KR101090982B1 - Bioanalysis using quantum dot-aptamer conjugate - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양자점-앱타머 접합체(quantum dot-aptamer conjugate)를 이용하는 새로운 생화학적 분석 방법을 제공한다. 본 발명의 분석 방법은 DNA, RNA, 단백질, 펩티드 또는 소분자와 같은 타겟에 대한 앱타머와 양자점의 접합체를 이용하여 타겟을 확인할 수 있도록 한다. The present invention provides a new method of biochemical analysis using quantum dot-aptamer conjugates. The analytical method of the present invention allows the identification of targets using conjugates of aptamers and quantum dots to targets such as DNA, RNA, proteins, peptides or small molecules.

양자점, 앱타머, 양자점-앱타머 접합체 Quantum Dots, Aptamers, Quantum Dot-Aptamer Conjugates

Description

양자점-앱타머 접합체를 이용한 생분석 방법{Bioanalysis using quantum dot-aptamer conjugate}Bioanalysis using quantum dot-aptamer conjugates

본 발명은 양자점과 앱타머의 접합체를 이용한 새로운 생분석 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기존의 주요 생화학, 분자생물학적 분석 방법이었던 서던, 노던, 및 웨스턴 블롯팅을 대체할 수 있는, 양자점-앱타머 접합체(quantum dot-aptamer conjugate)를 이용한 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a new bioanalytical method using conjugates of quantum dots and aptamers. More specifically, the present invention relates to an analytical method using a quantum dot-aptamer conjugate, which can replace Southern, Northern, and Western blotting, which have been the main biochemical and molecular biological analysis methods. .

앱타머(aptamer)는 DNA, RNA, 소 분자, 펩티드, 및 단백질에 결합할 수 있는 비-천연 발생의 구조화된 올리고뉴클레오티드이다. 일반적으로, 앱타머는 셀렉스(SELEX)(systematic evolution of ligands by exponential enrichment)로 불리는 인 비트로(in vitro) 선택 과정에 의해 생성된다. 세포 표면에 존재하는 단백질에 높은 친화성으로 결합하는 앱타머는 치료 안타고니스트, 아고니스트, 및 진단 제제로서 잠재적인 유용성을 가진다. 표적 단백질이 적절하게 접혀지기 위하여 세포막 또는 공-수용체(co-receptor)의 존재를 요구하는 경우, 정제된 가용성 단백질 표적으로 셀렉스 실험을 프로그램하는 것이 어렵거나 불가능하였다. 그러나, 셀렉스의 유용한 범위가 가용성 단백질의 비교적 간단한 정제된 형태에서 막 제제중의 단백질의 복잡한 혼합물 또는 살아 있는 세포의 표면상에서의 인 시추(in situ)의 단백질 혼합물로 확장된 최근의 진전은 이전에는 추적이 불가능하였던 타겟에 대한 앱타머를 발견하는 것이 가능하도록 한다. 또한, 복잡한 단백질 혼합물에 앱타머 선택 기술을 적용하는 것은 심지어 타겟에 대한 상세한 지식과 특성규명이 없이도 가능하다. 복잡한 타겟 셀렉스는 세포 분화의 수용체와 마커를 비롯한 다양한 세포-표면 단백질 뿐만 아니라 병원성 유기체에서 질병의 결정인자에 대한 강력하고 선택적인 앱타머의 분리를 가능하게 하였으며 따라서 광범위한 치료 및 진단적 유용성을 갖는다.Aptamers are non-naturally occurring structured oligonucleotides that can bind DNA, RNA, small molecules, peptides, and proteins. In general, aptamers are produced by an in vitro selection process called systemic evolution of ligands by exponential enrichment (SELEX). Aptamers that bind with high affinity to proteins present on the cell surface have potential utility as therapeutic antagonists, agonists, and diagnostic agents. If the target protein required the presence of a cell membrane or co-receptor to properly fold, it was difficult or impossible to program the Cellex experiment with purified soluble protein targets. However, recent advances in the useful range of Selex have been extended from relatively simple purified forms of soluble proteins to complex mixtures of proteins in membrane preparations or protein mixtures in situ on the surface of living cells. It makes it possible to discover aptamers for targets that could not be tracked. In addition, applying aptamer selection techniques to complex protein mixtures is possible even without detailed knowledge and characterization of the target. Complex target Selex has enabled the isolation of potent and selective aptamers for disease determinants in pathogenic organisms as well as a variety of cell-surface proteins, including receptors and markers of cell differentiation, and thus have extensive therapeutic and diagnostic utility.

한편, 양자점(quantum dot)(QD)은 반도체성 나노입자로서, 외부 빛 에너지에 의한 감쇠 효과가 적고, 높은 양자 효율을 가지고 있어서 측정 감도를 향상시킬 수 있으며, 광안정성, 좁은 방출 밴드, 넓은 여기(excitation) 스펙트럼, 및 부위-특이적 타겟팅을 가능하게 하는 다양한 작용화에 대한 접근성을 비롯한, 그들의 독특한 광학적 이점으로 인하여 생물분자 라벨링을 위한 유용하고 선택적인 재료가 되어 왔다. 이들 양자점의 광-물리적 특성은 종래에 이용되던 형광적 유기 염료에 비하여 큰 이점을 제공한다.On the other hand, the quantum dot (QD) is a semiconducting nanoparticle, has a low attenuation effect due to external light energy, has a high quantum efficiency, and thus improves measurement sensitivity. Their unique optical advantages, including excitation spectra and access to various functionalizations to enable site-specific targeting, have been useful and selective materials for biomolecular labeling. The photo-physical properties of these quantum dots provide great advantages over the fluorescent organic dyes conventionally used.

