KR101633473B1 - Protease detection sensor - Google Patents

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KR101633473B1 KR1020140056480A KR20140056480A KR101633473B1 KR 101633473 B1 KR101633473 B1 KR 101633473B1 KR 1020140056480 A KR1020140056480 A KR 1020140056480A KR 20140056480 A KR20140056480 A KR 20140056480A KR 101633473 B1 KR101633473 B1 KR 101633473B1
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Abstract

본 발명은 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소 및 말단 아미노산을 절단하는 단백질분해효소를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단백질분해효소 검출용 센서는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 목적 단백질분해효소, 및 N-말단 또는 C-말단 아미노산을 절단하는 단백질분해효소를 이용하여 제조됨으로써 색깔적, 형광적 또는 전기화학적 방법을 통해 목적 단백질분해효소를 고감도로 검출할 수 있는 효과를 나타낸다.The present invention relates to a protease for cleaving between two specific amino acids and a protease for detecting protease using a protease for cleaving the terminal amino acid. The sensor for detecting protease according to the present invention can be produced by using a target proteinase that cleaves between two specific amino acids in a peptide sequence and a protease that cleaves N-terminal or C-terminal amino acid, It exhibits an effect of detecting a target protein degrading enzyme with high sensitivity through an electrophoretic or electrochemical method.

Description

단백질분해효소 검출센서{Protease detection sensor}Protease detection sensor [0002]

본 발명은 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소 및 말단 아미노산을 절단하는 단백질분해효소를 이용한 목적 단백질분해효소 검출용 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a protease for cleaving between two specific amino acids, and a sensor for detecting a target protease using a protease that cleaves a terminal amino acid.

단백질분해효소(protease)는 가수분해를 통해 단백질의 특정 서열을 선택적으로 절단시키는 효소이다. 특정한 하나의 아미노산, 연속적인 여러 개 아미노산의 특정한 배열, 또는 특정한 두 아미노산 사이의 펩타이드 결합(peptide bond)이 단백질분해효소가 특이적으로 반응하는 단백질의 절단 서열이 될 수 있다. 이러한 단백질분해효소는 인체 내에서 대사작용에 관여하기 때문에 단백질분해효소를 분비하는 기관의 건강상태에 따라 그 농도가 달라진다. 또한, 독(toxin)을 가지는 미생물 및 동물에서는 생물의 단백질 조직을 파괴하기 위한 수단으로 단백질분해효소가 이용된다. 따라서, 단백질분해효소의 농도를 고감도로 측정하는 것은 질병의 조기 진단 및 독성 인자의 정확한 검출을 위해 매우 중요하다.A protease is an enzyme that selectively cleaves a specific sequence of a protein through hydrolysis. A particular amino acid, a specific sequence of multiple consecutive amino acids, or a peptide bond between two specific amino acids may be the cleavage sequence of a protein that specifically responds to proteolytic enzymes. Because these proteolytic enzymes are involved in metabolism in the body, their concentrations vary depending on the health condition of the organ that secretes proteolytic enzymes. In addition, in microorganisms and animals having toxins, proteolytic enzymes are used as means for destroying the protein tissue of living organisms. Therefore, it is very important to measure the concentration of proteolytic enzyme at high sensitivity for early detection of disease and accurate detection of toxic factors.

