡슐화된 약 150 ㎚ 크기의 완벽한 코어-셀 구조의 유전자-LDH 나노복합체임을 확인하였다(도 4c).The optical gene-LDH nanocomposite formed an inorganic cavity about 10 nm thick as the exfoliated LDH nanosheets were recombined, and the gene-LDH nanocomposite having a perfect core-cell structure of about 150 nm size in which the gene was encapsulated therein. It was confirmed that (Fig. 4c).

<< 실시예Example 4> 광학 유전자- 4> Optical Gene LDHLDH 나노복합체의 캡슐화 확인 Confirm encapsulation of nanocomposites

상기 실시예 1 및 2에서 제조한 광학 유전자, 박리화된 LDH 및 광학 유전자-LDH 나노복합체를 투과 전자 현미경 분석 및 자외선 스펙트로미터(Perkin Elmer Lambda 35, 미국)로 확인하였다.The optical genes, exfoliated LDH and optical gene-LDH nanocomposites prepared in Examples 1 and 2 were identified by transmission electron microscopy and ultraviolet spectrometer (Perkin Elmer Lambda 35, USA).

그 결과, 도 5 및 6에서 나타난 바와 같이 녹색(Cyanine 3)과 적색(Cyanine 5)의 형광체가 표지된 광학 유전자가 박리화된 LDH를 담체로 캡슐화되었음을 확인하였다.As a result, as shown in FIGS. 5 and 6, it was confirmed that the optical genes labeled with green (Cyanine 3) and red (Cyanine 5) phosphors were encapsulated with the carrier.

<< 실시예Example 5> 유전자- 5> Gene LDHLDH 나노복합체의 캡슐화인 안정성 평가 실험 Stability Evaluation Experiment of Encapsulation of Nanocomposite

상기 실시예 1 및 2에서 제조한 유전자-LDH 나노복합체 내에 보존된 상기 유전자의 안정성을 효소 처리 반응으로 검사하였다.The stability of the gene preserved in the gene-LDH nanocomposites prepared in Examples 1 and 2 was examined by an enzyme treatment reaction.

상기 유전자-LDH 나노 복합체를 TE(Tris-EDTA) 완충용액 10 ㎕에 각각 10 ㎍ 씩 분산시킨 후, DNA 분해효소인 DNase I(1000 unit) 20 ㎕와 반응 완충용액(200 mM Tris-HCl, pH 8.3, 20 mM MgCl2) 20 ㎕를 첨가하여 37℃에서 1시간 인큐베이션하였다. 이후 반응 중지 완충용액(50 mM EDTA) 20 ㎕를 첨가하여 70℃에서 10분간 인큐베이션한 후 원심 분리하여 효소와 완충용액을 제거하였다.10 μg of the gene-LDH nanocomposite was dispersed in 10 μl of TE (Tris-EDTA) buffer solution, and then 20 μl of DNAase, DNase I (1000 unit), and the reaction buffer (200 mM Tris-HCl, pH). 8.3 μl, 20 mM MgCl 2 ) was added and incubated at 37 ° C. for 1 hour. Thereafter, 20 µl of the reaction stopping buffer (50 mM EDTA) was added, incubated at 70 ° C. for 10 minutes, and centrifuged to remove the enzyme and the buffer.

효소 반응이 끝난 후에 pH 4의 염산 완충 용액에 분산시킨 후, 상온에서 5시간 동안 용해시켜 무기캡슐만을 선택적으로 분해하였다. 이후 EDTA를 처리함으로써 금속 양이온와 유전자 간의 상호작용을 최소화하여 순수한 광학 유전자만을 추출하였다. 광학 유전자의 경우, 상기 추출한 광학 유전자 5 ㎍을 뉴클레아제가 없는 혼성화 완충용액(30% 포름아마이드, 5X SSC, 0.1% SDS, poly A) 15 ㎕에 용해시킨 후, 95℃에서 5분간 가열함으로써 단일가닥 광학 유전자로 만들었다. 상기 추출된 유전자를 각각 1% 혹은 5% 아가로스 젤에서 전기영동한 후, 자외선 및 광학 이미지 분석기(Typhoon 9400, 미국)로 스캔하여 전기영동 이미지를 수득하였다.After the enzymatic reaction was dispersed in hydrochloric acid buffer solution of pH 4, and dissolved for 5 hours at room temperature to selectively decompose only inorganic capsules. EDTA was then processed to minimize the interaction between metal cations and genes, thus extracting only pure optical genes. In the case of the optical gene, 5 µg of the extracted optical gene was dissolved in 15 µl of nuclease-free hybridization buffer solution (30% formamide, 5X SSC, 0.1% SDS, poly A), followed by heating at 95 ° C for 5 minutes. Made with strand optical genes. The extracted genes were electrophoresed on 1% or 5% agarose gel, respectively, and then scanned by ultraviolet and optical image analyzer (Typhoon 9400, USA) to obtain electrophoretic images.