한편, 서던(Southern), 노던(Nothern), 및 웨스턴(Western) 블롯팅(blotting) 분석은 각각 특정 DNA, RNA 및 단백질의 검출 및 정량을 위한 생물학적 연구에서 가장 자주 이용되며 없어서는 안되는 방법들로서, 확인하고자 하는 대 상에 대한 선택적인 결합을 하는 DNA, RNA 및 항체를 각각 이용하여 결합체의 형성을 확인한다.Southern, Northern, and Western blotting assays, on the other hand, are the most frequently used and indispensable methods in biological research for the detection and quantification of specific DNA, RNA and proteins, respectively. Confirm the formation of the conjugates using DNA, RNA and antibodies, each of which selectively binds to the intended target.

본 발명자들은 상기와 같은 그들의 독특한 광학적 이점으로 인하여 생물분자 라벨링을 위한 유용하고 선택적인 재료로서 주목받고 있는 양자점과 앱타머를 결합시킨 접합체를 이용하여, 기존의 서던, 노던, 및 웨스턴 블롯팅 분석 방법을 대체하여 보다 빠르고 효과적으로 생화학적 및 분자생물학적 분석을 가능하게 하는 새로운 분석방법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have used conventional Southern, Northern, and Western blotting analysis methods using conjugates that combine quantum dots and aptamers, which are attracting attention as useful and selective materials for biomolecular labeling because of their unique optical advantages. The present invention has been completed by developing a new analysis method that enables faster and more effective biochemical and molecular biological analysis.

본 발명은 서던, 노던, 및 웨스턴 블롯팅 분석 방법을 대체할 수 있는 새로운 생분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 양자점-앱타머 접합체를 이용하는 새로운 생화학적 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention aims to provide a new bioanalytical method that can replace the Southern, Northern, and Western blotting assay methods. More specifically, the present invention aims to provide a new method of biochemical analysis using quantum dot-aptamer conjugates.

본 발명은 양자점-앱타머 접합체(quantum dot-aptamer conjugate)를 이용하는 새로운 생화학적 분석 방법을 제공한다. 본 발명의 분석 방법은 DNA, RNA, 단백질, 펩티드 또는 소분자와 같은 타겟에 결합하는 앱타머와 양자점의 접합체를 이용하여 타겟을 확인할 수 있도록 한다.The present invention provides a new method of biochemical analysis using quantum dot-aptamer conjugates. The analytical method of the present invention enables the identification of targets using conjugates of aptamers and quantum dots that bind to targets such as DNA, RNA, proteins, peptides or small molecules.

보다 구체적으로, 본 발명은More specifically, the present invention

i) 양자점을 제조하는 단계, i) manufacturing a quantum dot,

ii) 확인하고자 하는 타겟에 결합하는 앱타머를 제조하는 단계,ii) preparing an aptamer that binds to the target to be identified,

iii) 양자점-앱타머 접합체를 제조하는 단계,iii) preparing a quantum dot-aptamer conjugate,

iv) 타겟을 포함하는 혼합물을 젤 전기영동에 의해 분리하고 중합체 막으로 옮기는 단계,iv) separating the mixture comprising the target by gel electrophoresis and transferring to a polymer membrane,

v) iii) 단계에서 제조한 양자점-앱타머 접합체를 중합체 막에 첨가하여 혼성체화하는 단계, 및 v) hybridization by adding the quantum dot-aptamer conjugate prepared in step iii) to the polymer membrane, and

vi) 이미징(imaging) 분석에 의해 혼성체를 확인하는 단계vi) identifying hybrids by imaging analysis

를 포함하는, 양자점-앱타머 접합체를 이용하는 생분석 방법을 제공한다.It provides a bioanalytical method using a quantum dot-aptamer conjugate.

본 발명 방법에 대한 상세한 설명에 앞서, 종래에 사용되던 분석 방법인 서던 블롯팅, 노던 블롯팅 및 웨스턴 블롯팅을 간단히 살펴보면, 먼저, 서던 블롯팅은 젤 전기영동에 의해 분리된 DNA 혼합물에서 특정 DNA의 존재 여부를 확인하기 위해, 젤에서 니트로셀룰로오스 막으로 옮긴 후, DNA 조각들의 위치가 보전된 니트로셀룰로오스 막 위에 32P로 표지된 단일 가닥의 DNA 탐침과 혼성체화한다. 이 탐침은 상보적인 순서를 가진 DNA 조각과 혼성체화하게 되며, 그 다음에 자동방사선사진법에 의해 탐침의 염기 순서에 상보적인 염기 순서를 가진 DNA 조각의 위치를 확인할 수 있다.Prior to the detailed description of the method of the present invention, a brief review of conventional analytical methods such as Southern blotting, Northern blotting and Western blotting, first, Southern blotting is performed by a specific DNA in a DNA mixture separated by gel electrophoresis. To confirm the presence of, transfer from the gel to the nitrocellulose membrane and hybridize with a single strand of DNA probe labeled 32 P on the preserved nitrocellulose membrane. The probe hybridizes to the DNA sequence with the complementary sequence, which can then be identified by autoradiography to locate the DNA fragment with the base sequence complementary to the base sequence of the probe.

노던 블롯팅은 특정 염기 서열을 가지는 RNA의 존재를 확인하기 위한 서던 블롯팅의 응용법으로서, 젤 전기영동법으로 RNA 분자들을 분리한 후, 그들을 니트로셀룰로오스 막으로 옮긴 뒤에 상보적인 서열을 가진 탐침과 혼성체화함으로써 특정 RNA를 확인할 수 있다.Northern blotting is an application of Southern blotting to confirm the presence of RNA with a specific base sequence. Hybridization of the RNA molecules by gel electrophoresis, transfer them to nitrocellulose membranes, and hybridization with probes with complementary sequences Specific RNA can be identified by doing so.

