KR101329300B1 - Method for Detecting Nucleic Acids and Biomolecules Based on Colorimetric Reaction Induced by Peroxidase Activity of Magnetic Nanoparticles - Google Patents

Method for Detecting Nucleic Acids and Biomolecules Based on Colorimetric Reaction Induced by Peroxidase Activity of Magnetic Nanoparticles Download PDF

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Abstract

본 발명은 과산화효소 (peroxidase) 활성을 가지는 자성 나노입자에 의한 발색반응 현상을 이용하여 핵산을 검출하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 핵산 증폭산물이 존재하는 경우, 핵산이 자성 나노입자에 흡착하고 발색반응 기질과 상호작용함으로써 자성 나노입자의 촉매작용을 저해하며, 이로 인해 발색반응이 감소하게 되는 현상을 이용한 표적 핵산을 검출하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자성나노입자를 이용한 핵산을 검출하는 방법은 표적핵산을 단시간 내에 육안으로 간단하게 확인할 수 있고, 본 핵산 검출방법을 이용한 자성나노입자 기반 발색 센서를 제공함으로써 현장진단 관련 장치 및 시스템을 개발할 수 있으며, 다양한 원인균 감염 진단, 유전자 재조합 생물체 (GMO; genetically modified organisms) 검사, 법의학 수사 등에 보편적으로 활용될 수 있어 유용하다. 또한, 본 발명에 따른 자성나노입자를 이용한 검출방법은 핵산의 검출뿐 아니라 다른 생체 물질 및 화학 물질의 검출에도 적용될 수 있다.
The present invention relates to a method for detecting a nucleic acid by using a phenomenon of color reaction by magnetic nanoparticles having peroxidase activity, and more particularly, when a nucleic acid amplification product is present, the nucleic acid is added to the magnetic nanoparticles. The present invention relates to a method for detecting a target nucleic acid by using a phenomenon of inhibiting the catalytic action of magnetic nanoparticles by adsorbing and interacting with a color reaction substrate, thereby reducing the color reaction.
The method for detecting a nucleic acid using magnetic nanoparticles according to the present invention can easily identify the target nucleic acid with the naked eye in a short time, and provide a device and system for on-site diagnosis by providing a magnetic nanoparticle-based color sensor using the nucleic acid detection method. It can be used for diagnosis of various causative infections, genetically modified organisms (GMO) testing, and forensic investigation. In addition, the detection method using the magnetic nanoparticles according to the present invention can be applied not only to the detection of nucleic acids but also to the detection of other biological materials and chemicals.

Description

과산화효소 활성을 가지는 자성 나노입자 기반의 발색반응 현상을 이용한 핵산 및 생체물질 검출방법 {Method for Detecting Nucleic Acids and Biomolecules Based on Colorimetric Reaction Induced by Peroxidase Activity of Magnetic Nanoparticles}Method for Detecting Nucleic Acids and Biomolecules Based on Colorimetric Reaction Induced by Peroxidase Activity of Magnetic Nanoparticles}

본 발명은 과산화효소 (peroxidase) 활성을 가지는 자성 나노입자에 의한 발색반응 현상을 이용하여 핵산을 검출하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 핵산 증폭산물이 존재하는 경우, 핵산이 자성 나노입자에 흡착하고 발색반응 기질과 상호작용함으로써 자성 나노입자의 촉매작용을 저해하며, 이로 인해 발색반응이 감소하게 되는 현상을 이용한 표적 핵산을 검출하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for detecting a nucleic acid by using a phenomenon of color reaction by magnetic nanoparticles having peroxidase activity, and more particularly, when a nucleic acid amplification product is present, the nucleic acid is added to the magnetic nanoparticles. The present invention relates to a method for detecting a target nucleic acid by using a phenomenon of inhibiting the catalytic action of magnetic nanoparticles by adsorbing and interacting with a color reaction substrate, thereby reducing the color reaction.

대부분의 유전자 진단은, 표적 유전자를 중합연쇄반응(PCR; polymerase chain reaction) 기법으로 증폭한 후 전기영동(electrophoresis)을 통하여 젤 밴드의 유무를 확인함으로써 수행되고 있다. 이러한 기존의 전기영동을 기반으로 하는 진단 방법은 진단 시간이 길고 숙련된 기술을 요구하기 때문에 일반 병원이나 진단이 필요한 현장에서 직접 수행하기 어려운 문제점이 있었다. Most gene diagnosis is performed by amplifying a target gene by a polymerase chain reaction (PCR) technique and confirming the presence of a gel band through electrophoresis. Since the diagnosis method based on the existing electrophoresis requires a long diagnosis time and skillful technology, it is difficult to carry out directly in a general hospital or a site requiring diagnosis.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 현장에서 신속, 간편하게 육안으로 핵산을 진단할 수 있는 발색 진단 기술이 제안되어 왔으며, 이를 위하여 공액고분자 (Jung et al . Adv . Funct . Mater ., 18;701-708, 2008) 혹은 금속 나노입자 등이 이용되어 오고 있다. 그 중에서도 금 나노입자 콜로이드 용액을 이용하여 PCR 증폭 산물을 포함한 핵산을 색 전이 방법으로 탐지하는 기술이 주목받고 있으며, 이를 위해 프루브(probe) 올리고뉴클레오타이드로 기능화된 금 나노 입자를 이용하며, 표적핵산 (target DNA) 존재 시, 프루브 올리고뉴클레오타이드와의 혼성화(hybridization)에 의해 교차결합(cross-linking)을 형성하게 되고, 이로 인하여 콜로이드 용액이 색 전이를 보이게 된다 (Elghanian et al., Science, 277(5329): 1078-1081, 1997). 그 외에도 단일가닥 DNA와 이중가닥 DNA 의 금 나노입자에 대한 서로 다른 정전기적 성질을 이용하여 증폭된 핵산을 색 전이로 탐지하는 방법들이 보고되고 있다 (Li, H. X. et al ., J. Am . Chem . Soc . 126:10958-10961, 2004). 하지만, 금 나노 입자의 색 전이를 이용한 표적 핵산 진단 방법은 여러 문제점을 가지고 있다. 첫 번째로 표적 핵산의 진단 전에 금 나노입자 표면에 프로브 DNA 를 붙이는 과정이 필요하며, 이 과정은 시간이 오래 걸리고 숙련된 기술을 요구한다. 두 번째로 표적 핵산과 금 나노 입자의 반응 뒤에 색 전이를 유발하기 위해 용액 속에 염을 첨가해야한다. 하지만, 이 과정에서 색 전이 현상이 염 농도에 매우 민감하기 때문에 잘못된 진단 결과를 유도할 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 오랜 시간의 최적화 과정이 필요하다.In order to solve this problem, color development diagnostic technology has been proposed to quickly and easily diagnose nucleic acids in the field. For this purpose, conjugated polymer (Jung et al . Adv . Funct . Mater . , 18; 701-708, 2008) or metal nanoparticles have been used. Among them, a technique for detecting a nucleic acid including a PCR amplification product by using a gold nanoparticle colloid solution has been attracting attention. For this purpose, gold nanoparticles functionalized with probe oligonucleotides are used. In the presence of target DNA, cross-linking is formed by hybridization with probe oligonucleotides, which causes the colloidal solution to exhibit color transition (Elghanian et. al ., Science , 277 (5329): 1078-1081, 1997). In addition, methods for detecting amplified nucleic acids by color transfer using different electrostatic properties of single- and double-stranded DNA on gold nanoparticles have been reported (Li, HX et. al ., J. Am . Chem . Soc . 126: 10958-10961, 2004). However, the target nucleic acid diagnostic method using the color transfer of gold nanoparticles has a number of problems. Firstly, prior to diagnosis of the target nucleic acid, the process of attaching the probe DNA to the surface of the gold nanoparticles is time consuming and requires timely and skilled techniques. Secondly, after the reaction of the target nucleic acid with the gold nanoparticles, salts must be added into the solution to cause color transfer. However, in this process, the color transition phenomenon is very sensitive to the salt concentration, which may lead to a false diagnosis result, which requires a long time optimization process.