현재까지 개발된 단백질분해효소 검출센서는 색깔적 검출, 형광적 검출, 또는 전기화학적 검출 방법을 이용한다. 색깔적 또는 형광적 검출 방법은 색깔 또는 형광을 낼 수 있는 표지를 가진 펩타이드의 특정 서열을 단백질분해효소가 분해하여 흡수 또는 형광 신호를 얻는 방법이다(Lou, X., Zhang, L., Qin, J., Zhen, L. Langmuir 2010, 26, 1566-1569.; Li, J., Yeung, E. S. Anal. Chem. 2008, 80, 8509-8513.; Zhao, Q., de Zoysa, R. S. S., Wang, D., Jayawardhana, D. A., Guan, X. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6324-6325.). 특히 형광적 검출 방법은 펩타이드의 특정 서열이 절단되었을 때 FRET(fluorescence resonance energy transfer) 기술에 의해 형광이 나타나거나 또는 펩타이드에 붙어 있는 표지가 절단되었을 때 형광이 나타나는 것을 이용한다. 전기화학적 검출 방법은 소형의 측정기기로 간단하게 검출이 가능하며 매우 낮은 검출한계(detection limit)를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 단백질분해효소의 전기화학적 검출 방법은 전극 표면에 단백질분해효소가 특이적으로 결합할 때 생기는 전기화학적 신호의 변화를 분석하는 방법(Kerman, K., Mahmoud. K. A., Kraatz, H.-B. Chem. Commun. 2007, 3829-3831.; Mahmoud, K. A., Luong, J. H. T. Anal. Chem. 2008, 80, 7056-7062.; Sowole, M., Kraatz, H.-B. Analyst 2012, 137, 1120-1124.)과 단백질분해효소의 펩타이드 절단 반응에 의해 생기는 전기화학적 신호의 변화를 분석하는 방법으로 나눌 수 있다. 여기서, 후자의 방법은 다음과 같이 세분화될 수 있다. (1) 전극 표면의 젤라틴 필름과 같은 차단 막을 단백질분해효소 반응을 이용하여 제거하는 방법(Ionescu, R. E., Cosnier, S., Marks, R. S. Anal. Chem. 2006, 78, 6327-6331.; Bas, D.; Boyac1, I. H. Electroanalysis 2010, 22, 265-267.; Zheng, X., Cook, J. P., Watkinson, M., Yang, S., Douglas, I., Rawlinson, A., Krause, S. Faraday Discuss. 2011, 149, 37-47.; Stoytcheva, M., Zlatev, R., Cosnier, S., Arredondo, M. Elecrochim. Acta 2012, 76, 43-47.), (2) 단백질분해반응을 이용하여 전기화학적 활성을 가진 페로센, 메틸렌 블루 또는 4-아미노디페닐아민과 같은 물질을 전극으로부터 분리시키는 방법(Swisher, L. Z., Syed, L. U., Prior, A. M., Madiyar, F. R., Carlson, K. R., Nguyen, T. A., Hua, D. H., Li, J. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 4268-4277.; Shin, D.-S., Liu, Y., Gao, Y., Kwa, T., Matharu, Z., Revzin, A. Anal. Chem. 2013, 85, 220-227.; Ji, J., Gan, J., Kong, J., Yang, P., Liu, B., Ji, C. Electrochem. Commun. 2012, 16, 53-56.), (3) 4-니트로아닐린 또는 4-아미노-2-클로로페놀과 같은 전기화학적 활성 물질을 단백질분해효소의 반응을 통해 생성하는 방법(Inoue, K. Y. Ino, K., Shiku, H., Matsue, T. Electrochem. Commun. 2010, 12, 1066-1069.; Thuerlemann, C., Haeberli, A., Alberio, L. Clin. Chem. 2009, 55, 505-512.), (4) 폴리이온성의 펩타이드를 단백질분해효소를 이용하여 아미노산의 단편으로 변환하는 방법(Gemene, K. L., Meyerhoff, M. E. Anal. Biochem. 2011, 416, 67-73.; Fordyce, K., Shvarev, A. Anal. Chem. 2008, 80, 827-833.)이 있다.Proteolytic enzyme detection sensors developed so far use color detection, fluorescence detection, or electrochemical detection methods. Color or fluorescence detection methods are methods in which a protease digests a specific sequence of a peptide having a label capable of emitting color or fluorescence to obtain an absorption or fluorescence signal (Lou, X., Zhang, L., Qin, 2008, 80, 8509-8513 .; Zhao, Q., de Zoysa, RSS, Wang, D., Jayawardhana, DA, Guan, XJ Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6324-6325.). Particularly, the fluorescence detection method utilizes fluorescence when fluorescence appears by a fluorescence resonance energy transfer (FRET) technique when a specific sequence of a peptide is cleaved, or fluorescence appears when a label attached to the peptide is cleaved. The electrochemical detection method is advantageous in that it can be easily detected with a small measuring instrument and a very low detection limit can be obtained. The electrochemical detection method of proteolytic enzyme is a method of analyzing the change of electrochemical signal generated when the protease is specifically bound to the electrode surface (Kerman, K., Mahmoud. KA, Kraatz, H.-B. Chem Sawole, M., Kraatz, H.-B. Analyst 2012, 137, 1120-1124. ) And the method of analyzing the change of the electrochemical signal caused by the peptide cleavage reaction of proteolytic enzyme. Here, the latter method can be subdivided as follows. (1) a method of removing a blocking membrane such as a gelatin film on the electrode surface using a proteolytic enzyme reaction (Ionescu, RE, Cosnier, S., Marks, RS Anal. Chem., 2006, 78, 6327-6331; D., Boyac1, IH Electroanalysis 2010, 22, 265-267 .; Zheng, X., Cook, JP, Watkinson, M., Yang, S., Douglas, I., Rawlinson, A., Krause, S. Faraday Actu 2012, 76, 43-47.), (2) proteolytic degradation, and (3) proteolytic degradation. (Swisher, LZ, Syed, LU, Prior, AM, Madiyar, FR, Carlson, KR, Nguyen, Ta, Hua, DH, Li, JJ Phys.Chem.C 2013, 117, 4268-4277 .; Shin, D.-S., Liu, Y., Gao, Y., Kwa, T., Matharu, Z. Ji, J., Gan, J., Kong, J., Yang, P., Liu, B., Ji, C. Electrochem. Commun 2012, 16, 53-56.), (3) a method of producing an electrochemically active substance such as 4-nitroaniline or 4-amino-2-chlorophenol through the reaction of a protease (Inoue, KY Ino, K., Shiku, H., Matsue, T. Electrochem. Commun., 2010, 12, 1066-1069 .; Thuerlemann, C., Haeberli, A., Alberio, Chem. 2009, 55, 505-512.), (4) a method of converting a polyionic peptide into a fragment of an amino acid using a protease (Gemene, KL, Meyerhoff, ME Anal. Biochem. 2011, 416, 67-73 Fordyce, K., Shvarev, A. Anal. Chem., 2008, 80, 827-833).

