KR101437616B1

KR101437616B1 - 압타머를 이용한 ｆｅｔ 센서 기반 타겟물질의 검출방법

Info

Publication number: KR101437616B1
Application number: KR1020090012288A
Authority: KR
Inventors: 김소연
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2014-09-04
Also published as: KR20100093205A

Abstract

본 발명은 압타머를 이용한 FET 센서 기반 타겟물질의 검출방법 및 검출용 키트에 관한 것이다. 종래 저분자량의 무극성 분자는 FET 기반 센서의 검출 범위 내가 아니었기 때문에 검출하기 어려웠던 것과 달리, 본 발명에 따른 검출방법은 제1 및 제2 압타머를 이용하여 샌드위치 결합을 수행함으로써, 용액 상 저분자량의 무극성 입자의 검출 시에도 백그라운드 시그널과 명확한 차이를 갖도록 하여 용액 상 저분자량의 무극성 입자도 검출할 수 있게 하였다. 이에 용액 상에 존재하는 질병과 관련된 대사물질, 환경 오염물 및 식품 독소 등의 검출이 가능하게 하며, 특히 환경호르몬인 비스페놀 A와 같은 저분자량의 무극성 물질을 pM 수준의 극미량 존재하는 경우에도 검출할 수 있으므로 매우 유용하다.

압타머(aptamer), FET 센서, 탄소나노튜브, 검출, 비스페놀 A

Description

압타머를 이용한 ＦＥＴ 센서 기반 타겟물질의 검출방법{Method for Detecting Target Molecules Based on FET Sensor Using Aptamers}

본 발명은 압타머를 이용한 FET 센서 기반 타겟물질의 검출방법 및 검출용 키트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 FET 센서에 프로브로서 제1 압타머를 고정하고, 이에 시료 및 제2 압타머를 첨가하여 제1 압타머, 타겟물질 및 제2 압타머간 샌드위치 결합이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 타겟물질의 검출방법 및 검출용 키트에 관한 것이다.

용액 중에 있는 작은 분자를 민감하고 특이적으로 검출하기 위한 신규한 센서 플랫폼을 개발하는 것은 질병과 관련된 대사물질, 환경 오염물 및 식품 독소의 모니터닝에 매우 중요한 일이다. 최근까지 대사물질, 환경 오염물 및 독소와 같은 저분자량을 갖는 분석물의 분석은 일반적으로 GC/MS 또는 HPLC와 같은 복잡한 실험으로 진행되어 왔는데, 이는 숙련된 작업자조차도 오랜 시간이 걸리고 온-사이트 분석(on-site analysis)에 적용할 수 없는 문제점이 있었다 (Stales, C.A. et al , Environ. Toxicol . Chem ., 20:2450, 2001). 이에 현지에서의(on-site) 리얼-타임 검출에 성공하기 위해서는 작은 스케일의 장치 및 특이적으로 결합하는 시약이 요구되었다.

한편, 탄소나노튜브(CNT) 기반 센서는 작은 물질을 검출하기 위한 휴대용 장치로 매우 매력적인 플랫폼이다. 쿼츠-크리스탈 마이크로밸런스 (quarts-crystal microbalance), 전기화학적 임피던스 분석기 (electrochemical impedance spectrometry), 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 및 광지시형 전위차식 센서 (light-addressable potentiometric sensor:LAPS)과 같은 다른 검출 플랫폼과 비교하여, 단일벽 탄소나노튜브(swCNT)-전계 효과 트랜지스터(FETs)는 작은 스케일의 장치로서 매우 민감하게 화학물질을 검출하는 센서로서 유용하였다(Kim, T.K. et al ., Advanced Materials, 20:1, 2008; Kong, J. et al ., Science, 287:622, 2000; Snow, E.S. & Perkins, F.K., Nano. Lett., 5:2414, 2005).

그러나, 최근 작은 분자 검출을 위한 swCNT-FET는 대부분의 중요한 생물학적 대사물질이나 독소가 포함된 액체상이 아닌, 오직 기체 또는 증기상으로 한정되는 문제점이 있었다. 또한, 용액 중의 무극성 작은 분자의 검출은 FET 기반 센서의 검출 범위 내가 아니었기 때문에, 용액 중 작은 분자의 검출이 어려웠다 (Heller, I. et al , Nano . Lett., 8:591, 2008).

분석물의 특이적이고 민감한 검출은 또한, swCNT-FET 화학 센서가 항체와 같은 특이적으로 결합하는 시약을 기능기로 가질 것이 요구되는데, 작은 분자는 통상 동물에서 항체를 발생시키기에는 너무 작거나 너무 독성이 강하여 항체를 생성할 수 없었다.

