KR101488436B1 - Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles - Google Patents

Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles Download PDF

Info

Publication number
KR101488436B1
KR101488436B1 KR20130009460A KR20130009460A KR101488436B1 KR 101488436 B1 KR101488436 B1 KR 101488436B1 KR 20130009460 A KR20130009460 A KR 20130009460A KR 20130009460 A KR20130009460 A KR 20130009460A KR 101488436 B1 KR101488436 B1 KR 101488436B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nucleic acid
target nucleic
dna
probe
detection
Prior art date
Application number
KR20130009460A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20140097679A (en
Inventor
심상준
마흥의
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR20130009460A priority Critical patent/KR101488436B1/en
Publication of KR20140097679A publication Critical patent/KR20140097679A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101488436B1 publication Critical patent/KR101488436B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6827Hybridisation assays for detection of mutation or polymorphism
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6834Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2563/00Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
    • C12Q2563/155Particles of a defined size, e.g. nanoparticles

Abstract

본 발명은 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응의 단일 부정합 검출방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 염 농도 조절을 수행하여 표적핵산과 상보적으로 결합할 수 있는 캡춰 프로브 및 검출 프로브의 DNA-DNA간 혼성화 반응을 조절하고, 완전한 혼성화를 이룬 표적핵산 및 불완전한 혼성화를 이룬 단일염기변이의 흡광도 차이를 정량적으로 분석하여 표적핵산의 단일염기변이를 검출하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 표적핵산의 단일염기변이 검출 방법은 DNA-DNA간 혼성화 반응 및 염 농도 조절 과정을 통하여 표적핵산 및 단일염기변이의 흡광도차이를 정량적으로 분석함으로써, 온도 및 pH 조절 없이도, 질병 관련 유전자의 단일염기변이를 검출할 수 있는 효과가 있으며, 유방암과 같은 질병의 위험성을 조기에 예측하는 용도도 활용할 수 있다.
The present invention relates to a method for detecting a single mismatch in a DNA hybridization reaction using gold nanoparticles, and more particularly, to a method for detecting a mismatch between a DNA probe and a detection probe capable of complementarily binding with a target nucleic acid, The present invention relates to a method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid by controlling the reaction, quantitatively analyzing the difference between the absorbance of a complete hybridization of the target nucleic acid and the incompletely hybridized single base mutation.
The method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid of the present invention quantitatively analyzes a difference in absorbance of a target nucleic acid and a single base mutation through a DNA-DNA hybridization reaction and a salt concentration control process, It is possible to detect a single base mutation and to use early prediction of the risk of a disease such as breast cancer.

Description

금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응의 단일 부정합 검출방법{Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for detecting a single mismatch in DNA hybridization using gold nanoparticles,

본 발명은 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응의 단일 부정합 검출방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 염 농도 조절을 수행하여 표적핵산과 상보적으로 결합할 수 있는 캡춰 프로브 및 검출 프로브의 DNA-DNA간 혼성화 반응을 조절하고, 완전한 혼성화를 이룬 표적핵산 및 불완전한 혼성화를 이룬 단일염기변이의 흡광도 차이를 정량적으로 분석하여 표적핵산의 단일염기변이를 검출하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for detecting a single mismatch in a DNA hybridization reaction using gold nanoparticles, and more particularly, to a method for detecting a mismatch between a DNA probe and a detection probe capable of complementarily binding with a target nucleic acid, The present invention relates to a method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid by controlling the reaction, quantitatively analyzing the difference between the absorbance of a complete hybridization of the target nucleic acid and the incompletely hybridized single base mutation.

단일염기서열변이(SNP, Single Nucletide Polymorphism)는 DNA 염기서열에서 하나의 염기서열이 치환되어 나타나는 유전적 변이로, 병의 원인 또는 치료제에 대한 반응 등 사람마다 개인차를 가져온다. 단일염기서열변이의 검출과 확인은 맞춤 의약뿐만 아니라 신약개발에도 연결되기 때문에 관심이 집중되고 있다.Single nucleotide polymorphism (SNP) is a genetic mutation in which a single nucleotide sequence is substituted for a DNA sequence, which causes a person-to-individual difference, such as a cause of disease or a response to a therapeutic agent. Detection and confirmation of single nucleotide sequence mutations are attracting attention as they lead to the development of new drugs as well as custom drugs.

단일염기서열 변이의 신속한 검출을 위해서 실시간 PCR 기술을 응용한 다양한 검출 방법이 사용되고 있다. 대표적으로 DNA 인터컬레이팅(intercalating) 형광물질을 사용하여 분석하는 방법, DNA 프로브를 이용하는 방법, 또는 PNA 프로브를 이용하는 방법 등이 있다. 하지만 DNA 인터컬레이팅(intercalating) 형광물질을 사용함에 있어 제약을 가지며, 융해곡선을 분석하기 위한 프로그램 사용해야 한다는 단점을 가진다 (Kirk M. Ririe et al ., Analytical Biochemistry 245:154, 1997; U. Hladnik et al ., Clin Exp Med , 2:105, 2002)For rapid detection of single nucleotide sequence variation, various detection methods employing real-time PCR technology have been used. Representative methods include analysis using a DNA intercalating fluorescent substance, a method using a DNA probe, or a method using a PNA probe. However, it has limitations in using DNA intercalating fluorophores and has the disadvantage of using a program to analyze the melting curve (Kirk M. Ririe meat al ., Analytical Biochemistry 245: 154,1997; U. Hladnik meat al ., Clin Exp Med. , 2: 105, 2002)

표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance: SPR) 방법은 복잡한 사전 정제 및 표지화 공정 없이 정량적으로 반응을 감지할 수 있기 때문에, 표면에 고정된 생체분자 사이의 상호작용에 관한 많은 연구에서 다양하게 사용되어 왔다. SPR 방법은 센서 표면에서의 굴절률 변화에 대한 민감하고 빠른 반응으로 인해, 얇은 금속 필름에서 일어나는 생체분자의 흡착을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 지난 수십 년 동안 항원/항체, 리간드/수용체, 단백질/단백질 반응 및 DNA 혼성체화를 포함하여 특정 생체 피분석물에 대한 생체재료 농도, 두께 및 결합 반응속도 데이터를 측정하기 위하여 SPR에 기초한 다양한 생체분자 상호작용 분석이 수행되어 왔다.Surface plasmon resonance (SPR) methods have been used extensively in many studies on the interaction between biomolecules immobilized on the surface, since they can quantitatively detect the reaction without complex pre-purification and labeling processes. The SPR method can be used to detect the adsorption of biomolecules on thin metal films due to the sensitive and fast response to changes in refractive index at the sensor surface. For the past several decades, the use of various SPR-based biomolecules to measure biomaterial concentration, thickness, and binding kinetics data for specific biochemical analytes including antigen / antibody, ligand / receptor, protein / protein reaction, Interaction analysis has been performed.

한편, 금 나노입자는 표면 플라즈몬 공명으로 알려진 입자의 자유 전자의 집단적 진동과 입사 빛의 상호작용으로 붉은색을 띄게 되며, 금 나노입자를 이용한 프로브는 표적물질과 흡착 결합한 후 독특한 진동 모드에 기초한 화학적 특정 정보를 제공할 수 있고, 높은 감도와 특이성이 있어, 금 나노입자 프로브(probe)에 기반한 DNA 혼성화 반응이 표적핵산 검출을 위하여 광범위하게 개발되어 왔다 (Storhof et . al ., Biosensors and Bioelectronics, 19:875, 2004; C.A. Mirkin et . al ., Nature, 382:607, 1996). 또한, 부정합(mismatch)을 이루는 단일염기쌍과 완전한 혼성화를 이루는 이중 가닥의 DNA는 상이한 정전기적 상호작용에 의해 금 나노입자에 흡착하는 것에 대한 다른 성향을 갖는 것으로 나타나(H. Li and L. Rothberg, PNAS, 101:14036, 2004), 금 나노입자를 이용한 단일염기다형성(SNP) 분석에도 많이 연구되고 있다 (S.J. Park et al ., Science, 295:1503, 2002; Y.W.C. Cao et al., Science, 297:1536, 2002)On the other hand, gold nanoparticles become red due to the collective vibration of free electrons of particles known as surface plasmon resonance and the interaction of incident light, and the probe using gold nanoparticles adsorbs and binds to the target material, may provide certain information, there is a high sensitivity and specificity, these DNA hybridization based on gold nanoparticle probes (probe) has been extensively developed in order to detect the target nucleic acid (Storhof et. al., Biosensors and Bioelectronics , 19: 875, 2004; CA Mirkin et . al ., Nature, 382: 607,1996). In addition, double-stranded DNA that is fully hybridized with a single base pair that makes mismatches appears to have a different propensity for adsorption to gold nanoparticles due to different electrostatic interactions (H. Li and L. Rothberg, PNAS , 101: 14036, 2004), and has been studied extensively in single nucleotide polymorphism (SNP) analysis using gold nanoparticles (SJ Park et al . , ≪ / RTI > Science , 295: 1503,2002; YWC Cao et al. , Science , 297: 1536, 2002)

또한, 유전자의 작은 변화는 암 또는 선천성 질환과 같은 생물학적 질병 소인(biological predisposition)에 영향을 줄 수 있기 때문에, 단일가닥 DNA(ssDNA) 샘플 사이의 상보적인 혼성화 과정을 이용한 DNA 감지(sensing)가 최근 많이 연구되고 있으며, 주로 액상의 나노입자를 이용한 표적핵산의 분리 및 신호 검출이 연구되고 있다 (Y. Weizmann et al ., J Am Chem Soc, 133:3238, 2011; S. Cai et al., Analyst, 135:615, 2010; J. T. Petty et al ., Anal Chem, 84:356, 2012). In addition, DNA sensing using a complementary hybridization process between single stranded DNA (ssDNA) samples has recently been shown to be more sensitive, since small changes in the gene can affect biological predisposition, such as cancer or congenital disease Many studies have been conducted and the separation and signal detection of target nucleic acids using mainly liquid nanoparticles have been studied (Y. Weizmann et al . , J Am Chem Soc. , 133: 3238, 2011; S. Cai et al. Analyst , 135: 615, 2010; JT Petty et al . , Anal Chem. , 84: 356, 2012).

하지만, 불안정한 상태의 액상의 나노입자를 이용한 돌연변이 DNA 검출은 온도 및 pH를 조절에 의해 혼성화 효율에 영향을 받으므로, 나노입자의 광학 특성은 유체역학적 효과, pH 및 혼합적 요소에 의해 변하기 때문에 신호에 부정적인 영향을 주며, 액상의 나노입자를 이용한 센서는 여러 복잡한 단계를 거쳐야 하기 때문에 낮은 반응 효율 및 낮은 재현성을 가지는 문제점이 있다 (A. G. Kanaras et al., Angew Chem Int Edit, 42:191, 2003). However, since mutant DNA detection using liquid nanoparticles in an unstable state is affected by the hybridization efficiency by controlling temperature and pH, the optical characteristics of the nanoparticles vary depending on the hydrodynamic effects, pH, and mixed factors, , And sensors using liquid nanoparticles suffer from the problems of low reaction efficiency and low reproducibility since they are subjected to various complicated steps (AG Kanaras et al., Angew Chem Int Edit , 42: 191, 2003).

이에 본 발명자들은 표적핵산의 단일염기변이를 효과적으로 검출하기 위해 예의 노력한 결과, 금 나노입자에 표적핵산과 상보적으로 결합할 수 있는 캡춰 DNA가 결합되어 있는 캡춰 프로브(capture probe)와 금 나노입자에 표적핵산과 상보적으로 결합할 수 있는 검출 DNA가 결합되어 있는 검출 프로브(detection probe)를 각각 제작하고, 상기 제작된 캡춰 프로브와 검출 프로브의 표적핵산과의 혼성화 반응을 염 농도 조절을 통해 수행한 결과, 완전한 혼성화를 이룬 표적핵산과 불완전한 혼성화를 이룬 단일염기변이의 흡광도 차이를 정량적으로 분석할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
Therefore, the present inventors have made intensive efforts to effectively detect a single base mutation of a target nucleic acid. As a result, the present inventors have found that a capture probe in which a capture DNA capable of binding complementarily to a target nucleic acid is bound to a gold nanoparticle, A hybridization reaction of the prepared capture probe and the detection probe with the target nucleic acid was carried out by controlling the salt concentration, As a result, it was confirmed that the difference in absorbance of a single base mutation that underwent incomplete hybridization with a target nucleic acid having a complete hybridization can be quantitatively analyzed, and the present invention was completed.