웨스턴 블롯팅은 특이적 항체를 사용하여 특정한 단백질을 검출하는 면역분석법으로서, 단백질 혼합물을 젤 전기영동법으로 분리한 후, 니트로셀룰로오스 또는 폴리비닐리덴 다이플루오라이드(PVDF)와 같은 중합체 막으로 옮기고, 관심 단백질에 특이적인 항체를 중합체 막에다 첨가하여 관심 단백질과 반응하게 한다. 막 위에 형성된 단백질-항체 복합체는 이어서 첫 번째 항체에 특이한 방사선 표지를 가진 두 번째 항체로 막을 세척함으로써 첫 번째 항체와 복합체를 형성하게 한 후, 자동방사선사진법으로 그 위치를 확인함으로써 관심 단백질을 확인하게 된다.Western blotting is an immunoassay that detects specific proteins using specific antibodies, wherein the protein mixture is separated by gel electrophoresis and then transferred to a polymer membrane such as nitrocellulose or polyvinylidene difluoride (PVDF) and Antibodies specific for the protein are added to the polymer membrane to react with the protein of interest. The protein-antibody complex formed on the membrane is then allowed to form the complex with the first antibody by washing the membrane with a second antibody with a radiolabel specific to the first antibody and then identified by its location on autoradiography to identify the protein of interest. Done.

상기와 같은 세 가지 방법은 블롯팅을 하고 자동방사선사진법을 사용하는 등의 원리상의 공통점은 있으나, DNA, RNA, 또는 단백질의 분석을 위해, 각각, 방사선 표지를 가지고 있는 DNA, RNA, 또는 항체를 이용한다는 차이점이 있다. 이에 비하여, 본 발명은 DNA, RNA, 또는 단백질 등에의 선택적인 결합체의 형성을, 방사선 표지된 DNA, RNA 또는 항체를 대신해서, 양자점-앱타머 접합체를 이용한다는 점에서 상기 기존의 분석법과 구별된다.The above three methods have a common point in principle, such as blotting and using autoradiography, but for analyzing DNA, RNA, or protein, each of which has a radiolabeled DNA, RNA, or antibody. The difference is that you use. In contrast, the present invention distinguishes the formation of selective conjugates to DNA, RNA, or proteins by using quantum dot-aptamer conjugates in place of radiolabeled DNA, RNA or antibodies. .

즉, 예를 들어, 특정 DNA의 확인을 위해, 그에 상보적인 서열을 가진 앱타머를 양자점에 접합시킨 후, 접합체를 중합체 막에 첨가하여 혼성체화하고, 이미징 시스템을 이용한 이미징 분석을 통해 확인하고자 하는 DNA의 위치를 알 수 있다. 더욱이, 특정 소분자에 대해서 선택적으로 결합하는 앱타머를 이용할 수 있으므로, 그 응용의 폭이 훨씬 광범위하다.That is, for example, in order to identify a specific DNA, an aptamer having a sequence complementary thereto is conjugated to a quantum dot, and then the conjugate is added to the polymer membrane to hybridize and confirmed through imaging analysis using an imaging system. Know the location of the DNA. Moreover, the use of aptamers that selectively bind to a particular small molecule can be used, thus the scope of the application is much broader.

또한, 특정 단백질을 확인하고자 하는 경우, 웨스턴 블롯팅은 두 가지의 항체를 필요로 하는 것에 비해서, 본 발명 방법은 그 특정 단백질에 선택적으로 결합하는 양자점-앱타머 접합체를 이용하고 양자점의 이미징 분석에 의해 단백질을 확인할 수 있으므로, 한 번의 복합체 형성으로 특정 단백질의 위치를 확인할 수 있다는 장점이 있다.In addition, when blotting requires identification of a specific protein, Western blotting requires two antibodies, whereas the method of the present invention utilizes a quantum dot-aptamer conjugate that selectively binds to that particular protein and is used for imaging analysis of quantum dots. Since the protein can be identified, there is an advantage that the position of a specific protein can be confirmed by forming a single complex.

항체는 그 생산이 용이하지 않은 경우가 많아 값이 비싸거나 구입 자체가 불가능한 경우가 많은 반면, 셀렉스라는 인비트로 선택 과정에 의해 거의 모든 단백질에 대해 선택적인 결합성을 가지는 앱타머를 만들 수 있으며, 이는 PCR이나 올리고뉴클레오티드 합성을 이용해 아주 쉽게 재생산할 수 있고, 이를 양자점에 접합 시키는 것은 그 비용과 응용력 측면에서 큰 이점을 가진다.While antibodies are often difficult to produce, they are expensive and often impossible to purchase. On the other hand, an in vitro selection process called Celex makes aptamers that selectively bind to almost any protein. It can be reproduced very easily using PCR or oligonucleotide synthesis, and conjugation to quantum dots has great advantages in terms of cost and application.

또한, 양자점은 사이즈에 따라 방사 범위가 다르므로, 예를 들면 앱타머 A는 작은 사이즈의 양자점과 접합시키고, 앱타머 B는 큰 사이즈의 양자점과 접합시켜 두 가지의 양자점-앱타머 접합체를 준비한다면, 한 번에 두가지 단백질의 존재를 확인할 수 있다.Also, since the quantum dots have different radiation ranges depending on the size, for example, if aptamer A is bonded to a small size quantum dot and aptamer B is bonded to a large size quantum dot to prepare two quantum dot-aptamer conjugates, The presence of two proteins can be confirmed at one time.

따라서, 본 발명의 분석 방법은 종래의 서던 블롯팅, 노던 블롯팅, 및 웨스턴 블롯팅에 비하여 단시간에 저비용으로 효과적으로 타겟을 확인할 수 있도록 한다.Thus, the analytical method of the present invention makes it possible to effectively identify targets in a short time and at low cost compared to conventional Southern blotting, northern blotting, and western blotting.

