KR101449843B1 - 흑연 나노입자를 이용한 바이오 검출 물질, 이를 응용한 분자 비콘 - Google Patents

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서태석
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Abstract

프로브 물질 및 흑연 나노입자를 함유하는 분자 비콘이 제공된다.
본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘은, 흑연 나노입자로부터의 우수한 소광 특성을 갖는다. 더 나아가, 나노입자에 의한 우수한 세포 주입 특성과, 뉴클리아제 효소작용에 대한 높은 안정성. 낮은 세포 독성 등의 장점을 가진다. 따라서, 살아 있는 세포 내에서의 바이오 물질 검출에 매우 효과적으로 활용될 수 있다.

Description

흑연 나노입자를 이용한 바이오 검출 물질, 이를 응용한 분자 비콘{Bio-sensing material using graphite nanoparticle, and molecular beacon using the same}
본 발명은 흑연 나노입자를 이용한 바이오 검출 물질, 이를 응용한 분자 비콘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흑연 나노입자로부터의 우수한 소광 특성뿐만 아니라, 뉴클리아제 효소작용에 대한 높은 안정성, 우수한 세포 주입 특성, 낮은 세포 독성 등의 장점을 가지는, 흑연 나노입자를 이용한 바이오 검출 물질, 이를 응용한 분자 비콘에 관한 것이다.
분자 비콘(molecular beacon)은 자가-상보적인 줄기를 갖는 헤어핀 형태의 올리고뉴클레오티드로서, 일단에서 형광단을 발생시키고, 타 단부에서는 소광체를 인접영역으로 발생시킨다. 상기 일단에서 발생한 형광단의 형광은 에너지 전이에 의하여 소광된다.
상보적인 타겟 DNA가 있을 때, 분자 비콘은 자발적으로 줄기 개방에 의한 구조적 변화를 겪으며, 형광 회복을 발생시킨다.
독특한 구조적 그리고 열역학적 특징 때문에, 단일 뉴클레오티드 다형성(polymorphism), 실시간 PCR에서의 병원균 및 살아있는 세포에서의 RNA 유전자 발현 검출에 분자 비콘을 사용한다.
종래의 분자 비콘은 형광 리포터로 유기 염료를 사용하고, 소광체로서 Dabcyl 또는 BHQ와 같은 유기 모이어티를 사용하였다. 하지만, 이 경우, 복잡하고 고가의 합성방법이 필요하고, 세포 내의 주입 효율이 낮고, 또한 세포내에서 뉴클리아제 효소 작용에 의한 낮은 안정성으로 인하여 인-비보 환경에서의 바이오 물질 검출이 용이하지 못하다는 단점이 있다.
따라서, 종래의 분자 비콘의 문제를 해결하고, 또한 검출 민감도를 향상시키기 위하여, 다양한 연구 그룹에서 형광체 또는 소광체를 변형하고자 하였다.
소광체에 대하여, Dubertret et al. 등은 Dabcyl를 1.4 nm 금 클러스터로 교체하는 기술로서, 싱글 베이스-미스매치 검출을 위한 소광체로서 금 나노입자를 사용하는 기술을 제공한다(종래 기술 1). 또한 Yang et al. 등은 탄소 나노튜브를 분자 비콘의 소광체로 하여 DNA 분석에 사용하는 기술을 개시한다(종래 기술 2).
하지만, 이러한 종래 기술들은 복잡한 합성 방법과 고가의 물질이 사용되어야 하므로 경제성이 떨어지는 문제가 있다. 최근, 민감도, 비용 및 생물학적 안정성을 향상시키고자 단일 탄소층인 그래핀을 소광체로 사용하는 기술이 개시된다. 하지만, 그래핀의 경우, 까다로운 그래핀 제조에 따른 비용 증가와 함께, 복잡한 합성 절차를 요구하며, 생성된 그래핀 산화물은 크기 및 모양에 재현성이 떨어질 뿐만 아니라, 수백 나노에서 수 마이크로 미터사이즈 크기로 인해 세포투입에 유리하지 않다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 새로운 나노탄소입자 소광체를 함유하는 분자 비콘을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 소광체용 흑연 나노입자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 흑연 나노입자 및 상기 흑연 나노입자에 의하여 형광이 소광되는 형광단을 발광하는 염료를 포함하는 바이오 검출 물질을 제공한다.