본 발명의 목적은 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응에서 표적핵산의 단일염기변이 겸출방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a method for multiplexing a single base mutation of a target nucleic acid in a DNA hybridization reaction using gold nanoparticles.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 투명한 지지체에 금 나노입자를 고정시킨 다음, 상기 금 나노입자에 표적핵산의 일측과 상보적으로 결합할 수 있는 캡춰 DNA를 결합시켜, 캡춰 프로브(capture probe)를 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 캡춰 프로브에 단일가닥의 표적핵산을 가하여 캡춰 프로브-표적핵산의 혼성화 반응을 수행하는 단계; (c) 상기 혼성화 반응물에, 금 나노입자에 표적핵산의 타측과 상보적으로 결합할 수 있는 검출 DNA가 결합된 검출 프로브(detection probe)를 첨가하여 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 혼성화 반응을 수행하는 단계; (d) 염 농도 조절을 통해 단일염기변이가 있는 표적핵산과 단일염기변이가 없는 표적핵산의 혼성화 차이를 유도한 다음, 흡광도를 측정하는 단계; 및 (e) 측정된 흡광도로부터 혼성화된 검출 프로브의 금 나노입자 수를 분석하여, 표적핵산 내 단일염기변이의 유무 또는 단일염기변이의 수를 검출하는 단계를 포함하는 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응에서 표적핵산의 단일염기변이 검출방법을 제공한다.
(A) fixing gold nanoparticles on a transparent support, and then binding the capture DNA capable of binding complementarily to one side of the target nucleic acid to the gold nanoparticles, thereby forming a capture probe capture probe; (b) performing hybridization of the capture probe-target nucleic acid by adding a single strand of the target nucleic acid to the prepared capture probe; (c) a hybridization reaction of the capture probe-target nucleic acid-detecting probe with a detection probe to which the detection DNA capable of binding complementarily to the other side of the target nucleic acid is added to the gold nanoparticle is added to the hybridization reaction product ; (d) deriving the hybridization difference between the target nucleic acid having a single base mutation and the target nucleic acid having no single base mutation through the control of the salt concentration, and then measuring the absorbance; And (e) analyzing the number of gold nanoparticles in the detection probe hybridized from the measured absorbance to detect the presence or absence of single base mutation in the target nucleic acid or DNA base hybridization reaction using gold nanoparticles A method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid.

본 발명의 표적핵산의 단일염기변이 검출 방법은 DNA-DNA간 혼성화 반응 및 염 농도 조절 과정을 통하여 표적핵산 및 단일염기변이의 흡광도차이를 정량적으로 분석함으로써, 온도 및 pH 조절 없이도, 질병 관련 유전자의 단일염기변이를 검출할 수 있는 효과가 있으며, 유방암과 같은 질병의 위험성을 조기에 예측하는 용도도 활용할 수 있다.
The method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid of the present invention quantitatively analyzes a difference in absorbance of a target nucleic acid and a single base mutation through a DNA-DNA hybridization reaction and a salt concentration control process, It is possible to detect a single base mutation and to use early prediction of the risk of a disease such as breast cancer.

도 1은 본 발명의 전체적인 과정을 도식화한 개략도이다. (A)는 아미노기가 코팅된 유리기판(amino-coated glass)에 캡춰 프로브(capture probe)를 제조하는 방법, (B)는 검출 프로브(detection probe)를 제조하는 방법, (C)는 DNA 염기서열 내 단일 부정합을 검출하는 전체적인 과정을 나타낸다.
도 2는 정합 DNA와 부정합DNA의 DNA-DNA 간 결합에 따른 정전기적 결합을 나타낸 모식도이다.
도 3은 캡춰 프로브(capture probe) 및 검출 프로브(detection probe) 제조에 사용되는 금 나노입자의 모습(A)과 금 나노입자의 크기에 따른 흡광도 차이를 나타내는 그래프이다 (B).
도 4는 유리기판위에 고정된 캡춰 프로브(capture probe)의 모습(A)과 캡춰 프로브(capture probe)와 검출 프로브(detection probe)사이의 DNA의 혼성화에 따른 흡광도 변화를 나타내는 그래프이다 (B).
도 5는 DNA가 균일하게 결합된 검출 프로브를 분리하기 위해 전기영동하는 과정을 나타낸 그림(A)과 염 농도에 변화에 따른 검출 프로브의 흡광도 변화를 나타낸 그래프이다 (B)
도 6은 제조된 센서의 AFM 분석결과를 나타낸 그림이다 (빨간색 : 캡춰 프로브, 노란색 피크 : 검출 프로브가 결합된 모습).
도 7은 AFM 분석을 통해 제조된 센서 표면의 높이를 분석한 그래프(A)와 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 혼성화에 따른 흡광도 변화를 나타낸 그래프(B) 이다.
도 8은 염 농도(salt concentration)에 따라 검출 프로브의 수를 통해 정합 DNA 및 부정합 DNA의 DNA 혼성화 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 (A) 표적핵산 농도 변화에 다른 금 나노입자의 밀도를 비색법을 통해 나타낸 그래프이고, (B)는 버퍼, 1/5 희석된 혈청(serum), 희석되지 않은 혈청 내의 표적핵산과 비표적핵산의 DNA의 검출을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram illustrating the overall process of the present invention. (A) shows a method for producing a capture probe on an amino-coated glass substrate, (B) a method for producing a detection probe, (C) And shows the overall process of detecting a single mismatch.
Fig. 2 is a schematic diagram showing electrostatic bonding according to the DNA-DNA binding between the matched DNA and the mismatched DNA.
FIG. 3 is a graph showing the difference (A) between the gold nanoparticles used for the production of a capture probe and a detection probe and the difference in absorbance according to the size of gold nanoparticles (B).
FIG. 4 is a graph (A) showing the shape of a capture probe fixed on a glass substrate and a change in absorbance due to hybridization of DNA between a capture probe and a detection probe (B).
FIG. 5 is a graph showing a process of electrophoresis in order to isolate a detection probe uniformly bound with DNA and a change in absorbance of a detection probe according to a change in salt concentration (B)
FIG. 6 shows AFM analysis results of the manufactured sensor (red: capture probe, yellow peak: detection probe combined).
7 is a graph (A) showing the height of the sensor surface prepared by AFM analysis and a graph (B) showing the change in absorbance according to the hybridization of the capture probe-target nucleic acid-detection probe.
8 is a graph showing the DNA hybridization efficiency of the matched DNA and the mismatched DNA through the number of detection probes according to the salt concentration.
9 is a graph showing the density of gold nanoparticles different from the target nucleic acid concentration change by (A) colorimetric method, (B) is a graph showing the relationship between the concentration of gold nanoparticles in the buffer, 1/5 diluted serum, And detecting the DNA of the target nucleic acid.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 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 발명은 일 관점에서, (a) 투명한 지지체에 금 나노입자를 고정시킨 다음, 상기 금 나노입자에 표적핵산의 일측과 상보적으로 결합할 수 있는 캡춰 DNA를 결합시켜, 캡춰 프로브(capture probe)를 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 캡춰 프로브에 단일가닥의 표적핵산을 가하여 캡춰 프로브-표적핵산의 혼성화 반응을 수행하는 단계; (c) 상기 혼성화 반응물에, 금 나노입자에 표적핵산의 타측과 상보적으로 결합할 수 있는 검출 DNA가 결합된 검출 프로브(detection probe)를 첨가하여 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 혼성화 반응을 수행하는 단계; (d) 염 농도 조절을 통해 단일염기변이가 있는 표적핵산과 단일염기변이가 없는 표적핵산의 혼성화 차이를 유도한 다음, 흡광도를 측정하는 단계; 및 (e) 측정된 흡광도로부터 혼성화된 검출 프로브의 금 나노입자 수를 분석하여, 표적핵산 내 단일염기변이의 유무 또는 단일염기변이의 수를 검출하는 단계를 포함하는 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응에서 표적핵산의 단일염기변이 검출방법에 관한 것이다. In one aspect, the present invention provides a gold nanoparticle comprising (a) a gold nanoparticle immobilized on a transparent support, and then binding the capture DNA capable of binding complementarily to one side of the target nucleic acid to the gold nanoparticle to form a capture probe, ; (b) performing hybridization of the capture probe-target nucleic acid by adding a single strand of the target nucleic acid to the prepared capture probe; (c) a hybridization reaction of the capture probe-target nucleic acid-detecting probe with a detection probe to which the detection DNA capable of binding complementarily to the other side of the target nucleic acid is added to the gold nanoparticle is added to the hybridization reaction product ; (d) deriving the hybridization difference between the target nucleic acid having a single base mutation and the target nucleic acid having no single base mutation through the control of the salt concentration, and then measuring the absorbance; And (e) analyzing the number of gold nanoparticles in the detection probe hybridized from the measured absorbance to detect the presence or absence of single base mutation in the target nucleic acid or DNA base hybridization reaction using gold nanoparticles To a method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid.

본 발명의 '표적핵산'은 검출하고자 하는 핵산서열을 의미하며, 혼성화 조건 하에서 프로브와 어닐링 또는 혼성화된다. '표적핵산'은 '타겟 핵산', '타겟 핵산서열' 또는 '타겟 서열'과 차이가 없으며, 본 명세서에서 혼용된다.The 'target nucleic acid' of the present invention means a nucleic acid sequence to be detected, and is annealed or hybridized with the probe under hybridization conditions. The 'target nucleic acid' is not different from the 'target nucleic acid', 'target nucleic acid sequence' or 'target sequence', and is used in this specification.

본 발명의 '캡춰 DNA'는 표적핵산 서열 내 일측(=한쪽 부분)과 상보적으로 결합할 있는 염기서열을 의미하며, '일측'은 표적핵산의 한쪽 말단(5' 또는 3'), 한쪽 말단에 근접한 부분, 한쪽 말단과 떨어져 있는 부분에 해당한다. 본 발명의 '검출 DNA'는 표적핵산 서열 내 타측(=다른 쪽 부분)과 상보적으로 결합할 수 있는 염기서열을 의미하며, '타측'은 표적핵산의 다른 쪽 말단(5' 또는 3'), 다른 쪽 말단에 근접한 부분, 다른 쪽 말단과 떨어져 있는 부분에 해당한다. 즉, 표적핵산 내에서 캡춰 DNA와 검출 DNA가 혼성화를 이루는 부분은 서로 다른 부분으로, 본 발명에서는 표적핵산에 캡춰 DNA와 검출 DNA가 모두 혼성화를 이루는 경우에 흡광도 차이로부터 검출 프로브의 금 나노입자 수를 측정하여 표적핵산의 단일염기변이 유무를 검출하였다. The 'capture DNA' of the present invention refers to a base sequence complementary to one side (= one side) in a target nucleic acid sequence, and 'one side' refers to one end (5 'or 3') of a target nucleic acid, And a portion far from one end. The term "other DNA" refers to a nucleotide sequence capable of complementarily binding to the other side (= other side) in the target nucleic acid sequence, and the term "other side" means the other end (5 'or 3' , A portion close to the other end, and a portion apart from the other end. That is, the portion where the capture DNA hybridizes with the detection DNA in the target nucleic acid is a different portion. In the present invention, when both the capture DNA and the detection DNA hybridize to the target nucleic acid, And the presence or absence of a single base mutation of the target nucleic acid was detected.

본 발명의 '혼성화'는 상보적인 단일가닥 핵산들이 이중-가닥 핵산을 형성하는 것을 의미한다. 혼성화는 2개의 핵산 가닥 간의 상보성이 완전할 경우(perfect match; 정합) 일어나거나 또는 일부 부정합(mismatch) 염기가 존재하여도 일어날 수 있다. 혼성화에 필요한 상보성의 정도는 혼성화 조건에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서는 염 농도 변화를 이용하여 조절하였다. "Hybridization" of the present invention means that complementary single-stranded nucleic acids form a double-stranded nucleic acid. Hybridization can occur when perfect complementarity between two nucleic acid strands is achieved (perfect match) or some mismatching base is present. The degree of complementarity required for hybridization can be varied depending on the hybridization conditions, and is adjusted using the salt concentration change in the present invention.

본 발명의 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응에서 표적핵산의 단일염기변이 검출방법은 단일가닥 DNA로부터 이중가닥 DNA를 합성하는 과정에서 완전한 혼성화(정합; perfect match)를 이루는 DNA와 하나 이상의 부정합(mismatch)를 이루는 DNA의 차이를 통해 표적핵산의 단일염기변이를 검출하는 방법이다. 완전한 혼성화를 이루는 DNA는 결합력이 강하고 안정한 반면, 하나 이상의 염기 변이를 가지는 DNA는 수소결합이 잘 형성되지 않아 결합력이 낮아지게 되고 온도나 pH에 따라 영향을 많이 받게 된다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 하나 이상의 염기 변이를 가지는 DNA는 DNA-DNA간 결합 내에 불안정한 부분이 발생하여, 정전기적 결합력이 약해지는 특징을 나타낸다. 본 발명에서는 염 농도 조절을 통한 정전기적 결합력의 차이를 이용해 표적핵산의 단일염기변이를 검출하였다. In the DNA hybridization reaction using the gold nanoparticles of the present invention, a method for detecting a single base mutation of a target nucleic acid is a method of detecting a DNA having perfect hybridization and one or more mismatches ) Of the target nucleic acid through the difference in the DNA constituting the target nucleic acid. DNA that forms a complete hybridization is strong and stable, whereas a DNA having one or more base mutations is not well formed due to hydrogen bonding, resulting in a lower binding force and a greater influence depending on temperature and pH. In addition, as shown in Fig. 2, DNA having one or more base mutations is characterized in that an unstable portion occurs in the DNA-DNA bond and the electrostatic binding force weakens. In the present invention, the single base mutation of the target nucleic acid was detected using the difference in the electrostatic binding force through the control of the salt concentration.