한편, 자성 나노입자가 과산화효소 활성을 가진다는 사실이 알려져 있다(Gao et. al ., Nat . Nanotechnol . 2;577 - 583, 2007). 이러한 사실을 토대로 증폭된 핵산산물이 자성 나노입자의 과산화효소 활성을 저해시키는 원리를 규명하고 이를 이용한 핵산 검출방법을 제공하고자 한다. On the other hand, it is known that magnetic nanoparticles have peroxidase activity (Gao et. Al ., Nat . Nanotechnol . 2; 577-583, 2007). On the basis of this fact, the amplified nucleic acid product to identify the principle of inhibiting the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles and to provide a nucleic acid detection method using the same.

이에, 본 발명자들은 전술한 종래 기술들의 문제점을 해결하며 육안으로 쉽고 간편하게 표적 물질의 유무를 감지할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 기질 혼합 용액 내에 표적 DNA로부터 증폭된 핵산이 존재하는 경우에는 핵산이 자성입자의 과산화효소 활성을 저해하여 증폭된 핵산이 존재하지 않을 때와 비교할 때, 색 차이를 나타내는 것을 확인함과 아울러, 이 방법은 자성 나노입자에 DNA를 표지하는 과정이나 추가적인 염의 첨가 과정이 필요 없고 빠르고 간단하게 핵산을 진단할 수 있다는 것을 확인함으로써, 핵산의 유무를 DNA 서열에 관계없이 범용적으로 진단할 수 있는 자성 나노입자 기반 발색 센서를 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to solve the problems of the above-mentioned prior arts and develop a method that can detect the presence or absence of a target substance easily and easily with the naked eye. As a result, when the nucleic acid amplified from the target DNA is present in the substrate mixture solution, In addition, the nucleic acid inhibits the peroxidase activity of the magnetic particles, and compared with the absence of the amplified nucleic acid, it is confirmed that the color difference, this method is the process of labeling the DNA on the magnetic nanoparticles or addition of additional salts By confirming that the nucleic acid can be diagnosed quickly and simply without a process, a magnetic nanoparticle-based color sensor capable of universally diagnosing the presence or absence of a nucleic acid was completed.

본 발명의 목적은 자성 나노입자 용액에 핵산분자가 존재하면 음전하를 띄는 핵산이 이온결합에 의해 자성 나노입자에 흡착하고, 발색반응 기질용액을 첨가할 경우에 핵산이 양전하를 띄는 발색반응 기질과 정전기적으로 상호작용함으로써 자성 나노입자와 발색반응 기질의 접촉이 제한되어 자성 나노입자의 과산화효소 활성이 저해되므로, 핵산분자와 자성 나노입자 용액의 혼합물에 기질을 첨가하여 발색반응을 유도하고 색 변화를 측정함으로써, 핵산을 검출하는 방법을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is that when a nucleic acid molecule is present in a magnetic nanoparticle solution, a negatively charged nucleic acid is adsorbed to the magnetic nanoparticle by ionic bonding, and when a color reaction substrate solution is added, the nucleic acid is positively charged. Because of the miracle interaction, the contact between the magnetic nanoparticles and the color reaction substrate is restricted, thereby inhibiting the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles. Therefore, the substrate is added to the mixture of the nucleic acid molecule and the magnetic nanoparticle solution to induce color reaction and change color. The present invention provides a method for detecting a nucleic acid.

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

(a) 표적핵산의 증폭산물을 제조하는 단계; (a) preparing an amplified product of the target nucleic acid;

(b) 상기 증폭산물과 자성 나노입자 용액의 혼합용액을 제조하는 단계; (b) preparing a mixed solution of the amplification product and the magnetic nanoparticle solution;

(c) 상기 혼합용액에 발색반응 기질을 첨가하여 발색반응을 유도하는 단계; 및 (c) inducing a color reaction by adding a color reaction substrate to the mixed solution; And

(d) 상기 발색반응에 따른 색 변화를 관찰하는 단계를 포함하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산을 검출하는 방법을 제공한다.(D) provides a method for detecting a nucleic acid using the color reaction of the magnetic nanoparticles comprising the step of observing the color change according to the color reaction.

본 발명은 또한, The present invention also relates to

(a) 표적핵산의 증폭산물을 제조하는 단계;(a) preparing an amplified product of the target nucleic acid;

(b) 상기 증폭산물과 자성 나노입자 용액의 혼합용액을 제조하는 단계; 및(b) preparing a mixed solution of the amplification product and the magnetic nanoparticle solution; And

(c) 상기 혼합용액에 발색반응 기질을 첨가하여 핵산 검출용 조성물을 수득하는 단계를 포함하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물의 제조방법을 제공한다. It provides a method for producing a composition for detecting a nucleic acid using the color reaction of the magnetic nanoparticles comprising the step of (c) adding a color reaction substrate to the mixed solution to obtain a composition for detecting the nucleic acid.

본 발명은 또한, 표적핵산의 증폭산물, 자성 나노입자 용액 및 발색반응 기질을 함유하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물을 제공한다.
The present invention also provides a composition for detecting a nucleic acid using a color reaction of a magnetic nanoparticle containing an amplification product of a target nucleic acid, a magnetic nanoparticle solution and a color reaction substrate.

본 발명에 따른 자성나노입자를 이용한 핵산을 검출하는 방법은 표적핵산을 단시간 내에 육안으로 간단하게 확인할 수 있고, 본 핵산 검출방법을 이용한 자성나노입자 기반 발색 센서를 제공함으로써 현장진단 관련 장치 및 시스템을 개발할 수 있으며, 다양한 원인균 감염 진단, 유전자 재조합 생물체 (GMO; genetically modified organisms) 검사, 법의학 수사 등에 보편적으로 활용될 수 있어 유용하다. 또한, 본 발명에 따른 자성나노입자를 이용한 검출방법은 핵산의 검출뿐 아니라 다른 생체 물질 및 화학 물질의 검출에도 적용될 수 있다.
The method for detecting a nucleic acid using magnetic nanoparticles according to the present invention can easily identify the target nucleic acid with the naked eye in a short time, and provide a device and system for on-site diagnosis by providing a magnetic nanoparticle-based color sensor using the nucleic acid detection method. It can be used for diagnosis of various causative infections, genetically modified organisms (GMO) testing, and forensic investigation. In addition, the detection method using the magnetic nanoparticles according to the present invention can be applied not only to the detection of nucleic acids but also to the detection of other biological materials and chemicals.