본 발명 방법에 있어서, 제 1 단계의 양자점의 제조는 종래의 양자점 제조 방법에 따라 CdS, ZnS, PbS, CdTe 등과 같은 나노 물질을 합성한 후, SH, -OH, -COOH, -NH2와 같은 작용기를 가지는 유기 물질로 코팅을 함으로써 이루어지거나, 또는 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich), 인비트로(Invitro) 등과 같은 화학 회사로부터 구입하여 사용할 수 있으며, 본 발명에 사용될 수 있는 양자점에는 특별한 제한은 없으며 당업자가 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.In the method of the present invention, the preparation of the quantum dots of the first step is synthesized nanomaterials such as CdS, ZnS, PbS, CdTe, etc. according to the conventional quantum dot manufacturing method, and then, such as SH, -OH, -COOH, -NH 2 It is made by coating with an organic material having a functional group, or may be purchased from a chemical company such as Sigma-Aldrich, Invitro, etc., and there is no particular limitation on the quantum dots that can be used in the present invention. Those skilled in the art can appropriately select and use.

본 발명 방법의 제 2 단계의 앱타머의 제조는 일반적인 앱타머의 제조 방법에 따라, 확인하고자 하는 타겟에 대해 선택적이고 높은 결합력을 가지는 올리고뉴클레오티드의 서열을 결정하여 합성한 후, 올리고뉴클레오티드의 5' 말단이나 3' 말단을 양자점 부분의 작용기에 공유적으로 결합할 수 있도록, -SH, -COOH, -OH 또는 -NH2로 변형을 시킴으로써 이루어질 수 있다.Preparation of the aptamer of the second step of the method of the present invention, according to the general aptamer production method, after determining and synthesizing the sequence of the oligonucleotide having a selective and high binding ability to the target to be confirmed, and then 5 ' It can be made by modifying to -SH, -COOH, -OH or -NH 2 so that the end or 3 'end can be covalently bonded to the functional group of the quantum dot portion.

확인하고자 하는 타겟이 DNA, 또는 RNA일 경우, 타겟 서열에 상보적인 서열을 갖는 DNA 또는 RNA를 앱타머로서 이용할 수 있으며, 타겟이 단백질, 펩티드, 또는 소분자인 경우에는 인비트로 선택 방법인 셀렉스(SELEX)를 이용하여 타겟에 결합하는 올리고뉴클레오티드를 선택하여 앱타머로 이용할 수 있다.If the target to be identified is DNA or RNA, DNA or RNA having a sequence complementary to the target sequence can be used as an aptamer. If the target is a protein, peptide, or small molecule, SELEX, an in vitro selection method, is used. ) Can be used as an aptamer by selecting oligonucleotides that bind to the target.

셀렉스 방법은 다양한 형태의 선택된 기능을 수행하는 단일쇄 DNA 또는 RNA 올리고뉴클레오티드를 찾기 위한 인비트로 선택 방법으로서, 셀렉스 방법에 의해 소분자, 펩타이드, 단백질 등 다양한 형태의 타겟 분자에 대해 선택적으로 인식하는 리간드(앱타머)가 발견되었다. 셀렉스 방법에 의해, 약 1015 개에 달하는 랜덤 집단의 서로 다른 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드로부터 원하는 기능을 가진 앱타머를 찾을 수 있으며, 이때 각 올리고뉴클레오티드는 고유한 삼차원 구조를 가지며, 원하는 기능(예를 들어, 타겟 분자에 대한 선택적 인식)을 가지는 올리고뉴클레오티드에 대한 반복적인 선택, 그리고 전통적인 분자생물학적인 방법에 의해 선택된 올리고뉴클레오티드의 서열을 증폭하게 된다. 이러한 반복적인 선택과 증폭 과정을 거치면서, 궁극적으로, 원하는 분자나 그 화학 과정에 대한 전이 상태(transition states)에 대해 선택적인 결합성을 가지는 올리고뉴클레오티드가 그 집단의 대부분을 차지하게 된다. 그리고 이러한 과정의 마지막에 얻어진 각 앱타머의 서열을 확인하게 된다. 이러한 셀렉스를 자동화한 키트 또한 구매가능하다(예를 들어, 바이오멕 2000 피펫팅 로봇(Biomek 2000 pipetting robot),Beckman Coulter(USA)).The Selex method is an in vitro selection method for finding single-stranded DNA or RNA oligonucleotides that perform various types of selected functions.The Selex method allows ligands that selectively recognize various types of target molecules such as small molecules, peptides, and proteins by the Selex method. Aptamer). By the Selex method, aptamers with the desired function can be found from oligonucleotides of about 10 15 random populations with different sequences, each oligonucleotide having a unique three-dimensional structure, For example, repetitive selection of oligonucleotides with selective recognition of the target molecule, and amplification of the selected oligonucleotides by traditional molecular biology methods. Through this repetitive selection and amplification process, ultimately, oligonucleotides that have a selective binding to the desired molecule or transition states to its chemical process occupy the majority of the population. The sequence of each aptamer obtained at the end of this process is identified. Kits that automate this Selex are also available (eg, Biomek 2000 pipetting robot, Beckman Coulter, USA).