상기 FRET를 이용한 형광적 검출 방법과 전기화학적 검출 방법 (1), (2), (4)는 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소를 검출하는데 이용될 수 있다. 그러나, 펩타이드에 붙어 있는 표지가 절단되었을 때 생기는 형광이나 색깔 신호를 이용하여 검출하는 방법과 전기화학적 검출 방법 (3)은 측정 방법이 단순함에도 불구하고 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소를 검출하는데 이용될 수 없다. 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소의 검출에서는 단백질분해효소에 의한 절단 후에 표지만이 분리 될 수 없기 때문에 특정 아미노산 하나를 인식하여 절단하는 단백질분해효소의 검출에만 적용할 수 있다.The fluorescence detection method and the electrochemical detection method (1), (2), and (4) using the FRET can be used for detecting a protease that cleaves between two specific amino acids. However, the detection method using fluorescence or color signals generated when the label attached to the peptide is cleaved and the electrochemical detection method (3) can detect the proteolytic enzyme which cleaves between two specific amino acids Can not be used to. In the detection of a proteolytic enzyme that cleaves between two specific amino acids, only the label can not be separated after cleavage by the proteolytic enzyme. Therefore, the present invention can be applied only to detection of a proteolytic enzyme that recognizes and cleaves a specific amino acid.

따라서, 펩타이드에 붙어 있는 표지가 절단되었을 때 생기는 형광이나 색깔 신호를 이용하여 검출하는 방법 혹은 전기화학적 검출 방법 (3)에 기반하여, 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소를 고감도로 검출하는 방법에 대한 개발이 절실히 요구된다.Therefore, a method of detecting a protease capable of cleaving between two specific amino acids with high sensitivity, based on a method of detecting using a fluorescent or color signal generated when a label attached to the peptide is cleaved or an electrochemical detection method (3) Is required to be developed.

KR 110-2008-0085497KR 110-2008-0085497

본 발명자들은 단백질분해효소 검출용 센서에 대해 탐색하던 중, 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소 및 말단 아미노산을 절단하는 단백질분해효소를 이용할 경우, 색깔적, 형광적 또는 전기화학적 방법을 통해 목적 단백질분해효소를 고감도로 검출할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.When searching for a sensor for detecting a protease, the present inventors have found that when a protease that cleaves between two specific amino acids and a protease that cleaves a terminal amino acid are used, It was confirmed that protease can be detected with high sensitivity and the present invention has been completed.

따라서, 본 발명은 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소 및 말단 아미노산을 절단하는 단백질분해효소를 이용한 목적 단백질분해효소 검출용 센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a sensor for detecting a target protease using a protease that cleaves between two specific amino acids and a protease that cleaves a terminal amino acid, and a method for producing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서To achieve the above object,

본 발명은The present invention

하기의 구조식 1을 갖는 단백질분해효소 검출용 센서로서, A sensor for detecting a protease having the following structural formula 1,

[구조식 1][Structural formula 1]

(1) (N) A-B-C (C); 또는(1) (N) A-B-C (C); or

(2) (N) C-B-A (C);(2) (N) C-B-A (C);

상기 A-B는 목적 단백질분해효소에 의하여 절단 가능한 서열로 이루어진 펩타이드이고,Wherein A-B is a peptide consisting of a sequence cleavable by a target protease,

상기 B는 제2 단백질분해효소에 의하여 C로부터 절단되는 아미노산이며,B is an amino acid cleaved from C by a second protease,

상기 C는 신호발생 물질인 것인, 단백질분해효소 검출용 센서를 제공한다.And C is a signal generating substance.

또한, 본 발명은 In addition,

상기 단백질분해효소 검출용 센서; 및A sensor for detecting the protease; And

제2 단백질분해효소를 포함하는, 단백질분해효소 검출용 조성물을 제공한다. A second protease, and a second protease.

또한, 본 발명은 In addition,

상기 단백질분해효소 검출용 센서에 목적 단백질분해효소 및 제2 단백질분해효소를 가하는 단계; 및Adding a target proteinase and a second protease to the protease-detecting sensor; And

상기 센서로부터의 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호를 측정하는 단계;를 포함하는 단백질분해효소의 검출방법을 제공한다. And measuring the color, fluorescence, or electrochemical signal from the sensor.