도 1은 과산화효소 활성을 가지는 자성 나노입자에 의한 발색반응 현상을 이용한 표적핵산을 검출하는 원리를 나타낸 개략도이다.
도 2는 서로 다른 기능기를 가진 자성나노입자에 DNA 를 첨가하였을 때 자성 나노입자의 과산화효소 활성이 저해되어 결과적으로 감소된 발색반응 현상을 나타낸 사진과 자외선 및 가시광선 분광분석법으로 스캔한 결과 그래프이다 (a: 수산기의 자성 나노입자, b: 아민기의 자성 나노 입자, c: 덴드리머의 자성 나노 입자).
도 3은 수산기의 자성나노입자에 서로 다른 농도의 표적 핵산을 첨가하였을 때 자성 나노입자의 과산화효소 활성이 저해되어 결과적으로 감소된 발색반응 현상을 나타낸 사진과 자외선 및 가시광선 분광분석법으로 스캔한 결과 그래프이다 (도 3 A). 자성나노입자 센서를 이용해서 감지 가능한 핵산 농도를 확인하기 위한 calibration 곡선이다 (도 3 B).
도 4는 표적핵산의 증폭산물의 길이가 각각 200bp, 600bp 및 1200bp 일 때, 자성나노입자의 과산화효소 활성이 저해되어 결과적으로 감소된 발색반응 현상을 자외선 및 가시광선 분광분석법으로 스캔한 결과 그래프이다.
도 5는 외부 자력을 이용한 자성 나노입자의 효율적 분리 및 재사용 가능 여부를 자외선 및 가시광선 분광분석법으로 스캔한 결과 그래프이고 숫자는 재사용 되어진 회수를 나타낸다(C: 대조군, T: 실험군).
도 6는 표적 핵산에 의한 자성 나노입자의 과산화효소 활성 저해 원리 이해를 위해 나노 드랍 (Nanodrop) 분광분석법에 의해 측정된 상층부 및 자성나노입자에 흡착된 표적 핵산의 양을 나타내는 표이며 (도 6 A), 도 6의 B는 표적핵산의 증폭산물이 존재하지 않는 대조군 샘플 (도 6 B (1)), 표적 핵산의 증폭 산물을 가한 샘플 (도 6 B (3)) 및 표적 핵산의 증폭 산물을 가한 후 자성나노입자를 상층액으로부터 분리하여 상층액을 제거한 뒤 다시 사용한 샘플 (도 6 B (2))의 발색반응에 의해 나타난 색 차이를 자외선 및 가시광선 분광분석법으로 스캔한 결과 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram showing the principle of detecting the target nucleic acid using the color reaction phenomenon by the magnetic nanoparticles having peroxidase activity.
FIG. 2 is a graph showing the results of reduced color reaction due to inhibition of peroxidase activity of magnetic nanoparticles when DNA is added to magnetic nanoparticles having different functional groups, and a graph of the results of scanning with ultraviolet and visible light spectroscopy. (a: magnetic nanoparticles of hydroxyl group, b: magnetic nanoparticles of amine group, c: magnetic nanoparticles of dendrimer).
FIG. 3 is a photograph showing the reduced color reaction phenomenon and the result of scanning by ultraviolet and visible light spectroscopy when the target nanoparticles of different concentrations are added to the magnetic nanoparticles of the hydroxyl group, thereby inhibiting the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles. It is a graph (Figure 3 A). Calibration curve for confirming the detectable nucleic acid concentration using the magnetic nanoparticle sensor (Fig. 3B).
FIG. 4 is a graph showing the results of scanning by UV and visible light spectroscopy when the amplification products of target nucleic acids are 200bp, 600bp and 1200bp, respectively, when the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles is inhibited and the reduced color reaction phenomenon is reduced. .
5 is a graph of the results of scanning by ultraviolet and visible light spectroscopy to determine whether the magnetic nanoparticles can be efficiently separated and reused using external magnetic force, and the numbers indicate the number of times they have been reused (C: control, T: experimental group).
6 is a table showing the amount of target nucleic acid adsorbed on the upper layer and the magnetic nanoparticles measured by nanodrop spectroscopy to understand the principle of inhibition of peroxidase activity of magnetic nanoparticles by target nucleic acids (FIG. 6A 6, B is a control sample (Fig. 6B (1)) in which there is no amplification product of the target nucleic acid, a sample to which the amplification product of the target nucleic acid is added (Fig. 6B (3)) and the amplification product of the target nucleic acid. After the addition, the magnetic nanoparticles were separated from the supernatant, the supernatant was removed, and the color difference shown by the color reaction of the sample used again (FIG. 6B (2)) is a graph of the result of scanning with ultraviolet and visible spectroscopy.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명에서는 자성 나노입자가 과산화효소 활성을 가진다는 공지의 사실(Gao et . al ., Nat . Nanotechnol . 2;577 - 583, 2007) 을 토대로, PCR 을 통해 증폭된 핵산산물이 자성 나노입자의 과산화효소 활성을 저해시킨다는 원리를 규명하였으며, 이를 이용하여 표적 핵산의 존재 유무를 검출할 수 있음을 확인하였다.In the present invention, based on the known fact that the magnetic nanoparticles have peroxidase activity (Gao et . Al ., Nat . Nanotechnol . 2; 577-583, 2007), the nucleic acid product amplified by PCR is obtained from the magnetic nanoparticles. The principle of inhibiting peroxidase activity was identified, and it was confirmed that the presence or absence of the target nucleic acid could be detected using this.

본 발명은 일 관점에서, (a) 표적핵산의 증폭산물을 제조하는 단계; (b) 상기 증폭산물과 자성 나노입자 용액의 혼합용액을 제조하는 단계; (c) 상기 혼합용액에 발색반응 기질을 첨가하여 발색반응을 유도하는 단계; 및 (d) 상기 발색반응에 따른 색 변화를 관찰하는 단계를 포함하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산을 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention in one aspect, (a) preparing an amplification product of the target nucleic acid; (b) preparing a mixed solution of the amplification product and the magnetic nanoparticle solution; (c) inducing a color reaction by adding a color reaction substrate to the mixed solution; And (d) relates to a method for detecting a nucleic acid using the color reaction of the magnetic nanoparticles comprising the step of observing the color change according to the color reaction.

본 발명에 있어서, 상기 자성 나노입자의 발색반응 기질은 어느 것이나 쓸 수 있고, TMB(3,3',5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS[2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] 및 OPD(o-phenylenediamine)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. 바람직하게는 음전하를 띄는 표적 핵산과의 전기적 결합을 통해서 자성나노입자로의 접근을 최대한 저해할 수 있는 양전하를 띄는 OPD (o-phenylenediamine)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, any of the color reaction substrates of the magnetic nanoparticles can be used, TMB (3,3 ', 5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS [2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline) -6-sulfonic acid) and OPD (o-phenylenediamine) may be selected from the group consisting of. Preferably, it may be characterized as a positively charged OPD (o-phenylenediamine) capable of inhibiting access to the magnetic nanoparticles as much as possible through electrical coupling with a negatively charged target nucleic acid.

본 발명에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 유전자 증폭산물과 5mg/ml의 자성 나노입자 용액을 7-9:1의 부피비로 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the gene amplification product and the magnetic nanoparticle solution of 5mg / ml in the step (b) may be characterized in that it is mixed in a volume ratio of 7-9: 1.

본 발명에 있어서, 상기 자성 나노입자의 크기는 11-15nm인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the size of the magnetic nanoparticles may be characterized in that 11-15nm.

본 발명에 있어서, 상기 자성 나노입자 용액의 용매는 무기용매라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 물을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the solvent of the magnetic nanoparticle solution can be used without limitation as long as it is an inorganic solvent, it is preferable to use water.

본 발명에 있어서, 상기 자성 나노입자 용액의 농도는 4-6 mg/ml인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the concentration of the magnetic nanoparticle solution may be characterized in that 4-6 mg / ml.