그 결과, 거대 유전자-LDH 나노복합체는 DNA 분해효소로부터 상기 50~2500 bp의 유전자까지 보호되는 것으로 확인되었다(도 7a).As a result, it was confirmed that the large gene-LDH nanocomposite is protected from the DNA degrading enzyme to the gene of 50 to 2500 bp (FIG. 7A).

또한, 광학 유전자-LDH 나노복합체는 DNA 분해효소로부터 35 bp의 유전자가 안정적으로 보호된 것을 자외선 이미지(도 7b의 왼쪽 패널) 및 광학 이미지에서 확인되었다(도 7b의 오른쪽 패널).In addition, it was confirmed in the ultraviolet image (left panel of FIG. 7B) and the optical image that the optical gene-LDH nanocomposite was stably protected 35 bp of gene from DNA degrading enzyme (right panel of FIG. 7B).

이를 통해 본 발명의 코어-셀 유전자-LDH 나노복합체는 길이 및 구조에 관계없이 DNA 분해 조건으로부터 유전자 및 형광체를 보호할 수 있음을 확인하였다.Through this, it was confirmed that the core-cell gene-LDH nanocomposite of the present invention can protect genes and phosphors from DNA degradation conditions regardless of length and structure.

<< 실시예Example 6> 나노하이브리드 잉크 제조 및 1차 판독 시험 6> Nanohybrid Ink Preparation and First Reading Test

실시예 2에서 제조한 나노하이브리드 식별자를 흑색 스탬프 잉크(Shachihata사, 일본)에 1중량%로 첨가하여 분산시켜 나노하이브리드 잉크를 얻었다. 순수한 스탬프 잉크와 나노하이브리드 잉크를 유리 슬라이드에 [S] 문자로 각각 날인하고, 광학 스캐너(Typhoon 9400, 미국)로 이미지를 스캔하였다.The nanohybrid identifier prepared in Example 2 was added to black stamp ink (Shachihata, Japan) at 1% by weight and dispersed to obtain a nanohybrid ink. Pure stamp inks and nanohybrid inks were stamped on the glass slides with the letter [S], respectively, and the images were scanned with an optical scanner (Typhoon 9400, USA).

그 결과, 순수한 잉크로 날인한 [S]는 형광물질을 포함하지 않았고(도 8), 나노하이브리드 잉크로 날인한 [S]는 녹색과 적색 형광체가 병합된 황색 [S] 이미지를 나타내는 것을 확인하였다(도 9). 이에, 상기 황색 [S]이미지의 검출을 통해, 나노 캡슐을 제거하지 않은 상태에서 나노하이브리드 식별자를 1차 판독할 수 있는 것을 확인하였다.As a result, it was confirmed that [S] stamped with pure ink did not contain fluorescent material (FIG. 8), and [S] stamped with nanohybrid ink showed a yellow [S] image in which green and red phosphors were merged. (FIG. 9). Thus, the detection of the yellow [S] image, it was confirmed that the nanohybrid identifier can be read first without removing the nanocapsules.