앱타머는 양자점과의 커플링을 위하여 3' 말단 또는 5' 말단의 변형이 필요하며, 이러한 변형을 위해서는 고체상(solid-phase) 올리고뉴클레오티드 합성 방법이나 종래의 분자생물학 방법을 사용할 수 있다. 간단히 요약하면, 먼저, 5' 말단 이 변형된 뉴클레오시드 단위체를, 분자생물학적 방법을 위해서는 모노포스페이트 형태로, 그리고 3' 말단이나 5'말단이 변형된 고체상 합성을 위해서는 보호된 포스포아미데이트 형태로 합성한다. 이와 같은 뉴클레오시드 단위체는 시그마-알드리치, 트리링크 바이오테크놀로지스(Trilink Biotechnologies)와 같은 회사로부터 구매가능하다.Aptamers require modification at the 3 'end or 5' end for coupling with the quantum dots, and for such modifications, solid-phase oligonucleotide synthesis or conventional molecular biology methods can be used. In brief, first, the 5'-end modified nucleoside unit is in monophosphate form for molecular biological methods and the protected phosphamidate form for solid phase synthesis with 3'- or 5'-end modified. To synthesize. Such nucleoside units are commercially available from companies such as Sigma-Aldrich, Trilink Biotechnologies.

이어서, 5' 말단이 변형된 뉴클레오시드 단위체(모노포스페이트 형태)의 경우, 일반적인 전사 조건에서 올리고뉴클레오티드가 제조되며, 단, 다른 정상적인 트라이포스페이트(즉, RNA 합성의 경우, ATP, CTP, GTP, 및 UTP)에 비해 50 내지 100배 정도 많은 양의 5' 말단 변형 뉴클레오시드 단위체(모노포스페이트 형태)를 섞어준다. 이는 이러한 조건에서 5' 말단 변형 뉴클레오시드 단위체가 RNA 중간에 들어가게 되면, 트라이포스페이트가 아니라 모노포스페이트이기 때문에 더 이상의 연장 반응이 일어나지 않기 때문이다. 얻어진 혼합물 중에서 가장 긴 RNA를 분리해 내면 5' 말단이 변형된 앱타머를 분리할 수 있다.Subsequently, for nucleoside units (monophosphate forms) with modified 5 'ends, oligonucleotides are prepared under normal transcription conditions, provided that other normal triphosphates (i.e., ATP, CTP, GTP, And UTP) in an amount of 50 to 100 times as much as 5 'terminal modified nucleoside units (monophosphate form). This is because, under these conditions, when the 5 'terminal modified nucleoside unit enters the middle of the RNA, no further extension reaction occurs because it is monophosphate, not triphosphate. The longest RNA is isolated from the resulting mixture to isolate aptamers with modified 5 'ends.

3' 말단 또는 5' 말단이 변형된 보호된 포스포아미데이트 형태의 경우, 고체상 올리고뉴클레오티드 합성 방법에 의해 3' 말단 또는 5' 말단이 변형된 앱타머를 얻을 수 있다.In the case of the protected phosphoramidate form in which the 3 'end or 5' end is modified, an aptamer in which the 3 'end or 5' end is modified can be obtained by a solid-state oligonucleotide synthesis method.

본 발명에 있어서, 타겟은 그 존재를 확인하고자 하는 임의의 DNA, RNA, 단백질, 펩티드, 또는 소분자(small molecule)(예를 들어, 항생제, 호르몬, 단당류, 코카인 등) 등일 수 있으며, 그에 대한 앱타머의 확보만 가능하다면 타겟에 대한 제한은 없다. 당업계의 현재 기술 수준에서 셀렉스 등에 의해 DNA, RNA 뿐만 아니라 거의 모든 단백질과 펩티드 및 소분자에 대해 선택적인 결합성을 가지는 앱타머의 제조가 가능하므로, 사실상 본 발명의 타겟에는 제한이 없다.In the present invention, a target may be any DNA, RNA, protein, peptide, or small molecule (eg, antibiotics, hormones, monosaccharides, cocaine, etc.), etc., to be determined for its presence, and the app for it. There is no limit to the target as long as it is possible to obtain a timer. In the current state of the art it is possible to manufacture aptamers having selective binding to almost all proteins and peptides and small molecules, as well as DNA, RNA, by Selex et al. In fact, there is no limit to the target of the present invention.

본 발명 방법의 제 3 단계의 양자점과 앱타머의 접합은 일반적인 커플링 방법을 이용하여 이루어질 수 있다. 즉, -COOH와 -OH, -SH 또는 -NH2 사이의 커플링은, EDC(1-에틸-3-(3-다이메틸아미노프로필)카르보다이이미드) 또는 DCC(다이사이클로헥실카르보다이이미드)와 같은 커플링 제제를 이용한 에스테르 또는 아마이드 결합의 형성을 통해, 그리고 -SH와 -SH 사이의 커플링은 두 개의 티올기 사이의 디설파이드 결합의 형성으로 얻을 수 있다. 일반적인 방법을 간단히 요약하면, 티올 표면을 가진 양자점과 티올화된 올리고뉴클레오티드를 섞은 수용액을 헬륨 하에서 하루 정도 교반시킨 후, 용액의 NaCl 농도를 0.24 M로, 그리고 포스페이트 버퍼의 농도를 0.1 M 정도로 바꾼 후, 그 혼합물을, 0.2 M NaCl, 0.1 M 포스페이트 버퍼(pH 7.4), 0.01% 소듐 아지드 용액에 대하여 투석하면 티올화된 앱타머와 티올 표면을 가진 양자점을 커플링시킬 수 있다. 반응하지 않은 양자점을 제외한 화학물질들은 막 여과 등의 방법으로 쉽게 제거할 수 있다.Junction of the quantum dot and the aptamer of the third step of the method of the present invention can be made using a general coupling method. That is, the coupling between -COOH and -OH, -SH or -NH 2 is EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) or DCC (dicyclohexylcarbodiide). Through the formation of ester or amide bonds using a coupling agent such as mead) and the coupling between -SH and -SH can be obtained by the formation of disulfide bonds between two thiol groups. To summarize the general method, an aqueous solution of quantum dots with thiol surface and thiolated oligonucleotides is stirred under helium for about a day, then the NaCl concentration of the solution is changed to 0.24 M and the concentration of phosphate buffer is about 0.1 M. Dialysis of the mixture with 0.2 M NaCl, 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4), 0.01% sodium azide solution allows coupling of quantum dots with thiolated aptamers and thiol surfaces. Chemicals other than unreacted quantum dots can be easily removed by methods such as membrane filtration.