본 발명에 있어서, 색 변화는 표적핵산의 증폭산물과 자성 나노입자 용액의 혼합용액에 기질용액을 첨가한 경우에, 자성 나노입자의 발색반응으로 노란색으로 변화되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the color change may be characterized in that when the substrate solution is added to the mixed solution of the amplification product of the target nucleic acid and the magnetic nanoparticle solution, the color changes to yellow by the color reaction of the magnetic nanoparticles.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 표적핵산의 증폭산물을 제조하는 단계; (b) 상기 증폭산물과 자성 나노입자 용액의 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 혼합용액에 발색반응 기질을 첨가하여 핵산 검출용 조성물을 수득하는 단계를 포함하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물의 제조방법에 관한 것이다. The present invention in another aspect, the method comprising the steps of (a) preparing an amplification product of the target nucleic acid; (b) preparing a mixed solution of the amplification product and the magnetic nanoparticle solution; And (c) adding a color reaction substrate to the mixed solution to obtain a composition for detecting a nucleic acid.

본 발명은 또 다른 관점에서, 표적핵산의 증폭산물, 자성 나노입자 및 발색반응 기질을 함유하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물에 관한 것이다. In still another aspect, the present invention relates to a nucleic acid detection composition using a color reaction of a magnetic nanoparticle containing an amplification product of a target nucleic acid, magnetic nanoparticles, and a color reaction substrate.

본 발명에 따른 핵산 검출방법은 데옥시리보오스-포스페이트 (deoxyribose-phosphate) 기본 골격구조로 인해 음전하를 띄는 표적핵산의 특성을 이용한다. 구체적으로는, 검사용액 내에 음전하를 띄는 표적 핵산이 양전하를 띄는 발색반응 기질과 정전기적으로 상호작용함으로써 발색반응 기질이 자성나노입자로 접근하는 것을 방해하고, 또 다른 한편으로는 표적 핵산이 이온결합에 의해 자성나노입자에 흡착함으로써 발색 기질이 자성나노입자와 직접적으로 접촉하는 것을 저해하게 되고, 결과적으로 효소-기질 복합체 형성을 제한하게 된다. 이로 인하여 자성 나노 입자는 감소된 과산화효소 활성을 가지게 되고, 감소된 발색반응 기질의 산화로 인하여, 발색반응 기질의 흡수파장에서 줄어든 흡광도를 나타내게 되며, 이러한 색 차이를 통하여 표적 핵산의 존재 유무를 진단할 수 있다.The nucleic acid detection method according to the present invention utilizes the properties of a negatively charged target nucleic acid due to the deoxyribose-phosphate basic framework. Specifically, the negatively charged target nucleic acid in the test solution electrostatically interacts with the positively charged chromogenic reaction substrate, thereby preventing the chromogenic reaction substrate from accessing the magnetic nanoparticles. By adsorbing on the magnetic nanoparticles, the chromogenic substrate is prevented from coming into direct contact with the magnetic nanoparticles, thereby limiting the formation of the enzyme-substrate complex. As a result, the magnetic nanoparticles have reduced peroxidase activity, and due to the oxidation of the reduced color reaction substrate, the absorbed wavelength is reduced in the absorption wavelength of the color reaction substrate, and the color difference is used to diagnose the presence of the target nucleic acid. can do.

본 발명의 일 실시예에서는, 발색반응 기질로써 음전하를 띄는 표적 핵산과의 전기적 결합을 통해서 자성나노입자로의 접근을 최대한 저해할 수 있는 양전하를 띄는 OPD (o-phenylenediamine)를 사용하였다. 음전하를 띄는 표적 핵산이 양전하를 띄는 발색반응 기질 OPD와 정전기적으로 상호작용하고 자성 나노입자와 이온결합을 함으로써, 발색반응 기질 OPD가 자성 나노입자와 접촉하는 것이 저해되어 효소-기질 복합체의 형성이 저해되고, 결국 감소된 발색반응 기질의 산화로 인하여 발색반응 기질 OPD의 흡수파장 450nm에서 줄어든 흡광도를 나타내게 되며, 이러한 색 차이를 통하여 표적 핵산의 존재 유무를 진단할 수 있다는 것을 규명하였다.In one embodiment of the present invention, a positively charged OPD (o-phenylenediamine) capable of inhibiting access to the magnetic nanoparticles as much as possible through electrical coupling with a negatively charged target nucleic acid as a substrate was used. The negatively charged target nucleic acid electrostatically interacts with the positively charged chromogenic substrate OPD and ionic bonds with the magnetic nanoparticles, which inhibits the chromogenic reaction substrate OPD from contacting the magnetic nanoparticles, thus forming the enzyme-substrate complex. Inhibition of the color reaction substrate resulted in decreased absorbance at 450 nm of the absorption wavelength of the color development substrate OPD, and it was found that the presence of the target nucleic acid can be diagnosed through the color difference.

본 발명에서는 자성 나노입자의 감소된 과산화효소 활성에 대한 상기 자성 나노입자와 표적핵산과의 이온결합의 영향을 알아보기 위하여, 자성 나노입자는 다양한 기능기(수산기, 아민기, 덴드리머)를 가지도록 화학적으로 합성되었으며, 그 결과, 기능기에 따른 차이점을 발견할 수 없었다. 본 발명에 있어서, 자성 나노입자는 수산기, 아민기 및 덴드리머 중 선택되는 기능기를 가질 수 있으며, 합성이 가장 용이한 수산기의 자성나노입자를 이용하여 핵산 검출을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, in order to examine the effect of the ionic bond between the magnetic nanoparticles and the target nucleic acid on the reduced peroxidase activity of the magnetic nanoparticles, the magnetic nanoparticles have various functional groups (hydroxyl group, amine group, dendrimer) It was chemically synthesized, and as a result, no differences were found depending on the functional groups. In the present invention, the magnetic nanoparticles may have a functional group selected from a hydroxyl group, an amine group, and a dendrimer, and may be characterized in that nucleic acid detection is performed using magnetic nanoparticles of the hydroxyl group which is most easily synthesized.

본 발명의 일 실시예에서는, (a) 단계의 표적 핵산으로 임상적으로 유용한 비뇨생식기 감염균 중의 하나인 Chlamydia trachomatis 을 선택하고, 실제 임상 샘플을 이용하여 Chlamydia trachomatis 의 독성 단백질을 발현하는 유전자부분을 증폭하였다. Primer 3 (http://biotools.umassmed.edu/bioapps/primer3_www.cgi) 프로그램을 사용하여 디자인된 프라이머를 이용하여 PCR 증폭이 수행되며 표적 핵산의 증폭 산물을 수득할 수 있고, 수득된 증폭산물은 DNA 정제 키트 (QIAGEN) 를 이용하여 프라이머, buffer의 염 및 dNTPs를 제거함으로 순수하게 정제된 증폭 핵산 산물을 얻을 수 있었다. 또한, (c)단계에서는 혼합용액 45 ㎕에 95 ㎕ 0.2 M sodium acetate buffer (pH 4.0), 40 ㎕ 60 mM OPD 및 20 ㎕ H2O2 (100 mM) 를 차례로 첨가한 후에, 43℃에서 30분간 반응시킴으로써 발색 반응을 관찰하였다. In one embodiment of the present invention, Chlamydia , which is one of the urogenital infections clinically useful as the target nucleic acid of step (a) trachomatis Select Chlamydia using a real clinical sample A portion of the gene expressing the toxic protein of trachomatis was amplified. PCR amplification is carried out using primers designed using the Primer 3 ( http://biotools.umassmed.edu/bioapps/primer3_www.cgi ) program to obtain amplification products of the target nucleic acid. Purified amplified nucleic acid product was obtained by removing primers, salts of buffer and dNTPs using DNA purification kit (QIAGEN). In step (c), 45 μl of the mixed solution was added to 95 μl 0.2 M sodium acetate buffer (pH 4.0), 40 μl 60 mM OPD, and 20 μl H 2 O 2. After adding (100 mM) in sequence, the color reaction was observed by reacting at 43 ° C for 30 minutes.