<< 실시예Example 7> 바이오센서 제작 7> Manufacture of biosensor

실시예 2의 단일가닥 광학 유전자 Cy3-A 및 Cy5-B에 각각 상보적인 염기서열을 갖고, 5' 말단에 아민이 부착된 12개의 티민을 포함하는, 47 bp 길이의 탐침 유전자 서열번호 3으로 기재되는 A' 및 서열번호 4로 기재되는 B'를 제조하였다. 유리 슬라이드 표면을 알데하이드로 개질한 후, 49 ㎟의 면적에 총 144개(가로 12 × 세로 12)의 스팟(spot)을 점적함으로써, 기존 방식과 유사한 바이오센서를 제작하였다. 이때, 하나의 스팟에는 한 종류의 탐침 유전자를 이용하였고, 상기 두 종류의 탐침 유전자의 스팟 위치를 적절히 조절함으로써, 판독된 이미지가 녹색 바탕에 적색의 ⓢ 그래픽이 되도록 디자인하였다(도 10 참조).A 47 bp long probe gene SEQ ID NO: 3 having nucleotide sequences complementary to the single-stranded optical genes Cy3-A and Cy5-B of Example 2, each comprising 12 thymines attached to an amine at the 5 'end A 'and B' described in SEQ ID NO: 4 were prepared. After modifying the glass slide surface with aldehyde, a biosensor similar to the conventional method was manufactured by dropping a total of 144 spots (12 × 12) in an area of 49 mm 2. At this time, one type of probe gene was used for one spot, and by appropriately adjusting the spot positions of the two types of probe genes, the read image was designed to have a red ⓢ graphic on a green background (see FIG. 10).

<< 실시예Example 8> 광학 유전자 코드 판독 8> Optical genetic code readout

실시예 6에서 제조한 나노하이브리드 잉크가 [S]자로 날인된 유리 슬라이드에 산성 완충 용액(pH4)을 상온에서 5시간 동안 처리한 후, EDTA를 처리함으로써 순수한 광학 유전자만을 추출하였다.After the nanohybrid ink prepared in Example 6 was treated with acid buffer solution (pH 4) at room temperature for 5 hours on a glass slide stamped with [S], only pure optical genes were extracted by treating EDTA.

상기 추출한 광학 유전자 5 ㎍을 뉴클레아제가 없는 혼성화 완충용액(30% 포름아마이드, 5X SSC, 0.1% SDS, poly A) 15 ㎕에 용해시킨 후, 95℃에서 5분간 가열함으로써 단일가닥 광학 유전자로 만들었다.5 μg of the extracted optical gene was dissolved in 15 μl of nuclease-free hybridization buffer solution (30% formamide, 5X SSC, 0.1% SDS, poly A) and heated to 95 ° C. for 5 minutes to form a single stranded optical gene. .

실시예 4에서 제조한 바이오센서에 상기 단일가닥 광학 유전자가 포함된 용액 15 ㎕를 올려서 1초 동안 혼성화 반응을 진행한 후, 곧바로 1 내지 3차 세척(1차:SSC 및 SDS; 2차:SSC 및 SDS; 3차:SSC)을 하였다. 상기 세척된 바이오센서를 건조한 뒤, 광학 스캐너(Molecular Devices GenePix 4200B, 미국)로 이미지를 스캔하였다.15 μl of the solution containing the single-stranded optical gene was added to the biosensor prepared in Example 4, followed by hybridization for 1 second, and immediately after the first to third washing (first: SSC and SDS; second: SSC). And SDS; tertiary: SSC). The washed biosensors were dried and scanned with an optical scanner (Molecular Devices GenePix 4200B, USA).

그 결과, 도 10에 나타난 바와 같이 나노하이브리드 식별자로부터 광학 유전자를 추출하여 바이오센서로 판독한 광학 이미지로 녹색 바탕에 적색의 ⓢ 그래픽을 수득함으로써, 신속·정확하게 광학 유전자 코드를 판독할 수 있었다. 이에 본 발명의 광학 유전자 코드 식별 시스템은 진위 판별 및 이력 추적 등에 있어서 접근성이 높은 식별 시스템으로 구축될 수 있다.As a result, as shown in FIG. 10, an optical gene was extracted from the nanohybrid identifier and a red ⓢ graphic was obtained on a green background with an optical image read by a biosensor, thereby enabling the optical gene code to be read quickly and accurately. Accordingly, the optical genetic code identification system of the present invention can be constructed as a highly accessible identification system in authenticity determination and history tracking.

도 1은 본 발명의 전체적인 과정을 보여주는 흐름도이다.1 is a flowchart showing the overall process of the present invention.

도 2는 본 발명의 유전자-LDH 나노복합체의 형성 구조를 예측한 도식도이다:2 is a schematic diagram of the formation structure of the gene-LDH nanocomposite of the present invention:

a: 거대 유전자-LDH 나노복합체; 및,a: macrogene-LDH nanocomposite; And,

b: 광학 유전자-LDH 나노복합체.b: optical gene-LDH nanocomposite.

