KR101460439B1 - 나노프로브 및 이를 이용한 표적 물질 검출방법 - Google Patents

나노프로브 및 이를 이용한 표적 물질 검출방법 Download PDF

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Abstract

자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서, 상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및 상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 광학 검출 신호를 제공하기 위한 나노입자들을 포함하는 나노프로브가 제공된다. 상기 나노프로브를 이용하면 표적 물질의 정량 분석 및 다중분석이 가능하며 대량 생산이 용이하다.

Description

나노프로브 및 이를 이용한 표적 물질 검출방법{Nanoprobe and method for detecting target substance using the same}
본 발명은 나노프로브 및 이를 이용한 표적 물질 검출방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 정량 분석 및 다중 분석이 가능하고 대량생산이 용이한 신규한 나노프로브 및 이를 이용한 표적 물질 검출방법에 관한 것이다.
질병 바이오마커는 구조나 농도의 정성적, 정량적인 변화를 탐지함으로서 질병을 진단할 수 있는 표지자이다. 질병 발생시 조직에 있던 단백질이 새어 나와 질병 바이오마커가 혈액에 과량으로 존재하는 특성을 나타내는데 이를 정확하게 탐지하는 것이 질병진단의 핵심이다. 최근에는 단일 바이오마커가 아닌 해당 질병과 관련이 깊은 몇 개의 단백질이나 펩타이드를 종합적으로 검증하여 질병진단을 하는 방향으로 변하고 있으며 다중분석과 정량분석이 가능한 질병 바이오마커 진단 기술이 필요하다.
다중분석을 위해서는 서로 다른 신호로 표시된 나노프로브에 신호간 간섭이 없고 표적물질에 민감하게 반응해야 한다. 일반적으로 항원항체 반응에 의한 정량적 측정에 있어서 형광분자가 결합되어 신호검출에 이용되어 왔다. 그러나 형광 분자 스펙트럼은 피크의 폭이 넓은 영역으로 퍼져 있어서 서로 다른 형광분자를 이용한 다중 분석에는 한계가 있다. 또 각 물질에 따라 레이저 광의 종류가 바뀌어야 하며 시간이 지나면서 신호가 감소하는 광표백(photobleaching) 및 명멸 현상(blinking)의 문제도 가지고 있다.
반면 분자들의 라만신호는 물질마다 고유하며 매우 좁은 선폭(spectral width)을 가지고 있다. 따라서 표적물질에 특이적인 결합 성분에 대하여 각각 다른 종류의 라만표지 물질로 표지함으로써 다중분석이 가능하며 한 번의 빛 조사로 다양한 분자들의 동시 여기(excitation)가 가능해 측정 장치가 간단하고 빠른 검출이 가능하다. 다만, 라만신호 자체의 강도가 매우 약해서 검출을 하는데 어려움이 있으나, 이러한 한계는 금속 나노입자를 이용하여 이상적으로 1014배까지 증가시킬 수 있어 측정에 충분한 신호강도를 제공할 수 있다. 현재 많은 연구들이 금속 나노입자를 이용하여 라만신호를 증강시킨 나노프로브를 제작하여 다양한 응용에 적용하고 있다(Cao YWC, Jin RC, Mirkin CA: Nanoparticles with Raman spectroscopic fingerprints for DNA and RNA detection. Science 2002, 297(5586):1536-1540; Nie SM, Emery SR: Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced Raman scattering. Science 1997, 275(5303):1102-1106; Li JF, Huang YF, Ding Y, Yang ZL, Li SB, Zhou XS, Fan FR, Zhang W, Zhou ZY, Wu DY et al: Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy. Nature 2010, 464(7287):392-395; Kneipp K, Kneipp H, Itzkan I, Dasari RR, Feld MS: Ultrasensitive chemical analysis by Raman spectroscopy. Chem Rev 1999, 99(10):2957-2976; Kim JH, Kim JS, Choi H, Lee SM, Jun BH, Yu KN, Kuk E, Kim YK, Jeong DH, Cho MH et al: Nanoparticle probes with surface enhanced Raman spectroscopic tags for cellular cancer targeting. Anal Chem 2006, 78(19):6967-6973; Qian XM, Peng XH, Ansari DO, Yin-Goen Q, Chen GZ, Shin DM, Yang L, Young AN, Wang MD, Nie SM: In vivo tumor targeting and spectroscopic detection with surface-enhanced Raman nanoparticle tags. Nature Biotechnology 2008, 26(1):83-90). 하지만 나노프로브 제작에 있어서 몇 가지 한계들이 있어 왔다. 이는 이론적 값과 달리 실제 라만신호의 증가가 충분치 않다는 점, 신호가 균일하게 증가되지 못한다는 점, 그리고 바이오마커를 검출하기 위해 금속 나노입자에 표적 물질에 특이적인 결합 성분을 붙일 때 방향성이 없이 붙기 때문에 정량적인 분석이 어렵다는 점이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서, 상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및 상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 광학 검출 신호를 제공하기 위한 나노입자들을 포함하는 나노프로브가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서, 상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및 상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 라만 신호를 증강하기 위한 나노입자들을 포함하되, 상기 제1 영역의 단백질의 변형에 의해 상기 결합 성분이 발현되고 상기 제2 영역의 단백질의 변형에 의해 상기 나노입자들의 배열이 조절된 나노프로브가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 생체 물질의 제2 영역에 라만 신호를 증강하기 위한 나노입자들을 부착하는 단계; 상기 나노입자에 라만 리포터를 고정시킴으로써 나노프로브를 제조하는 단계; 표적 물질을 상기 나노프로브의 상기 결합 성분과 결합시켜 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 복합체를 표면증강 라만 분광법으로 분석하는 단계를 포함하는 나노프로브를 이용한 표적 물질 검출방법이 제공된다.