본 발명에 따르면, 표적 핵산이 존재하는 샘플은 검사용액 내에 음전하를 띄는 표적 핵산이 양전하를 띄는 발색반응 기질 OPD와 정전기적으로 상호작용함으로써 발색반응 기질이 자성나노입자로 접근하는 것을 방해하고, 또 다른 한편으로는, 표적 핵산이 이온결합에 의해 자성나노입자에 흡착함으로써 발색반응 기질 OPD가 자성나노입자와 직접적으로 접촉하는 것을 제한하게 되며, 결과적으로 효소-기질 복합체 형성을 저해하게 된다. 이로 인하여 자성 나노입자는 감소된 과산화효소 활성을 가지게 되고, 감소된 발색반응 기질의 산화로 인하여, 발색반응 기질 OPD의 흡수파장 450nm에서 줄어든 흡광도를 나타내고 노란색을 나타낸다. 반면, 표적 핵산이 존재하지 않는 대조군 샘플은 자성 나노입자의 과산화효소 활성을 저해하는 요소가 없으므로, 발색반응 기질 OPD가 충분히 산화되어, 발색반응 기질의 흡수파장 450 nm에서 높은 흡광도를 나타내고 붉은 색을 나타내게 된다. 이러한 색 차이를 이용하여 표적 핵산을 손쉽게 검출할 수 있다(도 1). According to the present invention, the sample in which the target nucleic acid is present is electrostatically interacted with the negatively charged target nucleic acid in the test solution with the positively charged color reaction substrate OPD, thereby preventing the color reaction substrate from accessing the magnetic nanoparticles. On the other hand, the target nucleic acid is adsorbed on the magnetic nanoparticles by ionic bonding, thereby limiting the direct contact of the color development substrate OPD with the magnetic nanoparticles, which in turn inhibits the formation of the enzyme-substrate complex. As a result, the magnetic nanoparticles have a reduced peroxidase activity, and due to the reduced oxidation of the color reaction substrate, the absorbance at 450 nm of the absorption wavelength of the color development substrate OPD is yellow and yellow. On the other hand, the control sample without the target nucleic acid does not inhibit the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles, and thus, the color reaction substrate OPD is sufficiently oxidized to show high absorbance at 450 nm of the absorption wavelength of the color reaction substrate. Will be displayed. This color difference can be used to easily detect the target nucleic acid (FIG. 1).

본 발명에 따른, 자성 나노입자의 발색반응 현상을 이용한 핵산 검출방법은 PCR 등의 증폭공정을 통해 수득한 표적핵산을 자성 나노입자 용액과 혼합한 후, 발색반응 기질 용액의 첨가를 통해 이루어지며, 표적핵산의 과산화효소 활성 저해를 통해 결과적으로 감소된 발색반응 현상을 나타내게 되고, 이러한 색 차이를 이용하여 표적핵산을 손쉽게 검출하는 것에 그 특징이 있다. 결국, 표적핵산이 존재할 경우, 특정 유전자의 프라이머가 PCR 증폭을 일으켜 표적핵산의 증폭산물이 생성되게 되고, 증폭된 표적 핵산은 용액 내의 발색 기질과 정전기적으로 상호작용함으로써 발색 기질이 자성나노입자로 접근하는 것을 방해하고, 또 다른 한편으로는, 표적 핵산이 이온결합에 의해 자성나노입자에 흡착함으로써 발색반응 기질이 자성나노입자와 직접적으로 접촉하는 것을 제한하게 되며, 결과적으로 효소-기질 복합체 형성을 저해하게 된다. 이로 인해 자성 나노 입자는 감소된 과산화효소 활성을 가지게 되고, 발색 기질의 흡수파장에서 줄어든 흡광도를 나타내며 색 변화를 나타내게 된다. 반면, 표적핵산이 존재하지 않을 경우, PCR 증폭이 일어나지 않게 되어, 자성 나노입자의 과산화효소 활성을 저해시킬 인자가 존재하지 않게 되므로 발색반응 기질의 흡수파장에서 높은 흡광도를 나타낸다.Nucleic acid detection method using the color reaction phenomenon of the magnetic nanoparticles according to the present invention is made through the addition of a color reaction substrate solution after mixing the target nucleic acid obtained through the amplification process, such as PCR, with the magnetic nanoparticle solution, Inhibition of the peroxidase activity of the target nucleic acid resulted in a reduced color reaction phenomenon, which is characterized by easy detection of the target nucleic acid using this color difference. As a result, when the target nucleic acid is present, primers of a specific gene cause PCR amplification to generate an amplification product of the target nucleic acid, and the amplified target nucleic acid electrostatically interacts with the coloring substrate in the solution. On the other hand, the target nucleic acid is adsorbed on the magnetic nanoparticles by ionic bonding, thereby limiting the direct contact of the chromogenic substrate with the magnetic nanoparticles, resulting in enzyme-substrate complex formation. Will be inhibited. As a result, the magnetic nanoparticles have reduced peroxidase activity, exhibit reduced absorbance at the absorption wavelength of the chromogenic substrate, and exhibit color change. On the other hand, if the target nucleic acid is not present, PCR amplification does not occur, there is no factor that inhibits the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles, so it shows a high absorbance at the absorption wavelength of the color reaction substrate.

본 발명의 다른 실시예에서는, 서로 다른 기능기를 가진 자성나노입자에 DNA 를 첨가하였을 때 자성 나노 입자의 과산화효소 활성이 저해되어 결과적으로 감소된 발색반응 현상을 확인한 결과, 세 가지 다른 기능기의 자성 나노 입자에서 올리고뉴클레오타이드 존재에 따라 발색기질 OPD의 흡수파장 450nm에서 흡광도가 감소됨을 확인할 수 있었으나, 기능기에 따른 차이점은 볼 수 없었다. 그리하여 제작이 가장 용이한 수산기의 자성나노입자를 선택하여 추가적인 실험을 수행하였다(도 2). In another embodiment of the present invention, when the DNA is added to the magnetic nanoparticles having different functional groups, the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles is inhibited, resulting in a reduced color reaction phenomenon. It was confirmed that the absorbance at 450 nm of the absorption wavelength of the chromophore substrate OPD was reduced depending on the presence of oligonucleotides in the nanoparticles, but no difference was observed according to the functional group. Thus, further experiments were performed by selecting the magnetic nanoparticles of the hydroxyl group which is the easiest to manufacture (FIG. 2).

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 수산기의 자성나노입자에 서로 다른 농도의 표적 핵산을 첨가하였을 때 발색반응의 차이를 확인하기 위하여, 증폭 산물을 정제하여 각각 다른 농도로 자성 나노입자와 각각 반응시킨 후, 발색반응 용액을 첨가해 주고 43℃에서 30분간 반응시킴으로써 일어난 발색 반응을 자외선 및 가시선 분광분석법을 이용하여 흡광도를 측정하였다. 증폭된 핵산 존재 시 자성 나노 입자의 과산화효소 활성을 저해하여 발색 기질 OPD의 흡수파장 450nm에서 감소되어진 흡광도를 나타내었으며, 증폭 핵산의 농도에 따라 선형적으로 흡광도가 변화하는 것을 관찰할 수 있었다 (도 3). In another embodiment of the present invention, in order to confirm the difference in color reaction when different concentrations of target nucleic acids are added to the magnetic nanoparticles of the hydroxyl group, the amplification products were purified and reacted with the magnetic nanoparticles at different concentrations, respectively. Thereafter, the color reaction was added by adding a color reaction solution and reacted at 43 ° C. for 30 minutes using ultraviolet and visible spectroscopy to measure absorbance. In the presence of the amplified nucleic acid, the absorbance of the magnetic nanoparticles inhibited the peroxidase activity, resulting in a reduced absorbance at 450 nm of the absorption wavelength of the chromogenic substrate OPD, and the absorbance was linearly changed according to the concentration of the amplified nucleic acid. 3).