본 발명 방법의 제 4 단계인 타겟을 포함하는 혼합물을 젤 전기영동에 의해 분리하고 중합체 막으로 옮기는 단계는 DNA, RNA, 또는 단백질 등을 분리하고 니트 로셀룰로오스 등의 중합체 막으로 옮기는 당기술 분야의 일반적인 방법에 의해 당업자가 용이하게 실시할 수 있다. 이러한 젤 전기영동 등의 기술은 예를 들어 참고 문헌[Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press] 등에서 찾을 수 있다.Separating the mixture comprising the target, which is the fourth step of the method of the present invention, by gel electrophoresis and transferring to the polymer membrane is performed by separating the DNA, RNA, or protein, and transferring the polymer membrane into a polymer membrane such as nitrocellulose. It can be easily carried out by those skilled in the art by a general method. Such gel electrophoresis and the like are described, for example, in Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press.

본 발명 방법의 제 5 단계인, 3 단계에서 제조한 양자점-앱타머 접합체를 중합체 막에 첨가하여 혼성체화하는 단계는 일반적인 서던 블롯팅, 노던 블롯팅, 웨스턴 블롯팅 등에서 중합체 막에 있는 타겟 분자를 확인하기 위하여 DAN 탐침 또는 항체 등을 중합체 막에 첨가하여 혼성체화하는 과정과 동일하며, 예를 들어, 양자점-앱타머 접합체를 함유한 용액에 중합체 막을 일정 시간 동안 접촉시켜 접합체와 타겟 사이의 혼성체화가 일어나도록 하는 방법 등을 이용할 수 있으며, 본 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 이루어질 수 있다.Hybridization by adding the quantum dot-aptamer conjugate prepared in step 3, which is the fifth step of the method of the present invention, to the polymer membrane may be performed by using a target molecule in the polymer membrane in general Southern blotting, northern blotting, western blotting, and the like. For identification, the same process as hybridization by adding a DAN probe or an antibody to the polymer membrane, for example, hybridization between the conjugate and the target by contacting the polymer membrane with a solution containing the quantum dot-aptamer conjugate for a predetermined time. May be used, and may be easily made by those skilled in the art.

본 발명 방법의 제 6 단계인, 이미징 분석에 의해 혼성체를 확인하는 단계는 양자점의 이미징 분석에 사용되는 종래의 이미징 시스템을 이용하여 이루어질 수 있으며, 이러한 이미징 시스템의 예로는 LAS-3000 이미징 시스템(Fuji Film), Macro-이미징 시스템(Lightools Research, USA)등이 있다.Identifying hybrids by imaging analysis, a sixth step of the method of the present invention, can be accomplished using conventional imaging systems used for imaging analysis of quantum dots, an example of such an imaging system being the LAS-3000 imaging system ( Fuji Film), Macro-imaging system (Lightools Research, USA).

또한, 본 발명의 방법은 확인하고자 하는 타겟이 두 가지 이상일 경우, 각각의 타겟에 대한 앱타머에 접합되는 양자점의 크기를 상이하게 함으로써 한 번의 분 석으로 둘 이상의 타겟을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 분석 방법에 의해 한 번의 분석으로 확인할 수 있는 타겟의 수는 특별히 제한되지 않는다.In addition, the method of the present invention can identify two or more targets in one analysis by differentiating the size of the quantum dots bonded to the aptamer for each target when two or more targets to be identified. Therefore, the number of targets which can be confirmed by one analysis by the analysis method of the present invention is not particularly limited.

본 발명의 양자점-앱타머 접합체를 이용한 생분석 방법은 DNA, RNA, 단백질, 펩티드뿐만 아니라 소분자에 대한 확인도 가능하게 하며, 특정 단백질을 확인하고자 할 경우 두 가지 항체를 이용하여야 하는 번거로움 없이 양자점-앱타머 접합체만의 이용으로 단백질의 확인이 가능하며, 또한 방사 범위가 상이한 둘 이상의 양자점을 이용하여 한 번의 분석으로 두 가지 이상의 타겟을 확인할 수 있어, 그 효율 및 응용 범위에 있어서 종래의 분석 방법에 비하여 월등하다.The bioassay method using the quantum dot-aptamer conjugate of the present invention enables identification of DNA, RNA, proteins, peptides as well as small molecules, and the quantum dots without the need to use two antibodies to identify specific proteins. It is possible to identify proteins by using only aptamer conjugates, and also to identify two or more targets in one analysis using two or more quantum dots having different radiation ranges, and thus, the conventional analysis method in terms of efficiency and application range. Superior to

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is apparent to those skilled in the art that these examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1.  One. 양자점의Quantum dot 제조 Produce

양자점 나노 물질을 제조하기 위하여, 4 mL의 물과 200 mL의 n-헵탄, 14.0 g의 소듐 비스(2-에틸헥실)설포석시네이트(AOT)를 섞어 AOT/n-헵탄의 유중수 마이크로에멀젼을 준비한 후, 120 mL과 80 mL로 나누었다. 0.48 mL의 1.0 M 중금속염 용액(시그마-알드리치로부터 구입가능한 아연, 카드뮴, 갈륨, 이리듐, 납 또는 수은 AA-등급 표준 용액)을 상기에서 준비한 120 mL에 더하고, 0.32 mL의 1.0 M Na2S 용액을 상기에서 준비한 80 mL에 더하고, 두 용액을 섞었다. 헬륨 하에서 1시간 동안 교반하였다.To prepare quantum dot nanomaterials, a water-in-oil microemulsion of AOT / n-heptane was mixed with 4 mL of water and 200 mL of n-heptane, 14.0 g of sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate (AOT) After preparing, divided into 120 mL and 80 mL. 0.48 mL of 1.0 M heavy metal salt solution (Zinc, Cadmium, Gallium, Iridium, Lead, or Mercury AA-grade standard solutions available from Sigma-Aldrich) was added to 120 mL prepared above, and 0.32 mL of 1.0 M Na 2 S solution. Was added to the 80 mL prepared above, and the two solutions were mixed. Stir under helium for 1 hour.