본 발명에 있어서, 캡춰 프로브와 검출 프로브의 금 나노입자는 염화금(HAuCl4)을 시트로산염(citrate)으로 환원시켜 제조되며, 평균 10 내지 20nm 크기를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 금 나노입자의 크기는 환원제의 양과 반응시간에의해 결정되며, 본 발명의 일 실시예에서, 약 10nm(9.992±1.14nm) 및 20nm(20.09±2.22nm)의 평균 직경을 가지는 금 나노입자를 제작하였다 (도 3A). 10nm 금 나노입자는 낮은 반사율 때문에 민감한 SPR에서 광신호를 생성하는데 사용되며, 20nm 금 나노입자는 특정 염기서열을 인식하는데 필요한 공간을 제공하므로, 캡춰 프로브의 제조에 적당하다. In the present invention, the gold nanoparticles of the capture probe and the detection probe are prepared by reducing HAuCl 4 with citrate and have an average size of 10 to 20 nm. The size of the gold nanoparticles is determined by the amount of the reducing agent and the reaction time. In one embodiment of the present invention, gold nanoparticles having an average diameter of about 10 nm (9.992 ± 1.14 nm) and 20 nm (20.09 ± 2.22 nm) (Fig. 3A). 10 nm gold nanoparticles are used to generate optical signals in sensitive SPRs due to their low reflectivity, and 20 nm gold nanoparticles provide the space needed to recognize a particular sequence, making them suitable for the manufacture of capture probes.

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 금 나노입자 표면은 유기 흡착제인 HS(CH2)11(OCH2CH2)3OH (EG3-OH) 및 HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH (EG6-COOH)을 이용하여 개질시킨 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the gold nanoparticle surface in step (a) is an organic adsorbent HS (CH 2) 11 (OCH 2 CH 2) 3 OH (EG 3 -OH) , and HS (CH 2) 11 (OCH 2 CH 2 ) 6 OCH 2 COOH (EG 6 -COOH).

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 투명한 지지체는 아민기가 코팅되어 있는 유리인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 빛을 투과시킬 수 있는 지지체를 사용할 수 있으며, 상기 표면이 개질된 금 나노입자와의 결합을 용이하게 하기 위해서 아민기를 투명한 지지체에 코팅해서 사용할 수 있다. In the present invention, the transparent support of step (a) may be a glass coated with an amine group. However, it is not limited thereto, and a support capable of transmitting light may be used. In order to facilitate bonding with the nanoparticles, an amine group can be coated on a transparent support.

상기에서 제조된 금 나노입자의 표면에 올리고(에틸렌글리콜)(oligo(ethyleneglycol); OEG)이 말단에 있도록 자기조립 단분자막(self-assembled monolayers ; SAMs)를 형성시키기 위해 도 1A에 나타낸 바와 같이, 유기 흡착제인 HS(CH2)11(OCH2CH2)3OH (EG3-OH) 및 HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH (EG6-COOH) 를 혼합하여 금 나노입자와 반응시켜 금 나노입자 표면을 개질시켰다. EG6-COOH는 링커로, 아민기가 코팅된 유리기판 또는 아민기가 있는 캡춰 DNA와 금 나노입자와 결합하는 것을 도와주며, EG3-OH는 스페이서로, 특정 염기서열을 인식하는데 필요한 공간을 제공한다As shown in FIG. 1A for forming self-assembled monolayers (SAMs) so that the surface of the gold nanoparticles prepared above has an oligomer (ethylene glycol) (oligo (ethyleneglycol); OEG) The adsorbent HS (CH 2 ) 11 (OCH 2 CH 2 ) 3 OH (EG 3 -OH) and HS (CH 2 ) 11 (OCH 2 CH 2 ) 6 OCH 2 COOH (EG 6 -COOH) The surface of the gold nanoparticles was modified by reacting with the particles. EG 6 -COOH is a linker that assists in binding capture DNA and gold nanoparticles with amine groups coated glass substrates or amine groups, while EG 3 -OH is a spacer that provides the space required to recognize a particular base sequence

10nm 및 20nm 직경을 가지는 금 나노입자 표면을 올리고(에틸렌 글리콜)로 개질시켜 UV/VIS 분광 광도계로 측정한 결과(도 3B), 20nm 금 나노입자는 더 큰 광 크로스 섹션(optical cross sections) 때문에 10nm의 금 나노입자에 비해 상당히 광범위하고 장파장 쪽으로 피크가 이동된 것을 확인하였으며, 본 발명에서는 캡춰 프로브의 제작에는 20nm 크기를 가지는 금 나노입자를 사용하였으며, 민감한 SPR에서 광신호를 생성하는 10nm 크기를 가지는 금 나노입자는 검출 프로브 제작에 사용하였다. The gold nanoparticles having diameters of 10 nm and 20 nm were modified with oligo (ethylene glycol) and measured with a UV / VIS spectrophotometer (FIG. 3B). The 20 nm gold nanoparticles were observed at 10 nm The gold nanoparticles having a size of 20 nm were used for the fabrication of the capture probe and the gold nanoparticles having a size of 10 nm Gold nanoparticles were used in the production of detection probes.

본 발명에서는 일 실시예에서는 올리고(에틸렌 글리콜)로 표면을 개질시킨 20nm 크기를 가지는 금 나노입자에 N-하이드록시석신이미드 및 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드를 첨가하여 아민이 코팅된 유리(amine-coated glass)에 상기의 혼합된 용액을 처리하여 유리판에 금 나노입자를 고정시킨 후, 금 캡춰 나노프로브(gold capture nanoprobe)를 제조하기 위해 표적핵산에 상보적으로 결합하는 캡춰 DNA(3'-아민 작용기를 가진 ssDNA(3'-amine-functionalized ssDNAs))를 상기에서 제조한 금 나노입자가 고정된 유리판에 첨가하여 캡춰 프로브를 제조하였다. In one embodiment of the present invention, N-hydroxysuccinimide and 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide are added to gold nanoparticles having a size of 20 nm modified with oligo (ethylene glycol) The mixed solution is treated with an amine-coated glass to fix the gold nanoparticles on a glass plate, and then the complementary metal complex is added to the target nucleic acid to prepare a gold capture nanoprobe. (3'-amine-functionalized ssDNAs) with binding to the gold nanoparticles prepared above were added to a fixed glass plate to prepare a capture probe.

상기방법으로 제작된 캡춰 프로브를 관찰한 결과, 93.9%의 비율로 금 나노입자가 유리판 위에 균일하게 고정된 것을 확인하였으며(도 4A), 금 나노입자 표면을 개질시켜 유리판에 고정시킨 후, 표면 플라즈몬 밴드(surface plasmon band)는 600 nm에서 피크(도 4B step 1)가 보이는 것을 확인하였으며, 도 4B에 나타난 바와 같이, 금 나노입자와 캡춰 DNA를 결합시켰을 경우(step 2) 및 나노입자와 캡춰 DNA에 표적물질을 결합시켰을 경우(step 3)에 흡광도를 측정하였을 때, 각각 4nm 및 3nm의 적색편이(red shifts)가 발생하는 것을 관찰하여, 캡춰프로브의 제작이 잘된 것을 확인할 수 있었다. As a result of observing the capture probe fabricated by the above method, it was confirmed that the gold nanoparticles were uniformly fixed on the glass plate at a ratio of 93.9% (FIG. 4A). After the gold nanoparticle surface was modified and fixed on the glass plate, As shown in FIG. 4B, when a gold nanoparticle and a capture DNA were bound (step 2) and a nanoparticle and a capture DNA (FIG. 4B) were observed, (Step 3), the red shifts of 4 nm and 3 nm were observed, respectively, and it was confirmed that the capture probe was well-made.

구연산나트륨(sodium citrate)으로 염화금산(HAuCl4)을 환원시켜 제조된 금 나노입자는 금 콜로이드 상태에서, 음전하를 가지는 시트레이트(citrate) 이온에 의해 나노입자 주변이 음전하 층으로 둘러싸여 있으며, 이 전하 층은 주변 용액의 총 이온 농도에 의존적으로 압축되거나 확장된다. 금 나노입자를 유리판에 고정시키지 않고 이런 콜로이드 상태로 반응을 시키게 되면, 금 나노콜로이드는 전하 층의 정전기적 효과로 인하여 전해질 용액에 노출되어 안정성 및 반응성이 감소하게되고, 나노입자의 민감한 플라즈몬 밴드는 이온 강도 및 혼합 매개 변수의 변화에 의해 많은 영향을 받는다. 또한, 본 발명의 표적핵산의 단일염기변이 검출 방법과 같은 복잡한 반응 시스템에서는 표적핵산과 비표적핵산의 상호작용 및 나노입자의 브라운 운동(Brownian motion)으로 인해 노이즈가 발생하는 단점이 있다.Gold nanoparticles prepared by reducing sodium citrate with HAuCl 4 are surrounded by negative charge layers around the nanoparticles by citrate ions having a negative charge in the gold colloid state, The layer is compressed or expanded depending on the total ion concentration of the surrounding solution. When the gold nanoparticles are reacted in such a colloid state without fixing them on the glass plate, the gold nanocolloid is exposed to the electrolyte solution due to the electrostatic effect of the charge layer, thereby decreasing the stability and reactivity, and the sensitive plasmon band of the nanoparticles Ionic strength and change in mixing parameters. In addition, in a complicated reaction system such as the method of detecting a single base mutation of a target nucleic acid of the present invention, there is a disadvantage that noise is generated due to interaction between a target nucleic acid and a non-target nucleic acid and Brownian motion of nanoparticles.

하지만, 본 발명에서와 같이 금 나노입자를 유리기판에 고정하여 캡춰 프로브를 제작하는 경우에는, (1) 유리기판에 금 나노입자를 균일하게 배열하여 전체 반응을 최적화할 수 있으며, (2) 유리기판 위에 금 나노입자 간의 상호결합을 방지하고 검출 효능을 높이기 위해 단일 층으로 결합시킬 수 있으며, (3) 단계마다 반응 용액을 단순화시켜 노이즈를 감소시킬 수 있으며, (4) 검출 프로브와의 결합 부위를 조절하여 검출 효능을 높일 수 있으며, 또한 (5) 재현성을 향상시키기 위해 캡춰 프로브의 반응성을 유지시킬 수 있어, 금 나노콜로이드의 제한점을 극복할 수 있으며, 초고감도 DNA 검출할 수 있는 장점이 있다. However, when the gold nanoparticles are fixed on a glass substrate to produce a capture probe, it is possible to (1) uniformly arrange the gold nanoparticles on the glass substrate to optimize the overall reaction, and (2) (3) the reaction solution can be simplified for each step to reduce the noise, (4) the binding site with the detection probe can be prevented, and (5) It is possible to maintain the reactivity of the capture probe in order to improve the reproducibility, and it is possible to overcome the limitation of the gold nanocolloid and to detect the super-sensitive DNA .

본 발명의 올리고(에틸렌글리콜)(oligo(ethyleneglycol); OEG)이 말단에 있도록 자기조립 단분자막(self-assembled monolayers ; SAMs)으로 개질된 금 나노입자 표면은 입자의 안정성이 유지될 뿐만 아니라, 비특이적인 흡착으로부터 표면을 보호할 수 있기 때문에, 캡춰 나노프로브의 구축에 중요한 역할을 한다. The surface of the gold nanoparticle modified with self-assembled monolayers (SAMs) such that the oligo (ethylene glycol) (OEG) of the present invention is at the terminal end not only keeps the stability of the particles, Since it can protect the surface from adsorption, it plays an important role in the construction of capture nanoprobe.

이전의 연구에서 고밀도의 DNA 올리고머가 결합된 나노입자 표면의 입체적인 구조는 정전기적 반발력 및 입체 장해로 인해 프로브의 혼성화 능력이 제한되는 문제점이 있으나(C. Cao and S.J. Sim, J Nanosci Nanotechno, 7,:3754, 2007), 본 발명의 방법으로 제조된 캡춰 프로브는 올리고(에틸렌 글리콜) 혼합을 통해 기능기(functionalized groups) 및 공간(spacers)를 모두 가질 수 있도록 표면을 개질하여 혼성화 효율을 증가시켰으며, EG6-COOH를 이용한 링커시스템은 민감성을 높이기 위한 많은 수의 결합 위치를 제공할 뿐만 아니라, 혼성화 반응 동안 비특이적인 결합으로 인해 생기는 백그라운드 강도(background intensities)를 감소시키는 효과가 있다.Previous studies have shown that the three-dimensional structure of nanoparticles bound to high-density DNA oligomers has limited ability to hybridize probes due to electrostatic repulsion and steric hindrance (C. Cao and SJ Sim, J Nanosci Nanotechno , 7, : 3754, 2007). Capture probes prepared by the method of the present invention were improved in the hybridization efficiency by modifying the surface to have both functionalized groups and spacers through oligo (ethylene glycol) , Linker systems using EG 6 -COOH not only provide a large number of binding sites for increased sensitivity, but also have the effect of reducing background intensities due to non-specific binding during the hybridization reaction.