또한, 표적핵산의 증폭산물의 길이에 따라 발색반응의 차이가 나타나는지를 확인하기 위하여 표적 핵산을 각각 200bp, 600bp 및 1200bp 길이로 달리하여 자성 나노입자와 각각 반응시킨 후, 발색 반응 용액을 첨가해 주고 43℃에서 30분간 반응시킴으로써 일어난 발색 반응을 자외선 및 가시광선 분광분석법을 이용하여 흡광도를 측정하였으나 증폭된 핵산의 길이에 상관없이 자성 나노입자의 과산화효소 활성을 저해하여 발색반응 기질 OPD의 흡수파장 450nm에서 감소된 흡광도를 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 자성 나노입자 기반 센서는 상기 증폭산물의 길이에 상관없이 보편적으로 적용될 수 있다는 것을 나타낸다 (도 4).In addition, in order to check whether the color reaction is different depending on the length of the amplified product of the target nucleic acid, the target nucleic acid was changed to 200bp, 600bp and 1200bp, respectively, and reacted with the magnetic nanoparticles, respectively, and then the coloring reaction solution was added. The absorbance was measured by UV and visible spectroscopy for 30 minutes at 43 ° C, but the absorbing wavelength 450nm of the color reaction substrate OPD was inhibited by inhibiting the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles regardless of the length of the amplified nucleic acid. It was confirmed that the reduced absorbance at. This indicates that magnetic nanoparticle based sensors can be universally applied regardless of the length of the amplification product (FIG. 4).

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 자성 나노입자를 이용하여 핵산을 검출한 후에 자성 나노입자를 분리하여 재사용할 수 있는지 확인하기 위하여, 핵산 물질과 자성 나노입자를 혼합한 후, 발색반응 용액을 첨가하여 43℃에서 30분간 반응시킨 뒤 외부 자력을 이용하여 자성 나노입자를 손쉽게 분리하고 0.1 M PBS (pH 8) 을 이용하여 자성 나노 입자에 흡착된 핵산물질을 제거해 주었다. 이 과정은 이온 교환 반응에 기반을 둔 것으로 손쉽게 자성 나노입자에 붙은 핵산물질을 제거할 수 있었으며, SYBR green fluorescence dye를 이용하여 DNA 제거를 확인할 수 있었다. 상기 과정을 통하여 분리된 자성 나노입자(C)는 여러 번의 재사용 후에도 과산화효소 활성을 유지하며, DNA가 존재하는 샘플(T)과 색 차이를 보임을 확인할 수 있었다(도 5).In another embodiment of the present invention, in order to confirm that the magnetic nanoparticles can be separated and reused after detecting the nucleic acid using the magnetic nanoparticles, after mixing the nucleic acid material and the magnetic nanoparticles, a color reaction solution is added. After reacting at 43 ° C. for 30 minutes, the magnetic nanoparticles were easily separated using an external magnetic force, and the nucleic acid material adsorbed on the magnetic nanoparticles was removed using 0.1 M PBS (pH 8). This process is based on the ion exchange reaction, which can easily remove the nucleic acid material attached to the magnetic nanoparticles, and confirmed the DNA removal using SYBR green fluorescence dye. The magnetic nanoparticles (C) separated through the above process were able to maintain the peroxidase activity even after several reuses and showed a difference in color from the sample (T) in which DNA is present (FIG. 5).

도 6은 표적 핵산에 의한 자성 나노입자의 과산화효소 활성 저해 원리 이해를 위해 나노 드랍 (Nanodrop) 분광분석법에 의해 측정된 상층부 및 자성나노입자에 흡착된 표적 핵산의 양을 나타내는 표이며 (도 6A), 상기 표에 나타나 있듯이, 용액 내에 존재하는 표적 핵산의 40% 만이 자성나노입자에 결합됨을 확인할 수 있었다. 그리고, 자외선 및 가시광선 분광분석법을 통하여 표적핵산의 증폭산물이 존재하지 않는 대조군 샘플은 자성 나노 입자에 의한 발색 반응을 통해 발색반응 기질 OPD의 흡수파장 450nm에서 높은 흡광도를 나타냄을 확인할 수 있었다 (도 6B의 (1)). 반면, 표적 핵산의 증폭 산물을 가한 샘플은 표적 핵산의 과산화효소 활성 저해를 통해 감소된 흡광도를 나타내었다 (도 6B의 (3)). 그러나 표적 핵산의 증폭 산물을 가한 후 자성나노입자를 상층액으로부터 분리하여 상층액을 제거한 뒤 다시 사용한 샘플은 상기 표적 핵산의 증폭산물을 가한 샘플(도 6B의 (3))의 감소된 흡광도에 비해 40 % 만이 감소됨을 확인할 수 있었다 (도 6B의 (2)). 이 결과는 자성 나노입자의 과산화효소 활성이 자성나노입자에 흡착된 표적핵산뿐만 아니라 용액 내에 존재하는 표적 핵산에 의해 서로 다른 두 가지 형태로 제한됨을 나타내는 것이다.6 is a table showing the amount of target nucleic acid adsorbed on the upper layer and the magnetic nanoparticles measured by nanodrop spectroscopy for understanding the principle of peroxidase activity inhibition of magnetic nanoparticles by target nucleic acids (FIG. 6A) As shown in the above table, only 40% of the target nucleic acid present in the solution was bound to the magnetic nanoparticles. In addition, the control sample without the amplification product of the target nucleic acid was found to have high absorbance at 450 nm of the absorption wavelength of the color reaction substrate OPD through the color reaction by the magnetic nanoparticles through ultraviolet and visible light spectroscopy (FIG. 6B (1)). On the other hand, the sample to which the amplification product of the target nucleic acid was added showed reduced absorbance through the inhibition of peroxidase activity of the target nucleic acid (Fig. 6B (3)). However, after adding the amplification product of the target nucleic acid, the magnetic nanoparticles were separated from the supernatant, the supernatant was removed, and the used sample was compared with the reduced absorbance of the sample to which the amplification product of the target nucleic acid was added ((3) of FIG. 6B). Only 40% was found to be reduced (Fig. 6B (2)). This result indicates that the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles is limited to two different forms by the target nucleic acid present in the solution as well as the target nucleic acid adsorbed on the magnetic nanoparticles.

본 발명에서, 표적핵산은 질병과 관련된 유전자, 감염 (세균성, 바이러스성 등)과 관련된 유전자, 유전자 재조합 생물체 (GMO; genetically modified organisms)에 관련된 유전자, 법의학 수사를 위한 유전자 또는 이들의 하나 이상의 혼합물을 포함한다. 따라서, 본 발명은 신속하고 간편하게 보편적으로 핵산을 감지할 수 있는 진단 방법을 제공할 뿐만 아니라 현장진단을 위한 바이오센서로 이용될 수 있는 가능성을 제공한다. 또한, 위 현상을 이용하여 핵산의 검출뿐 아니라, 생체물질 및 화학물질의 검출에도 적용될 수 있다.
In the present invention, a target nucleic acid is a gene associated with a disease, a gene associated with an infection (bacterial, viral, etc.), a gene associated with genetically modified organisms (GMO), a gene for forensic investigation or a mixture of one or more thereof. Include. Therefore, the present invention not only provides a diagnostic method capable of quickly and simply detecting a nucleic acid universally, but also provides a possibility of being used as a biosensor for on-site diagnosis. In addition, the above phenomenon can be used to detect not only nucleic acids but also biological materials and chemicals.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.