상기와 같이 양자점 나노 물질을 얻은 후, 문헌(Bioconj. Chem. 2007, 18, 829-835)을 참조하여, 0.66 mL의 0.32 M 시스타민(cystamine)과 0.34 mL의 0.32 M 2-설파닐에탄 설폰산과 섞은 후 하루 동안 헬륨 하에서 교반을 시키고, 용매를 진공하에서 제거한 후, 피리딘, n-헵탄, 아세톤, 메탄올로 세척하여 티올 표면을 가진 양자점을 준비하였다. 그리고 5 microM의 티올화된 양자점과 45 microM의 1-에틸-3-(3-다이메틸아미노프로필)카르보다이이미드(EDC), 9 microM의 폴리(에틸렌 글리콜) (DAPEG)을 50 mM의 보레이트 버퍼(pH 8.5) 용액에 섞은 후, 2시간 동안 교반한 후, 막 여과 방법으로 반응이 일어나지 않은 EDC와 DAPEG을 제거하여 DAPEG-중합체 코팅 양자점(DAPEG-PC-QD)을 준비하였다.After obtaining the quantum dot nanomaterial as described above, referring to Bioconj. Chem. 2007, 18, 829-835, 0.66 mL of 0.32 M cystamine and 0.34 mL 0.32 M 2-sulfanylethane sulfone After mixing with acid, the mixture was stirred under helium for one day, the solvent was removed under vacuum, and then washed with pyridine, n-heptane, acetone, and methanol to prepare a quantum dot having a thiol surface. And 50 mM borate of 5 microM thiolated quantum dots, 45 microM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), 9 microM poly (ethylene glycol) (DAPEG) After mixing in a buffer (pH 8.5) solution, the mixture was stirred for 2 hours, and then DAPEG-polymer coated quantum dots (DAPEG-PC-QD) were prepared by removing EDC and DAPEG which did not occur by membrane filtration.

실시예Example 2.  2. 앱타머의Aptamer 제조 Produce

앱타머는 문헌(Nucleic Acids Research, 2003, 31, e110)을 참고하여, 히스티딘 태그(His-tag)에 선택적으로 결합하지만, 결합력이 서로 상이한 앱타머 I과 II를 준비하였다. 5' 말단이 -(CH2)5COOH로 변형된 구아닌 모노포스페이트(Mod-GMP)를 준비한 후, 전사 반응을 위해 다른 정상 뉴클레오티드의 양보다 100 배 정도 과량으로 더한 후, 일반적인 전사 방법으로 5' 말단이 변형된 앱타머를 준비하 였다.Aptamers prepared aptamers I and II which selectively bind to histidine tags, but differ in binding strength, with reference to Nucleic Acids Research, 2003, 31, e110. After preparing a guanine monophosphate (Mod-GMP) modified at 5'-end with-(CH 2 ) 5 COOH, adding 100-fold excess of the amount of other normal nucleotides for transcription reaction, and then 5 ' Aptamers with modified ends were prepared.

실시예Example 3.  3. 양자점과Quantum dots 앱타머의Aptamer 커플링 Coupling

1.5 nmol의 DAPEG-PC-QD와 13.5 nmol의 EDC, 그리고 13.5 nmol의 앱타머를 50 mM의 보레이트 버퍼(pH 8.5) 용액에 섞은 후, 2시간 동안 교반한 후, 막 여과 방법으로 반응이 일어나지 않은 EDC와 DAPEG을 제거하고 n-헵탄, 아세톤, 메탄올로 세척하여 양자점-앱타머 접합체를 준비하였다.1.5 nmol of DAPEG-PC-QD, 13.5 nmol of EDC, and 13.5 nmol of aptamer were mixed in a 50 mM solution of borate buffer (pH 8.5), stirred for 2 hours, and then no reaction occurred by membrane filtration. EDC and DAPEG were removed and washed with n-heptane, acetone and methanol to prepare a quantum dot-aptamer conjugate.

실시예 4. Example 4. 양자점Quantum dots -- 앱타머Aptamers 접합체를 이용한  With conjugate 타겟의Of target 확인 Confirm

얻어진 양자점-앱타머 접합체와 His-태그를 가지는 단백질과의 특이성과 선택성을 알아보기 위해, 한 종류의 His-태그를 가진 단백질을 가지는 이. 콜리(E. coli)를 배양하였다(J. Cell Biol. 2003, 163, 71-81 참조).In order to examine the specificity and selectivity of the obtained quantum dot-aptamer conjugate and the protein having His-tag, E. E. coli were incubated (see J. Cell Biol. 2003, 163, 71-81).