본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계의 검출 프로브는 (a) 금 나노입자에 멜캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid ;MPA) 및 dATP을 처리하여 반응시켜 금 나노입자 표면에 멜캅토프로피온산 및 dATP를 결합시키는 단계; 및 (b) 상기 멜캅토프로피온산 및 dATP가 결합된 금 나노입자에 표적핵산과 상보적으로 결합할 수 있는 검출 DNA 및 염을 첨가한 다음, 45 내지 55℃ 조건에서 금 나노입자 표면에 결합되어 있는 dATP와 검출 DNA를 교환시켜 검출 프로브를 제조하는 단계를 통해 제조된 것임을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the detection probe of step (c) may be prepared by (a) treating gold nanoparticles with 3-mercaptopropionic acid (MPA) and dATP and reacting them to form melopentopropionic acid and dATP Coupling; And (b) detecting DNA and a salt capable of binding complementarily to the target nucleic acid to the gold nanoparticles to which the melphopropopropionic acid and dATP are bound, and the detection probe is prepared by exchanging the detection DNA with dATP.

본 발명의 일 실시예에서, 경쟁적 결합방법을 이용하여 멜캅토프로피온산(MPA) 및 dATP가 결합된 10nm 크기의 금 나노입자에 표적핵산에 상보적으로 결합할 수 있는 티올기가 결합된 검출 DNA(thiol-DNA, detection probe)를 처리하여 검출 프로브를 제조하였으며, 검출 DNA(thiol-DNA, detection probe)와 dATP의 리간드 교환(ligand exchange)을 통해 금 나노입자에 검출 DNA를 결합시켰다. 제조된 검출 프로브는 금 나노입자마다 결합되어 있는 검출 DNA의 수가 차이가 나기 때문에 균일한 검출 프로브를 분리하기 위해 전기영동을 수행하였으며, 도 5A에 나타난 바와 같이, 금 나노입자에 결합된 DNA의 수에 따라 이동하는 속도가 차이가 나기 때문에 균일한 검출 프로브를 선별할 수 있다. In one embodiment of the present invention, 10 nm sized gold nanoparticles conjugated with melapentopropionic acid (MPA) and dATP using a competitive binding method are incubated with detection DNA (thiol -DNA, detection probe) was prepared and the detection DNA was bound to the gold nanoparticles through the ligand exchange of the detection DNA (thiol-DNA, detection probe) and dATP. Since the number of detection DNAs bound to each gold nanoparticle differs between the prepared detection probes, electrophoresis was performed in order to separate a uniform detection probe. As shown in FIG. 5A, the number of DNAs bound to gold nanoparticles The moving speeds are different from each other, so that a uniform detection probe can be selected.

도 1B에 나타낸 바와 같이, 상온에서 금 나노입자 표면에 멜캅토프로피온산(MPA) 및 dATP를 반응시키면 재빨리 자기조립 단분자막(Self-assembled monolayers)이 형성되며, dATP가 결합된 금 나노입자는 높은 농도의 염에 내성을 가지게 된다 (W.T. Zhao et al ., Langmuir, 23: 7143, 2007). 45 내지 55℃로 온도를 변화시키면 금 나노입자로부터 dATP가 분리되고, 염 농도의 조절에 의해 dATP와 티올기가 결합된 검출 DNA 사이의 리간드 교환(ligand exchange)이 2시간 안에 이루어 지게 된다. 또한, 금 나노입자의 dATP 잔기는 질소가 포함된 염기(nitrogen-containing bases)로 인해 나노입자에 비특이적인 DNA가 결합하는 것을 감소시키는데 도움을 주며, dATP에 의한 비특이적인 DNA 결합의 감소는 그 다음 결합과정에서 단일가닥 DNA의 적절한 방향에 도움을 준다. As shown in FIG. 1B, when mercapto propionic acid (MPA) and dATP are reacted at the surface of gold nanoparticles at room temperature, self-assembled monolayers are rapidly formed and dATP-bound gold nanoparticles have a high concentration (WT Zhao et < RTI ID = 0.0 > al . , Langmuir , 23: 7143, 2007). By changing the temperature from 45 to 55 ° C, dATP is separated from the gold nanoparticles, and the ligand exchange between the detection DNA in which the dATP and the thiol group are bound is accomplished within 2 hours by adjusting the salt concentration. In addition, the dATP residue of gold nanoparticles helps reduce non-specific DNA binding to nanoparticles due to nitrogen-containing bases, and the reduction of nonspecific DNA binding by dATP Helps in the proper orientation of single stranded DNA in the binding process.

본 발명에서 dATP를 제거하기 위해 금 나노입자를 높은 온도로 처리하여도, 멜캅토프로피온산(MPA)는 염으로 유도된 응집(aggregation)에 의해 금 나노입자 표면에 계속 결합된 상태로 존재하며, 높은 농도의 염을 처리하여도 검출 프로브가 안정하게 유지되는 것을 흡광도 측정을 통해 확인하였다 (도 5B).In the present invention, even when gold nanoparticles are treated at a high temperature in order to remove dATP, the mercapto propionic acid (MPA) remains in a state of being continuously bonded to the gold nanoparticle surface by salt-induced aggregation, (Fig. 5B) that the detection probe was stably maintained even after the treatment with the salt of the concentration of the enzyme.

금 나노입자에 결합되어 있는 멜캅토프로피온산(MPA)의 카르복실 그룹(carboxyl group)은 높은 pH에서 음전하 유도를 통한 금 나노입자의 전자밀도를 증가시켜 플라즈몬 공명 현상을 증가시키고, 민감성을 향상시킬 뿐만 아니라, 정전기적 반발력을 통한 나노입자의 안정성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 젤 전기영동에서 양극성의 전극으로 금 나노입자의 이동을 위한 음전하를 제공하므로, 검출 프로브의 분리 효율을 증가시키는 효과가 있다. The carboxyl group of the mercapto propionic acid (MPA) bound to the gold nanoparticles increases the electron density of the gold nanoparticles through the negative charge induction at a high pH to increase the plasmon resonance phenomenon and improve the sensitivity But it has the effect of improving the stability of nanoparticles through electrostatic repulsion. In addition, in the gel electrophoresis, a positive charge for transferring the gold nanoparticles is provided to the bipolar electrode, thereby increasing the separation efficiency of the detection probe.

본 발명에서 제작된 캡춰 프로브와 검출 프로브는 표적핵산과의 혼성화 과정 후, 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브 구성을 가진 샌드위치 형식을 이루게 되며,도 6에서 보는 바와 같이, 원자력현미경(Atomic force microscopy ; AFM)을 이용하여 분석한 결과, 유리기판위에 캡춰 프로브(빨간색) 및 검출 프로브(노란색 피크)가 안정적으로 결합된 것을 확인하였다. 또한, 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브로 혼성화 되었을 경우, 높이가 증가하기(16.8nm) 때문에 원자력현미경을 통한 캡춰 프로브의 금 나노입자 표면의 높이 분석을 실시한 결과, 도 7A에 나타난 바와 같이 정상적으로 캡춰 프로브와 검출 프로브가 결합한 것을 확인하였다. The capture probe and the detection probe prepared in the present invention form a sandwich form having a capture probe-target nucleic acid-detection probe configuration after hybridization with a target nucleic acid. As shown in FIG. 6, the capture probe and the detection probe are subjected to atomic force microscopy AFM). As a result, it was confirmed that the capture probe (red) and the detection probe (yellow peak) were stably bonded onto the glass substrate. In addition, when hybridization with a capture probe-target nucleic acid-detecting probe was performed, the height of the gold nanoparticle surface of the capture probe was analyzed by an atomic force microscope because the height was increased (16.8 nm). As a result, It was confirmed that the probe and the detection probe were combined.

본 발명의 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용한 시스템이 표적핵산에 특이적으로 반응하는지 확인하기 위해 캡춰 프로브의 흡광도(도 7B line 1), 비표적핵산을 처리한 캡춰 프로브에 검출 프로브를 넣어주었을 경우의 흡광도(도 7B line 2) 및 표적핵산을 처리한 캡춰 프로브에 검출 프로브를 넣어주었을 경우의 흡광도(도 7B line 3)를 측정한 결과, 비표적핵산이 결합된 캡춰 프로브에 검출 프로브를 넣어준 경우에는 캡춰 프로브-비표적핵산-검출 프로브의 결합이 이루어 지지 않아 캡춰 프로브만 측정한 흡광도와 차이가 거의 일어나지 않았지만, 표적핵산이 결합된 캡춰 프로브에 검출 프로브를 넣어주었을 경우에는 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 결합이 이루어져 흡광 스팩트럼이 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 즉,본 발명의 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용한 시스템이 표적핵산에 특이적으로 결합하는 것을 확인하였다. In order to confirm whether the system using the capture probe and the detection probe of the present invention specifically reacted with the target nucleic acid, the absorbance of the capture probe (line 1 in FIG. 7B), the case where the detection probe was inserted into the capture probe treated with the non- (FIG. 7B line 2) and the absorbance when the detection probe was put in the capture probe treated with the target nucleic acid (line 3 in FIG. 7B) was measured. When the detection probe was inserted into the capture probe to which the non- The capture probe-non-target nucleic acid-detection probe was not coupled and the difference between the absorbance of the capture probe and that of the capture probe hardly occurred. However, when the detection probe was inserted into the capture probe to which the target nucleic acid was bound, It is confirmed that the detection probe is coupled and the absorption spectrum moves. That is, it was confirmed that the system using the detection probe and the detection probe of the present invention specifically binds to the target nucleic acid.

본 발명에 있어서, 상기 (e) 단계에서 검출 프로브의 금 나노입자 수는 하기 수학식에 의해서 분석되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the gold nanoparticle number of the detection probe in the step (e) may be analyzed by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013008209221-pat00001
Figure 112013008209221-pat00001

(여기서, N = 단위 부피당 측정되는 금 나노입자의 수(검출 프로브의 금 나노입자수), Abs450 = 450nm에서의 흡광도, R' = 자유전자의 진동량.)(N = number of gold nanoparticles measured per unit volume (number of gold nanoparticles in the detection probe), Abs 450 = absorbance at 450 nm, R ' = vibration amount of free electrons)

본 발명의 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산과 불완전한 혼성화를 이루는 단일염기변이의 흡광도를 수학식 1에 대입하여 표적핵산과 혼성화를 이루는 검출 프로브의 금 나노입자 수(N)를 측정할 수 있으며, 이는 캡춰 프로브에 결합된 표적핵산의 수를 의미한다고 볼 수 있다. (N) of a detection probe hybridizing with a target nucleic acid can be measured by substituting the absorbance of a single base mutation that incompletely hybridizes with the target nucleic acid of the present invention, which is the complete hybridization of the present invention, into Equation (1) Quot; means the number of target nucleic acids bound to the probe.

본 발명의 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용한 시스템에서 염 농도의 증가에 따른 나노입자와 DNA의 혼성화 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 DNA의 혼성화의 속도론적 반응(kinetic behavior)을 나트륨이온 농도의 함수를 이용하여 측정하였다. 수식을 이용하여 캡춰 프로브에 결합하는 검출 프로브의 수를 측정한 결과, 도 8에서 보는 바와 같이 염 농도가 증가함에 따라, 캡춰 프로브에 결합하는 검출 프로브의 양이 증가하는 것을 확인하였으며, 불완전한 혼성화를 이룬 단일염기변이는 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산에 비해 결합력이 현저히 낮아져 캡춰 프로브에 결합하는 검출 프로브의 수가 줄어드는 것을 확인하였다. In order to investigate the influence of the salt concentration on the hybridization efficiency of the nanoparticles and DNA in the system using the capture probe and the detection probe of the present invention, the kinetic behavior of DNA hybridization was evaluated as a function of sodium ion concentration . As a result of measuring the number of detection probes coupled to the capture probe using the equation, it was confirmed that the amount of the detection probe coupled to the capture probe increases as the salt concentration increases as shown in FIG. 8, and the incomplete hybridization It was confirmed that the single base mutation made was significantly lower than that of the target nucleic acid which made a complete hybridization, thus reducing the number of detection probes bound to the capture probe.