특히 하기 실시예에서는 핵산의 검출만을 확인하였으나, 표적 물질에 의한 자성 나노입자의 과산화효소 활성 저해에 따른 색 변화를 관찰하는 본 발명을 이용하여 핵산 이외에 생체물질 또는 화학물질을 검출할 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이라고 할 것이다.
In particular, in the following examples, only the detection of nucleic acids was confirmed, but it is possible to detect biological materials or chemicals in addition to nucleic acids by using the present invention for observing color changes caused by inhibition of peroxidase activity of magnetic nanoparticles by target materials. It will be obvious to you.

자성 나노입자의 발색반응 현상을 이용한 핵산 검출Nucleic Acid Detection Using Color Reaction Phenomenon of Magnetic Nanoparticles

1-1. 표적핵산의 1-1. Target nucleic acid 증폭산물Amplification 제조 Produce

비뇨생식기 감염균인 Chlamydia trachomatis 유전자의 증폭은 PCR 방법을 사용하여 수행되었다. 상기와 같이 선정된 프라이머를 이용하여 600 bp의 최종 증폭 산물을 얻었다. 실제 환자의 샘플에서 추출한 C. trachomatis 유전자, 0.42 μM의 프라이머쌍 (서열번호 1 및 서열번호 2), 1X PCR reaction buffer (30 mM Tris-HCl, 30 mM KCl, 30 mM (NH4)2SO4 , 2 mM MgCl2), 1.07 mM dNTPs 및 4 U i-starMAXTM II DNA polymerase (Intronbio, Korea) 로 이루어진 반응 혼합물을 Perkin-Elmer 9200 thermo-cycler (Perkin-Elmer, Norwalk, CT)를 사용하여 증폭시켰다. 94℃에서 5분간 heating 하여 이중가닥 DNA를 denaturation 시킨 뒤, 94℃에서 30초, 55°C에서 30초, 72℃에서 1분간의 사이클을 35번 반복한 뒤, 72℃에서 7분간의 마지막 extension 과정을 거쳐 핵산 증폭 과정을 마쳤다. PCR 산물은 아가로오스 전기영동 (agarose gel electrophoresis)을 이용하여 PCR 여부와 사이즈를 확인하였다. 수득된 증폭산물은 DNA 정제 키트(QIAGEN)를 이용하여 프라이머, buffer의 염 및 dNTPs를 제거함으로 순수하게 정제된 증폭 핵산 산물을 얻을 수 있었다.
Chlamydia , the genitourinary tract infection Amplification of the trachomatis gene was performed using the PCR method. The primers selected as above were used to obtain a final amplification product of 600 bp. C. trachomatis gene extracted from a real patient sample, 0.42 μM primer pair (SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2), 1X PCR reaction buffer (30 mM Tris-HCl, 30 mM KCl, 30 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 2 mM MgCl 2 ), 1.07 mM dNTPs and 4 U i-starMAX TM II DNA polymerase (Intronbio, Korea) were used to amplify the reaction mixture using a Perkin-Elmer 9200 thermo-cycler (Perkin-Elmer, Norwalk, CT). I was. After denaturation of double-stranded DNA by heating at 94 ° C for 5 minutes, the cycle was repeated 35 times for 30 seconds at 94 ° C, 30 seconds at 55 ° C, and 1 minute at 72 ° C, followed by the last extension of 7 minutes at 72 ° C. The nucleic acid amplification process was completed. PCR products were agarose gel electrophoresis (agarose gel electrophoresis) to determine the size and PCR. The obtained amplification product was obtained by using a DNA purification kit (QIAGEN) to remove the primer, the salt of the buffer and dNTPs purely purified amplified nucleic acid product.

서열번호 1 : 5'-CCATCTTCTTTGAAGCGTTGT-3' (Forward primer)SEQ ID NO: 5'-CCATCTTCTTTGAAGCGTTGT-3 '(Forward primer)

서열번호 2 : 5'-ACAGGATGACTCAAGGAATAG-3' (Reverse primer)
SEQ ID NO: 2'-ACAGGATGACTCAAGGAATAG-3 '(Reverse primer)

1-2. 증폭된 표적핵산과 자성 나노입자 용액의 혼합용액 제조1-2. Preparation of Mixed Solution of Amplified Target Nucleic Acid and Magnetic Nanoparticle Solution

상기 실시예 1-1에서 제조된, Chlamydia trachomatis 유전자 증폭산물 40 ㎕ (100-600 nM) 과 자성 나노입자 용액 5 ㎕ (5 mg/ml) 을 혼합하여 혼합용액을 제조하였다. 또한, 자성 나노입자는 하기의 방법에 의해 제조된 것을 사용하였다. 13 nm 자성 나노입자는 0.25 M Fe2 + 및 Fe3 + ions (Fe3 +/Fe2 + =2) 을 물에 녹여서 수용액을 만든 후, 80 °C에서 끓여 주면서, 1 M 수산화나트륨을 첨가하여 환원시켜 제조하였다 (Gao et al . J. Magn . Magn. Mater ., 293,1;48-54, 2005). 제조된 자성 나노입자는 투과 전자 현미경 (TEM; Transmission Emission Microscopy)을 이용하여 크기가 결정되고, 원소 분석기 (Element analyzer) 및 표면 전하 측정기 (Zetasizer) 를 통하여 분석되어졌다. 여기서 사용된 자성 나노입자는 13 ± 2 nm의 크기를 가지고, 자성 나노입자는 5 mg/ml의 농도로 0.2 M acetate buffer에 분산시켜 보관되었다.
Chlamydia prepared in Example 1-1 trachomatis 40 μl of the gene amplification product (100-600 nM) and 5 μl (5 mg / ml) of the magnetic nanoparticle solution were mixed to prepare a mixed solution. In addition, magnetic nanoparticles were prepared by the following method. 13 nm magnetic nanoparticles are dissolved in 0.25 M Fe 2 + and Fe 3 + ions (Fe 3 + / Fe 2 + = 2) in water to form an aqueous solution, then boiled at 80 ° C, by adding 1 M sodium hydroxide Prepared by reduction (Gao et al . J. Magn . Magn. Mater . , 293,1; 48-54, 2005). The prepared magnetic nanoparticles were sized using Transmission Electron Microscopy (TEM) and analyzed using an element analyzer and a zetasizer. The magnetic nanoparticles used herein had a size of 13 ± 2 nm, and the magnetic nanoparticles were stored dispersed in 0.2 M acetate buffer at a concentration of 5 mg / ml.

1-3. 혼합용액에 발색반응 용액을 첨가하여 자성 나노입자의 발색반응 유도1-3. Induction of color reaction of magnetic nanoparticles by adding color reaction solution to mixed solution

상기 실시예 1-2에서 제조된 혼합용액 45 ㎕에 95 ㎕ 0.2 M sodium acetate buffer (pH 4.0), 40 ㎕ 60 mM OPD 및 20 ㎕ H2O2 (100 mM)를 차례로 넣어 준 뒤, 43℃ 조건에서 30분 반응시켜 주었다. In 45 µl of the mixed solution prepared in Example 1-2, 95 µl 0.2 M sodium acetate buffer (pH 4.0), 40 µl 60 mM OPD and 20 µl H 2 O 2 (100 mM) was added sequentially, followed by reaction for 30 minutes at 43 ° C.

