KR101159072B1 - 나노포어를 이용한 생분자의 분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구멍(pore)이 뚫린 경계면(interface)으로 분리된 서로 다른 전극(electrodes)을 갖는 제1 챔버 및 제2 챔버(chambers)를 준비하는 단계; 상기 제1 챔버에 표적 생분자와 결합된 입자(particles)와 결합되지 않은 입자를 함께 도입하는 단계; 상기 제1 챔버의 전극에 표적 생분자의 전하와 동일한 전압을 인가하고 다른 챔버의 전극에 반대의 전압을 인가하는 단계; 및 상기 제1 챔버에서 표적 생분자가 결합된 입자만을 상기 구멍을 통하여 제2 챔버로 이동시키는 단계를 포함하는 표적 생분자가 결합된 입자와 표적 생분자가 결합되지 않은 입자를 분리하는 방법에 관한 것이다.

종래에는 구멍의 크기에 의해 생분자들을 분리하였으나, 생분자를 구별할 정도로 작은 크기(~3 nm) pore를 제작하기 어려워서 생분자들이 효율적으로 분리되지 않아서 Signal separation과 data analysis가 필수적이었으나, 본 발명은 생분자의 고유 전하에 의한 Physical movement에 의해 생분자를 효율적으로 분리함으로써 높은 signal to Noise ratio를 가질 수 있으므로 더 이상의 data analysis를 필요로 하지 않는다.

Description

나노포어를 이용한 생분자의 분리방법{Method for separating biomolecules using nanopore}

도 1은 하버드 대학의 미국특허(US6362002)의 이중가닥 핵산 검출방법을 도시한 도면이다.

도 2는 캘리포니아 대학의 미국 특허(US6428959)의 이중가닥 핵산 검출방법을 도시한 도면이다.

도 3은 Saleh 등(PNAS, 100, 820- 824 (2003))의 인공 포어를 이용한 항체-항원 결합 검출 방법을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 혼성화 전후에 입자의 움직임을 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일실시예로서 입자의 종류를 다양하게 변화한 경우를 도시한 것이다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예로서 pore의 TEM 사진이고, 도 6b는 bead의 SEM 사진이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예로서 DNA 결합에 따라 비드의 전하량이 조절되어 서로 다른 전극판 사이를 이동하는 과정을 순차적으로 촬영한 사진들이다.

본 발명은 생분자의 분리 및 검출방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 나노포어(Nanopore)를 이용하여 생분자가 결합된 입자를 분리하고 검출하는 방법에 관한 것이다.

샘플내에서 표적 생분자의 결합 및 혼성화 여부를 검출하기 위해 다양한 방법이 개발되었는데, 그중에서 Nanopore를 이용한 방법은 Bio-pore mimicking system으로서 Ultra sensitive DNA detection system으로 각광을 받고 있으며, 이론적으로 염기서열의 시퀀성이 가능하다고 알려졌다.

하버드 대학의 미국특허(US6362002, 도 1 참조)는 Characterization of individual polymer molecules based on monomer-interface interactions에 관한 것으로, 두개의 푸울(pools)사이의 계면에 단일가닥 핵산은 통과할 수 있으나 이중가닥 핵산은 통과할 수 없는 채널(channel)을 만들어 이중가닥 핵산을 검출하는 방법을 개시하고 있다.

캘리포니아 대학의 미국 특허(US6428959, 도 2 참조)는 Methods of Determining the presence of double stranded nucleic acids in a sample에 관한 것으로, 유체 샘플내 핵산을 nanopore를 통과시키면서 nanopore를 통해 흐르는 current amplitude를 측정하여 amplitude의 차단(blockades)에 의해 이중가닥 핵산을 검출하는 방법을 개시하고 있다.

Saleh 등은 PNAS, 100, 820- 824 (2003)에 Direct detection of antibody- antigen binding using an on-chip artificial pore를 발표하였는데(도 3 참조), 여기서 그들은 라텍스 콜로이드의 표면에 비표지된 항체를 결합시켜 입자의 크기를 pore로 구별하는 resistive pulse method를 개시하고 있다. 이는 Bead의 사이즈가 커지는 것을 이용하여 pore에 걸리는 저항에 따른 펄스를 측정하는 것이다(bead size = 500 nm, pore size : 1 micron). 여기서는 driving force로서 pressure를 사용하였다.