첨가되는 염의 나트륨 이온은 정전기적 상호작용에 의해 캡춰 프로브 및 검출 프로브와 혼성화된 표적핵산의 홈(DNA grooves)에 농축되므로, 염 농도가 높아지게되면, 표적핵산의 혼성화 효율 및 안정선이 개선되므로, 캡춰 프로브와 검출 프로브의 표적핵산과의 혼성화 정도는 염 농도에 의해 조절되는 정전기적 상호작용에 의존적이라고 볼 수 있다. Since the sodium ion of the salt to be added is concentrated in the DNA grooves of the target nucleic acid hybridized with the capture probe and the detection probe by the electrostatic interaction, the hybridization efficiency and the stability line of the target nucleic acid are improved when the salt concentration is increased, The degree of hybridization between the probe and the target nucleic acid of the detection probe is dependent on the electrostatic interaction controlled by the salt concentration.

단일염기변이의 경우 DNA 혼성화 반응에서 정전기적 결합력이 약해지므로, 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산과 비교하였을 때, 검출 프로브와의 결합 정도에 차이가 생기게 된다. 따라서, 염 농도를 조절하여 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산(PMT)과 단일염기변이(MMT)에 결합되는 검출 프로브 수 차이를 크게 하기 위한 염 농도의 최적화가 가능하다. 도 8에 나타난 바와 같이, 0.2M의 염 농도에서 표적핵산(PMT)과 단일염기변이(MMT)에 결합되는 검출 프로브 수는 최대 5.5X 1010 정도의 차이를 보이는 것을 확인하였다. In the case of a single base mutation, the electrostatic binding force is weakened in the DNA hybridization reaction, so that there is a difference in the degree of binding with the detection probe when compared with the target nucleic acid which forms a complete hybridization. Therefore, it is possible to optimize the salt concentration to increase the difference in the number of the detection probes bound to the target nucleic acid (PMT) and the single base mutation (MMT), which achieve complete hybridization by controlling the salt concentration. As shown in FIG. 8, it was confirmed that the number of detection probes bound to the target nucleic acid (PMT) and the single base mutation (MMT) at a salt concentration of 0.2 M showed a difference of about 5.5 × 10 10 at the maximum.

본 발명의 일 실시예에서, 표적핵산 농도에 따른 DNA 혼성화정도를 측정하기 위해 0.1fM 내지 10nM의 농도를 가지는 표적핵산을 처리하여, 표적핵산과 혼성화된 금 나노입자의 수(검출 프로브)를 측정한 결과, 본 발명의 방법은 최대 10fM의 표적핵산을 검출할 수 있는 것을 확인하였으며(도 9A), 본 발명의 검출 방법은 표적핵산의 정량뿐만 아니라, 단일염기변이 수에 따른 흡광도 차이를 이용해 단일염기변이 정도를 파악할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a target nucleic acid having a concentration of 0.1 fM to 10 nM is treated to measure the degree of DNA hybridization according to the target nucleic acid concentration to measure the number of gold nanoparticles hybridized with the target nucleic acid (detection probe) As a result, it was confirmed that the method of the present invention was able to detect a target nucleic acid at a maximum of 10 fM (Fig. 9A), and the detection method of the present invention can detect not only a target nucleic acid amount but also a single target nucleic acid The degree of nucleotide variation can be grasped.

또한, 인간의 혈청 샘플에서 본 발명의 분석 방법이 적용할 수 있는지 확인해 보기 위해, 표적핵산과 비표적핵산이 포함된 인간 혈청을 이용하여 분석을 수행한 결과, 도 9B에 나타난 바와 같이, 혈청, 1/5로 희석한 혈청 및 버퍼에 포함되어 있는 표적핵산이 검출되는 것을 확인하였다. 이는 본 발명의 방법은 혈청 속에 포함된 특정 유전자를 PCR과 같은 복잡한 과정을 거치지 않고 바로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 특정 유전자의 돌연변이(염기변이)도 검출할 수 있는 것을 의미한다.In order to confirm whether the assay method of the present invention can be applied to a human serum sample, analysis was performed using human serum containing a target nucleic acid and a non-target nucleic acid. As a result, as shown in FIG. 9B, It was confirmed that the target nucleic acid contained in the serum and the buffer diluted 1/5 was detected. This means that the method of the present invention can not only detect a specific gene contained in a serum immediately without complicated processes such as PCR, but also detect a mutation (base mutation) of a specific gene.

본 발명에 있어서, 표적핵산은 유방암관련 유전자인 BRCA -1(breast cancer type 1)인 것을 특징으로 할 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 캡춰 프로브 및 검출 프로브를 이용한 검출 방법은 다양한 표적핵산의 단일염기 변이를 검출할 수 있다. 본 발명의 검출 방법으로 효과적으로 BRCA -1 유전자 및 단일염기변이가 일어난 BRCA -1 유전자를 검출할 수 있는 것을 확인하여, 단일염기변이에 의한 돌연변이를 식별해냄으로써, 유방암의 위험성을 조기에 예측 가능하다. In the present invention, the target nucleic acid may be BRCA- 1 (breast cancer type 1), which is a breast cancer-related gene, and the detection method using the capture probe and the detection probe of the present invention is not limited thereto. Can be detected. To ensure that that can be effectively as the detection method of the present invention detects a BRCA gene BRCA -1 -1 gene and a single nucleotide mutation occurred, naemeurosseo identify a mutation of a single base mutation, it is possible to predict the risk of breast cancer for early .

본 발명의 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응에서 표적핵산의 단일염기변히 검출 방법은 완전한 혼성화를 이루는 DNA와 불완전한 혼성화를 이루는 DNA의 정전기적 결합력의 차이를 염 농도로 조절하여 표적핵산의 단일염기변이를 검출하는 것으로, 수학식 1을 이용하여, 표적핵산과 결합한 검출 프로브의 수를 측정하는 방법을 사용하므로, 단일염기변이 검출뿐만 아니라, 정전기적 결합력이 차이를 이용하여 표적핵산의 돌연변이에 의해 생기는 부정합을 검출할 수 있다. 또한, 표적핵산과 결합한 검출 프로브의 수를 측정하여 표적핵산의 검출 및 정량이 가능하기 때문에, 특정 질병을 유도하는 유전자 또는 유전자 돌연변이에 의해 발생하는 질병을 진단할 수 있다.
In the DNA hybridization reaction using the gold nanoparticles of the present invention, a single base change detection method of a target nucleic acid can be performed by adjusting the difference in electrostatic binding force between the DNA that undergoes complete hybridization and the DNA that undergoes hybridization to a salt concentration, The method of measuring the number of detection probes combined with the target nucleic acid using Equation 1 is used so that not only the detection of a single base mutation but also the detection of a nucleotide mutation caused by a mutation of a target nucleic acid Mismatch can be detected. In addition, since the number of detection probes bound to the target nucleic acid can be measured and the target nucleic acid can be detected and quantified, it is possible to diagnose a disease caused by a gene or gene mutation that induces a specific disease.

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 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

금 나노입자와 Gold nanoparticles DNADNA of 혼성화Hybridization 반응을 이용한 표적핵산의 단일염기변이 검출 키트 제작 Single base mutation detection kit of target nucleic acid using reaction

1-1 : 금 나노입자의 제조1-1: Preparation of gold nanoparticles

본 발명에서 금 나노입자와 DNA의 혼성화 반응을 이용한 표적핵산의 단일염기변이 검출 키트를 제작하기 위한 금 나노입자는 알려진 방법(C. Cao and S.J. Sim, J Nanosci Nanotechno, 7:3754, 2007)을 참고로 하여, 염화금산(HAuCl4)을 구연산나트륨(sodium citrate)으로 환원시켜 제조하였다. In the present invention, gold nanoparticles for producing a single base mutation detection kit using a hybridization reaction between gold nanoparticles and DNA are prepared by a known method (C. Cao and SJ Sim, J Nanosci Nanotechno , 7: 3754, 2007) was prepared by reducing sodium chloroaurate (HAuCl 4 ) with sodium citrate.

먼저, 금 나노입자를 만드는 동안 오염물질에 의해 결정핵생성(nucleation)이 불균일하게 되는 것을 방지하게 위해, 큰 비커에 염산(HCl)과 질산(HNO3)를 3:1 비율로 섞어서 왕수(aqua regia)를 만들어 준비한 뒤, 금 나노입자를 만드는데 사용할 모든 플라스크와 자석교반 막대(magnetic stirer)을 적어도 15분 이상 담가두어 오염물질을 제거한 다음, 초순수(ultrapure water)를 이용하여 세척하였다. First, a 3: 1 mixture of hydrochloric acid (HCl) and nitric acid (HNO 3 ) was added to a large beaker to prevent nucleation from being uneven due to contaminants during gold nanoparticle formation. Regia was prepared, and all the flasks and magnetic stirrer used to make the gold nanoparticles were immersed for at least 15 minutes to remove contaminants and then washed with ultrapure water.

위와 같이 준비한 플라스크에 0.25mM의 염화금산(HAuCl4) 용액 20㎖을 넣고 핫플레이트 위에서 교반하였으며, 용액이 끓기 시작하면 빠르게 0.5mM의 구연산나트륨(sodium citrate) 용액을 0.2㎖ 첨가하였다. 그러면 용액의 색이 밝은 노란색에서 짙은 붉은 색으로 변화게 되고, 색 변화 후 10분 동안 더 끓인 뒤에 상온에서 약 15분 동안 교반하였다. 용액을 상온까지 냉각시킨 후에 증발된 물은 초순수(ultrapure water; 18.2 mΩ/㎝)를 이용하여 보정하였으며, 만드는 과정에서 응집된 금 나노입자 혹은 그 외의 불순물을 제거하기 위해, 상기의 용액을 0.2㎛ 멤브레인 필터(membrane filter)로 여과하였으며, 완성된 금 나노입자는 4℃에서 냉장 보관하였다.
20 ml of a 0.25 mM solution of HAuCl 4 was added to the flask prepared above and stirred on a hot plate. When the solution started to boil, 0.2 ml of a 0.5 mM sodium citrate solution was rapidly added. Then, the color of the solution changed from light yellow to dark red, and after boiling for 10 minutes, the solution was stirred at room temperature for about 15 minutes. After the solution was cooled to room temperature, the evaporated water was corrected using ultrapure water (18.2 mΩ / cm). To remove aggregated gold nanoparticles or other impurities during the making process, The membrane was filtered with a membrane filter, and the resulting gold nanoparticles were stored at 4 ° C in a refrigerator.

1-2 : 1-2: 캡춰프로브(capture probe)의Of the capture probe 제조 Produce

상기에서 제조된 금 나노입자의 표면에 올리고(에틸렌 글리콜)(oligo(ethylene glycol); OEG)이 말단에 있도록 자기조립 단분자막(self-assembled monolayers ; SAMs)를 형성시키기 위해 이전의 방법(C. Cao and S. J. Sim, J Nanosci Nanotechno, 7:3754, 2007; C. Cao and S. J. Sim, Biosensors & bioelectronics, 22:1874, 2007)을 변형시켜 제조하였다. To form self-assembled monolayers (SAMs) such that oligo (ethylene glycol) (OEG) is at the terminal on the surface of the gold nanoparticles prepared above, C. Cao and SJ Sim, J Nanosci Nanotechno , 7: 3754, 2007; C. Cao and SJ Sim, Biosensors & bioelectronics , 22: 1874, 2007).

도 1A에 나타낸 바와 같이, 유기 흡착제인 HS(CH2)11(OCH2CH2)3OH (EG3-OH) 및 HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH (EG6-COOH) 를 혼합하여 금 나노입자와 반응시켜 금 나노입자 표면을 개질시켰다. 무수에틸알콜(absolute ethanol)에 EG3-OH와 EG6-COOH가 1:9의 비율로 혼합된 용액 1㎖에 금 나노입자의 최종 농도가 0.5mM이 되도록 9㎖의 금 나노입자 용액을 첨가하였으며, 금 나노입자 표면에 자기조립 단분자막(Self-assembled monolayers, SAMs)이 형성되도록 부드럽게 흔들어주면서 상온에서 하룻밤 동안 반응시켰다. 그 다음, 4℃에서 14000rpm으로 30분 동안 원심분리하여 상등액을 버리고, 남아있는 침전물(금 나노입자)를 PBS(0.01M. pH6)를 이용하여 세척하였으며, 에탄올과 금 나노입자에 결합하지 않은 올리고(에틸렌 글리콜)(unbound OEG)를 제거하기 위해 상기의 세척과정을 3번 이상 반복하였다. As shown in FIG. 1A, the organic absorbent is HS (CH 2) 11 (OCH 2 CH 2) 3 OH (EG 3 -OH) , and HS (CH 2) 11 (OCH 2 CH 2) 6 OCH 2 COOH (EG 6 - COOH) were mixed and reacted with gold nanoparticles to modify the gold nanoparticle surface. 9 ml of gold nanoparticle solution was added to 1 ml of absolute ethanol mixed with EG 3 -OH and EG 6 -COOH in a ratio of 1: 9 so that the final concentration of gold nanoparticles was 0.5 mM. The reaction was allowed to proceed overnight at room temperature while gently shaking to form self-assembled monolayers (SAMs) on the surface of gold nanoparticles. Then, the supernatant was discarded by centrifugation at 14000 rpm for 30 minutes at 4 ° C, and the remaining precipitate (gold nanoparticles) was washed with PBS (0.01M, pH 6) The above washing procedure was repeated three or more times to remove unbound OEG (ethylene glycol).