본 발명은 또한 프로브 물질 및 소광체용 흑연 나노입자를 함유하는 분자 비콘을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 프로브 물질은 핵산물질이며, 상기 분자 비콘은 상기 흑연 나노입자가 상기 분자 비콘의 핵산물질의 일 말단에 결합된다.
상기 분자 비콘은 상기 핵산물질의 타 말단에 결합된 염료를 포함하며, 상기 염료로부터의 형광단은 상기 흑연 나노입자에 의하여 소광된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 흑연 나노입자는 상기 핵산물질의 일 말단과 π-π 컨쥬게이션되어 결합된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 핵산 물질은 DNA, RNA 또는 단백질이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 핵산물질의 3'-말단에는 염료가, 5'-말단에는 흑연 나노입자가 결합된다.
본 발명은 또한 상술한 분자 비콘을 포함하는 바이오 물질 모니터링 시스템 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 세포 모니터링 시스템은 상기 분자 비콘으로부터 발생하는 형광 특성의 변화에 따라 상기 분자 비콘에 대응하는 바이오 물질을 검출한다.
본 발명은 또한 상술한 분자 비콘을 포함하는 바이오 물질 모니터링 방법으로, 흑연 나노입자를 함유하는 분자 비콘과 타겟 물질을 접촉시키는 단계; 상기 분자 비콘으로부터 발생하는 형광을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 형광 강도가 증가하는 경우, 상기 분자 비콘의 프로브 물질에 대응하는 타겟 물질이 있는 것으로 검출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 프로브 물질은 핵산물질이며, 상기 분자 비콘은 상기 흑연 나노입자가 상기 분자 비콘의 핵산물질의 일 말단에 결합된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분자 비콘은 상기 핵산물질의 타 말단에 결합된 염료를 포함하며, 상기 염료로부터의 형광단은 상기 흑연 나노입자에 의하여 소광된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 흑연 나노입자는 상기 핵산물질의 일 말단과 π-π 컨쥬게이션되어 결합된다.
상기 핵산물질의 3'-말단에는 염료가, 5'-말단에는 흑연 나노입자가 결합되며, 상기 타켓 물질은 상기 핵산물질에 상보적으로 혼성화될 수 있는 물질이다.
본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘은, 흑연 나노입자로부터의 우수한 소광 특성을 갖는다. 더 나아가, 나노입자에 의한 우수한 세포 주입 특성과, 뉴클리아제 효소작용에 대한 높은 안정성, 낮은 세포 독성 등의 장점을 가진다. 따라서, 살아 있는 세포 내에서의 바이오 물질 검출에 매우 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흑연 나노입자(Graphite Nanoparticle, GN)를 함유하는 분자 비콘(MB-GN)의 합성과, 이를 이용하여 타겟 유전자를 검출하는 응용 방식을 설명하는 도면이다.
도 2는 합성된 분자 비콘-파이렌(MB-pyrene)의 matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight 질량 분석 결과이다.
도 3a는 UV-vis 흡광 스펙트로스코피 분석결과이고, 도 3b는 흑연 나노입자의 라만 스펙트럼이다.
도 4는 분자 비콘-파이렌(MB-pyrene)과 최종 제조된 분자 비콘-흑연 나노입자(MB-GN)의 UV-vis 흡광 스펙트럼이다.
도 5 및 6은 컨쥬게이션 전, 후의 MB-GN의 TEM 이미지이다.
도 7은 혼성화 전, 후의 형광 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 흑연 나노입자의 소광 효과와, 종래 기술에 따른 유기 Dabcyl 소광체의 소광 효과를 비교한 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴클리아제 효소에 의한 절단 효과를 테스트한 결과이다.
도 10은 온도에 따른 형광 변화 특성 분석 결과이다.
도 11 내지 13은 본 발명에 따른 분자 비콘을 사용하여 살아있는 세포의 유전자 발현을 모니터링한 공초점 현미경 사진이다.