도 3은 유전자-LDH 나노 복합체의 X선 회절도를 나타낸 도이다:Figure 3 is an X-ray diffractogram of the gene-LDH nanocomposite:

a: LDH;a: LDH;

b: 거대 유전자-LDH 나노복합체; 및,b: macrogene-LDH nanocomposites; And,

c: 광학 유전자-LDH 나노복합체.c: optical gene-LDH nanocomposite.

도 4는 유전자-LDH 나노 복합체의 투과 전자 현미경 이미지를 나타낸 도이다:4 shows a transmission electron microscope image of a gene-LDH nanocomposite:

[왼쪽 패널: 표면분석(morphology), 오른쪽 패널: 내부 구조 분석(cross-section)][Left panel: morphology, right panel: cross-section analysis]

a: LDH;a: LDH;

b: 거대 유전자-LDH 나노복합체; 및,b: macrogene-LDH nanocomposites; And,

c: 광학 유전자-LDH 나노복합체.c: optical gene-LDH nanocomposite.

도 5는 광학 유전자-LDH 나노복합체의 투과 전자 현미경 이미지를 나타낸 도이다:5 shows transmission electron microscopy images of optical gene-LDH nanocomposites:

a: 광학 유전자;a: optical gene;

b: 박리화된 LDH; 및,b: exfoliated LDH; And,

c: 광학 유전자-LDH 나노하이브리드 무기캡슐.c: optical gene-LDH nanohybrid inorganic capsule.

도 6은 광학 유전자-LDH 나노복합체의 자외선 스펙트럼 결과를 나타낸 도이다:6 is a diagram showing the ultraviolet spectrum results of the optical gene-LDH nanocomposites:

a: 광학 유전자;a: optical gene;

b: 박리화된 LDH; 및,b: exfoliated LDH; And,

c: 광학 유전자-LDH 나노하이브리드 무기캡슐.c: optical gene-LDH nanohybrid inorganic capsule.

도 7은 유전자-LDH 나노 복합체의 효소에 대한 안정성 평가 결과를 나타낸 전기영동 이미지이다:Figure 7 is an electrophoretic image showing the results of the stability evaluation for the enzyme of the gene-LDH nanocomposite:

a: 거대 유전자-LDH 나노복합체; 및,a: macrogene-LDH nanocomposite; And,

b: 광학 유전자-LDH 나노복합체.b: optical gene-LDH nanocomposite.

도 8은 순수한 잉크로 날인한 [S]의 이미지이다:8 is an image of [S] stamped with pure ink:

a: 사진; 및,a: photo; And,

b: 광학 이미지.b: optical image.

도 9는 광학 유전자-LDH 나노복합체가 첨가된 나노하이브리드 잉크로 날인한 [S]의 이미지이다:9 is an image of [S] stamped with nanohybrid ink to which optical gene-LDH nanocomposites were added:

a: 사진; 및,a: photo; And,

b: 광학 이미지.b: optical image.

도 10은 본 발명의 광학 유전자 코드 식별 시스템으로 광학 유전자 코드를 판독한 결과를 나타낸 도이다.10 is a diagram showing the results of reading the optical gene code with the optical gene code identification system of the present invention.

<110> Ewha University-Industry Collaboration Foundation <120> Nanohybrid-driven Optical DNA Identification System <130> 9P-02-27 <160> 4 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 35 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Cy3-A <400> 1 attcggacgc tcatcattct ggtgtggctg ctggc 35 <210> 2 <211> 35 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Cy5-B <400> 2 gccagcagcc acaccagaat gatgagcgtc cgaat 35 <210> 3 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> A' <400> 3 tttttttttt ttgccagcag ccacaccaga atgatgagcg tccgaat 47 <210> 4 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> B' <400> 4 tttttttttt ttattcggac gctcatcatt ctggtgtggc tgctggc 47 <110> Ewha University-Industry Collaboration Foundation <120> Nanohybrid-driven Optical DNA Identification System <130> 9P-02-27 <160> 4 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 35 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Cy3-A <400> 1 attcggacgc tcatcattct ggtgtggctg ctggc 35 <210> 2 <211> 35 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Cy5-B <400> 2 gccagcagcc acaccagaat gatgagcgtc cgaat 35 <210> 3 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> A ' <400> 3 tttttttttt ttgccagcag ccacaccaga atgatgagcg tccgaat 47 <210> 4 <211> 47 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> B ' <400> 4 tttttttttt ttattcggac gctcatcatt ctggtgtggc tgctggc 47  