또한, 본 발명은 In addition,

(1) 목적 단백질분해효소에 의하여 절단 가능한 서열 A-B로 이루어진 이루어진 펩타이드에 신호발생 물질 C를 반응시켜 결합하는 단계; 및(1) a step of reacting and binding a signal generating substance C to a peptide composed of sequence A-B cleavable by a target protease; And

(2) 상기 (1)단계의 A-B-C 복합체를 전극에 가하는 단계;를 포함하는 단백질분해효소 검출용 센서의 제조방법을 제공한다.
(2) adding the ABC complex of the step (1) to the electrode.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은The present invention

하기의 구조식 1을 갖는 단백질분해효소 검출용 센서로서, A sensor for detecting a protease having the following structural formula 1,

[구조식 1][Structural formula 1]

(1) (N) A-B-C (C); 또는(1) (N) A-B-C (C); or

(2) (N) C-B-A (C);(2) (N) C-B-A (C);

상기 A-B는 목적 단백질분해효소에 의하여 절단 가능한 서열로 이루어진 펩타이드이고,Wherein A-B is a peptide consisting of a sequence cleavable by a target protease,

상기 B는 제2 단백질분해효소에 의하여 C로부터 절단되는 아미노산이며,B is an amino acid cleaved from C by a second protease,

상기 C는 신호발생 물질인 것인, 단백질분해효소 검출용 센서를 제공한다.And C is a signal generating substance.

또한, 상기 단백질분해효소 검출용 센서는 하기의 구조식 2을 가지며,In addition, the protease-detecting sensor has the following structural formula 2,

[구조식 2][Structural formula 2]

(1) (N) D-A-B-C (C); 또는(1) (N) D-A-B-C (C); or

(2) (N) C-B-A-D (C);(2) (N) C-B-A-D (C);

상기 D는 상기 제2 단백질분해효소의 절단작용을 방해하는 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서일 수 있다. And D is a protease-detecting sensor, wherein the protease inhibits the cleavage of the second protease.

상기 A-B는 아미노산 잔기의 수에 따라 디펩타이드, 트리펩타이드, 올리고 펩타이드 또는 폴리펩타이드일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 500개의 아미노산으로 이루어진 펩타이드일 수 있다.The A-B may be a dipeptide, a tripeptide, an oligopeptide or a polypeptide according to the number of amino acid residues, and preferably a peptide consisting of 2 to 500 amino acids.

상기 펩타이드는 하나 이상의 아미노산이 펩타이드(peptide) 결합에 의하여 결합된 화합물로서, 목적 단백질분해효소에 의해 특이적으로 분해되는 펩타이드 기질인 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 펩타이드 기질은 MMP(matrix metalloprotenase), 트롬빈, 세포사멸시 활성화되는 카스파제(caspase), 프로테아제 등의 표적이 되는 펩타이드일 수 있다. 특정 단백질분해효소에 따라 사용되는 펩타이드 기질이 달라진다.The peptide is preferably a peptide substrate in which one or more amino acids are bound by peptide bonds and is specifically degraded by the target proteinase. For example, the peptide substrate may be a target peptide such as MMP (matrix metalloproteinase), thrombin, caspase activated at apoptosis, protease, and the like. Depending on the specific protease, the peptide substrate used varies.

상기 목적 단백질분해효소는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소로서, 보툴리눔 신경독소(BoNT), 기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteinases; MMP), 트롬빈, FXIIIa(factor Xiiia), 카스파제(caspase), 우로키나아제 플라스미노겐 활성제(urokinase plasminogen activator, uPA), HIV 프로테아제, DPP-IV(dipeptidyl peptidase) 및 프로테아좀(proteasome)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하고, 보툴리눔 신경독소(BoNT)인 것이 더욱 바람직하다. The target proteinase is a proteolytic enzyme that cleaves between two specific amino acids in a peptide sequence, and is useful as a proteolytic enzyme for treating diseases caused by toxins such as botulinum neurotoxin (BoNT), matrix metalloproteinases (MMP), thrombin, FXIIIa (factor Xiiia) it is preferably one or more selected from the group consisting of caspase, urokinase plasminogen activator (uPA), HIV protease, DPP-IV (dipeptidyl peptidase) and proteasome, (BoNT).

상기 제 2 단백질분해효소는 아미노펩티다아제(aminopeptidase) 또는 카복시펩티다아제(carboxylpeptidase)인 것이 바람직하다. 아미노펩티다아제 및 카복시펩티다아제는 활성을 나타내는 아미노산에 따라 루신-아미노펩티다아제(leucyl-aminopeptidase), 알라닌-아미노펩티다아제(alanyl-aminopeptidase), 카복시펩티다아제 A 및 B 등으로 세분화 할 수 있다. 상기 아미노펩티다아제는 N-말단 아미노산을 절단하고, 카복시펩티다아제는 C-말단 아미노산을 절단하여 신호발생 물질에 결합된 아미노산을 모두 제거함으로써 신호발생 물질로부터 신호를 발생시킬 수 있다.The second protease may be an aminopeptidase or a carboxylpeptidase. Aminopeptidase and carboxypeptidase can be subdivided into leucyl-aminopeptidase, alanyl-aminopeptidase, carboxypeptidase A and B according to the amino acid showing activity. The aminopeptidase cleaves the N-terminal amino acid and the carboxypeptidase cleaves the C-terminal amino acid to remove all of the amino acids bound to the signal generating material, thereby generating a signal from the signal generating material.