이에 본 발명자들은 작은 분자, 특히 용액 중에 존재하는 작은 분자도 검출해낼 수 있는 새로운 FET 센서에 기반한 검출방법을 제공하고자 예의 노력한 결과, FET 센서에 제1 압타머를 프로브로서 고정하고, 이에 시료 및 제2 압타머를 첨가한 후 전류변화를 측정함으로써 pM 수준의 무극성 저분자물질도 검출해 낼 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 용액 상에 존재하는 무극성의 저분자 물질도 검출해 낼 수 있는 새로운 타겟물질의 검출방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용액 상에 존재하는 무극성 저분자 물질도 검출해 낼 수 있는 타겟물질 검출용 키트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는, 압타머를 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET) 센서기반 타겟물질의 검출방법을 제공한다:

(a) 기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극; 및 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하며, 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제1 압타머가 상기 소스 금속 전극 표면, 게이트 표면 및 드레인 금속 전극 표면 중 어느 하나 이상에 프로브로서 고정되어 있는 FET 센서에,

타겟물질을 함유하는 시료; 및 상기 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 첨가하는 단계; 및

(b) 상기 타겟물질과 제2 압타머가 상기 FET 센서에 고정되어 있는 제1 압타머에 결합하는 경우 발생하는 상기 FET 센서의 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극 사이에 흐르는 전류 변화를 측정하여 타겟물질을 검출하는 단계.

본 발명은 또한, 기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극; 및 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하는 FET 센서로서, 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제1 압타머가 상기 소스 금속 전극 표면, 게이트 표면 및 드레인 금속 전극 표면 중 어느 하나 이상에 프로브로서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 센서와, 상기 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 함유하는 검출시약을 포함하는 타겟물질 검출용 키트를 제공한다.

본 발명은 또한, 기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 Au 전극들; 및 상기 Au 전극들과 접촉하고 상기 기판상에 구비되어 채널을 형성하는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 채널 영역을 포함하는 FET 센서로서, 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 제1 압타머가 상기 Au 전극 표면에 프로브로서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 센서와, 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 함유하는 검출시약을 포함하되, 여기서, 상기 제1 압타머 또는 제2 압타머는 서열번호 2 내지 28의 핵산서열로 표시되는 압타머들 중 선택되는 것을 특징으로 하는 비스페놀 A 검출용 키트를 제공한다.

본 발명은 압타머를 이용하는, FET 센서 기반 타겟물질의 검출방법 및 검출키트를 제공하는 효과가 있다.

종래 저분자량의 무극성 분자는 FET 기반 센서의 검출 범위 내가 아니었기 때문에 검출하기 어려웠던 것과 달리, 본 발명에 따른 검출방법은 제1 및 제2 압타머를 이용하여 샌드위치 결합을 수행함으로써, 용액 상 저분자량의 무극성 입자의 검출 시에도 백그라운드 시그널과 명확한 차이를 갖도록 하여 용액 상 저분자량의 무극성 입자도 검출할 수 있게 하였다. 이에 용액 상에 존재하는 질병과 관련된 대사물질, 환경 오염물 및 식품 독소 등의 검출이 가능하게 하며, 특히 환경호르몬인 비스페놀 A와 같은 저분자량의 무극성 물질을 pM 수준의 극미량 존재하는 경우에도 검출할 수 있으므로 매우 유용하다.

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 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명의 상세한 설명 등에서 사용되는 주요 용어의 정의는 다음과 같다.

본원에서 "압타머"란, 높은 친화성으로 타겟물질을 특이적으로 인지할 수 있는 작은 단일가닥 올리고핵산을 말한다. 이때, 상기 압타머가 RNA인 경우에는, 규정된 핵산서열에서 T는 U임을 특징으로 한다.

본원에서 "시료"란, 관심있는 타겟물질을 함유하거나 함유하고 있는 것으로 추정되어 분석이 행해질 조성물을 의미한다.

본원에서 "전계 효과 트랜지스터(FET) 센서"란 기판의 양 측부에 기판과 반 대되는 극성으로 도핑된 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극이 형성되어 있으며, 소스 및 드레인 금속전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하며, 게이트 표면 또는 상기 금속전극의 표면에 프로브가 고정되어 있어, 프로브에 타겟물질이 결합하는 경우, 결합 시 생기는 전류변화를 전기적인 방법으로 측정하여 프로브와 타겟물질간의 결합여부를 검출하는 센서를 의미한다.