마지막으로, 카르복실기가 안정화된 금 나노입자(carboxyl-stabilized AuNP) 용액을 5㎖로 농축시켰으며, 0.1M의 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide; NHS, sigma aldrich) 100㎕을 즉시 첨가한 다음, 0.1M의 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide; EDS, sigma aldrich) 100㎕를 첨가하여 10분 동안 반응시켰다. 그 뒤에, 아민이 코팅된 유리(amine-coated glass)에 상기의 혼합된 용액을 처리하여 상온에서 하룻밤 동안 반응시켰으며, 정제수(DeIonize water)를 이용하여 조심스럽게 세척하였다. Finally, the carboxyl-stabilized AuNP solution was concentrated to 5 mL, and 100 μL of 0.1 M N-hydroxysuccinimide (NHS, Sigma aldrich) was added immediately Then, 100 μl of 0.1 M 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDS, Sigma aldrich) was added thereto and the reaction was carried out for 10 minutes . Subsequently, the mixed solution was treated with amine-coated glass, reacted at room temperature overnight, and carefully washed with deionized water.

상기방법으로 제작된 캡춰 프로브를 관찰한 결과, 93.9%의 비율로 금 나노입자가 유리판 위에 균일하게 고정된 것을 확인하였으며(도 4A), 금 나노입자 표면을 개질시켜 유리판에 고정시킨 후, 표면 플라즈몬 밴드(surface plasmon band)는 600 nm에서 피크(도 4B step 1)가 보이는 것을 확인하였으며, 도 4B에 나타난 바와 같이, 금 나노입자와 캡춰 DNA를 결합시켰을 경우(step 2) 및 나노입자와 캡춰 DNA에 표적물질을 결합시켰을 경우(step 3)에 흡광도를 측정하였을 때, 각각 4nm 및 3nm의 적색편이(red shifts)가 발생하는 것을 관찰하여, 캡춰프로브의 제작이 잘된 것을 확인할 수 있었다.
As a result of observing the capture probe fabricated by the above method, it was confirmed that the gold nanoparticles were uniformly fixed on the glass plate at a ratio of 93.9% (FIG. 4A). After the gold nanoparticle surface was modified and fixed on the glass plate, As shown in FIG. 4B, when a gold nanoparticle and a capture DNA were bound (step 2) and a nanoparticle and a capture DNA (FIG. 4B) were observed, (Step 3), the red shifts of 4 nm and 3 nm were observed, respectively, and it was confirmed that the capture probe was well-made.

금 캡춰 나노프로브(gold capture nanoprobe)를 제조하기 위해 상기에서 제조한 금 나노입자가 고정된 유리기판에 3'-아민 작용기를 가진 단일가닥의 캡춰 DNA(3'-amine-functionalized ssDNAs)(서열번호 1)를 첨가하여 상온에서 8시간 동안 부드럽게 흔들어주면서 금 나노입자에 캡춰 DNA를 결합시킨 다음, 금 나노입자에 결합하지 않은 단일가닥 캡춰 DNA를 제거하기 위해 3번 세척하였다.
To prepare a gold capture nanoprobe, the gold nanoparticles prepared above were coated on a fixed glass substrate with 3'-amine-functionalized ssDNAs (SEQ ID NO: 1) was added and captured DNA was bound to the gold nanoparticles while gently shaking at room temperature for 8 hours, and then washed three times to remove single-stranded capture DNA not bound to gold nanoparticles.

캡춰 DNA(Capture DNA)Capture DNA

[서열번호 1] 5'-GAAACCCTATGTATGCTCTTTTTTTTTT-Amine-3'
[SEQ ID NO: 1] 5'-GAAACCCTATGTATGCTCTTTTTTTTTT-Amine-3 '

실시예 1-1의 방법으로 약 10nm(9.992±1.14nm) 및 20nm(20.09±2.22nm)의 평균 직경을 가지는 금 나노입자를 제작하였으며(도 3A), 10nm 및 20nm 크기를 가지는 금 나노입자 표면을 올리고(에틸렌 글리콜)로 개질시켜 UV/VIS 분광 광도계로 측정한 결과(도 3B), 20nm 금 나노입자는 더 큰 광 크로스 섹션(optical cross sections) 때문에 10nm의 금 나노입자에 비해 상당히 광범위하고 장파장 쪽으로 피크가 이동된 것을 확인하였다. 이에 본 발명에서는 캡춰 프로브의 제작에는 20nm 크기를 가지는 금 나노입자를 사용하였으며, 10nm 크기를 가지는 금 나노입자는 검출 프로브 제작에 사용하였다.
Gold nanoparticles having an average diameter of about 10 nm (9.992 占 1.14 nm) and 20 nm (20.09 占 2.22 nm) were fabricated by the method of Example 1-1 (FIG. 3A), and gold nanoparticles having 10 nm and 20 nm sizes (Ethylene glycol) and measured with a UV / VIS spectrophotometer (Fig. 3B). The 20 nm gold nanoparticles were significantly broader and longer wavelength than the 10 nm gold nanoparticles due to the larger optical cross sections It was confirmed that the peak was shifted to the side. Therefore, in the present invention, gold nanoparticles having a size of 20 nm were used to fabricate a capture probe, and gold nanoparticles having a size of 10 nm were used in the production of a detection probe.

1-3 : 검출 1-3: Detection 프로브Probe (( detectiondetection probeprobe ) 제조) Produce

실시예 1-1의 방법으로 제조된 아무런 코팅이 되어 있지 않은 10nm 크기의 금 나노 입자에 3-멜캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid ;MPA, sigma aldrich) 및 dATP(300μM; bioneer)를 pH10에서 30분 동안 반응시켜 전처리한 후, 남아있는 용액을 제거하기 위해 원심분리 및 재현탁 과정을 3번 이상 반복하였다. 10mM PBS 버퍼(pH8) 및 0.1M의 염화나트륨(NaCl) 용액을 상기에서 MPA 및 dATP로 전처리된 금 나노입자에 처리한 후, 500μM의 티올기가 결합된 검출 DNA(thiol-DNA, detection probe)와 함께 50℃에서 2시간 동안 부드럽게 흔들면서 반응시켰다 (도 1B).
3-mercaptopropionic acid (MPA, sigma aldrich) and dATP (300 μM; bioneer) were added to 10 nm-sized gold nanoparticles prepared by the method of Example 1-1 at pH 10 to 30 Min, and centrifugation and resuspension were repeated three or more times to remove the remaining solution. 10 mM PBS buffer (pH 8) and 0.1 M sodium chloride (NaCl) solution were treated with gold nanoparticles pretreated with MPA and dATP as described above. Then, 500 μM of thiol-bound thiol-DNA And reacted at 50 ° C for 2 hours with gentle shaking (FIG. 1B).

검출 DNA(Detection DNA)Detection DNA (Detection DNA)

[서열번호 2] 5'-Thiol-TTTGTATGAATTATAATCAAA-3'
[SEQ ID NO: 2] 5'-Thiol-TTTGTATGAATTATAATCAAA-3 '

상기에서 제조된 검출 프로브는 금 나노입자마다 결합되어 있는 DNA의 수가 차이가 나기 때문에 균일한 검출 프로브를 분리하기 위해 전기영동을 수행하였다. 검출 프로브가 포함되어 있는 용액과 동일한 양의 10% 글리세롤을 첨가하여 2% 아가로오스 젤(agarose gels)에 로딩하였으며, 0.5XTris-Borate-EDTA 버퍼에서 5 V/cm 조건으로 전기영동 한 후에, 검출 프로브를 분리하였으며, 도 5A에서 보는 바와 같이, 금 나노입자에 결합된 DNA의 수에 따라 이동하는 속도가 차이가 나기 때문에 균일한 검출 프로브를 선별할 수 있다. 분리된 검출 프로브는 PBS 버퍼를 이용하여 4℃에서 보관하였다. Since the number of DNAs bound to each gold nanoparticle differs in the detection probe prepared above, electrophoresis was performed in order to separate a uniform detection probe. The same amount of 10% glycerol as the solution containing the detection probe was added to 2% agarose gels. After electrophoresis in 0.5X Tris-Borate-EDTA buffer at 5 V / cm, As shown in FIG. 5A, since the detection probes are separated and the moving speed varies according to the number of DNAs bound to gold nanoparticles, a uniform detection probe can be selected. The separated detection probes were stored at 4 ° C using PBS buffer.

또한, 본 발명에서 dATP를 제거하기 위해 금 나노입자를 높은 온도로 처리하여도, 멜캅토프로피온산(MPA)는 염으로 유도된 응집(aggregation)에 의해 금 나노입자 표면에 계속 결합된 상태로 존재하며, 높은 농도의 염을 처리하여도 검출 프로브가 안정하게 유지되는 것을 흡광도 측정을 통해 확인하였다 (도 5B).
Also, in the present invention, even when the gold nanoparticles are treated at a high temperature to remove dATP, the mercapto propionic acid (MPA) is still bound to the gold nanoparticle surface by salt-induced aggregation , And it was confirmed by absorbance measurement that the detection probe was stably maintained even after treatment with a high concentration of salt (Fig. 5B).

제작된 Manufactured 캡춰Capture 프로브와Probe and 검출  detection 프로브의Of the probe 혼성화에On hybridization 따른 특징 확인 Identify features

2-1 : 2-1: 캡춰Capture 프로브Probe -표적핵산-검출 - Target nucleic acid - detection 프로브의Of the probe 혼성화Hybridization 확인 Confirm

본 발명의 실시예 1에서 제조된 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용하여 표적핵산과의 혼성화 정도를 분석하기 위해 실험을 수행하였다. Experiments were conducted to analyze the degree of hybridization with the target nucleic acid using the capture probe and the detection probe prepared in Example 1 of the present invention.

먼저, 유리기판 위에 금 나노입자가 고정된 캡춰 프로브에 단일가닥의 표적핵산(서열번호 3)을 처리하여 37℃에서 부드럽게 흔들어주면서 1시간 동안 반응시킨 후, 혼성화되지 않은 DNA를 제거하기 위해 버퍼를 이용해 3번 세척하였다. 그 후, 100㎕의 검출 프로브를 첨가하여 캡춰프로브와 혼성화된 표적핵산과 반응시키기 위해 1시간 동안 배양한 다음, 남아있는 검출 프로브를 제거하기 위해 3번 세척하였다. First, a single-stranded target nucleic acid (SEQ ID NO: 3) was treated with a capture probe on which gold nanoparticles were immobilized on a glass substrate, reacted for 1 hour while gently shaking at 37 DEG C, Lt; / RTI > Then, 100 μl of the detection probe was added and incubated for 1 hour to react with the capture probe and the hybridized target nucleic acid, and then washed 3 times to remove the remaining detection probes.

상기의 DNA 혼성화 반응으로, 캡춰 프로브(20nm 금 나노입자)-표적핵산-검출 프로브(10nm 금 나노입자)의 샌드위치 구조를 이루게 되며, 원자력현미경(Atomic force microscopy ; AFM)을 이용하여 분석한 결과, 유리기판 위에 캡춰 프로브(빨간색) 및 검출 프로브(노란색 피크)가 안정적으로 결합된 것을 확인하였다 (도 6). 또한, 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브로 혼성화 되었을 경우, 높이가 증가하기(16.8nm) 때문에 원자력현미경을 통한 캡춰 프로브의 금 나노입자 표면의 높이 분석을 실시한 결과, 도 7A에 나타난 바와 같이 정상적으로 캡춰 프로브와 검출 프로브가 결합한 것을 확인하였다.
As a result of the DNA hybridization reaction, a sandwich structure of a capture probe (20 nm gold nanoparticle) - a target nucleic acid-detection probe (10 nm gold nanoparticle) was formed and analyzed using atomic force microscopy (AFM) It was confirmed that the capture probe (red) and the detection probe (yellow peak) were stably bonded onto the glass substrate (Fig. 6). In addition, when hybridization with a capture probe-target nucleic acid-detecting probe was performed, the height of the gold nanoparticle surface of the capture probe was analyzed by an atomic force microscope because the height was increased (16.8 nm). As a result, It was confirmed that the probe and the detection probe were combined.

2-2 : 표적핵산 검출2-2: Target nucleic acid detection

본 발명의 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용한 시스템이 표적핵산에 특이적으로 반응하는지 확인하기 위해 표적핵산과 비표적핵산을 이용한 DNA 혼성화 반응을 수행하였다.
DNA hybridization was performed using a target nucleic acid and a non-target nucleic acid to confirm whether the system using the capture probe and the detection probe of the present invention specifically reacted with the target nucleic acid.