도 1은 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 유전자 조작으로 변형된 M13 바이러스를 이용하여 나노프로브로 응용하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 표적 물질 검출방법의 일 실시예를 나타낸 공정흐름도이다.
도 4는 다양한 생체 물질을 이용하여 제조된 나노프로브를 이용하여 표면증강 라만 분광법으로 분석하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 1회의 SERS 맵핑(mapping)을 통해 여러 종류의 표적에 대한 다중 정량분석을 하는 개념도이다.
도 6은 (a) 합성된 금 나노큐브의 SEM 사진, (b) 금 나노큐브가 결합된 바이러스 프로브의 SEM 사진, (c) 합성된 금 나노큐브의 DF 산란 이미지, 및 (d) 금 나노큐브가 결합된 바이러스 프로브의 DF 산란 이미지를 나타낸다.
도 7은 합성된 바이러스 프로브의 SERS 증강 인자(enhancement factor)를 구하는 식과 각 프로브 위치별 enhancement factor 값과 평균값이다.
도 8은 붙어있는 전립선 특이항원(prostate specific antigen, PSA)의 농도가 서로 다른 자성 비드(magnetic bead)에서 바이러스 프로브가 항원을 검출한 SEM 이미지와 라만 스펙트럼이다. 바이러스 프로브는 노란색으로 표시 되어 있다. (a) PSA 0ng/ml 일 때 SEM 이미지와 라만 스펙트럼, (b) PSA 10ng/ml 일 때 SEM 이미지와 라만 스펙트럼, (c) PSA 1000ng/ml 일 때 SEM 이미지와 라만 스펙트럼을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 개시된 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 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. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 “위에”있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 “바로 위에”있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기복제가 가능한 생체 물질을 이용한 나노프로브가 제공된다. 본 발명에서 용어 "프로브"란, 시료 내의 검출하고자 하는 표적 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 물질을 의미하며, 상기 결합을 통하여 특이적으로 시료 내의 표적 물질의 존재를 확인할 수 있는 물질을 의미한다. 본 발명에서 용어 "시료"란 검출하고자 하는 표적 물질이 들어 있는 조직, 세포, 전혈, 혈청, 혈장, 타액, 객담, 뇌척수액 또는 뇨와 같은 시료 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명에서 용어 "표적 물질"이란, 시료 내에 존재하는 검출하는 대상 물질로서, 표적 물질의 종류는 당업계에서 통상적으로 사용되는 물질로서 제한은 없으나, 바람직하게는 PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid), 펩타이드, 폴리펩타이드, 단백질, RNA 또는 DNA일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 표적 물질은 생물에서 유래되거나 이와 유사한 것 또는 생체 외에서 제조된 것을 포함하는 것으로 예를 들어, 효소, 단백질, 미생물, 동식물 세포 및 기관, 신경세포, DNA, 및 RNA일 수 있으며, DNA는 cDNA, 게놈 DNA, 올리고뉴클레오타이드를 포함하며, RNA는 게놈 RNA, mRNA, 올리고뉴클레오타이드를 포함하며, 단백질의 예로는 항체, 항원, 효소, 펩타이드 등을 포함할 수 있다.
표적 물질을 포함하는 시료를 나노프로브와 접촉시키면 시료 내의 표적 물질과 나노프로브의 특이적인 결합반응이 일어난다. 표적이 PNA, LNA, RNA 또는 DNA인 경우 상보적인 서열끼리의 특이적인 혼성화 반응이 일어나며, 표적이 단백질인 경우 단순히 시료 단백질과 나노프로브 간의 직접적인 결합을 통해 복합체를 형성하는 반응이 일어나거나, 또는 시료 단백질의 효소작용에 의해 나노프로브가 변형 또는 수식되는 반응을 포함한 결합이 일어날 수 있다. 따라서, 단백질인 표적 물질과 나노프로브 분자의 결합반응은 항원-항체반응, 리간드-리셉터 반응과 같은 단백질과 생체 분자간의 결합 반응, 또는 단백질과 생체 분자간의 기질-효소반응을 포함할 수 있다.
도 1은 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 나노프로브(100)는 생체 물질의 제1 영역(110)에 존재하는 결합 성분(120) 및 제2 영역(130)에 존재하는 나노입자들(140)을 포함한다.
나노프로브(100)는 유전자 조작 또는 화학적 처리를 통하여 표면이 개질된 생체 물질을 지지체로 이용할 수 있다. 상기 생체 물질은 바이러스, 박테리아 및 효모로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. 예를 들어 상기 생체 물질이 바이러스일 경우 특별히 제한되지 않지만 M13, TMV, T7, CTX 등일 수 있다. 일 예로 상기 생체 물질은 막대 모양의 나선형 바이러스가 될 수 있다. 예를 들어 상기 생체 물질이 박테리아일 경우 특별히 제한되지 않지만 박테로이데스(Bacteroides), 클로스트리디움(Clostridium), 스트렙토코쿠스(Streptococcus), 스테필로코쿠스(Staphylococcus), 슈도모나스(Pseudomonas), 하에모필루스(Haemophilus), 레지오넬라(Legionella), 미코박테리움(Mycobacterium), 에스체리키아(Escherichia), 살모넬라(Salmonella), 쉬겔라(Shigella) 또는 리스테리아(Listeria) 등의 박테리아 종일 수 있다.