본원에서 "탄소나노튜브"란 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집 무늬로 결합되어 있는 튜브 형태를 이루고 있는 물질로, 튜브의 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 물질을 의미한다. 흑연면의 결합수에 따라서 단일 벽 나노튜브(single-walled nanotube), 다중벽 나노튜브(multi-walled nanotube) 및 다발형 나노튜브(rope nanotube)로 분류될 수 있다.

본 발명은 일 관점에서, 상기 목적을 달성하기 위하여, 압타머를 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET) 센서기반 타겟물질의 검출방법에 관한 것이다:

(b) 상기 타겟물질과 제2 압타머가 상기 FET 센서에 고정되어 있는 제1 압타 머에 결합하는 경우 발생하는 상기 FET 센서의 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극 사이에 흐르는 전류 변화를 측정하여 타겟물질을 검출하는 단계.

본 발명에 따른 방법은 전계 효과 트랜지스터(FET) 원리에 기반한 것으로서, 소스 금속 전극 표면, 게이트 표면 및 드레인 금속 전극 표면 중 어느 하나 이상에 프로브로서 압타머를 고정하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명을 제공하기 위하여 사용되는 FET 센서로는 종래 알려진 어떠한 형태의 FET 센서도 활용할 수 있다. 또한, 기판의 양 측부에 기판과 반대되는 극성으로 도핑된 소스 및 드레인과, 상기 소스 및 드레인과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하고, 게이트 표면 또는 소스 및 드레인 금속 전극들에 고정된 프로브에 타겟물질이 결합 시 생기는 전류변화를 전기적인 방법으로 측정하는 것으로서, 이러한 원리를 이용하는 센서라면 본 발명을 위한 방법을 수행하기 위하여 사용할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 자명할 것이다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 금속 전극은 금, 백금, 크롬, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐 및 티타늄으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 바람직하게는 검출활성을 높이기 위하여 상기 FET 센서는 탄소나노튜브가 기판 상에 증착되어 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하여 채널을 형성하는 채널 영역을 형성하는 FET 센서인 것을 특징으로 할 수 있다. 탄소나노튜브의 증착은 화학기상증착법, 레이저 어블레이션법, 전기방전법, 플라즈마강화화학기상증착법, 열화학기상증착법, 기상합성법, 전기분해법, 플레임 합성법 등 통상적인 방법에 의하여 수행될 수 있다. 이러한 탄소나노튜브 FET 센서의 경우 바람직하게는 상기 제1 압타머는 상기 금속 전극 표면에 고정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

아울러, 본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계는 FET 센서에 시료와 제2 압타머를 첨가하는 단계로서, 이때 시료와 제2 압타머를 먼저 혼합한 다음, 상기 FET 센서에 첨가하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 시료와 제2 압타머를 혼합하여 시료 중 타겟물질과 제2 압타머간의 특이적인 결합이 이루어지도록 한 후 결합된 타겟물질-제2 압타머를 FET 센서에 첨가하여 프로브인 제1 압타머와 결합이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 (a) 단계는 시료를 먼저 첨가한 다음, 제2 압타머를 첨가하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 시료 중 타겟물질이 먼저 FET 센서의 제1 압타머와 결합하도록 한 다음, 순차적으로 제2 압타머를 가하여 결합시킴으로써 순차적인 결합반응이 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명에서, 상기 시료는 관심있는 타겟물질을 함유하거나 함유하고 있는 것으로 추정되어 분석이 행해질 조성물로, 토양, 액체, 공기, 식품, 폐기물, 동식물 장내 및 동식물 조직 중 어느 하나 이상에서 채취된 시료로부터 검출되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 액체는 물, 혈액, 소변, 눈물, 땀, 타액, 림프 및 뇌척수액 등임을 특징으로 할 수 있으며, 상기 물은 강수(江水), 해수(海水), 호수(湖水) 및 우수(雨水) 등을 포함하고, 폐기물은 하수, 폐수 등을 포함하며, 상기 동식물은 인체를 포함한다. 또한, 상기 동식물 조직으로는 점막, 피부, 외피, 털, 비늘, 안구, 혀, 뺨, 발굽, 부리, 주둥이, 발, 손, 입, 유두, 귀, 코 등의 조직을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서는 본 발명에 따른 검출방법이 용액 중의 저분자량의 무극성 물질도 검출해 낼 수 있는지 확인하기 위하여, 환경호르몬으로 잘 알려져 있으나 검출이 극히 어려운 것으로 알려져 온 비스페놀 A의 검출여부를 실험하였다. 그 결과, 용액 중의 비스페놀 A를 pM 수준에서도 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 비스페놀 A와 극히 유사한 구조를 가지는 BPB, 6F와 같은 다른 비스페놀 족에 대한 반응을 일으키지 않고 비스페놀 A만을 특이적으로 검출함을 확인하였다. 이는 본 발명에 따른 검출방법이 종래 용액 중 대사물질, 독소 등의 검출이 매우 어려웠던 것과 달리 본 발명에 따른 방법을 이용함으로써 용액 중의 대사물질, 독소 등의 검출을 가능하게 함을 의미한다.