그러나, 상기 종래기술들은 모두 Pore와 측정하려고 하는 물체의 size 비에 의존하여 신호를 검출하는 것으로서 정확한 물질 분리가 어려우며 반복재현성이 떨어지며, 현재 nanopore 센서가 가지고 있는 문제인 Single stranded 와 Double stranded를 구별할 만큼 작은 pore (< ~10 nm) pore 제작의 어려움을 극복할 수 없으므로, Signal separation을 위해 Signal의 높은 분해능이 필요하다. 또한, Protein이 작은 경우 또는 DNA의 경우 Sohn의 방법으로 측정할 수 없는 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, pore size에 의존하지 않고 입자에 부착된 표적 생분자의 전하량에 의해 의존하여 pore의 통과를 결정함으로써 효과적으로 생분자를 분리 및 검출할 수 있음을 확인하고, 본　발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 nanopore를 이용한 생분자의 효과적인 분리방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명의 분리방법을 이용한 높은 signal to Noise ratio를 갖는 생분자의 검출방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 구멍(pore)이 뚫린 경계면(interface)으로 분리된 서로 다른 전극(electrodes)을 갖는 제1 챔버 및 제2 챔버(chambers)를 준비하는 단계; 상기 제1 챔버에 표적 생분자와 결합된 입자(particles)와 결합되지 않은 입자를 함께 도입하는 단계; 상기 제1 챔버의 전극에 표적 생분자의 전하와 동일한 전압을 인가하고 다른 챔버의 전극에 반대의 전압을 인가하는 단계; 및 상기 제1 챔버에서 표적 생분자가 결합된 입자만을 상기 구멍을 통하여 제2 챔버로 이동시키는 단계를 포함하는 표적 생분자가 결합된 입자와 표적 생분자가 결합되지 않은 입자를 분리하는 방법을 제공한다.

본 발명의 방법에서, 상기 챔버(chamber)는 샘플 및 반응액을 담을 수 있는 한 용기(vessel)나 웰(well)을 포함하며, 상기 경계면(interface)은 상기 챔버를 나눌 수 있는 한 막(membrane)과 벽(wall)을 포함하며, 상기 구멍(pore)은 상기 챔버를 연결할 수 있는 한 채널(channel)을 포함하며, 상기 입자(particle)는 마이크로 또는 나노 크기의 부피를 갖는 한 비드(bead)를 포함하는 것으로 의미된다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 챔버의 전극에 표적 생분자의 전하와 동일한 전압을 인가하고 다른 챔버의 전극에 반대의 전압을 인가함으로써 제1 챔버내 전기적 척력과 제2 챔버와의 전기적 인력에 의해 제1 챔버에서 표적 생분자가 결합된 입자만이 상기 구멍을 통하여 제2 챔버로 이동되게 된다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 입자는 바람직하게는 중성(Neutral) 또는 제1 챔버내 전극과 반대의 전하를 띄는 것을 특징으로 한다. 왜냐하면, 표적 바이오분자가 결합하기 전에는 제1 챔버내에 유지되어야 하기 때문이다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 입자는 바이오분자가 결합될 수 있는 어떤 재질로 될 수도 있으나, 바람직하게는 유리, 금속, 폴리머, 단백질, 바이러스 및 덴드리머로 구성된 군에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 입자는 표면이 중성(Neutral) 또는 제1 챔버내 전극과 반대의 전하를 띌수 있도록 변형되거나 반응 용액의 pH를 조정할 수 있으며, 바람직하게는 상기 표적 생분자와 혼성화할 수 있는 프로브 분자가 결합되어 있을 수 있다. 상기 프로브는 표적 생분자가 핵산인 경우 올리고뉴클레오티드이고 표적 생분자가 단백질인 경우 항체일 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 표적 생분자는 전하를 띌 수 있는 어떤 생분자도 가능하나, 바람직하게는 음전하를 띄는 DNA 또는 RNA이거나 양전하 또는 음전하를 띄는 단백질 또는 펩타이드인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 단백질 또는 펩타이드는 고유전하를 이용하거나 원하는 전하를 띄도록 용액의 pH를 조정할 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 제1 챔버에 분리를 원하는 표적 생분자와 결합된 입자(particles)와 결합되지 않은 입자를 함께 외부로부터 도입할 수도 있으나, 바람직하게는 상기 제1 챔버내에서 상기 입자에 표적 생분자를 결합 또는 혼성화시키는 반응에 의해 표적 생분자와 결합된 입자와 결합되지 않 은 입자가 함께 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상기 본 발명의 분리방법을 이용하여 신호를 줄수 있는 표적 생분자가 결합된 입자만을 구멍을 통과시키면서 상기 전극들에 연결된 전류계에 의해 상기 구멍을 통해 흐르는 이온 전류(ionic current)의 차단(blockades)을 측정하는 것을 특징으로 하는 표적 생분자 검출 방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 이온 전류의 차단이란 상기 구멍을 통과하는 입자의 크기에 의해 구멍이 일부가 막힘으로써 구멍을 통해 흐르는 전류가 차단되는 정도를 말한다. 상기 입자는 표적 생분자가 많이 결합되어 있을수록 크기가 커져서 구멍을 더 많이 막고 전류를 더 많이 차단할 것이다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 두개의 챔버는 이온 전류를 발생시킬 수 있는 이온 용액으로 채워진 것을 특징으로 하며, 상기 이온 용액의 예로는 KCl, NaCl, MgCl2 등이 있으나, KCl 이 K와 Cl의 이온 mobility 차이가 거의 없어 KCl을 주로 사용한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 혼성화 전후에 입자의 움직임을 도시한 것이다. 본 발명에 사용되는 장치는 각기 다른 전극(8,9)을 갖는 제1 챔버(1) 및 제 2 챔버(2), 그사이의 구멍(3)을 갖는 경계면(4), 그리고 표적 생분자(7)가 결합될 수 있는 (프로브(6)가 결합된) 입자(6)로 구성된다. 도 4a에서, 혼성화전에는 입자(6)가 제1 챔버(1)와 반대 또는 중성 전하를 띄므로서 제 1 챔버내에 계속유지되 나, 도 4b에서, 혼성화후에는 표적 생분자(7)가 결합된 입자(5)가 전체적으로 제 1 챔버(1)와 동일한 전하를 띄므로서 제1 챔버에서 배척되어 구멍(3)을 통해 제2 챔버로 이동하게 된다. 이는 입자의 net charge를 이용한 물리적 분리(Physical separation)로서 종래의 신호 분리(Signal separation)과는 다르다. 구체적인 예에서, 생분자가 DNA인 경우 비드는 캡처 프로브를 포함하여 중성 또는 약간 양성 전하를 띄며, 용액은 이온 전류 발생을 위해 1M KCl을 포함하며, Pore size는 약 100 nm이고, Bead size는 최소 40 nm이다. 상기 pore size는 종래방법으로는 그 자체적으로 DNA 자체를 검출할 수 없다.