표적핵산 및 비표적핵산 염기서열The target nucleic acid and the non-target nucleic acid base sequence Sequences (5'-3')Sequences (5'-3 ') 서열번호 SEQ ID NO: 표적핵산
(target DNA)
Target nucleic acid
(target DNA)
5'-GAGCATACATAGGGTTTCTCTTGGTTTCTTTGATTATAATTCATAC-3'5'-GAGCATACATAGGGTTTCTCTTGGTTTCTTTGATTATAATTCATAC-3 ' 서열번호 3SEQ ID NO: 3
비표적핵산
(nontarget DNA)
Non-target nucleic acid
(nontarget DNA)
5'-ACACGCTTGGTAGACTTTTTTTTTTAGCATCGATAACGTTAAAAAA-3'5'-ACACGCTTGGTAGACTTTTTTTTTTAGCATCGATAACGTTAAAAAA-3 ' 서열번호 4SEQ ID NO: 4

비표적핵산 및 표적핵산을 캡춰 프로브에 처리하여 반응시킨 후에, 검출 프로브를 넣어주어 DNA혼성화를 유도시킨 다음 UV/Vis 분광광도계를 이용하여 흡광도를 측정하였으며, 대조군으로 아무것도 처리하지 않은 캡춰 프로브의 흡광도를 측정하였다. 그 결과, 비표적핵산이 결합된 캡춰 프로브에 검출 프로브를 넣어준 경우(도 7B line 2)에는 캡춰 프로브-비표적핵산-검출 프로브의 결합이 이루어 지지 않아 캡춰 프로브만 측정한 흡광도(도 7B line 1)와 차이가 거의 일어나지 않았지만, 표적핵산이 결합된 캡춰 프로브에 검출 프로브를 넣어주었을 경우에는(도 7B line 3) 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 결합이 이루어져 흡광 스팩트럼이 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용한 시스템이 표적핵산에 특이적으로 결합하는 것을 확인하였다.
After the non-target nucleic acid and the target nucleic acid were treated and reacted with the capture probe, the detection probe was added to induce DNA hybridization, and the absorbance was measured using a UV / Vis spectrophotometer. The absorbance of the capture probe Were measured. As a result, when the detection probe was inserted into the non-target nucleic acid-bound capture probe (line 2 in FIG. 7B), the capture probe-non-target nucleic acid-detection probe was not bonded and the absorbance of only the capture probe 1). However, when a detection probe was inserted into the capture probe to which the target nucleic acid was bound (line 3 in FIG. 7B), the capture probe-target nucleic acid-detection probe was bound to confirm that the absorption spectrum was shifted there was. That is, it was confirmed that the system using the detection probe and the detection probe of the present invention specifically binds to the target nucleic acid.

2-3 : 표적핵산에 결합한 검출 2-3: detection bound to the target nucleic acid 프로브Probe 수 확인 Check number

본 발명에서는 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산과 불완전한 혼성화를 이루는 단일염기변이의 흡광도 차이를 정량적으로 분석하기 위하여 하기의 수학식 1을 이용하여 표적핵산 및 단일염기변이에 결합한 검출 프로브의 금 나노입자의 수를 측정하였다. In order to quantitatively analyze the difference in absorbance of a single base mutation that incompletely hybridizes with a target nucleic acid that forms a complete hybridization in the present invention, the number of gold nanoparticles of a detection probe bound to a target nucleic acid and a single base mutation Were measured.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013008209221-pat00002
Figure 112013008209221-pat00002

여기에서, N = 단위 부피당 측정되는 금 나노입자의 수(검출 프로브의 금 나노입자수), Abs450 = 450nm에서의 흡광도, R' = 자유전자의 진동량을 의미한다.Here, N means the number of gold nanoparticles (number of gold nanoparticles in the detection probe) measured per unit volume, Abs 450 indicates the absorbance at 450 nm, and R ' indicates the amount of free electrons.

수학식 1은 일반적으로 사용되는 Mie 방정식(수학식 2)과 Riccati-Besel 방정식(수학식 3)을 변형시킨 것으로, 흡광도 값을 대입하면 최종적으로 검출 프로브의 금 나노입자 수(N)를 측정할 수 있도록 하였다.
Equation 1 is a modification of the commonly used Mie equation (Equation 2) and the Riccati-Besel equation (Equation 3). When the absorbance value is substituted, the number of gold nanoparticles (N) of the detection probe is finally measured .

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112013008209221-pat00003
Figure 112013008209221-pat00003

여기에서, σ ext = 금 나노입자의 extinction cross section , ω = 방사선 진동수(the radiation frequency), = 빛의 속도(light speed), ε m = 유전체 상수, = 금 나노입자의 부피, R' = 자유전자의 진동량(R' = R-r)를 의미하며, = 금 나노입자의 반지름, = 금 나노입자 주변의 전자구름의 반지름으로 금 나노입자 내 전자가 접근할 수 없는 부분을 보정하기 위해 사용하였다.Here, σ ext = extinction cross section of the gold nanoparticles, ω = radiation frequencies (the radiation frequency), c = the speed (light speed) of light, ε m = dielectric constant, V = the volume of gold nanoparticles, R ' = Radius of free electron ( R '= R-r ), R = radius of gold nanoparticle, r = radius of electron cloud around gold nanoparticle, .

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112013008209221-pat00004
Figure 112013008209221-pat00004

여기에서, ext = σ ext /πR 2 로 여기효율(extinction efficiency)을 의미하며, 0 = 흡광도를 측정할때 사용되는 경로의 길이를 의미한다.
Here, Q ext = σ ext / πR 2 means the extinction efficiency, and l 0 = the length of the path used to measure the absorbance.

즉, 본 발명의 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산과 불완전한 혼성화를 이루는 단일염기변이의 흡광도를 수학식 1에 대입하여 표적핵산과 혼성화를 이루는 검출 프로브의 금 나노입자 수(N)를 측정할 수 있으며, 이는 캡춰 프로브에 결합된 표적핵산의 수를 의미한다고 볼 수 있다.
That is, the absorbance of a single base mutation that incompletely hybridizes with the target nucleic acid of the present invention which forms the complete hybridization can be substituted into Equation (1) to measure the number of gold nanoparticles (N) of the detection probe hybridizing with the target nucleic acid, This can be taken to mean the number of target nucleic acids bound to the capture probe.

염 농도에 따른 표적핵산의 단일염기변이 검출Single base mutation detection of target nucleic acid by salt concentration

본 발명의 캡춰 프로브와 검출 프로브를 이용한 시스템에서 염 농도의 증가에 따른 나노입자와 DNA의 혼성화 효율 및 표적핵산의 단일변이염기(서열번호 5) 검출 효과에 미치는 영향을 알아보기 위해 DNA의 혼성화의 속도론적 반응(kinetic behavior)을 나트륨이온 농도의 함수를 이용하여 측정하였다.
In order to investigate the hybridization efficiency of nanoparticles and DNA according to the increase of the salt concentration and the effect of detecting the single mutation base of the target nucleic acid (SEQ ID NO: 5) in the system using the capture probe and the detection probe of the present invention, Kinetic behavior was measured using a function of sodium ion concentration.

표적핵산 및 단일변이염기 서열Target nucleic acid and single mutation base sequence Sequences (5'-3')Sequences (5'-3 ') 서열번호 SEQ ID NO: 표적핵산
(target DNA)
Target nucleic acid
(target DNA)
5'-GAGCATACATAGGGTTTCTCTTGGTTTCTTTGATTATAATTCATAC-3'5'-GAGCATACATAGGGTTTCTCTTGGTTTCTTTGATTATAATTCATAC-3 ' 서열번호 3SEQ ID NO: 3
단일염기변이
(Single mismatches)
Single base mutation
(Single mismatches)
5'-GAGCATACATAGGGTTTCTCTTGGTTTCTTTGATTAT C ATTCATAC-3'5'-GAGCATACATAGGGTTTCTCTTGGTTTCTTTGATTAT C ATTCATAC-3 ' 서열번호 5SEQ ID NO: 5

표적핵산 및 단일염기변이는 각각 0.2M을 처리하였으며, 검출 프로브(금 나노입자) 및 표적핵산의 농도를 일정하게 유지하면서 염 농도를 0.1M 내지 0.5M 까지 증가시켜 실험을 수행하였다. The target nucleic acid and the single base mutation were each treated at 0.2 M and the experiment was performed by increasing the salt concentration from 0.1 M to 0.5 M while keeping the concentration of the detection probe (gold nanoparticle) and the target nucleic acid constant.

캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 혼성화 반응 후, 흡광도를 측정하였으며, 수학식 1을 이용하여 캡춰 프로브에 결합하는 검출 프로브의 수를 측정하였다. 그 결과, 도 6에 나타난 바와 같이 염 농도가 증가함에 따라, 표적핵산과 혼성화를 이룬 검출 프로브의 양이 증가하는 것을 확인하였으며, 단일변이염기는 완전한 혼성화를 이루는 표적핵산에 비해 정전기적 결합력이 낮기 때문에 캡춰 프로브에 결합하는 검출 프로브의 수가 줄어드는 것을 확인하였다 (도 8). After hybridization of the capture probe-target nucleic acid-detection probe, the absorbance was measured and the number of detection probes bound to the capture probe was measured using Equation (1). As a result, as shown in FIG. 6, it was confirmed that the amount of the detection probe hybridized with the target nucleic acid was increased with an increase in the salt concentration, and the single mutation base had a lower electrostatic binding force than the target hybridizing nucleic acid Therefore, it was confirmed that the number of detection probes coupled to the capture probe was reduced (FIG. 8).

또한, 0.2M의 염 농도에서 표적핵산(PMT)과 단일염기변이(MMT)에 결합되는 검출 프로브 수는 최대 5.5X 1010 정도의 차이를 보이는 것을 확인하였다.
Also, it was confirmed that the number of detection probes bound to the target nucleic acid (PMT) and the single base mutation (MMT) at a salt concentration of 0.2M showed a maximum difference of about 5.5 × 10 10 .

금 나노입자와 Gold nanoparticles DNADNA 혼성화Hybridization 반응을 이용한 표적핵산 검출 및 정량 Detection and quantification of target nucleic acid using reaction

본 발명에 따른 표적핵산 농도에 따른 DNA 혼성화정도를 측정하기 위해 정량분석을 수행하였다.Quantitative analysis was performed to measure the degree of DNA hybridization according to the target nucleic acid concentration according to the present invention.

0.1fM 내지 10nM의 농도를 가지는 표적핵산 100㎕를 캡춰 프로브와 1시간 동안 반응시킨 후, 검출 프로브와 반응시켜 캡춰프로브-표적핵산-검출 프로브의 혼성화를 유도하여, 금 나노입자의 흡광도를 측정하였다. 측정된 흡광도 값과 수학식 1을 이용하여, 표적핵산과 혼성화된 금 나노입자의 수(검출 프로브)를 측정한 결과, 본 발명의 방법은 최대 10fM의 표적핵산을 검출할 수 있는 것을 확인하였다 (도 9A). 100 μl of the target nucleic acid having a concentration of 0.1 fM to 10 nM was reacted with the capture probe for 1 hour and then reacted with the detection probe to induce hybridization of the capture probe-target nucleic acid-detecting probe to measure the absorbance of the gold nanoparticle . The number of gold nanoparticles hybridized to the target nucleic acid (detection probe) was measured using the measured absorbance value and the formula (1), and it was confirmed that the method of the present invention was able to detect a target nucleic acid at a maximum of 10 fM 9A).

또한, 인간의 혈청 샘플에서 본 발명의 분석 방법이 적용할 수 있는지 확인해 보기 위해, 표적핵산과 비표적핵산이 포함된 인간 혈청을 이용하여 분석을 수행하였다. In order to confirm whether the assay method of the present invention can be applied to human serum samples, analysis was performed using human serum containing target nucleic acid and non-target nucleic acid.

50nM 표적핵산 및 비표적핵산이 포함된 혈청, 1/5로 희석된 혈청 및 버퍼 100㎕를 유리기판 위에 금 나노입자가 고정된 캡춰 프로브에 첨가하여 37℃에서 부드럽게 흔들어주면서 1시간 동안 반응시킨 후, 혼성화되지 않은 DNA를 제거하기 위해 버퍼를 이용해 3번 세척하였다. 그 후, 100㎕의 검출 프로브를 첨가하여 캡춰프로브와 혼성화된 표적핵산과 반응시키기 위해 1시간 동안 배양한 다음, 남아있는 검출 프로브를 제거하기 위해 3번 세척하였다. Serum containing 50 nM of target nucleic acid and non-target nucleic acid, 1/5 diluted serum and 100 쨉 l of buffer were added to a capture probe immobilized with gold nanoparticles on a glass substrate, reacted for 1 hour while gently shaking at 37 캜 , And washed three times with a buffer to remove unhybridized DNA. Then, 100 μl of the detection probe was added and incubated for 1 hour to react with the capture probe and the hybridized target nucleic acid, and then washed 3 times to remove the remaining detection probes.