상기 실시예의 비스페놀 A를 검출하기 위한 FET 센서에 사용되는 압타머는 바람직하게는 서열번호 2 내지 28의 핵산서열로 표시되는 압타머들 중 선택될 수 있다. 이때, 핵산 압타머는 단일가닥 DNA 또는 RNA로서 제공되는 것인 바, 상기 핵산이 RNA인 경우에는 상기 핵산서열에서 T는 U로 표시되며, 이러한 서열이 본 발명의 범위에 포함됨은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 자명한 사항이라 할 것이다.

한편, 본 발명에 따른 방법은 휴대성을 높이기 위하여, 키트의 형태로 제공될 수 있다. 즉, 본 발명은 다른 관점에서, 기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극; 및 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하는 FET 센서로서, 타겟물질 에 특이적으로 결합하는 제1 압타머가 상기 소스 금속 전극 표면, 게이트 표면 및 드레인 금속 전극 표면 중 어느 하나 이상에 프로브로서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 센서와, 상기 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 함유하는 검출시약을 포함하는 타겟물질 검출용 키트에 관한 것이다. 이때, 상기 제2 압타머를 함유하는 검출시약은 별도의 용기에 담기어 제공되거나 타겟물질과 압타머간 결합을 수행할 반응부에 담기어 제공될 수 있다. 상기에 더하여 상기 검출키트는 검출용 완충용액 등을 포함할 수 있으며, 아울러 바람직하게는 상기 검출시약과 검출하고자 하는 시료액을 혼합시킬 수 있는 도구를 추가로 포함할 수 있다.

타겟물질 검출용 키트는 병, 통(tub), 작은 봉지(sachet), 봉투(envelope), 튜브, 앰플(ampoule) 등과 같은 형태를 취할 수 있으며 이들은 부분적으로 또는 전체적으로 플라스틱, 유리, 종이, 호일, 왁스 등으로부터 형성될 수 있다. 용기는, 처음에는 용기의 일부이거나 또는 기계적, 접착성, 또는 기타 수단에 의해 용기에 부착될 수 있는, 완전히 또는 부분적으로 분리가 가능한 마개를 장착할 수 있다. 용기는 또한 주사바늘에 의해 내용물에 접근할 수 있는, 스토퍼가 장착될 수 있다. 상기 키트는 외부 패키지를 포함할 수 있으며, 외부 패키지는 구성 요소들의 사용에 관한 사용설명서를 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

특히, 하기 실시예에서는 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 압타머를 이용하여 비스페놀 A의 검출효과를 확인하였으나, 다른 타겟물질에 특이적으로 결합하는 압타머를 이용하여 본 발명에 따른 방법을 다른 타겟물질의 검출에도 적용할 수 있음은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이라 할 것이다.

실시예 1: 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 압타머의 분리 및 FET CNT 센서의 제조

먼저, 다음의 서열을 가지는 랜덤한 ssDNA 라이브러리를 화학적으로 합성하고 PAGE(Genotech Inc., Korea)로 분리하였다.

5'-GGGCCGTTCGAACACGAGCATG-N₆₀-GGACAGTACTCAGGTCATCCTAGG-3' (서열번호 1)

상기 ssDNA 풀에 대하여, 비스페놀 A-아가로스 친화성 컬럼을 이용하여 SELEX의 선별과 증폭과정을 12회 수행하여, 다음의 총 27개의 비스페놀 A 특이적인 압타머를 선별하였다.