제1 영역(110)은 특정 단백질 구조를 포함할 수 있으며, 결합 성분(120)의 발현을 위해 제1 영역(110)이 유전자 조작 또는 화학적 처리될 수 있다.
결합 성분(120)은 항원, 핵산, 단백질, 펩티드, 또는 종양 마커 등의 표적 물질과 특이적으로 결합하는 물질일 수 있다. 예를 들어 결합 성분(120)은 항원과 특이적으로 결합할 수 있는 항체일 수 있다.
결합 성분(120)은 제1 영역(110)과 융합되면서 표적 물질과의 반응 지점이 일정 방향으로 배열된다. 즉 결합 성분(120)은 상기 표적 물질과의 특이적 결합이 용이하도록 상기 결합 성분이 일정 방향성을 가질 수 있다.
또한, 각 생체 물질에 존재하는 제1 영역(110)이 갖는 특정 종류의 단백질 분자의 개수가 일정하므로 하나의 나노프로브 당 상기 결합 성분의 개수가 제1 영역(110)의 규격에 따라 일정 범위 내에서 조절될 수 있다. 따라서, 모든 나노프로브(100)에 동일하게 일정한 개수와 같은 방향을 가지는 결합 성분(120)에 의해 정량분석이 가능하다.
제2 영역(130)은 상기 생체 물질의 표면 중 제1 영역(110)과 다른 위치에 존재할 수 있으며 특정 단백질 구조를 포함할 수 있다. 제2 영역(130)은 나노입자들(140)의 용이한 부착을 위해 상기 단백질 구조가 개질될 수 있다. 일 실시예에 따르면 제2 영역(130)에 대한 유전자 조작 또는 화학적 처리에 의해 나노입자들(140) 사이의 간격이나 개수 등의 배열이 조절될 수 있다.
나노입자들(140)은 상기 생체 물질을 나노프로브에 응용하기 위한 특정 광학 검출 신호를 제공한다. 상기 광학 검출 신호는 형광, 라만 산란, 그래픽 및 광학 패턴으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
나노입자들(140)은 예를 들어 형광물질이 함유된 유기 또는 무기 입자들일 수도 있고, 양자점과 같은 반도체 나노입자들일 수도 있으며, 라만 리포터 분자가 부착된 금속 나노입자들일 수도 있다. 나노입자들(140)은 제2 영역(130)과 결합을 위해 적절한 리간드로 표면개질될 수 있다. 상기 리간드는 제2 영역(130)에 존재하는 작용기들과 공유 또는 비공유 결합을 위한 아민기, 카복실기, 히드록시기 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광학 검출 신호로서 라만 산란광을 이용할 경우 나노입자들(140)은 금, 은, 팔라듐, 백금, 알루미늄, 구리와 같은 금속이나, 산화물 또는 반도체의 나노입자들이 될 수 있다. 금속, 산화물, 반도체 나노입자들을 제2 영역 (130)에 도입함으로써 표면 증강 라만 산란(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) 현상에 의해 나노입자들(140)에 부착된 라만 리포터 분자들로부터의 라만 신호가 크게 증가될 수 있다. 상기 라만 리포터 분자의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 4,4'-디피리딜(DP), 크리스탈 바이올렛(CV), 4-머캅토 톨루엔(4-MT), 3,5-디메틸 벤젠티올(3,5-DMT), 티오페놀(TP), 4-아미노 티오페놀(4-ATP), 벤젠티올(BT), 4-브로모 벤젠티올(4-BBT), 2-브로모벤젠티올(2-BBT), 4-이소프로필 벤젠티올(4-IBT), 2-나프탈렌 티올(2-NT), 3,4-디클로로 벤젠티올(3,4-DCT), 3,5-디클로로 벤젠티올(3,5-DCT), 4-클로로 벤젠티올(4-CBT), 2-클로로 벤젠티올(2-CBT), 2-플루오로 벤젠티올(2-FBT), 4-플루오로 벤젠티올(4-FBT), 4-메톡시 벤젠티올(4-MOBT), 3,4-디메톡시 벤젠티올(3,4-DMOBT), 2-머캅토 피리미딘(2-MPY), 2-머캅토-1-메틸 이미다졸(2-MMI), 2-머켑토-5-메틸 벤즈이미다졸(2-MBI), 2-아미노-4-(트리플루오로메틸) 벤젠티올(2-ATFT), 벤질 머켑탄(BZMT), 벤질 디설파이드(BZDSF), 2-아미노-4-클로로 벤젠티올(2-ACBT), 3-머켑토 벤조산(3-MBA), 1-페닐테트라졸-5-티올(1-PTET), 5-페닐-1,2,3-트리아졸-3-티올(5-PTRT), 2-아이오도아닐린(2-IAN), 페닐 이소티오시아네이트(PITC), 4-니트로페닐 디설파이드(4-NPDSF) 및 4-아지도-2-브로모아세토페논(ABAPN)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 그 외 티올기, 아지드기, 시안기, 이소시아노기, 티오이소시아오기 등을 포함하는 방향족 화합물이면 상기 라만 리포터 분자로 사용될 수 있다.