Claims (18)

i) 셀(shell)로서, 양이온성 층전하를 띄는 박리화된 금속 이중층 수산화물(LDH: Layered Double Hydroxide); 및, i) As a shell, a peeled metal double layer hydroxide (LDH) with a cationic layer charge; And, ii) 코어(core)로서, 1차 형광체가 표지된 센스 단일가닥 광학 유전자 및 상기 센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열을 갖고, 상기 1차 형광체와 다른 형광 특성을 갖는 2차 형광체가 표지된 안티센스 단일가닥 광학 유전자가 상보적으로 결합하여 형성된 이중가닥 광학 유전자;ii) a core having a sense single-stranded optical gene labeled with a primary phosphor and a nucleotide sequence complementary to the sense single-stranded optical gene, and labeled with a secondary phosphor having a different fluorescence property than the primary phosphor Double-stranded optical genes formed by complementary binding of antisense single-stranded optical genes; 로 구성된 캡슐형 나노복합체를 포함하는 광학 유전자 코드 식별용 조성물.Optical genetic code identification composition comprising a capsule-type nanocomposite consisting of. 제 1항에 있어서, 상기 광학 유전자 코드 식별은 보안, 상품식별, 진위판별, 이력추적 및 위조복제방지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 조성물.The composition of claim 1, wherein the optical genetic code identification is any one selected from the group consisting of security, product identification, authenticity determination, traceability, and counterfeiting. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 형광체는 CYTM Dyes, Fluorescein, Alexa Flur, Bodipy, CAL FluorDyes, Oregon Green Dyes, OysterDyes, Rhodamine Dyes, TAMRATM Dyes 및 WellRED Dyes로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 형광체인 것을 특징으로 하는 조성물.The method of claim 1, wherein the phosphor is an organic phosphor selected from the group consisting of CY TM Dyes, Fluorescein, Alexa Flur, Bodipy, CAL FluorDyes, Oregon Green Dyes, OysterDyes, Rhodamine Dyes, TAMRA TM Dyes and WellRED Dyes. Composition. 제 1항에 있어서, 상기 형광체는 금 나노입자, ZnS, CdSe, CdTe 및 CdS로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 형광체인 것을 특징으로 하는 조성물.The composition of claim 1, wherein the phosphor is an inorganic phosphor selected from the group consisting of gold nanoparticles, ZnS, CdSe, CdTe, and CdS. 제 1항에 있어서, 상기 유전자는 10 내지 1500 bp 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 조성물.The composition of claim 1, wherein the gene has a length of 10 to 1500 bp. 제 1항에 있어서, 상기 유전자는 플라스미드(Plasmid) DNA, 엔지니어드(Engineered) DNA, RNA 및 PNP(Peptide Nucleic Acid)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.The composition of claim 1, wherein the gene comprises Plasmid DNA, Engineered DNA, RNA, and Peptide Nucleic Acid (PNP). 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 박리화된 금속 이중층 수산화물(LDH)은 하기 화학식 1의 층상형 금속 이중층 수산화물(LDH)을 전구체(pristine)로 하며,The method of claim 1, wherein the exfoliated metal double layer hydroxide (LDH) is a precursor of the layered metal double layer hydroxide (LDH) of the formula (1), [화학식 1][Formula 1] [M2+ (1-x)N3+x(OH)2][An-]zㆍyH2O[M 2+ (1-x) N 3 + x ( OH ) 2] [ A n-] z yH 2 O (상기 화학식 1에서,(In the formula 1, M2+는 2가 금속 양이온이고,M 2+ is a divalent metal cation, N3+는 3가 금속 양이온이며,N 3+ is a trivalent metal cation, 상기 A는 음이온계 게스트(Guest) 화학종이며,A is an anionic guest species, n은 A의 음이온의 전하수이며,n is the number of charges of the anion of A, x는 0.1 초과 0.4 미만의 수이며,x is a number greater than 0.1 and less than 0.4, z와 y는 0을 초과하는 양수이다).z and y are positive numbers greater than zero). M은 마그네슘(Mg2+), 니켈(Ni2+), 구리(Cu2+) 및 아연(Zn2+)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것,M is any one selected from the group consisting of magnesium (Mg 2+ ), nickel (Ni 2+ ), copper (Cu 2+ ) and zinc (Zn 2+ ), N은 알루미늄(Al3+), 철(Fe3+), 바나듐(V3+), 티타늄(Ti3+) 및 갈륨(Ga3+)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 조성물.N is any one selected from the group consisting of aluminum (Al 3+ ), iron (Fe 3+ ), vanadium (V 3+ ), titanium (Ti 3+ ) and gallium (Ga 3+ ). . 