#31 5'-CGGCCCTAGG ATGACCTGAG TACTGTCCCT CACCCCTACT TCCGCCACTG GCCCAACAGC-3' (서열번호 2)

#23 5'-TGCCTAGGAT GACCTGAGTA CTGTCCAGGC TCCGACCTTG TCCCTGCCGC CACTCTCCCA-3' (서열번호 3)

#47 5'-GCGGACGGGC TCGGCTCACC TAGGATGACC TGAGTACTGT CCCCGTGGCG CTAATTCGGG-3' (서열번호 4)

#50 5'-CGGCCCGCCC CTAGGATGAC CTGAGTACTG TCCGCGGGAC GGTATCGCTG AGACAGGTGC-3' (서열번호 5)

#41 5'-CGGCAGCCCT AGGATGACCT GAGTACTGTC CGCGAAAGAC TCCATGGTAC CCGGTGCTTA-3' (서열번호 6)

#27 5'-GGGGGCGTCG NCCTAGGATG ACCTGAGTAC TGTCCGCACN CAGGGAGGAT GCATTGAC-3' (서열번호 7)

#45 5'-GTGTCCCCAC GTCCTAGGAT GACCTGAGTA CTGTCCAATG CCGCTCCTCC CGATGCAGAC-3' (서열번호 8)

#11 5'-CTCTTCNCTC CAATTCGTAA GATGACCTGA GGTCTGCCCA ACGGTGTTTA GAACCCCTTG-3' (서열번호 9)

#12-3 5'-CGCAGCGCGC CCCTGAGTAC TGTCCGCCCA ACGGTGTGAC GGCCCTGCGA TCAACGATTG-3' (서열번호 10)

#12-4 5'-GGGCCGTCCT AGGATGACCT GAGTACTGTC CGCCCAACGG TGTGACGGCC CTGCGATCAA-3' (서열번호 11)

#22 5'-CCCTCGCCCT GAGTACTGTC CCCCGTCCGT CCGGTGAGGG CCACTATCGC TAACTGATCA-3' (서열번호 12)

#4 5'-AGGCCGTTGG TGTGGTGGGC CTAGGGCCGG CGGCGCACAG CTGTTATAGA CGTCTCCAGC-3' (서열번호 13)

#12-5 5'-CCGCCGTTGG TGTGGTGGGC CTAGGGCCGG CGGCGCACAG CTGTTATAGA CGTCTCCAGC-3' (서열번호 14)

#6 5'-CCGCCGTTGG TGTGGTGGGC CTAGGGCCGG CGGCGCACAG CTGTTATAGA CGCCTCCAGC-3' (서열번호 15)

#12-7 5'-CCGCCGTTGG TGTGGTGGGC CCAGGGCCGG CGGCGCACAG CTGTTATAGA CGCCTCCAGC-3' (서열번호 16)

#12-2 5'-TGACGGTGGC GTGGAGGGCG CGTATCAATC GTTGATCGCA GGGCCGTCAT ACCGTTGGAG-3' (서열번호 17)

#12-9 5'-TGACGGTGGC GTGGAGGGCG CGTATCAATC GTTGATCGCA GGGCCGTCAT ACCGTTGGGGG-3' (서열번호 18)

#12-6 5'-TGACGGTGGC GTGGAGGGCG CGTATCAATC GTTGATCGCA GGGCCGTCAT ACCGGTCGGG-3' (서열번호 19)

#2 5'-GCCGACAGGG CATGGGACGC TATCAGCGGT GTCAATCGAA TTCCCGCGGC CGCCATGCGG-3' (서열번호 20)

#14 5'-GGTCCCCGCA GCTCATACGG CGCTCCAGCG TAATCGAATT CCCGCGGCCG CCATGCGGCC-3' (서열번호 21)

#46 5'-GCGAGTGGCC CATCAGCAGA GCGTAATCCC CACGCACATC GAGTGCCCCC GGCCGGTGCT-3' (서열번호 22)

#12 5'-GTATTGTCAT TCATATCCTC GTGCTTGCTG TCCTCACCCC ACCCACCAGA ATGGAAA-3' (서열번호 23)

#13 5'-CCTGGTATTG TCTTGCCAAT CCTCGCCCTG GCTGTCTTAC CCCTCCCCAC CCGCCTGAAG-3' (서열번호 24)

#48 5'-GTCGACTCGC GGGTACCGTG CTCAATGTCC CAATCCGGGG AAGCGTTTAG ACCCGCAGCC CAC-3' (서열번호 25)

#40 5'-GTCGCCACTG CGGGTACCGT GCTTGGGCNA CCGATGNACC NTGNNACCGT GTTTNGCC-3' (서열번호 26)

#3 5'-CCGGTGGGTG GTCAGGTGGG ATAGCGTTCC GCGTATGGCC CAGCGCATCA CGGGTTCGCA CCA-3' (서열번호 27)

#32 5'-GGGCGGTGGG TGGCGAGTTG TGAGACGCTG GAGGAGGTTG CTGCCCCCGG CACATTGGGA-3' (서열번호 28)

그 다음, 단일벽 탄소나노튜브(swCNT)-FET 센서칩을 종래 알려진 방법(Lee, M. et al ., Nat . Nanotechnol ., 1:66, 2006)에 따라 제조하였다.