본 발명에 사용되는 나노입자(140)는 그 형상이 특별히 제한되지 않으며, 상기 나노입자는 구형 입자, 표면에 다양한 형태의 나노입자가 올라간 딸기형 또는 성게형의 구형 입자, 이방성 입자, 중공 입자, 비대칭형 입자 및 모서리가 있는 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 나노입자(140)는 예를 들어 나노 구체, 나노 로드, 나노 큐브 및 다수의 기하학적 및 비기하학적 형태를 가질 수 있다. 특히 막대형, 삼각형, 프리즘, 정육면체와 같은 형태의 이방성 입자나 모서리가 있는 입자의 경우 라만 산란에 있어서 구형 입자와 비교하여 보다 강화된 신호를 제공할 수 있다. 표면 플라즈몬의 극대화를 위해 나노입자(140)의 모양뿐 아니라 크기도 적절히 제어할 수 있다. 상술한 다양한 형태의 나노입자들(140)의 제조방법은 다수의 문헌에 공지되어 있다.
본 발명의 나노프로브(100)는 생체 물질을 이용하므로 제1 영역(110) 및 제2 영역(130)의 규격이 일정하게 정해져 있다. 각각의 생체 물질들 사이의 규격은 서로 거의 동일하다. 따라서 나노프로브(100) 내의 결합 성분(120)의 개수나 나노입자들(140)의 개수도 각 영역(110, 130)의 규격에 따라 일정하게 조절되어 배열될 수 있으며 나노프로브들(100) 상호 간에도 개수의 차이가 별로 없이 균일하게 유지될 수 있다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 생체 물질로서 M13 바이러스가 사용될 수 있다. M13 바이러스는 직경 약 6.5 nm 및 길이 880 nm를 가지며 서로 다른 위치에 각각 여러 개의 상이한 단백질을 가지는 구조를 가지고 있다. 바이러스의 한 말단에는 단백질 VII(pVII) 및 단백질 IX(pIX)이 각각 5개가 있으며 다른 말단은 단백질 III(pIII) 및 단백질 VI(pVI)이 각각 5개의 분자로 이루어져 있다. 바이러스의 몸체 가운데 부분은 주요 단백질 VIII(pVIII)의 약 2700 카피로 이루어져 있다.
일 실시예에 따른 나노프로브(100)가 M13 바이러스를 생체 물질로 이용할 경우, 제1 영역(110)이 pIII 단백질을 포함하며, 제2 영역(130)이 pVIII 단백질을 포함할 수 있다. 이 경우 결합 성분(120)은 pIII에 발현될 수 있고, 나노입자들(140)은 pVIII에 부착될 수 있다. 나노입자(140)에는 라만 리포터 분자가 고정될 수 있으며, 필요에 따라 나노입자(140)의 표면에 리간드를 도입하여 pVIII가 있는 제2 영역(130))에 용이하게 결합하도록 할 수 있다. 한편, 적절한 유전자 조작 등에 의해 제2 영역(130)에 발현된 아미노산 서열에 따라 나노입자들(140) 사이의 입자간 간격 및 정렬 밀도가 조절될 수 있다.
하나의 나노프로브(100)에 여러 개의 금속 나노입자가 함께 배열될 경우 라만 신호가 크게 증강된 특성을 가져 라만신호를 이용한 다중분석이 가능하다. 이때, 라만신호를 증폭시키는 방법 중 하나로 모서리가 있는 금속 나노입자가 이용될 수 있다. 미리 형성된 나노입자는 균일한 간격, 개수를 가지고 생체물질에 부착이 가능하기 때문에 균일한 프로브가 제작이 가능하다.
또한 생체 물질이 자기복제가 가능하여 동일 특성을 갖는 나노프로브(100)의 대량 생산이 용이하다.
도 2는 유전자 조작으로 변형된 M13 바이러스를 이용하여 나노프로브로 응용하는 과정을 나타낸 개략도이다. 도 2를 참조하면, M13 바이러스를 사용하여 바이러스의 표면 상에 결합 성분이나 나노입자 등을 도입할 경우 상기 여러 종류의 단백질들이 동일하거나 상이한 펩티드 서열을 발현하도록 유전자 조작될 수 있다. 예를 들어, M13 바이러스의 pVIII 부분을 라만 신호를 증폭시키는 기능으로 이용하고 동시에 pIII 부분에 항체를 발현하여 바이오마커 검출에 이용할 수 있다
유전자 조작으로 변형된 바이러스의 pVIII 부분에서는 나노입자가 잘 붙을 수 있도록 특정 아미노산 서열이 발현되어 바이러스의 모양을 따라서 나노입자가 균일하게 배열하게 된다. pVIII 부분의 길이가 정해져 있으므로 나노입자가 붙을 수 있는 개수가 정해져 균일한 신호를 발생시킬 수 있고, 신호의 증폭 정도가 크다고 알려진 특정 모양의 나노입자를 바이러스 위에 배열함으로써 종래보다 라만신호의 증폭 정도가 크고 균일한 라만프로브를 만들어 낼 수 있다.