제 1항에 있어서, 상기 광학 유전자의 염기서열과 형광체 사이에 스페이서를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 조성물.The composition of claim 1, further comprising a spacer between the nucleotide sequence of the optical gene and the phosphor. 제 1항의 조성물 및 도료를 포함하는 광학 유전자 코드 식별 시스템용 잉크 조성물.An ink composition for an optical genetic code identification system, comprising the composition of claim 1 and a paint. 제 12항에 있어서, 도료는 위·변조 방지용 특수 잉크, 상용의 잉크, 안료, 염료 및 페인트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 잉크 조성물.The ink composition according to claim 12, wherein the coating material is selected from the group consisting of special inks for preventing forgery and alteration, commercial inks, pigments, dyes and paints. 제 1항의 조성물이 포함된 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨.Label for an optical genetic code identification system comprising the composition of claim 1. 제 14항에 있어서, 상기 조성물은 라벨에 도포되거나, 라벨 제조시 첨가되거나, 라벨에 인쇄되어 포함되는 것을 특징으로 하는 라벨.The label of claim 14, wherein the composition is included on the label, added to the label, or printed on the label. (i) 제 1항에 기재된 센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열이 순차적으로 연결된 안티센스 단일가닥 유전자 프로브; 또는,(i) an antisense single stranded gene probe sequentially linked to a base sequence complementary to the sense single stranded optical gene according to claim 1; or, (ii) 제 1항에 기재된 안티센스 단일가닥 광학 유전자에 상보적인 염기서열이 순차적으로 연결된 센스 단일가닥 유전자 프로브;(ii) a sense single-stranded gene probe in which sequential sequences complementary to the antisense single-stranded optical gene according to claim 1 are sequentially connected; 가 고형기질에 점적된, 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서.Biosensor for optical genetic code identification, in which the chemical is deposited on a solid substrate. 1) 제 14항의 광학 유전자 코드 식별 시스템용 라벨의 형광을 검출하는 단계;1) detecting fluorescence of the label for the optical genetic code identification system of claim 14; 2) 형광이 검출되지 않으면 위조로 판정하고, 형광이 검출된 경우에는 상기 라벨에 산성용액을 처리하여 박리화된 금속 이중층 수산화물로 형성된 캡슐을 분해하는 단계;2) if the fluorescence is not detected, it is determined as a forgery; if fluorescence is detected, treating the label with an acidic solution to decompose the capsule formed of the exfoliated metal double layer hydroxide; 3) 캡슐이 분해된 라벨로부터 광학 유전자만을 추출하는 단계;3) extracting only the optical gene from the label in which the capsule was digested; 4) 추출된 광학 유전자를 변성시킨 후, 제 16항의 바이오센서와 혼성화하는 단계;4) denaturing the extracted optical gene, and hybridizing with the biosensor of claim 16; 5) 상기 혼성화된 바이오센서를 세척하여 결합하지 않은 광학 유전자를 제거하는 단계;5) washing the hybridized biosensor to remove unbound optical genes; 6) 상기 세척된 바이오센서를 건조한 후, 광학 이미지를 검출하는 단계; 및,6) after drying the washed biosensor, detecting an optical image; And, 7) 상기 단계 6)에서 검출된 광학 이미지가 위조 또는 정품인지를 판별하는 단계를 포함하는, 제 16항의 광학 유전자 코드 식별용 바이오센서를 이용한 코드 식별 방법.7) Code identification method using the biosensor for identifying the optical genetic code of claim 16, comprising the step of determining whether the optical image detected in step 6) is forgery or genuine. 제 17항에 있어서, 단계 3) 광학 유전자 추출은 금속 양이온의 킬레이트를 형성하는 EDTA를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein step 3) optical gene extraction is performed by adding EDTA to form chelates of metal cations.
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