상기 신호발생 물질은 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호를 발생하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The signal generating material preferably generates color, fluorescence, or electrochemical signals, but is not limited thereto.

상기 신호발생 물질은 상기 펩타이드에 결합시킬 수 있는 색깔 변화제, 형광체 또는 전기화학적 활성물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 신호를 발생시킬 수 있는 물질이라면 어느 것도 가능하다. The signal-generating material may include a color-changing agent, a fluorescent material, or an electrochemically active material capable of binding to the peptide, but is not limited thereto, and any material capable of generating a signal can be used.

바람직하게는, 상기 신호발생 물질은 전기화학적 신호를 나타내는 히드로퀴논, 아미노페놀, 디아미노벤젠, 디히드록시나프탈렌, 아미노나프톨, 디아미노나프탈렌, 벤조퀴논, 퀴논이민, 나프토퀴논, 나프토퀴논이민 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고리형 화합물일 수 있고, 형광 신호를 나타내는 나프틸아민, 아미노이소프탈린, 쿠마린, 시아닌, 플루오레신, 테트라메틸로드아민, 알렉사, 보디피 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 형광체일 수 있고, 색깔 변화를 나타내는 파라-니트로아닐린(para-nitro aniline) 또는 베타-나프틸아민(β-naphthyl amine)일 수 있다.Preferably, the signal generating material is selected from the group consisting of hydroquinone, aminophenol, diaminobenzene, dihydroxynaphthalene, aminonaphthol, diaminonaphthalene, benzoquinone, quinoneimine, naphthoquinone, naphthoquinone imine and Derivatives thereof, and may be at least one cyclic compound selected from the group consisting of naphthylamine, aminoisophthalin, coumarin, cyanine, fluorescein, tetramethylolamine, Alexa, Derivatives thereof, and may be para-nitro aniline or beta-naphthyl amine which exhibits a color change.

상기 전기화학적 신호는 신호발생 물질의 직접적인 산화환원 반응 또는 산화환원 순환반응을 이용할 수 있고, 상기 산화환원 순환반응은 전기화학적-효소적 반응, 전기화학적-화학적 반응, 전기화학적-화학적-화학적 반응, 전기화학적-전기화학적 반응 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 반응을 이용할 수 있다.The electrochemical signal can be a direct redox reaction or a redox circulation reaction of the signal generating material. The redox circulation reaction can be performed by an electrochemical-enzymatic reaction, an electrochemical-chemical reaction, an electrochemical-chemical- An electrochemical-electrochemical reaction, and a combination thereof.

상기 D는 상기 제2 단백질분해효소의 절단작용을 방해하는 물질이면, 특별히 제한되지 않는다. 일 예로, 상기 D는 카복시에틸아민 또는 카복시프로필아민일 수 있다. The D is not particularly limited so long as it is a substance that interferes with the cleavage action of the second protease. In one example, D may be carboxyethylamine or carboxypropylamine.

상기 검출용 센서의 목적 단백질분해효소에 대한 검출 한계는 1 ng/mL 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 검출용 센서의 E형 보툴리눔 신경독소 라이트 체인(BoNT/E LC)에 대한 검출한계는 포스페이트염화물 완충용액, 수돗물 및 상업용 식수에서 각각 200 pg/mL, 700 pg/mL 및 700 pg/ mL를 나타내었다. The detection limit for the target protease of the detection sensor is preferably 1 ng / mL or less. According to one embodiment of the present invention, the detection limit for the E-type botulinum neurotoxin light chain (BoNT / ELC) of the detection sensor is 200 pg / mL, 700 pg / mL in phosphate chloride buffer solution, tap water and commercial drinking water / mL and 700 pg / mL, respectively.

또한, 본 발명은 In addition,

상기 단백질분해효소 검출용 센서; 및 제2 단백질분해효소를 포함하는, 단백질분해효소 검출용 조성물을 제공한다. A sensor for detecting the protease; And a second proteolytic enzyme.

또한, 본 발명은 In addition,

상기 단백질분해효소 검출용 센서에 목적 단백질분해효소 및 제2 단백질분해효소를 가하는 단계; 및 상기 센서로부터의 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호를 측정하는 단계;를 포함하는 단백질분해효소의 검출방법을 제공한다. Adding a target proteinase and a second protease to the protease-detecting sensor; And measuring the color, fluorescence, or electrochemical signal from the sensor.