도 14는 20, 50, 80, 100, 및 150 nM 농도의 도세탁셀로 처리함에 따라 MCF-7 세포의 순수 survivin 유전자 레벨에 비하여 1.52, 1.56, 2.67, 3.14, 및 4.53 배로 형광 강도가 각각 증가하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 15는 1 내지 1000 g/mL의 흑연 나노입자 농도로 분자 비콘의 세포 독성을 테스트한 결과이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
본 발명은 상술한 종래의 분자 비콘의 문제를 해결하기 위하여, 흑연 나노입자를 프로브 물질(예를 들어 DNA 등)에 결합시킨, 신규한 분자 비콘을 제공한다. 상기 흑연 나노입자를 소광체로 기능하며, 아울러 나노입자 특성으로 인하여 분자 비콘의 세포 내 주입 효과를 증대시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 프로브 물질은 흑연 나노입자에 결합되며, 타겟 물질과 상보적으로 결합할 수 있는 임의의 모든 바이오 물질을 다 포함하며, 예를 들어 DNA, RNA, 단백질 등이 상기 프로브 물질이 될 수 있다.
실시예
흑연 나노입자 함유 분자 비콘 제조
도 1은 본 발명에 따른 흑연 나노입자(Graphite Nanoparticle, GN)를 함유하는 분자 비콘(MB-GN)의 합성과, 이를 이용하여 타겟 유전자를 검출하는 응용 방식을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명자는 프로브 물질인 DNA의 3'-말단에서 FAM 염료를 결합시켰다. 또한, 5'-말단의 아미노기와 1-파이렌부트릭산 N-하이드록시숙시닉 에스테르(1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester)를 반응시켜, 파이렌(pyrene) 기능기를 5'-말단에 부착시키고, 다시 흑연 나노입자의 π-π 스태킹 메커니즘을 통하여 분자 비콘의 파이렌에 흑연 나노입자를 결합시켰다. 이로써 3'-말단에는 염료가, 5'-말단에는 흑연 나노입자가 결합된 분자 비콘(MB-GN)이 완성된다.
실험예
도 2는 합성된 분자 비콘-파이렌(MB-pyrene)의 matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight 질량 분석 결과이다.
도 2를 참조하면, 분자 비콘-파이렌(MB-pyrene)간의 컨쥬게이트가 형성되었음을, 도 2 분석 그래프의 8758 m/z (이론값: 8761 m/z) 피크를 통하여 확인할 수 있다. 파이렌-흑연 나노입자간 π-π 스태킹 기반 컨쥬게이션을 확인하고자, 본 발명자는 파이렌을 흑연 나노입자에서 인큐베이션하고, 세척 후, 파이렌과 흑연 나노입자간 컨쥬게이션을 UV-vis 흡광 스펙트로스코피로 분석하였다.
도 3a는 UV-vis 흡광 스펙트로스코피 분석결과이고, 도 3b는 흑연 나노입자의 라만 스펙트럼이다.
도 3a를 참조하면, 파이렌의 독특한 흡광 피크인 240, 264, 274, 322, 및 341 nm에서의 피크가 확인되었다. 또한, 도 3b에서의 흑연 나노입자의 라만 스펙트럼 분석에 따르면, 전형적인 흑연 결정 특성인 G 밴드 1578 cm-1, D 밴드 1355 cm-1가 나타났다. D 밴드 강도는 상대적으로 컸는데, 이것은 결정 구조의 에지면 결함에 기인하며, G에 대한 D 비율은 0.86 이었다.
DNA의 이종 스트랜드 줄기 부분이 흑연 나노입자(GN)와 π-π 상호작용하지 않으며, 파이렌이 그래핀 표면상의 스태킹을 위한 뉴클레오티드 모이어티이므로, 흑연 나노입자가 주로 파이렌기와 스태킹되어 컨쥬게이션된다. 우선 500 rpm에서 회전을 통해 수용액상에 용해되는 흑연 나노입자 함유 분자 비콘(MB-GN)를 상측액에서 회수한 후, 13 000 rpm에서의 회전세척을 통해 결합되지 않은 분자비콘-파이렌(MB-pyrene)을 제거하였다. 최종 분자 비콘-흑연 나노입자 복합물질은 3'-말단에 염료인 FAM과, 5'-말단에서의 흑연 나노입자를 갖는다.
타켓 DNA 없이, FAM 형광단을 흑연 나노입자 상에 두었는데, 이때 FAM 시그널의 소광 현상(quenching)이, FAM (a donor)으로부터 GN (an acceptor)으로의 에너지 전이 현상에 따라 검출되었다.
도 4는 분자 비콘-파이렌(MB-pyrene)과 최종 제조된 분자 비콘-흑연 나노입자(MB-GN)의 UV-vis 흡광 스펙트럼이다.