도 5는 본 발명의 일실시예로서 입자의 종류를 다양하게 변화한 경우를 도시한 것이다. 도 5a는 입자를 비드 대신에 단백질 또는 바이러스를 사용한 경우로서, 상기 입자의 표면에 결합할 수 있는 압타머(aptamer)가 있는 프라이머를 이용하여 샘플을 PCR 증폭함으로써 다수의 압타머를 갖는 PCR 생성물을 상기 입자에 결합시킬 수 있다. 도 5b는 입자를 비드 대신에 분지된 멀티머(branched multimer)인 덴드리머(dendrimer)를 사용한 경우로서, 덴드리머의 각 가지마다 생분자가 결합될 수 있다. 유전자 전달에 자주 사용되는 양이온성 덴드리머로는 PAMAM (polyamidoamine) dendrimer, PPI (polypropylene imine) dendrimer, PLL(poly L-lysine) dendrimer 등이 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

실시예 1: 본 발명에 사용된 분리장치의 제조

상기 도 4에서와 같이 DNA를 분리 및 검출하기 위해 45 nm의 Silicated bead (신흥규산, SS-SOL30FH2)를 준비하고, APTES (r-Aminopropyltriethoxysilane) solution과 상온에서 ethanol 수용액내에서 1시간 반응하여, Amine이 coating된 nano bead를 얻는다(surface charge를 positive로 바꾸기 위하여). 그리고 300 nm의 silicon nitride membrane을 우선 standard lithography방법으로 제조한 후, Focused Ion Beam을 이용하여 100 nm 정도의 pore를 제작하였다. 도 6a는 pore의 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 6b는 bead의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다. 상기 pore와 bead 크기에서 pore를 통해 흐르는 blockade signal은 다음과 같은 식으로 구해진다. DNA의 결합에 의해 bead 크기가 커지게 되면 blockade signal도 커지게 되며, 실제 도 4와 같이 전압을 인가하면 음전하를 갖는 DNA 결합 bead만 상기 pore를 통과하여 blockade signal로 검출될 것이다. Blockade signal은 다음 식에 의해 계산된다.