또한, 본 발명은 In addition,

(1) 목적 단백질분해효소에 의하여 절단 가능한 서열 A-B로 이루어진 이루어진 펩타이드에 신호발생 물질 C를 반응시켜 결합하는 단계; 및(1) a step of reacting and binding a signal generating substance C to a peptide composed of sequence A-B cleavable by a target protease; And

(2) 상기 (1)단계의 A-B-C 복합체를 전극에 가하는 단계;를 포함하는 단백질분해효소 검출용 센서의 제조방법을 제공한다.(2) adding the A-B-C complex of the step (1) to the electrode.

상기 전극은 주석산화물 전극, 그래핀이 입혀진 주석산화물 전극, 탄소나노튜브가 입혀진 주석산화물 전극, 붕소가 도핑된 다이아몬드(boron-doped diamond) 전극, 유사다이아몬드 탄소(diamond-like carbon) 전극, 탄소 전극, 금 전극, 은 전극, Ag/AgCl 전극, 백금 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The electrode may be a tin oxide electrode, a tin oxide electrode coated with graphene, a tin oxide electrode coated with carbon nanotube, a boron-doped diamond electrode, a diamond-like carbon electrode, , A gold electrode, a silver electrode, an Ag / AgCl electrode, a platinum electrode, and a combination thereof, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 단백질분해효소 검출용 센서는 특정 두 아미노산 사이를 절단하는 단백질분해효소 및 말단 아미노산을 절단하는 단백질분해효소를 이용하여 제조됨으로써, 색깔적, 형광적 또는 전기화학적 방법을 통해 목적 단백질분해효소를 고감도로 검출할 수 있는 효과를 나타낸다. The sensor for detecting a protease according to the present invention can be produced by using a proteolytic enzyme which cleaves between two specific amino acids and a proteolytic enzyme which cleaves the terminal amino acid, And exhibits an effect of detecting the enzyme with high sensitivity.

도 1은 신호발생 물질 C에 결합되어 있는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이(A-B)를 절단하는 단백질분해효소 및 N-말단 아미노산을 절단하는 아미노펩티다아제 (aminopeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다.
도 2는 신호발생 물질 C에 결합되어 있는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이(A-B)를 절단하는 단백질분해효소 및 C-말단 아미노산을 절단하는 카복시펩티다아제 (carboxylpeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다.
도 3은 펩타이드 서열 N-말단에 제2 단백질분해효소의 절단작용을 방해하는 물질 D를 포함하며, 신호발생 물질 C에 결합되어 있는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이(A-B)를 절단하는 단백질분해효소 및 N-말단 아미노산을 절단하는 아미노펩티다아제 (aminopeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다.
도 4는 펩타이드 서열 C-말단에 제2 단백질분해효소의 절단작용을 방해하는 물질 D를 포함하며, 신호발생 물질 C에 결합되어 있는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이(A-B)를 절단하는 단백질분해효소 및 C-말단 아미노산을 절단하는 카복시펩티다아제 (carboxylpeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다.
도 5는 실시예 1에 따른 펩타이드 서열 안의 알지닌(arginine)과 이소루신(isoleucine) 사이(R-I)를 절단하는 E형 보툴리눔 신경독소 라이트 체인(BoNT/E LC) 및 4-아미노-1-나프톨(4-amino-1-naphthol)에 연결된 이소루신을 절단하는 아미노펩티다아제 (aminopeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다. 여기서 생성물인 4-아미노-1-나프톨을 전기화학적-화학적-화학적 산화환원 순환 반응을 하여 전기 신호를 증폭한다.
도 6은 실시예 1에 따른 단백질분해효소 검출용 센서의 (a) pH 7.4의 포스페이트염화물 완충용액(phosphate buffer saline), (b)수돗물 및 (c)상업용 식수에서의 BoNT/E LC 검출에 대한 시간 대 전하도(chronocoulometry)를 나타내는 도이다.
도 7은 도 6의 (a) 내지 (c)에서의 BoNT/E LC 검출에 대한 시간 대 전하도에서 100초일 때의 BoNT/E LC 농도에 따른 보정된 전하를 나타내는 도이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a proteolytic enzyme-detecting sensor using an aminopeptidase cleaving a protease and an N-terminal amino acid between two specific amino acids (AB) in a peptide sequence bound to a signal generating substance C to be.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a protease for detecting a protease using a carboxylpeptidase that cleaves a specific protease (AB) between two amino acids in the peptide sequence bound to the signal generating substance C and a C-terminal amino acid to be.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of proteolytic enzymes that cleave between two specific amino acids (AB) in the peptide sequence bound to the signal generating substance C, and a substance D that interferes with the cleavage action of the second protease at the N-terminal of the peptide sequence And aminopeptidase which cleaves N-terminal amino acid.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of proteolytic enzymes that cleave between two specific amino acids (AB) in the peptide sequence bound to the signal generating substance C, and a substance D that interferes with the cleavage action of the second protease at the C- And a carboxylpeptidase cleaving a C-terminal amino acid.
FIG. 5 is a graph showing the activity of the E-type botulinum neurotoxin light chain (BoNT / E LC) and 4-amino-1-naphthol, which cleaves between arginine and isoleucine (RI) (Aminopeptidase) cleaving an isoleucine linked to 4-amino-1-naphthol (4-amino-1-naphthol). Here, the product 4-amino-1-naphthol is electrochemically-chemically-chemically redox circulated to amplify the electric signal.
FIG. 6 is a graph showing the results of (a) phosphate buffer saline (pH 7.4), (b) tap water and (c) BoNT / E LC detection in commercial drinking water of the proteolytic enzyme detection sensor according to Example 1 Time versus charge (chronocoulometry).
7 is a graph showing corrected charges according to the BoNT / E LC concentration at a time of 100 seconds in time versus charge for BoNT / E LC detection in FIGS. 6A to 6C. FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 3은 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이(A-B)를 절단하는 단백질분해효소 및 N-말단 아미노산을 절단하는 아미노펩티다아제 (aminopeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다. 도 1 및 도 3에 나타난 바와 같이, 검출하고자 하는 단백질분해효소가 특정 서열의 두 아미노산인 A-B 사이를 절단하면, 순차적으로 아미노펩티다아제가 N-말단 아미노산인 B를 제거해 생성물 C을 얻을 수 있다.1 and 3 are conceptual diagrams of a protease for detecting a protease using aminopeptidase for cleaving a protease and a N-terminal amino acid between two specific amino acids (A-B) in a peptide sequence. As shown in FIGS. 1 and 3, when the protease to be detected is cleaved between two amino acids A-B of a specific sequence, the amino-peptidase sequentially removes B, which is an N-terminal amino acid, to obtain a product C.