도 4를 참조하면, 분자 비콘은 DNA에 의한 260 nm 흡광 피크, 파이렌에 의한 341 nm 흡광 피크 및 FAM에 의한 450 및 490 nm 흡광 피크를 나타낸다.
하지만, 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘(MB-GN)에서는 260 nm 근처에서 넓은 피크를 나타내며, 이것은 순수한 분자 비콘 피크가 흑연 나노입자와의 컨쥬게이션에 의해 변현 되였음을 나타낸다. 따라서, 상기 분석 결과로부터, 본 발명에 따른 분자 비콘 DNA가, 흑연 나노입자 표면상에 성공적으로 컨쥬게이션되며, 파이렌과 FAM의 흡광피크는 흑연 나노입자에 의하여 억제되는 것을 알 수 있다.
도 5 및 6은 컨쥬게이션 전 후의 MB-GN의 TEM 이미지이다.
도 5 및 6를 참조하면, 순수한 흑연 나노입자의 경계는 흑연 나노입자 표면 상의 분자 비콘으로 인하여 불명확해지는 것을 알 수 있다.
도 5의 삽입 이미지는 각각 분리된 흑연 나노입자의 이미지인데, 스래핀 시트의 멀티스태킹으로 인한 링 패턴 성장을 확인할 수 있다.
본 발명자는 형광 염료에 대한 나노소광체(nanoquencher)로서의 흑연 나노입자 기능을 확인하고자, 본 발명에 따라 합성된 흑연 나노입자 함유 분자 비콘(MB-GN)을 생체 세포의 mRNA, 유전자 발현을 검출하기 위한 프로브로 사용하였다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 다양한 바이오 물질 검출 시스템에 사용될 수 있다.
먼저, MB-GN (5′-GN-CGACGGAGAAAGGGCTGCCACGTCG-FAM)과 합성 cDNA (5′-CTGCCTGGCAGCCCTTTCTCAAGGACCACCGCATCTCTACATTCAAGAAC-3′)의 혼성화를 진행하였다. 여기에서 타겟 cDNA 서열은 survivin 유전자를 모방한 것이다.
도 7은 혼성화 전, 후의 형광 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘(MB-GN)의 최초 형광 강도는 최소이었으며, 이것은 흑연 나노입자(MB-GN)에 의한 효과적인 소광(quenching) 효과에 기인한다.
하지만, 타겟 cDNA가 분자 비콘의 상보적인 루프 서열과 혼성화됨에 따라 형광 시그널은 cDNA 농도가 증가에 비례하여 서서히 회복된다.
상대적인 형광 강도, (F - F0)/FO(여기에서 F0과 F는 cDNA가 없는 경우와 있는 경우의 형광 강도임)는 0에서 320 nM cDNA 농도 범위에서 cDNA 농도의 로그값에 비례하며, y = 1.09x - 0.7641 (R2 = 0.9837)라는 상관 관계식을 얻었으며, 검출 한도는 3nM이었다.
도 8은 본 발명에 따른 흑연 나노입자의 소광 효과와, 종래 기술에 따른 유기 Dabcyl 소광체의 소광 효과를 비교한 결과이다.
도 8을 참조하면, 동일 조건에서 흑연 나노입자의 소광 효율은 97.7 ㅁ 1.9%이었으나, 종래 기술에 따른 유기 Dabcyl 소광체는 불과 87.53 ㅁ 5.7%이었다. 이는 본 발명에 따른 흑연 나노입자는 소광체로서 무려 11%를 초과하는 효율 향상을 발생시키는 것을 의미한다.
이러한 결과들은 분자 비콘-흑연 나노입자 복합체가 줄기-루프 구조체의 기능성을 유지하나, 혼성화 과정에 따라 흑연 나노입자 소광체로부터의 형광체가 효과적으로 분리되어 떨어지는 사실을 증명한다. 따라서, 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘은 우수한 효과적인 소광 특성을 갖는 분자 비콘이며, 이는 흑연 나노입자가 소광체로서 종래의 유기 소광체보다 우수하다는 새로운 사실에 기반한다.
종래의 분자 비콘이 가지는 문제는 바로 뉴클리아제 효소에 의하여 절단(cleave)되는 것으로, 이러한 문제때문에 살아 있는 세포 기반 아쎄이로의 분자 비콘 응용이 어려웠다. 하지만, 분자 비콘에 결합되는 흑연 나노입자에 의하여 본 발명에 따른 분자 비콘은 뉴클리아제에 의한 절단 문제가 용이하게 해결할 수 있었다.