메틸-종결화된 옥타데실트리클로로실란 (octadecyltrichlorosilane: OTS) 자기-조립 단층 (self-assembled monolayer)을 무극성 패시베이션한(passivating) 분자 패턴을 제조하기 위하여, 종래의 포토리쏘그라피 법을 이용하여 SiO₂ 기판 위에 패턴화하였다. 이때, 기판을 단일벽 탄소나노튜브(swCNTs)의 용액 (ο-다이클로로벤젠에서 0.05mg/ml)에 침지하고, swCNTs를 직접 SiO₂ 부위에 조립하여 정열하였다. 그리고, 전극은 포토리쏘그라피를 패턴화하였고, 리프트-오프 공정 (lift-off process)에 따라 Pd 및 Au(10nm Pd 상에 30nm Au)으로 열적으로 증착하였다.

그리고나서, swCNT 기반 비스페놀 A 검출용 센서를 제공하기 위하여, 상기 swCNT-FET 센서칩의 Au 전극에 상기 수득한 27개의 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 압타머 중 #3 압타머 (서열번호 27)를 고정하였다. 고정을 위하여 먼저, 칩을 10nM MCH (mercaptohexanol) 용액(중성화된 물에서)에 밤새도록 담금으로써 MCH로 전처리하였다. 그리고나서, 칩을 완충용액 (10nM Tris-HCl)에서 1μM 압타머에 10시간동안 침지하여, 금 전극을 5'말단에 티올기(thiol group)을 가지는 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 ssDNA 압타머로 코팅하여 비스페놀 A 검출용 FET 센서를 제조하였다.

실시예 2: 비스페놀 A의 검출

비스페놀 A(BPA)의 전기적인 검출은 BPA 또는 다른 분자의 도입에 의해 유도되는 소스(source)와 드레인(drain) 사이의 전류 변화 (소스-드레인 바이어스 ~0.1V)를 키슬리 4200 반도체 특성분석 장치(Keithley 4200 Semiconductor analyser, USA)로 모니터닝함으로써 수행되었다.

먼저, 대조군으로서 소스-드레인간 전류 변화(source-drain current change)를 모니터닝하면서, BPA 용액을 결합 완충용액 (100mM Tris-HCl, 200mM NaCl, 25mM KCl, 10mM MgCl₂, 2.5ppm DMSO)상에서 다양한 농도로 (1pM~100nM)로 상기 실시예 1에서 제조한 센서로 첨가하였다. 그리고, 실험군으로서 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 압타머 #3 (서열번호 5), 즉 제2 압타머를 결합한 BPA를 역시 상기와 동 일하게 다양한 농도로 (1pM~100nM)로 상기 실시예 1에서 제조한 센서로 첨가하였다 (도 1). 이때, 제2 압타머로 압타머 #3을 결합시킨 BPA는 다음과 같이 준비하였다. 즉, 먼저 BPA와 압타머 용액을 동일한 농도로 혼합한 후, 혼합된 용액을 95℃에서 5분간 가열하고 실온까지 1~2시간동안 냉각하였다. 추가적으로 또한, 대조군으로서 BPA 없이 압타머 #3을 함유한 압타머 용액만을 상기와 동일한 조건으로 상기 실시예 1에서 제조한 센서에 첨가하였다.

한편, 제조된 BPA 검출용 FET 센서가 BPA만을 특이적으로 검출하는지 확인하기 위하여, BPA와 유사한 구조를 가지는 다른 분자인 비스페놀 B(BPB), 4,4'-비스페놀(BP) 및 6F 비스페놀 A(6F)를 1nM로 도입하였다.

그 결과, 도 2a에 나타난 바와 같이, 비스페놀 A 용액만을 가한 경우에는 100nM의 농도로 가한 경우에서도 FET 센서 칩이 용액 중 무극성 분자인 비스페놀 A를 검출해내지 못하는 것으로 나타났다. 이는 BPA 자체가 어떠한 전하나 다이폴을 가지지 않기 때문이다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 방법에 의하여 비스페놀 A를 포함하는 시료와 제2 압타머를 함께 가한 경우, 도 2b에 나타난 바와 같이, 백그라운드 시그널과 명확한 차이를 갖는 것으로 확인되었으며, 이에 무극성 분자인 비스페놀 A를 1pM부터 검출할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 도 2c에 나타난 바와 같이, 비스페놀 A 없이 제2 압타머만 센서에 첨가한 경우에도 도 2a와 같이 유의적인 변화를 일으키지 않았다.