도 2및 도 4는 펩타이드 서열 안의 특정 두 아미노산 사이(A-B)를 절단하는 단백질분해효소 및 C-말단 아미노산을 절단하는 카복시펩티다아제 (carboxylpeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서의 개념도이다. 도 2 및 도 4에 나타난 바와 같이, 검출하고자 하는 단백질분해효소가 특정 서열의 두 아미노산인 A-B 사이를 절단하면, 순차적으로 카복시펩티다아제가 C-말단 아미노산인 B를 제거해 생성물 C을 얻을 수 있다.
FIGS. 2 and 4 are conceptual diagrams of a proteolytic enzyme that cleaves between two specific amino acids (AB) in a peptide sequence, and a sensor that detects a protease using a carboxylpeptidase that cleaves a C-terminal amino acid. As shown in FIG. 2 and FIG. 4, when the protease to be detected is cleaved between two amino acids of a specific sequence, the product C can be obtained by sequentially removing the C-terminal amino acid B from the carboxypeptidase.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예 1. 단백질분해 효소 검출용 센서의 제조Example 1. Preparation of a sensor for detecting protease

도 5는 펩타이드 서열 안의 알지닌(arginine)과 이소루신(isoleucine) 사이(R-I)를 절단하는 E형 보툴리눔 신경독소 라이트 체인(BoNT/E LC) 및 4-아미노-1-나프톨(4-amino-1-naphthol)에 연결된 이소루신을 절단하는 아미노펩티다아제 (aminopeptidase)를 이용한 단백질분해효소 검출용 센서를 나타내는 도이다. 여기서 생성물인 4-아미노-1-나프톨을 전기화학적-화학적-화학적 산화환원 순환 반응을 하여 전기 신호를 증폭하였다.Figure 5 depicts the E-type botulinum neurotoxin light chain (BoNT / E LC) and 4-amino-1-naphthol cleavage between arginine and isoleucine (RI) (Aminopeptidase) cleaving an isoleucine, which is linked to a 1-naphthol. Here, the product, 4-amino-1-naphthol, was subjected to an electrochemical-chemical-chemical redox cycle to amplify the electric signal.

도 5에 나타난 바와 같이, BoNT/E LC가 올리고펩타이드(oligopeptide, IDTQNRQIDR-I)와 4-아미노-1-나프톨(4-amino-1-naphthol)이 결합된 반응물 안의 알지닌(arginine)과 이소루신(isoleucine) 사이를 절단하면, 순차적으로 아미노펩티다아제가 이소루신을 제거하여 생성물인 4-아미노-1-나프톨을 얻게 된다. 그 후, 상기 생성물인 4-아미노-1-나프톨, Ru(NH3)6 3+ 및 환원제인 트리스(2-카복시에틸)포스핀(tris(2-carboxyethyl)phosphine) 또는 디티오트레이톨 (dithiothreitol)이 참여하는 전기화학적-화학적-화학적 산화환원 순환 반응을 통해 전류 신호가 증폭된다.As shown in FIG. 5, when BoNT / E LC was reacted with arginine and isosin in the reaction product of an oligopeptide (IDTQNRQIDR-I) and 4-amino-1-naphthol When cleavage occurs between isoleucines, the aminopeptidase sequentially removes isoleucine to obtain the product, 4-amino-1-naphthol. Subsequently, the product, 4-amino-1-naphthol, Ru (NH 3 ) 6 3+ and tris (2-carboxyethyl) phosphine, a reducing agent, dithiothreitol ), The current signal is amplified through an electrochemical-chemical-chemical redox cycle.