1-4. 자성 나노입자의 발색반응에 의한 색 차이 관찰1-4. Observation of Color Difference by Color Reaction of Magnetic Nanoparticles

상기 실시예 1-3에서의 자성 나노입자와 발색반응 용액을 이용한 산화반응을 통해 발생된 색의 차이를 관찰한 결과, PCR 증폭 산물이 존재하지 않을 경우에는 발색 기질 OPD의 흡수파장 450 nm에서 높은 흡광도를 나타내며 붉은 색을 나타내었다. 반면, 표적 핵산의 존재에 의해 PCR 이 일어난 경우에는 표적핵산의 자성나노입자의 과산화효소 활성 저해를 통해서 발색기질 OPD의 흡수파장 450 nm에서 감소된 흡광도를 나타내며 노란색을 타내는 것을 확인하였다.
As a result of observing the color difference generated through the oxidation reaction using the magnetic nanoparticles and the color reaction solution in Example 1-3, when the PCR amplification product is not present, the absorption wavelength of the color development substrate OPD is high at 450 nm. It shows absorbance and red color. On the other hand, when PCR was generated due to the presence of the target nucleic acid, it was confirmed that yellow color was obtained by decreasing absorbance at 450 nm of the wavelength of OPD through inhibition of the peroxidase activity of the magnetic nanoparticles of the target nucleic acid.

1-5. 자성나노입자의 효율적인 분리 및 재사용1-5. Efficient Separation and Reuse of Magnetic Nanoparticles

상기 실시예 1-4를 통하여 핵산 존재 유/무를 확인한 후, 자력을 이용하여 자성 나노입자를 효율적으로 분리하고 0.1 M PBS buffer (pH 8) 을 이용하여 세척한 뒤, 발색반응 용액을 첨가하여 재사용 가능 여부를 실험하였으며, 상기 과정을 통하여 분리된 자성 나노입자는 여러 번의 재사용 후에도 과산화효소 활성을 유지하며 DNA 존재를 검출하기에 충분한 색 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다.
After confirming the presence or absence of nucleic acid in Example 1-4, magnetic nanoparticles were efficiently separated using magnetic force, washed with 0.1 M PBS buffer (pH 8), and then added by a color reaction solution for reuse. It was confirmed whether or not, and the magnetic nanoparticles isolated through the above process was able to confirm the color difference enough to maintain the peroxidase activity and to detect the presence of DNA even after several reuses.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible in the exemplary embodiments without materially departing from the novel teachings and advantages of this invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

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Claims (15)

다음의 단계를 포함하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산의 검출방법:
(a) 표적핵산의 증폭산물을 제조하는 단계;
(b) 상기 증폭산물과 과산화효소 활성을 가지는 11~15nm의 자성 나노입자 용액의 혼합용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 혼합용액에 발색반응 기질을 첨가하여 발색반응을 유도하는 단계; 및
(d) 상기 발색반응에 따른 색 변화를 관찰하는 단계.
Nucleic acid detection method using the color reaction of magnetic nanoparticles comprising the following steps:
(a) preparing an amplified product of the target nucleic acid;
(b) preparing a mixed solution of the 11-15 nm magnetic nanoparticle solution having the amplification product and peroxidase activity;
(c) inducing a color reaction by adding a color reaction substrate to the mixed solution; And
(d) monitoring the color change according to the color reaction.
제1항에 있어서, 상기 발색반응 기질은 TMB(3,3',5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS[2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] 및 OPD(o-phenylenediamine)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산의 검출방법.
The method of claim 1, wherein the color development substrate is TMB (3,3 ', 5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS [2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] and OPD (O-phenylenediamine) A method for detecting a nucleic acid using a color reaction of magnetic nanoparticles, characterized in that selected from the group consisting of.
제1항에 있어서, (b)단계에서 표적핵산의 증폭산물과 5mg/ml의 자성 나노입자 용액을 7-9:1의 부피비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산의 검출방법.
According to claim 1, wherein in step (b) the nucleic acid using the color reaction of the magnetic nanoparticles, characterized in that the amplification product of the target nucleic acid and 5mg / ml magnetic nanoparticle solution is mixed in a volume ratio of 7-9: 1 Detection method.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 자성 나노입자 용액의 용매는 무기용매인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산의 검출방법.
The method of claim 1, wherein the solvent of the magnetic nanoparticle solution is an inorganic solvent.
제1항에 있어서, 상기 자성 나노입자 용액의 농도는 4-6 mg/ml인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산의 검출방법.
The method of claim 1, wherein the concentration of the magnetic nanoparticle solution is 4-6 mg / ml.
제1항에 있어서, 상기 색 변화는 핵산 증폭산물과 자성 나노입자 용액의 혼합용액이 기질의 첨가에 의해 노란색을 나타내는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산의 검출방법.
The method of claim 1, wherein the color change of the mixed solution of the nucleic acid amplification product and the magnetic nanoparticle solution is yellow by the addition of a substrate.
다음의 단계를 포함하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물의 제조방법:
(a) 표적핵산의 증폭산물을 제조하는 단계;
(b) 상기 증폭산물과 과산화효소 활성을 가지는 11~15nm의 자성 나노입자 용액의 혼합용액을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 혼합용액에 발색반응 기질을 첨가하여 핵산 검출용 조성물을 수득하는 단계.
Method for preparing a nucleic acid detection composition using a color reaction of magnetic nanoparticles comprising the following steps:
(a) preparing an amplified product of the target nucleic acid;
(b) preparing a mixed solution of the 11-15 nm magnetic nanoparticle solution having the amplification product and peroxidase activity; And
(c) adding a color reaction substrate to the mixed solution to obtain a nucleic acid detection composition.
제8항에 있어서, 상기 발색반응 기질은 TMB(3,3',5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS[2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] 및 OPD(o-phenylenediamine)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 핵산 검출용 조성물의 제조방법.
According to claim 8, wherein the color development substrate is TMB (3,3 ', 5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS [2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] and OPD (o-phenylenediamine) A method for producing a composition for detecting a nucleic acid, characterized in that selected from the group consisting of.
제8항에 있어서, (b)단계에서 표적핵산의 증폭산물과 5mg/ml의 자성 나노입자 용액을 7-9:1의 부피비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물의 제조방법.
The nucleic acid detection method according to claim 8, wherein the amplification product of the target nucleic acid and the 5 mg / ml magnetic nanoparticle solution are mixed in a volume ratio of 7-9: 1 in step (b). Method for producing a composition for.
삭제delete 제8항에 있어서, 상기 자성 나노입자 용액의 용매는 무기용매인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the solvent of the magnetic nanoparticle solution is an inorganic solvent. 9.
제8항에 있어서, 상기 자성 나노입자 용액의 농도는 4-6 mg/ml인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the concentration of the magnetic nanoparticle solution is 4-6 mg / ml method for producing a composition for detecting a nucleic acid using a color reaction of the magnetic nanoparticles.
표적핵산의 증폭산물, 과산화효소 활성을 가지는 11~15nm의 자성 나노입자 용액 및 발색반응 기질을 함유하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물.
A nucleic acid detection composition using the amplification product of the target nucleic acid, a magnetic nanoparticle solution of 11-15 nm having a peroxidase activity and a color reaction of the magnetic nanoparticles containing the color reaction substrate.
제14항에 있어서, 상기 발색반응 기질은 TMB(3,3',5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS[2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] 및 OPD(o-phenylenediamine)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자의 발색반응을 이용한 핵산 검출용 조성물.
The method of claim 14, wherein the color reaction substrate is TMB (3,3 ', 5,5'-tetramethyl benzidine), ABTS [2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)] and OPD Nucleic acid detection composition using the color reaction of the magnetic nanoparticles, characterized in that selected from the group consisting of (o-phenylenediamine).
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