이를 증명하기 위하여, 본 발명자는 종래의 분자 비콘-Dabcyl과 본 발명에 따른 분자 비콘-흑연 나노입자 35pmol을, 비특이적으로 싱글 스트랜드 및 더블 스트랜드 DNA를 절단하는 물질인 1 U DNase I과 반응시켰다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴클리아제 효소에 의한 절단 효과를 테스트한 결과이다.
도 9를 참조하면, 2 시간 인큐베이션 후, 종래의 분자 비콘-Dabcyl의 형광 시그널은 DNase I으로 처리되지 않는 것보다 무려 145배 이상 증가하였다. 이것은 종래의 분자 비콘은 뉴클리아제 효소에 상당히 취약하다는 것을 의미한다. 하지만, 동일한 실험 조건에서, 본 발명에 따른 분자비콘-흑연 나노입자 복합체는 단지 15배 증가하는 형광 시그널을 보여준다(도 9의 내부 그림 참조).
이러한 결과는 본 발명에 따른 분자비콘-흑연 나노입자 복합체의 DNA가 뉴클리아제 효소 활성으로부터 안정적으로 보호되는 점을 증명하며, 특히 흑연 나노입자로부터 유도되는 입체장애에 의하여 이러한 분자비콘의 DNA 보호 효과가 나타나는 것으로 판단된다.
도 10은 온도에 따른 형광 변화 특성 분석 결과이다.
도 10을 참조하면, 형광 강도 변화는 분자 비콘과 흑연 나노입자 사이의 강한 결합 친화도에 기인하여 온도 변화에도 불구하고 무시할만한 수준이었다. 이것은 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘이 가지는 우수한 열적 안정성을 나타낸다.
하지만, 타겟 DNA가 본 발명에 따른 분자비콘 복합체와 함께 인큐베이션되는 경우, 분자 비콘 복합체로부터 발생하는 형광 시그널은 일정 수준 값에서 온도 증가에 따라 서서히 감소하였다.
이상 살핀 바와 같이 본 발명에 따른 분자 비콘 복합체는, 소광체로 흑연 나노입자를 사용하여, 흑연 나노입자에 의하여 우수한 소광 효율, 강한 뉴클리아제 저항성과 열적 안정성을 갖는다.
이러한 장점을 활용하여, 본 실험예에서는 살아있는 세포 내에서 인시투 mRNA 검출을, 본 발명에 따른 분자 비콘 복합체로 수행하였다.
이를 위하여 survivin 전사를 발현하는 유방암 세포인 MCF-7를 모델로 사용하였다. 본 실험예에서 분자 비콘의 루프 서열을 공지된 정보에 따라 디자인하고, 이것은 survivin의 mRNA를 선택적으로 표적화하게 하였다.
나노입자는 엔도시토시스 기작에 의하여 세포로 쉽게 흡수되므로, 본 발명에 따른 분자 비콘 복합체는 종래의 유기 분자 비콘에 비하여 세포 내 흡수가 훨씬 용이하다.
4.4 M의 분자비콘-흑연 나노입자 복합체를, 5 x 104 MCF-7 세포와 섭씨 37도 및 5% 이산화탄소 조건에서 12시간 동안 인큐베이션하여, 프로브인 복합체가 세포 멤브레인을 통하여 세포 내로 주입되도록 하였다. 세포질의 타겟 mRNA와 접촉함에 따라, 본 발명에 따른 분자 비콘 구조체는 개방되어 말단의 FAM 염료가 흑연 나노입자 소광체로부터 멀어지게 되며, 그 결과 흑연 나노입자에 의하여 소광되어 있던 형광 특성이 회복된다. 이상 실험 결과는 본 발명에 따른 분자 비콘은 흑연 나노입자를 소광체로 함유함으로써, 높은 생물학적 안정성, 높은 세포 주입률을 가지는 것을 증명하며, 본 발명에 따른 분자 비콘은 실질적으로 인-비보 이미지에 있어서 이상적인 프로브로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘이, 살아있는 세포 내에서 실시간으로 mRNA 발현의 레벨을 모니터할 수 있는지를 알아보기 위하여, MCF-7 세포를 도세탁셀으로 처리하였다. 이를 위하여 먼저 MCF-7 세포에 분자비콘-흑연 나노입자 복합체를 주입한 후, 도세탁셀로 24시간 처리하였다. 녹색 형광의 강도는 도세탁셀 농도 증가에 따라 서서히 증가하였다. 도 11 내지 13은 본 발명에 따른 분자 비콘을 사용하여 도세탁셀 농도 0, 20, 100 nM를 처리했을 경우, 살아있는 세포의 유전자 발현을 모니터링한 공초점 현미경 사진이다.