또한, 도 2d에 나타난 바와 같이, 비스페놀 A(BPA)와 유사한 구조를 가지는 비스페놀 족인 비스페놀 B(BPB), 4,4'-비스페놀(BP) 및 6F 비스페놀 A(6F)를 도입 한 경우 유의적인 전류변화를 일으키지 않는 것으로 나타났다.

상기 실험결과는 본 발명에 따른 검출방법은, 종래 FET 센서에서는 너무 낮은 전하 전달 때문에 검출될 수 없었던, 용액 중에 포함된 저분자량의 무극성 분자도 특이적으로 검출해 낼 수 있음을 의미한다.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 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.

도 1은 swCNT-FET 센서 및 이에 본 발명에 따른 방법을 적용하여 비스페놀 A(BPA)를 검출하는 과정의 개략도이다.

도 2는 BPA 용액 (a), BPA와 항-BPA 압타머 혼합용액 (b) 및 항-BPA 압타머 용액(c)을 각각 swCNT-FET 센서에 첨가하여 전류변화를 측정한 그래프들과, BPA, BPB, 6F 및 BP의 각 용액과 항-BPA 압타머 용액의 혼합용액을 swCNT-FET 센서에 첨가하여 전류변화를 측정한 그래프(d)이다.

<110> Dongguk University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Method for Detecting Target Molecules Based on FET Sensor Using Aptamers <130> P08-B022 <160> 28 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 106 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> random ssDNA library <220> <221> misc_feature <222> (13)..(72) <223> A or G or C or T <400> 1 gggccgttcg aacacgagca tgnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn 60 nnnnnnnnnn nnnnnnnnnn nnggacagta ctcaggtcat cctagg 106 <210> 2 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 2 cggccctagg atgacctgag tactgtccct cacccctact tccgccactg gcccaacagc 60 60 <210> 3 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 3 tgcctaggat gacctgagta ctgtccaggc tccgaccttg tccctgccgc cactctccca 60 60 <210> 4 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 4 gcggacgggc tcggctcacc taggatgacc tgagtactgt ccccgtggcg ctaattcggg 60 60 <210> 5 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 5 cggcccgccc ctaggatgac ctgagtactg tccgcgggac ggtatcgctg agacaggtgc 60 60 <210> 6 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 6 cggcagccct aggatgacct gagtactgtc cgcgaaagac tccatggtac ccggtgctta 60 60 <210> 7 <211> 58 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 7 gggggcgtcg ncctaggatg acctgagtac tgtccgcacn cagggaggat gcattgac 58 <210> 8 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 8 gtgtccccac gtcctaggat gacctgagta ctgtccaatg ccgctcctcc cgatgcagac 60 60 <210> 9 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 9 ctcttcnctc caattcgtaa gatgacctga ggtctgccca acggtgttta gaaccccttg 60 60 <210> 10 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 10 cgcagcgcgc ccctgagtac tgtccgccca acggtgtgac ggccctgcga tcaacgattg 60 60 <210> 11 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 11 gggccgtcct aggatgacct gagtactgtc cgcccaacgg tgtgacggcc ctgcgatcaa 60 60 <210> 12 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 12 ccctcgccct gagtactgtc ccccgtccgt ccggtgaggg ccactatcgc taactgatca 60 60 <210> 13 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 13 aggccgttgg tgtggtgggc ctagggccgg cggcgcacag ctgttataga cgtctccagc 60 60 <210> 14 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 14 ccgccgttgg tgtggtgggc ctagggccgg cggcgcacag ctgttataga cgtctccagc 60 60 <210> 15 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 15 ccgccgttgg tgtggtgggc ctagggccgg cggcgcacag ctgttataga cgcctccagc 60 60 <210> 16 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 16 ccgccgttgg tgtggtgggc ccagggccgg cggcgcacag ctgttataga cgcctccagc 60 60 <210> 17 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 17 tgacggtggc gtggagggcg cgtatcaatc gttgatcgca gggccgtcat accgttggag 60 60 <210> 18 <211> 61 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 18 tgacggtggc gtggagggcg cgtatcaatc gttgatcgca gggccgtcat accgttgggg 60 g 61 <210> 19 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 19 tgacggtggc gtggagggcg cgtatcaatc gttgatcgca gggccgtcat accggtcggg 60 60 <210> 20 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 20 gccgacaggg catgggacgc tatcagcggt gtcaatcgaa ttcccgcggc cgccatgcgg 60 60 <210> 21 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 21 ggtccccgca gctcatacgg cgctccagcg taatcgaatt cccgcggccg ccatgcggcc 60 60 <210> 22 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 22 gcgagtggcc catcagcaga gcgtaatccc cacgcacatc gagtgccccc ggccggtgct 60 60 <210> 23 <211> 57 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 23 gtattgtcat tcatatcctc gtgcttgctg tcctcacccc acccaccaga atggaaa 57 <210> 24 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 24 cctggtattg tcttgccaat cctcgccctg gctgtcttac ccctccccac ccgcctgaag 60 60 <210> 25 <211> 63 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 25 gtcgactcgc gggtaccgtg ctcaatgtcc caatccgggg aagcgtttag acccgcagcc 60 cac 63 <210> 26 <211> 58 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 26 gtcgccactg cgggtaccgt gcttgggcna ccgatgnacc ntgnnaccgt gtttngcc 58 <210> 27 <211> 63 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 27 ccggtgggtg gtcaggtggg atagcgttcc gcgtatggcc cagcgcatca cgggttcgca 60 cca 63 <210> 28 <211> 60 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> bisphenol A aptamer <400> 28 gggcggtggg tggcgagttg tgagacgctg gaggaggttg ctgcccccgg cacattggga 60 60