항체가 나타나는 pIII 부분은 바이러스 구조체만이 제공할 수 있는 특성으로 이전의 나노프로브들과 달리 추가적으로 항체를 붙이는 과정없이 바이러스 구조체 자체에 항체 발현이 가능하다. 따라서 항체들이 일정한 방향을 가지고 배열되고 개수가 일정 범위 내에서 조절될 수 있어 정량 가능한 시스템을 제공한다. 즉 항체가 pIII 부분에 융합되면 항원과 용이하게 특이적으로 결합하도록 일정 방향성을 가질 수 있다. 그 결과, 나노프로브 상의 거의 모든 항체들이 해당 항원과 실질적으로 결합하는 데 유효하게 작용할 수 있다. 한편, M13 바이러스는 일 말단에 pIII가 5개 존재하는 데 이와 같이 바이러스에 존재하는 고정된 개수의 단백질을 변성하면 일정 개수의 항체를 발현하도록 조절할 수 있다. 예를 들어 유전자 조작을 통해 하나의 나노프로브 당 상기 항체(결합 성분)의 개수가 이상적으로 최대 5개가 발현되도록 조절될 수 있다. 실제 M13 바이러스를 대상으로 하는 항체 발현 실험에 따르면, 유전자 조작 결과 항체가 발현된 M13 바이러스와 발현되지 않은 야생형 M13 바이러스가 혼합된 상태가 얻어지며 대체로 각 바이러스 당 항체가 발현되는 개수는 0 내지 3개의 범위를 갖는데 주로 1개이다. M13 바이러스의 평균적인 항체의 발현 개수는 항체의 종류나 유전자 조작을 하는 실험 조건에 따라 결정될 수 있다. 만일 나노프로브 하나 당 상기 항체의 개수가 평균적으로 1개로 조절됨이 확인되면, 하나의 나노프로브에서 하나의 항원(표적 물질)만이 검출된다고 볼 수 있으므로 나노프로브의 양 대 항원의 양이 1 대 1이 된다고 볼 수 있다. 따라서 나노프로브의 정량을 통해 항원의 양의 정량이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 물질 기반 나노프로브를 이용한 표적 물질 검출방법이 제공된다. 도 3은 표적 물질 검출방법의 일 실시예를 나타낸 공정흐름도이다. 도 3을 참조하면, 단계 S1에서 자기복제 가능한 생체 물질의 제1 영역을 개질하여 결합 성분을 발현시킨다. 단계 S2에서 상기 생체 물질의 제2 영역에 라만 신호를 증강하기 위한 나노입자들을 부착한다. 단계 S3에서 상기 나노입자에 라만 리포터를 고정시킨다. 단계 S4에서 표적 물질을 상기 결합 성분과 결합시켜 복합체를 형성한다. 단계 S5에서 상기 복합체를 표면증강 라만 분광법으로 분석한다. 이때 라만 신호를 통해 상기 복합체 중의 상기 나노프로브의 양을 측정하면 상기 표적 물질을 정량할 수 있다.
몇몇 실시예들에서 단계 S2의 나노입자로서 바람직하게는 광학적 특성 및 전자기적 강화 효과가 뛰어난 모서리가 있는 금속 나노입자를 이용할 수 있다. 또한, 필요에 따라 상기 제2 영역에 나노입자들이 균일하게 부착되도록 상기 제2 영역을 개질하거나 상기 나노입자 표면에 리간드를 도입할 수 있다.
도 4는 다양한 생체 물질을 이용하여 제조된 나노프로브를 이용하여 표면증강 라만 분광법으로 분석하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 1회의 SERS 맵핑(mapping)을 통해 여러 종류의 표적에 대한 다중 정량분석을 하는 개념도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스를 기반으로 하는 나노프로브(이하 "바이러스 프로브(viral probe)")는 각각 종류 별로 고유한 SERS 신호로 표지되어 있고, 각 프로브 당 항체가 하나 또는 두 개가 부착되어 있으며, 그 크기는 수 마이크로미터에 해당한다. 따라서 조직을 예로 하는 시료에서 바이러스 프로브가 표적 물질과 결합하여 있다면 SERS 신호에 의해 맵(map) 내의 위치가 판별된다. 이때, 표적의 수는 바이러스 프로브의 수에 비례하고 표적 물질의 종류는 바이러스 프로브에 표지된 SERS 신호의 종류로부터 판별될 수 있다. 따라서 한 번의 SERS 맵핑을 통해서 여러 종류의 표적에 대한 다중 정량분석이 가능하다.
도 6은 합성된 금 나노큐브와 만들어진 바이러스 프로브의 SEM 이미지이다. 도 6을 참조하면, 50nm의 금 나노큐브가 균일하게 잘 합성이 되었으며 바이러스 위에 균일하게 일렬로 붙어 배열되어 있는 것을 SEM을 통해 확인이 가능하다. 또한 DF 산란 이미지를 통해서는 금 나노 큐브들이 균일하게 합성되어 용액 상에서 모두 초록색을 띄고 있는 것을 확인할 수 있으며 바이러스를 섞음에 따라 나노입자들이 여러 개가 붙어서 적색 편이(red shift)된 노란색의 DF 산란 이미지가 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 만들어진 바이러스 프로브의 라만 신호 증가량을 정량적으로 보여주는 데이터 이다. 도 7을 참조하면, 이용한 라만 케미컬 하나의 라만 시그널 대비 바이러스 프로브 안에 부착되어 증가된 라만 시그널 세기(intensity)를 비교하여 하나의 분자가 바이러스 프로브 안에서 얼마나 라만 시그널이 증가되는지를 알 수 있다. 이를 계산한 값을 증강 인자(enhancement factor)라고 한다. 광학 이미지에서 보이는 각 위치에 있는 바이러스 프로브가 얼마나 시그널을 증폭시키는지 enhancement factor를 계산하여 표시하였으며 평균을 내었을 때 106 정도의 신호 증가를 확인 할 수 있었다.
도 8은 실제 항원(antigen)의 농도를 다르게 하여 바이러스 프로브를 가지고 어세이(assay)를 한 결과이다. 도 8을 참조하면, PSA가 0일 때는 큐브(cube)들이 표면에 없으나 PSA가 10ng/ml, 1000ng/ml로 많아질수록 cube들이 배열되어 있는 바이러스 프로브들이 보인다. 바이러스 프로브들이 증가할수록 라만 시그널의 세기도 커지는 것을 볼 수 있다.