상대적 survivin mRNA 레벨을 단위 면적(m2)당 평균 형광 강도로 정량화하였다. 이를 통하여 20, 50, 80, 100, 및 150 nM 농도의 도세탁셀로 처리함에 따라 MCF-7 세포의 순수 survivin 유전자 레벨에 비하여 1.52, 1.56, 2.67, 3.14, 및 4.53 배로 형광 강도가 각각 증가하였다(도 14 참조).
더 나아가, 1 내지 1000 g/mL 농도로 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘의 세포 독성을 테스트하였고, 그 결과는 도 15에 나타난다.
도 15를 참조하면, 흑연 나노입자를 1000 g/mL 농도로 사용하여도, 세포의 약 90%가 활성을 유지하는 것을 알 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘은 낮은 세포 독성을 갖는 것을 알 수 있다.
이상 살핀 바와 같이 본 발명에 따른 흑연 나노입자 함유 분자 비콘은, 흑연 나노입자로부터의 우수한 소광 특성뿐만 아니라, 높은 뉴클리아제 저항성, 우수한 세포 주입 특성, 낮은 세포 독성 등의 장점을 가진다. 따라서, 살아 있는 세포 내에서의 바이오 물질 검출및 모니터링 시스템에 매우 효과적으로 활용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 비콘은, 상보적으로 타겟 물질과 결합할 수 있는 핵산물질의 일 말단에 결합된 흑연 나노입자와, 타 말단에 결합된 염료를 포함한다. 따라서, 상기 염료로부터의 형광단은 상보적은 타겟 물질 결합에 따라 상기 흑연 나노입자에 의하여 소광되며, 이러한 형광 강도의 변화에 따라 원하는 타겟 물질이 있는지가 검출될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

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  5. 핵산물질 및 흑연 나노입자를 함유하며, 상기 흑연 나노입자가 핵산물질의 일 말단에 결합되고, 상기 핵산물질의 타 말단에 형광단을 발광하는 염료가 결합되며, 상기 염료로부터의 형광단은 상기 흑연 나노입자에 의하여 소광되는 것을 특징으로 하는 분자비콘.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 흑연 나노입자는 상기 핵산물질의 일 말단과 π-π 컨쥬게이션되어 결합된 것을 특징으로 하는 분자 비콘.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 핵산 물질은 DNA, RNA 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 분자 비콘.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 핵산물질의 3'-말단에는 염료가, 5'-말단에는 흑연 나노입자가 결합된 것을 특징으로 하는 분자 비콘.
  9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 분자 비콘을 포함하는 바이오 물질 모니터링 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 바이오 물질 모니터링 장치는 상기 분자 비콘으로부터 발생하는 형광 특성의 변화에 따라 상기 분자 비콘에 대응하는 바이오 물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 장치.
  11. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 분자 비콘을 포함하는 바이오 물질 모니터링 방법으로,
    흑연 나노입자를 함유하는 분자 비콘과 타겟 물질을 접촉시키는 단계;
    상기 분자 비콘으로부터 발생하는 형광을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 형광 강도가 증가하는 경우, 상기 분자 비콘의 프로브 물질에 대응하는 타겟 물질이 있는 것으로 검출되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 프로브 물질은 핵산물질이며, 상기 분자 비콘은 상기 흑연 나노입자가 상기 분자 비콘의 핵산물질의 일 말단에 결합된 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 분자 비콘은 상기 핵산물질의 타 말단에 결합된 염료를 포함하며, 상기 염료로부터의 형광단은 상기 흑연 나노입자에 의하여 소광되는 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 흑연 나노입자는 상기 핵산물질의 일 말단과 π-π 컨쥬게이션되어 결합된 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 핵산물질의 3'-말단에는 염료가, 5'-말단에는 흑연 나노입자가 결합된 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 상기 핵산물질에 상보적으로 혼성화될 수 있는 물질인 것을 특징으로 하는 바이오 물질 모니터링 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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H. Li et al. J. Mater. Chem. 2012, Vol. 22, pp. 24230-24253 *
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