배양한 세포를 일반적인 분자생물학 방법, 즉, 세포 용해, 반복적인 원심분리, 재현탁, 및 1 mM 페닐메탄설포닐 플루오라이드를 가진 차가운 포스페이트-완충된 염수(PBS)에서의 초음파처리에 의해 얻어진 총 용해물을 12% SDS-PAGE로 분리하였다. 젤에 존재하는 단백질을 세미너리 일렉트로블롯터(seminary electroblotter)(Trans-Blot SD)를 이용하여 폴리비닐리덴 다이플루오라이드 (PVDF) 막으로 옮기고, 이 중합체 막을 블로킹 버퍼(blocking buffer) (10 mM Tris-HCl(pH 7.0)중의 5% 스킴 밀크, 0.15 M NaCl, 및 0.1% Tween 20 용액)와 상온에서 1시간 동안 항온처리 하고, 중합체 막을 10 mM Tris-HCl(pH 7.0), 0.15 M NaCl, 및 0.1% Tween 20 용액으로 세척한 후, 얻어진 중합체 막을 양자점-앱타머 접합체와 10 mM Tris-HCl(pH 7.0)중의 5% 소혈청 알부민, 0.15 M NaCl, 및 0.1% Tween 20 용액 조건에서 섞은 후 상온에서 30분간 부드럽게 흔들어준다. 그 후, 중합체 막을 10 mM Tris-HCl(pH 7.0), 0.15 M NaCl, 및 0.1% Tween 20 용액으로 세척하였다. 그리고 이미징은 LAS-3000 이미징 시스템(후지필름)을 이용하여 2초간 노출시킨 후 사진을 찍었다. 그 결과가 도 1에 나타나 있다.The cultured cells were totally obtained by general molecular biology methods, namely cell lysis, repeated centrifugation, resuspension, and sonication in cold phosphate-buffered saline (PBS) with 1 mM phenylmethanesulfonyl fluoride. Lysates were separated by 12% SDS-PAGE. Protein present in the gel is transferred to a polyvinylidene difluoride (PVDF) membrane using a semi-minor electroblotter (Trans-Blot SD) and the polymer membrane is transferred to a blocking buffer (10 mM Tris). Incubated with 5% skim milk, 0.15 M NaCl, and 0.1% Tween 20 solution in HCl (pH 7.0) at room temperature for 1 hour, the polymer membrane was 10 mM Tris-HCl (pH 7.0), 0.15 M NaCl, and After washing with 0.1% Tween 20 solution, the obtained polymer membrane was mixed at 5% bovine serum albumin, 0.15 M NaCl, and 0.1% Tween 20 solution in quantum dot-aptamer conjugate and 10 mM Tris-HCl (pH 7.0) at room temperature. Gently shake for 30 minutes at. The polymer membrane was then washed with 10 mM Tris-HCl, pH 7.0, 0.15 M NaCl, and 0.1% Tween 20 solution. Imaging was taken after exposure for two seconds using the LAS-3000 imaging system (Fujifilm). The results are shown in FIG.

도 1의 좌측은 세포 용해물의 SDS-PAGE 후 쿠마시 블루(Coomassie blue)로 염색한 사진이며, 중간의 사진은 양자점-앱타머 I 접합체로 혼성체화하여 영상화하여 얻은 사진이며, 우측의 사진은 양자점-앱타머 II 접합체로 혼성체화하여 영상화하여 얻은 사진이다. 앱타머 I을 포함하는 접합체 및 앱타머 II를 포함하는 접합체 둘 모두 500 ng의 적은 양의 His-태그를 가진 단백질도 확인할 수 있음을, 그리고 앱타머 II가 앱타머 I에 비하여 히스티딘 태그에 대해 결합력이 강함을 도 1에서 잘 확인할 수 있다.The left side of FIG. 1 is a photograph stained with Coomassie blue after SDS-PAGE of a cell lysate, and the middle photograph is a photograph obtained by hybridizing with a quantum dot-aptamer I conjugate and imaging. Pictures obtained by hybridization with quantum dot-aptamer II conjugates. Both conjugates containing aptamer I and conjugates containing aptamer II can also identify proteins with a small amount of 500-ng His-tag, and that aptamer II binds to histidine tags as compared to aptamer I. This strength can be seen well in FIG.

도 1은 양자점-앱타머 접합체를 이용한 본 발명 분석 방법에 의한 분석 결과를 보여주는 사진이다.1 is a photograph showing an analysis result by the analysis method of the present invention using a quantum dot-aptamer conjugate.

Claims (5)

i) 양자점을 제조하는 단계,i) manufacturing a quantum dot, ii) His-tag에 결합하는 앱타머를 제조하는 단계,ii) preparing an aptamer that binds to His-tag, iii) 양자점-앱타머 접합체를 제조하는 단계,iii) preparing a quantum dot-aptamer conjugate, iv) His-tag를 가진 단백질을 포함하는 혼합물을 젤 전기영동에 의해 분리하고 중합체 막으로 옮기는 단계, iv) separating the mixture comprising the protein with His-tag by gel electrophoresis and transferring to the polymer membrane, v) iii) 단계에서 제조한 양자점-앱타머 접합체를 중합체 막에 첨가하여 혼성체화하는 단계, 및 v) hybridization by adding the quantum dot-aptamer conjugate prepared in step iii) to the polymer membrane, and vi) 이미징 분석에 의해 혼성체를 확인하는 단계vi) identifying hybrids by imaging analysis 를 포함하는, 양자점-앱타머 접합체를 이용하여 His-tag를 가진 단백질을 생분석하는 방법.A method of bioanalyzing a protein having a His-tag using a quantum dot-aptamer conjugate. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 앱타머는 셀렉스(SELEX) 방법에 의해 선택되는, 양자점-앱타머 접합체를 이용하여 His-tag를 가진 단백질을 생분석하는 방법. The method of claim 1, wherein the aptamer is selected by the SELEX method using the quantum dot-aptamer conjugate to bioanalyze a protein with His-tag. 삭제delete
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