이상 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 나노프로브를 이용하면, 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하므로 나노프로브를 균일하게 대량 생산할 수 있다. 또한 유전자 조작이나 화학적 처리를 통해 생체 물질의 선택한 위치에 작용기를 생성할 수 있어 원하는 부분에 결합 성분이나 나노입자를 생체 물질에 용이하게 도입할 수 있다. 본 발명에 따른 나노프로브는 질병 진단시 정량 분석과 다중 분석(multiplexing)이 가능하다. 나노프로브를 이루고 있는 생체 물질에 표적 물질에 특이적인 결합 성분이 구성요소로 존재하여 표적 물질에 대한 정량 분석이 가능하다. 즉 생체 물질의 특정 영역을 이용하여 결합 성분의 발현을 제어함으로써 프로브의 정량을 통하여 표적 물질의 정량이 가능하다. 또한 플라즈몬을 발생시키는 나노입자들을 생체 물질에 균일하게 부착하고 배열할 수 있어서 선폭이 매우 좁은 라만 신호를 균일하게 증폭할 수 있어 다중분석(multiplexing)이 가능하다.
이하, 기술할 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예]
실시예 1: 바이러스 유전자 조작
야생형 M13 박테리오파지 벡터 상에 존재하는 gVIII 유전자를 조작하여 상기 생체 물질의 제2 영역에 나노입자가 부착할 수 있도록 하였다. M13 박테리오파지의 표면단백질인 pVIII 단백질의 N 말단에 나노입자와 결합력을 가지는 펩타이드서열을 도입하기 위하여, 박테리오파지 벡터를 다음과 같은 방법으로 유전자 조작하였다.
첫 번째로, 야생형 M13 박테리오파지 벡터에 존재하지 않던 제한효소 KpnI 의 인식서열을 다음과 같은 방법으로 도입하였다. 박테리오파지 벡터상에 존재하는 제한효소 SnaBI 인식서열 전의 올리고뉴클레오타이드 1 (5' TGT TTC GCG CTT GGT ATA ATC G 3')과 벡터상의 본래 서열인 CTCGTT 를 KpnI 인식서열인 CTGGTA 로 치환한 올리고뉴클레오타이드 2 (5' GAA AGA CAG CAT CGG TAC CAG GGT AGC AAC GGC TAC 3')를 이용하여 중합효소 연쇄반응을 실시하였다. 그리고 올리고뉴클레오타이드 2 와 상보적인 서열을 가지는 올리고뉴클레오타이드 3 (5' GTA GCC GTT GCT ACC CTG GTA CCG ATG CTG TCT TTC 3')과 박테리오 파지 벡터상에 존재하는 제한효소 BamHI 인식서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드 4 (5' CAA ACG AAT GGA TCC TCA TTA AAG 3')를 이용한 중합효소 연쇄반응을 실시하였다. 이렇게 하여 얻어진 반응물을 서로 이어주기 위해 올리고뉴클레오타이드 1 과 올리고뉴클레오타이드 4 를 사용하여 중합효소 연쇄반응을 실시하였다. 이 반응물과 야생형 M13 박테리오파지 벡터에 제한효소 SnaBI 과 BamHI 를 처리하고, 37℃에서 반응하여 DNA를 절단하였다. 절단된 두 종류의 DNA를 섞고, 리가아제(ligase)를 첨가하여 벡터와 KpnI 인식서열이 포함된 유전자를 결합시킴으로써 변형된 M13 박테리오파지 벡터를 제작하였다.
두 번째로, 다음과 같은 방법을 이용하여 변형된 M13 박테리오파지 벡터에 금 나노입자와 결합력을 가지는 서열을 삽입하였다. pVIII 단백질의 N 말단에 위치한 아미노산 Ala-Glu 와 Gly-Asp 사이에 금 나노입자 결합서열을 도입하기 위하여, 제한효소 KpnI 인식서열과 금 나노입자 결합서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드 5 (5' cggggtaccgatgctgtctttcgctgctgaggtgagcggcag cagcccggatagcgatcccgcaaaagcg 3') 와 상기 사용된 올리고뉴클레오타이드 4 를 이용한 중합효소 연쇄반응을 실시하였다. 이 반응물과 변형된 M13 박테리오파지 벡터에 각각 제한효소 KpnI과 BamHI을 첨가하고, 37℃에서 반응하여 DNA를 절단하였다. 절단된 두 종류의 DNA를 섞고, ligase를 첨가하여 결합시킴으로써 새로운 금 나노입자 결합서열이 삽입된 M13 박테리오파지 벡터를 제작하였다.
상기 생체물질의 제 2 영역에 금 나노입자 결합서열을 발현하기 위하여, 위와 같은 방법으로 제작된 벡터로 E. coli ER2738을 형질전환한 후, Super Broth 배양액 내에서 배양(37℃, 250rpm, 16시간, Kanamycin 첨가)하고, 배양액을 원심분리(3,000 rpm, 15 분)한 후, 상층액을 70℃에서 20분 간 가열하였다. 이것을 다시 원심분리(3,000 rpm, 15 분)하여 상층액만을 취하였다.