캡춰 프로브에 결합되어 있는 표적핵산의 양을 측정하기 위해, 흡광도를 측정하여 수학식 1로 계산하여 금 나노입자의 수를 측정한 결과, 도 9B에서 보는 바와 같이, 혈청, 1/5로 희석한 혈청 및 버퍼에 포함되어 있는 표적핵산이 검출되는 것을 확인하였으며, 본 발명의 검출 프로브는 표적핵산에만 결합하여 신호를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
In order to measure the amount of target nucleic acid bound to the capture probe, the absorbance was measured and the number of gold nanoparticles was calculated by the following equation (1). As a result, as shown in FIG. 9B, The target nucleic acid contained in the serum and the buffer was detected, and it was confirmed that the detection probe of the present invention binds only to the target nucleic acid and shows a signal.

이상으로 본 발명 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. While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

<110> Korea University Research and Business Foundation <120> Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles <130> P13-B015 <160> 5 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> capture DNA <400> 1 gaaaccctat gtatgctctt tttttttt 28 <210> 2 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> detection DNA <400> 2 tttgtatgaa ttataatcaa a 21 <210> 3 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> target DNA <400> 3 gagcatacat agggtttctc ttggtttctt tgattataat tcatac 46 <210> 4 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nontarget DNA <400> 4 acacgcttgg tagacttttt tttttagcat cgataacgtt aaaaaa 46 <210> 5 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> single mismatches <400> 5 gagcatacat agggtttctc ttggtttctt tgattatcat tcatac 46 <110> Korea University Research and Business Foundation <120> Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization          Events Using Gold Nanoparticles <130> P13-B015 <160> 5 <170> Kopatentin 2.0 <210> 1 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> capture DNA <400> 1 gaaaccctat gtatgctctt tttttttt 28 <210> 2 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> detection DNA <400> 2 tttgtatgaa ttataatcaa a 21 <210> 3 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> target DNA <400> 3 gagcatacat agggtttctc ttggtttctt tgattataat tcatac 46 <210> 4 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> nontarget DNA <400> 4 acacgcttgg tagacttttt tttttagcat cgataacgtt aaaaaa 46 <210> 5 <211> 46 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> single mismatches <400> 5 gagcatacat agggtttctc ttggtttctt tgattatcat tcatac 46

Claims (8)

다음의 단계를 포함하는 금 나노입자를 이용한 DNA 혼성화 반응에서 표적핵산의 단일염기변이 검출방법:
(a) 투명한 지지체에 표면이 유기 흡착제인 HS(CH2)11(OCH2CH2)3OH (EG3-OH) 또는 HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH (EG6-COOH)을 이용하여 개질된 금 나노입자를 고정시킨 다음, 상기 금 나노입자에 표적핵산의 일측과 상보적으로 결합할 수 있는 캡춰 DNA를 결합시켜, 캡춰 프로브(capture probe)를 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 캡춰 프로브에 단일가닥의 표적핵산을 가하여 캡춰 프로브-표적핵산의 혼성화 반응을 수행하는 단계;
(c) 상기 혼성화 반응물에, 금 나노입자에 표적핵산의 타측과 상보적으로 결합할 수 있는 검출 DNA가 결합된 검출 프로브(detection probe)를 첨가하여 캡춰 프로브-표적핵산-검출 프로브의 혼성화 반응을 수행하는 단계
여기서, 상기 검출 프로브는 (i) 금 나노입자에 멜캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid ;MPA) 및 dATP을 처리하여 반응시켜 금 나노입자 표면에 멜캅토프로피온산 및 dATP를 결합시키는 단계; 및 (ii) 상기 멜캅토프로피온산 및 dATP가 결합된 금 나노입자에 표적핵산과 상보적으로 결합할 수 있는 검출 DNA 및 염을 첨가한 다음, 45 내지 55℃ 조건에서 금 나노입자 표면에 결합되어 있는 dATP와 검출 DNA를 교환시켜 검출 프로브를 제조하는 단계를 거처 제조됨;
(d) 0.1 내지 0.5M의 농도로 염 농도를 조절하여 단일염기변이가 있는 표적핵산과 단일염기변이가 없는 표적핵산의 혼성화 차이를 유도한 다음, 흡광도를 측정하는 단계; 및
(e) 측정된 흡광도로부터 혼성화된 검출 프로브의 금 나노입자 수를 분석하여, 표적핵산 내 단일염기변이의 유무 또는 단일염기변이의 수를 검출하는 단계.
Detection of a single base mutation of a target nucleic acid in a DNA hybridization reaction using gold nanoparticles comprising the steps of:
(a) The surface of the transparent support is coated with an organic adsorbent such as HS (CH 2 ) 11 (OCH 2 CH 2 ) 3 OH (EG 3 -OH) or HS (CH 2 ) 11 (OCH 2 CH 2 ) 6 OCH 2 COOH 6 -COOH), and then preparing a capture probe by binding a capture DNA capable of binding complementarily to one side of the target nucleic acid to the gold nanoparticle, thereby preparing a capture probe ;
(b) performing hybridization of the capture probe-target nucleic acid by adding a single strand of the target nucleic acid to the prepared capture probe;
(c) a hybridization reaction of the capture probe-target nucleic acid-detecting probe with a detection probe to which the detection DNA capable of binding complementarily to the other side of the target nucleic acid is added to the gold nanoparticle is added to the hybridization reaction product Steps to Perform
Here, the detection probe may be prepared by (i) treating gold nanoparticles with 3-mercaptopropionic acid (MPA) and dATP and reacting them to bind melphantopropionic acid and dATP to the surface of gold nanoparticles; And (ii) a detection DNA and a salt capable of binding complementarily to the target nucleic acid to the gold nanoparticles to which the melphopropopropionic acid and dATP are bound are added, and the detection DNA and the salt, which are bound to the gold nanoparticle surface at 45 to 55 ° C preparing a detection probe by exchanging the detection DNA with dATP;
(d) adjusting the salt concentration to a concentration of 0.1 to 0.5 M to induce a hybridization difference between the target nucleic acid having a single base mutation and the target nucleic acid having no single base mutation, and then measuring the absorbance; And
(e) analyzing the gold nanoparticle number of the hybridized detection probe from the measured absorbance to detect the presence or absence of a single base mutation in the target nucleic acid or the number of single base mutations.
제1항에 있어서, 캡춰 프로브와 검출 프로브의 금 나노입자는 염화금(HAuCl4)을 시트로산염(citrate)으로 환원시켜 제조되며, 평균 10 내지 20nm 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 표적핵산의 단일염기변이 검출방법.
The method of claim 1, wherein the gold nanoparticles of the capture probe and the detection probe are prepared by reducing HAuCl 4 to citrate and have an average size of 10-20 nm. Mutation detection method.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 투명한 지지체는 아미노기가 코팅되어 있는 유리인 것을 특징으로 하는 표적핵산의 단일염기변이 검출방법.
The method according to claim 1, wherein the transparent support of step (a) is a glass coated with an amino group.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 (ii) 단계의 염은 0.1 내지 0.5M의 염화나트륨을 첨가하는 것을 특징으로 하는 표적핵산의 단일염기변이 검출방법.
The method according to claim 1, wherein the salt of step (ii) is added with 0.1 to 0.5 M sodium chloride.
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계의 염은 염화나트륨인 것을 특징으로 하는 표적핵산의 단일염기변이 검출방법.
The method according to claim 1, wherein the salt of step (d) is sodium chloride.
제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 검출 프로브의 금 나노입자 수는 하기 수학식에 의해서 분석되는 것을 특징으로 하는 표적핵산의 단일염기변이 검출방법.
[수학식]
Figure 112013008209221-pat00005

여기서,
N = 단위 부피당 측정되는 금 나노입자의 수(검출 프로브의 금 나노입자수)
Abs450 = 450nm에서의 흡광도
R' = 자유전자의 진동량.
The method according to claim 1, wherein the number of gold nanoparticles in the detection probe in step (e) is analyzed by the following equation.
[Mathematical Expression]
Figure 112013008209221-pat00005

here,
N = number of gold nanoparticles measured per unit volume (number of gold nanoparticles in the detection probe)
Abs 450 = Absorbance at 450 nm
R ' = vibration amount of free electrons.
KR20130009460A 2013-01-28 2013-01-28 Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles KR101488436B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130009460A KR101488436B1 (en) 2013-01-28 2013-01-28 Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130009460A KR101488436B1 (en) 2013-01-28 2013-01-28 Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140097679A KR20140097679A (en) 2014-08-07
KR101488436B1 true KR101488436B1 (en) 2015-02-04

Family

ID=51744822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130009460A KR101488436B1 (en) 2013-01-28 2013-01-28 Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101488436B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023164224A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Functionalized nanoclusters and their use in treating bacterial infections

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102489353B1 (en) 2015-06-01 2023-01-17 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지 Compositions and methods for screening T cells with antigens to specific populations
KR20190011117A (en) * 2017-07-24 2019-02-01 사회복지법인 삼성생명공익재단 Method for detection of genetic mutation by using aggregation of gold nanoparticles

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030207296A1 (en) 1996-07-29 2003-11-06 So-Jung Park Nanoparticles having oligonucleotides attached thereto and uses therefor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030207296A1 (en) 1996-07-29 2003-11-06 So-Jung Park Nanoparticles having oligonucleotides attached thereto and uses therefor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anal. Chem., Vol. 79, No. 11, pp. 4215-4221 (2007.06.01.) *
Biosens. Bioelectron., Vol. 32, No. 1, pp. 127-132 (2012.02.15.) *
Langmuir, Vol. 23, No. 13, pp. 7143-7147 (2007.06.19.) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023164224A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Functionalized nanoclusters and their use in treating bacterial infections

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140097679A (en) 2014-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yaraki et al. Metal nanoparticles‐enhanced biosensors: synthesis, design and applications in fluorescence enhancement and surface‐enhanced Raman scattering
Miao et al. Gold nanoparticles-based multipedal DNA walker for ratiometric detection of circulating tumor cell
Duan et al. Bifunctional aptasensor based on novel two-dimensional nanocomposite of MoS2 quantum dots and g-C3N4 nanosheets decorated with chitosan-stabilized Au nanoparticles for selectively detecting prostate specific antigen
Cai et al. Self-assembled DNA nanoflowers triggered by a DNA walker for highly sensitive electrochemical detection of Staphylococcus aureus
Endo et al. Label-free detection of peptide nucleic acid− DNA hybridization using localized surface plasmon resonance based optical biosensor
Santos et al. Nanoporous anodic aluminum oxide for chemical sensing and biosensors
Larguinho et al. Gold and silver nanoparticles for clinical diagnostics—from genomics to proteomics
Cumberland et al. Analysis of the nature of oxyanion adsorption on gold nanomaterial surfaces
Aili et al. Folding induced assembly of polypeptide decorated gold nanoparticles
Liu et al. A localized surface plasmon resonance light-scattering assay of mercury (II) on the basis of Hg2+− DNA complex induced aggregation of gold nanoparticles
Li et al. Localized surface plasmon resonance (LSPR) of polyelectrolyte-functionalized gold-nanoparticles for bio-sensing
Zhu et al. A poly adenine-mediated assembly strategy for designing surface-enhanced resonance Raman scattering substrates in controllable manners
EP2878950B1 (en) Biosensor comprising metallic nanoparticules
Zhang et al. SERS detection of microRNA biomarkers for cancer diagnosis using gold-coated paramagnetic nanoparticles to capture SERS-active gold nanoparticles
Wittenberg et al. Using nanoparticles to push the limits of detection
Wang et al. Highly sensitive and reproducible silicon-based surface-enhanced Raman scattering sensors for real applications
WO2013064885A1 (en) Nanostructure based method for detection and/or isolation of biomolecule
Liang et al. Dithiothreitol-regulated coverage of oligonucleotide-modified gold nanoparticles to achieve optimized biosensor performance
Zhang et al. A novel immunoassay strategy based on combination of chitosan and a gold nanoparticle label
Ali et al. Nanoscale graphene oxide-induced metallic nanoparticle clustering for surface-enhanced Raman scattering-based IgG detection
Zhang et al. Construction of Plasmonic Core–Satellite Nanostructures on Substrates Based on DNA-Directed Self-Assembly as a Sensitive and Reproducible Biosensor
KR101488436B1 (en) Method for Detecting Single Mismatches in DNA Hybridization Events Using Gold Nanoparticles
KR101591475B1 (en) Method for simultaneously detecting tumor-specific mutation and epigenetic changes of circulating tumor DNA(ctDNA) using Rayleigh light scattering
Zhan et al. Quantitative detection of DNA by autocatalytic enlargement of hybridized gold nanoprobes
Zakiyyah et al. Screen-printed carbon electrode/natural silica-ceria nanocomposite for electrochemical aptasensor application

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180108

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190114

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200120

Year of fee payment: 6