Claims

다음의 단계를 포함하는, 압타머를 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET) 센서기반 무극성 저분자 타겟물질의 검출방법:

(a) 기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극; 및 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하며, 무극성 저분자 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제1 압타머가 상기 소스 금속 전극 표면, 게이트 표면 및 드레인 금속 전극 표면 중 어느 하나 이상에 프로브로서 고정되어 있는 FET 센서에,

무극성 저분자 타겟물질을 함유하는 시료; 및 상기 무극성 저분자 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 첨가하는 단계; 및

(b) 상기 무극성 저분자 타겟물질과 특이적으로 결합한 제2 압타머가 상기 FET 센서에 고정되어 있는 무극성 저분자 타겟물질 특이적 제1 압타머에 결합하는 경우 발생하는 상기 FET 센서의 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극 사이에 흐르는 전류 변화를 측정하여 무극성 저분자 타겟물질을 검출하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 금속 전극은 금, 백금, 크롬, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐 및 티타늄으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 탄소나노튜브가 기판 상에 증착되어 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하여 채널을 형성하는 채널 영역을 형성하고, 상기 제1 압타머는 상기 금속 전극 표면에 고정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 시료는 물, 혈액, 소변, 눈물, 땀, 타액, 림프액, 뇌척수액, 토양, 공기, 식품, 폐기물, 동식물 장내 및 동식물 조직 중 어느 하나 이상에서 채취된 것임을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1압타머 또는 제2 압타머는 서열번호 2 내지 28의 핵산서열로 표시되는 압타머들 중 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 타겟물질은 비스페놀 A 인 것을 특징으로 하는 방법.
기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 소스 금속 전극 및 드레인 금속 전극; 및 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하며 기판 상에 형성되는 게이트를 포함하는 FET 센서로서, 무극성 저분자 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제1 압타머가 상기 소스 금속 전극 표면, 게이트 표면 및 드레인 금속 전극 표면 중 어느 하나 이상에 프로브로서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 센서와, 상기 무극성 저분자 타겟물질에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 함유하는 검출시약을 포함하는 무극성 저분자 타겟물질 검출용 키트.
제7항에 있어서, 상기 금속 전극은 금, 백금, 크롬, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐 및 티타늄으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 타겟물질 검출용 키트.
제7항에 있어서, 탄소나노튜브가 기판 상에 증착되어 상기 소스 및 드레인 금속 전극들과 접촉하여 채널을 형성하는 채널 영역을 형성하고, 상기 제1 압타머는 상기 금속 전극 표면에 고정되는 것을 특징으로 하는 타겟물질 검출용 키트.
기판; 상기 기판의 양측에 서로 분리되어 형성되는 Au 전극들; 및 상기 Au 전극들과 접촉하고 상기 기판상에 구비되어 채널을 형성하는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 채널 영역을 포함하는 FET 센서로서, 비스페놀 A에 특이적으로 결합하 는 제1 압타머가 상기 Au 전극 표면에 프로브로서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 FET 센서와, 비스페놀 A에 특이적으로 결합하는 제2 압타머를 함유하는 검출시약을 포함하는 비스페놀 A 검출용 키트:

여기서, 상기 제1 압타머 또는 제2 압타머는 서열번호 2 내지 28의 핵산서열로 표시되는 압타머들 중 선택되는 것을 특징으로 함.