상기 생체 물질의 제1 영역에 결합 성분을 발현시키기 위하여, 다음과 같은 방법으로 파지플라스미드 pComb3XSS 상에 존재하는 gIII 유전자 5' 말단에 결합 성분을 표지 하는 유전자를 삽입하였다. 결합 성분을 표지하는 유전자를 증폭하기 위한 forward, reverse 올리고뉴클레오타이드에 모두 제한효소 SfiI 인식서열을 포함하도록 제작하고, 이를 이용하여 중합효소 연쇄반응을 실시하였다. 이 반응물과 파지플라스미드 pComb3XSS에 각각 제한효소 SfiI을 첨가하고, 50℃에서 반응하여 DNA를 절단하였다. 절단된 두 종류의 DNA를 섞고, ligase를 첨가하여 결합시킴으로써 결합성분이 삽입된 파지플라스미드 pComb3X를 제작하였다.
상기 생체물질의 제 1 영역에 결합성분을 발현하고, 동시에 제 2 영역에 금 나노입자 결합서열을 발현하는 박테리오파지를 제작하기 위하여 다음과 같은 방법을 사용하였다. 결합성분을 포함하고 있는 파지플라스미드 pComb3X를 E. coli ER2738 에 형질전환을 통하여 도입하고, Super Broth 배양액 내에서 배양하였다(37℃, 250rpm, Ampicillin 첨가). 600nm 흡광도 값 0.8~1.0을 가지는 배양액에 제 2 영역에 금 나노입자 결합서열을 발현하고 있는 박테리오파지 1011/ml 을 첨가하고, 계속하여 배양하였다(37℃, 250rpm, 16시간, kanamycin 첨가). 원심분리 (3,000 rpm, 10 분)를 통하여 박테리아를 침전시킨 상층액 내에 제 1 영역에 결합성분을 발현하고, 제 2 영역에 금 나노입자 결합서열을 발현하고 있는 박테리오파지가 존재하였다.
실시예 2: 금 나노 큐브의 제조
금 나노 큐브를 문헌 [Small, 4, 2059 (2008)]에 기재된 방법을 바탕으로 제조하였다. 결정의 (100)면에 상대적으로 잘 붙는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) 리간드를 이용하여 모양을 조절하였으며 NaBH4로 HAuCl4를 환원시킴으로써 매우 작은 결정을 먼저 형성한 후 이를 성장 용액에 넣어 천천히 성장시키는 방법으로 금 나노 큐브를 합성하였다.
먼저 0.1 M의 CTAB 7.5 ml를 0.01 M의 HAuCl4 0.25 ml와 혼합하고 0.01 M NaBH4 0.8 ml를 넣어 2-3 nm 크기의 매우 작은 결정을 만들었다. 이를 물에 희석하여 성장용액에 넣어서 다시 크기를 증가시켰다. 이때 성장용액은 순수 8.0 ml, CTAB 1.6 ml, HAuCl4 0.2 ml, L-아스코르브산(L-ascorbic acid) 0.95 ml를 섞어 만들었으며 이전에 물에 희석하여 만든 작은 결정 5 μl를 넣어 천천히 결정을 성장시켰다. 이렇게 얻어진 금 나노 큐브를 원심분리하고 물로 2회 세척하여 과량의 시약을 제거하였다.
실시예 3: 바이러스와 금 나노입자의 결합
금 나노 큐브가 물에 분산되어 있는 용액에 바이러스를 넣고 섞은 후 1시간동안 놔두었다.
실시예 4: 라만 리포터의 고정화
라만 리포터 분자의 예로 4-클로로티올페놀 (4-Chlorothiophenol, 4-CBT)을 사용하였다. 금 나노 큐브와 10-6M 4-CBT를 함께 섞어 30분 동안 둠으로써 라만 리포터를 금 표면에 흡착시켰다.
실시예 5: 다크필드 및 라만 측정
다크-필드(Dark-Field, DF) 산란 이미지와 스펙트럼을 측정하면 금 나노 큐브가 바이러스에 부착된 여부를 쉽게 확인할 수 있다. 결합되지 않은 금 나노 큐브는 초록색을 띠고 500 - 550 nm 사이에서 표면 플라즈몬 공명(SPR) 산란 밴드의 최고점을 나타내며 바이러스에 결합되면 나노입자 사이의 플라즈몬 커플링에 의해서 색이 노란색에서 붉은색까지 장파장으로 이동한다.
도 6은 (c) 금 나노큐브들의 DF 산란 이미지와 (d) 금 나노큐브들이 결합된 바이러스의 DF 산란 이미지를 나타낸다. 색의 변화와 뭉침 현상으로 금 나노 큐브가 바이러스에 부착되었는지 확인할 수 있다.
실시예 6: Enhancement factor 계산
만들어진 바이러스 프로브의 SERS 프로브로서의 성능을 평가하기 위하여 바이러스 프로브에 흡착된 CBT 분자에서 얼만큼 라만 신호가 증가되는지 계산하였다. 유리에 바이러스 프로브를 고정하고 각 위치에서 라만 신호를 측정하였다. 얻어진 바이러스 프로브의 라만 신호(ISERS)를 바이러스 프로브에 흡착된 CBT 분자들의 수(NSERS)로 나누어 바이러스 프로브 안의 한 분자의 라만 신호 세기 (ISERS/NSERS)를 얻고 같은 방법으로 CBT 한 분자가 가지는 라만 신호 (IN/NN)를 측정하였다. 바이러스 프로브 안의 한 분자의 라만 신호 세기(ISERS/NSERS)를 CBT 한 분자가 가지는 라만 신호 세기(IN/NN)로 나누면 바이러스 프로브에 흡착된 CBT분자 하나가 얼만큼 신호 증가가 있는지 얻을 수 있다. 이를 통해서 얻은 평균 바이러스 프로브의 증가량은 106 정도를 얻을 수 있었다.