[식]

L은 pore length이고, d는 particle 직경이고, D는 pore 지경이다.

실시예 2: DNA 결합에 의한 비드의 전하량 조절

실제 DNA의 결합에 의해 비드의 전하량이 조절되어 비드의 움직임을 유발하 는지 알아보기 위해, Silicate bead (45 nm)에 APTES를 이용하여 amine을 코팅하고, 그위에 DNA를 고정화시켰다. 다양한 농도로 고정화된 bead를 다음과 같은 측정 cell에 도입하여 실험을 수행하였다.

1. Bead 제조

Amine modified silicate bead (45 nm)

r-Aminopropyltriethoxysilane(APTES)를 표면에 coating

코팅 조건 : (상온, 상압, Ethanol solvent, 반응시간 : 1시간)

2. DNA 고정화

물질 5'- CTTGGTCTGTATGACATCTAAAT - 3'

농도 : 0, 10, 100, 250 nM

조건 : 상기 DNA + 상기 bead (mixing) : 70도 1.5시간

고정화후 blocking : Succinic anhydride (10분)

3. 측정실험

Applied voltage : 0.2 V/ 2 mm

Applied time : 1 min

Electrode type : Au + Au with Cr layer as adhesion layer

도 7은 DNA 결합에 따라 비드의 전하량이 조절되어 서로 다른 전극판 사이를 이동하는 과정을 순차적으로 촬영한 사진들이다. 이로 부터, 비드의 전하량이 비드 표면상에 결합된 DNA의 농축도에 따라 조절될 수 있으며, 이에 따라 비드의 움직임을 유발할 수 있음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 종래에는 구멍의 크기에 의해 생분자들을 분리하였으나, 생분자를 구별할 정도로 작은 크기(< ~10 nm) pore를 제작하기 어려워서 생분자들이 효율적으로 분리되지 않아서 Signal separation과 data analysis가 필수적이었으나, 본 발명은 생분자의 고유 전하에 의한 Physical movement에 의해 생분자를 효율적으로 분리함으로써 High signal to Noise ratio를 가질 수 있으므로 더 이상의 data analysis를 필요로 하지 않는다.

Claims (8)

1. 구멍(pore)이 뚫린 경계면(interface)으로 분리된 서로 다른 전극(electrodes)을 갖는 제1 챔버 및 제2 챔버(chambers)를 준비하는 단계;

   상기 제1 챔버에 표적 생분자와 결합할 수 있는 복수의 프로브가 결합된 입자들을 도입하는 것으로서, 상기 표적 생분자는 음전하를 띄는 DNA 또는 RNA이거나 양전하 또는 음전하를 띄는 단백질 또는 펩타이드이고, 상기 입자들은 상기 표적 생분자와 반대 극성을 갖는 것인 단계;

   상기 제1 챔버에 상기 표적 생분자들을 도입하는 단계;

   상기 복수의 프로브가 결합된 입자들에 상기 표적 생분자들을 결합시켜 복수의 표적 생분자들이 결합된 입자들을 획득하는 단계;

   상기 제1 챔버의 전극에 상기 표적 생분자의 전하와 동일한 전압을 인가하고 상기 제2 챔버의 전극에 상기 표적 생분자의 전하와 반대의 전압을 인가하는 단계; 및

   상기 제1 챔버에서 상기 복수의 표적 생분자들이 결합된 입자들만을 상기 구멍을 통하여 상기 제2 챔버로 이동시키는 단계;

   를 포함하는 표적 생분자가 결합된 입자와 표적 생분자가 결합되지 않은 입자를 분리하는 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 입자는 유리, 금속, 폴리머, 단백질, 바이러스 및 덴드로머로 구성된 군에서 선택된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항의 분리 방법을 이용하여 표적 생분자가 결합된 입자만을 구멍을 통과시키면서 상기 전극들에 연결된 전류계에 의해 상기 구멍을 통해 흐르는 이온 전류(ionic current)의 차단(blockades)을 측정하는 것을 특징으로 하는 표적 생분자 검출 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 두개의 챔버는 이온 전류를 발생시킬 수 있는 이온 용액으로 채워진 것을 특징으로 하는 방법.

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