실시예 7: 자성 비드(magnetic bead)를 이용한 항원(antigen) 양 측정
바이러스 프로브의 검출 능력을 확인하기 위하여 자성 비드를 이용한 항원 검출 실험을 하였다. 자성 비드 표면에는 에폭사이드 그룹(epoxide group)이 있어 단백질의 여러 작용기들과 쉽게 붙을 수 있으며 24시간 숙성(aging)을 통하여 자성 비드에 포획 항체(capture antibody)를 붙였다. 항원으로 PSA를 이용하였고 PSA를 포획 항체가 붙어 있는 자성 비드에 넣어서 2시간 동안 교반을 하였다. 이를 통해서 자성 비드에 서로 다른 농도의 PSA가 붙어 있는 샘플을 만들었다. 바이러스의 p3 부분에는 PSA를 잡는 항체가 발현되어 있기 때문에 만들어진 바이러스 프로브를 항원이 붙어 있는 자성 비드에 넣으면 항원의 농도에 따라 자성 비드에 붙는 프로브의 양이 달라진다. 이는 도 8에 있는 SEM이미지에서도 확인 할 수 있다. PSA가 0 일 때에는 금 나노큐브들이 보이지 않지만 PSA의 농도가 점차 높아짐에 따라 금 나노큐브의 양이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 결과적으로 증가된 라만 신호를 만들어내며 도 8 에 있는 각각 농도에 해당하는 라만 스펙트럼에서 증가된 라만 신호 세기를 확인 할 수 있다.

Claims (17)

  1. 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서,
    상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및
    상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 광학 검출 신호를 제공하기 위한 나노입자들을 포함하되,
    하나의 나노프로브 당 상기 결합 성분의 개수가 상기 제1 영역의 규격에 따라 일정 범위 내에서 조절된 나노프로브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 생체 물질은 바이러스, 박테리아 및 효모로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 나노프로브.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 표적 물질과의 특이적 결합이 용이하도록 상기 결합 성분이 일정 방향성을 가지는 나노프로브.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 결합 성분의 발현을 위해 상기 제1 영역이 유전자 조작 또는 화학적 처리된 나노프로브.
  6. 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서,
    상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및
    상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 광학 검출 신호를 제공하기 위한 나노입자들을 포함하되,
    상기 나노입자들의 배열의 조절을 위해 상기 제2 영역이 유전자 조작 또는 화학적 처리된 나노프로브.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 검출 신호는 형광, 라만 산란, 그래픽 및 광학 패턴으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 나노프로브.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 나노입자는 구형 입자, 구형 입자, 표면에 다양한 형태의 나노입자가 올라간 딸기형 또는 성게형의 구형 입자, 이방성 입자, 이방성 입자, 중공 입자, 비대칭형 입자 및 모서리가 있는 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 나노프로브.
  9. 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서,
    상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및
    상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 광학 검출 신호를 제공하기 위한 나노입자들을 포함하되,
    상기 나노입자들이 상기 제2 영역의 규격에 따라 일정 개수가 조절되어 배열된 나노프로브.
  10. 자기복제가 가능한 생체 물질을 기반으로 하는 나노프로브로서,
    상기 생체 물질의 제1 영역에 존재하며 표적 물질에 특이적으로 결합가능한 결합 성분; 및
    상기 생체 물질의 제2 영역에 존재하며 라만 신호를 증강하기 위한 나노입자들을 포함하되,
    상기 제1 영역의 단백질의 변형에 의해 상기 결합 성분이 발현되고 상기 제2 영역의 단백질의 변형에 의해 상기 나노입자들의 배열이 조절된 나노프로브.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 생체 물질은 M13 바이러스이고, 상기 제1 영역은 pIII 단백질을 포함하며, 상기 제2 영역은 pVIII 단백질을 포함하는 나노프로브.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 나노입자에 라만 리포터 분자가 고정된 나노프로브.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 나노입자의 표면에 상기 제2 영역과의 결합을 위한 리간드가 도입된 나노프로브.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 영역에 발현된 아미노산 서열에 따라 상기 나노입자들의 입자간 간격 및 정렬 밀도가 조절된 나노프로브.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 나노입자는 구형 입자, 구형 입자, 표면에 다양한 형태의 나노입자가 올라간 딸기형 또는 성게형의 구형 입자, 이방성 입자, 이방성 입자, 중공 입자, 비대칭형 입자 및 모서리가 있는 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 나노프로브.
  16. 자기복제 가능한 생체 물질의 제1 영역의 단백질의 변형에 의해 결합 성분을 발현시키는 단계;
    상기 생체 물질의 제2 영역에 라만 신호를 증강하기 위한 나노입자들을 부착하는 단계;
    상기 나노입자에 라만 리포터를 고정시킴으로써 나노프로브를 제조하는 단계;
    표적 물질을 상기 나노프로브의 상기 결합 성분과 결합시켜 복합체를 형성하는 단계; 및
    상기 복합체를 표면증강 라만 분광법으로 분석하는 단계를 포함하되,
    상기 제2 영역은 상기 생체 물질의 표면 중 상기 제1 영역과 다른 위치에 존재하며, 상기 나노입자들의 부착을 위하여 상기 제2 영역의 단백질 구조가 개질된 것인 나노프로브를 이용한 표적 물질 검출방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 복합체 중의 상기 나노프로브의 양을 측정하여 상기 표적 물질을 정량하는 나노프로브를 이용한 표적 물질 검출방법.
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