본 실시예에서는, BoNT/E LC 를 검출하기 위해, BoNT/E LC가 녹아있는 액체 시료 속에 올리고펩타이드와 4-아미노-1-나프톨이 결합된 반응물(IDTQNRQIDR-I-AN), 아미노펩티다아제, Ru(NH3)6 3+ 및 환원제인 디티오트레이톨을 각각 0.1 mM, 10 μg/mL, 1.0 mM 및 2.0 mM 농도로 가한 후, 37℃에서 2 시간 동안 반응시켰다. 또한, 단일막 형성 등의 전처리를 하지 않은 인듐-주석 산화물(ITO)을 전극으로 이용하였다.
In this embodiment, in order to detect BoNT / ELC, a reaction product (IDTQNRQIDR-I-AN) in which a peptide and 4-amino-1-naphthol are bonded to an oligopeptide in a liquid sample in which BoNT / ELC is dissolved, aminopeptidase, Ru (NH 3 ) 6 3+ and dithiothreitol, which is a reducing agent, were added at concentrations of 0.1 mM, 10 μg / mL, 1.0 mM and 2.0 mM, respectively, followed by reaction at 37 ° C. for 2 hours. In addition, indium-tin oxide (ITO) without pre-treatment such as a single film formation was used as an electrode.

실험예 1. 단백질분해 효소의 검출 분석Experimental Example 1. Detection of proteolytic enzyme

실시예 1에 따른 단백질분해효소 검출용 센서에서 (a) pH 7.4의 포스페이트염화물 완충용액(phosphate buffer saline), (b) 수돗물 및 (c) 상업용 식수에 혼합된 다양한 농도의 BoNT/E LC 검출에 대한 시간 대 전하도(chronocoulometry)를 도 6에 나타내었고, 도 6의 (a) 내지 (c)에서 100초일 때의 BoNT/E LC 농도에 대한 보정된 전하를 도 7에 나타내었다. (A) phosphate buffer saline at pH 7.4, (b) tap water, and (c) commercial concentration of BoNT / E LC mixed with commercial drinking water in the sensor for detecting protease according to Example 1 The chronocoulometry for the time is shown in FIG. 6, and the corrected charge for the BoNT / E LC concentration at 100 seconds in FIG. 6 (a) - (c) is shown in FIG.

도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, BoNT/E LC의 검출한계는 포스페이트염화물 완충용액, 수돗물 및 상업용 식수에서 각각 200 pg/mL, 700 pg/mL 및 700 pg/mL로 나타났고, 포스페이트염화물 용액에서 수돗물, 상업용 식수보다 더 넓은 검출 가능한 농도 범위를 나타내었다.As shown in Figures 6 and 7, the detection limits of BoNT / E LC were 200 pg / mL, 700 pg / mL and 700 pg / mL, respectively, in phosphate buffered saline buffer, tap water and commercial drinking water, , The range of detectable concentrations was wider than that of tap water and commercial drinking water.

Claims (14)

하기의 구조식 1을 갖는 단백질분해효소 검출용 센서로서,
[구조식 1]
(1) (N) A-B-C (C); 또는
(2) (N) C-B-A (C);
상기 A-B는 목적 단백질분해효소에 의하여 절단 가능한 서열로 이루어진 펩타이드이고,
상기 B는 제2 단백질분해효소에 의하여 C로부터 절단되는 아미노산이며,
상기 C는 상기 B가 결합한 상태와 상기 B가 절단된 상태간에 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호의 차이를 나타내는 신호발생물질인 것인, 단백질분해효소 검출용 센서.
A sensor for detecting a protease having the following structural formula 1,
[Structural formula 1]
(1) (N) ABC (C); or
(2) (N) CBA (C);
AB is a peptide consisting of a sequence cleavable by a target protease,
B is an amino acid cleaved from C by a second protease,
Wherein C is a signal generating substance which indicates a difference in color, fluorescence, or electrochemical signal between the state in which B is bonded and the state in which B is cleaved.
제 1항에 있어서,
상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 (N) 말단 또는 (C) 말단에 제2 단백질분해효소의 절단작용을 방해하는 단백질분해효소 저해제인 D가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
The protein degradation inhibitor according to (1) or (2) above, wherein the protease inhibitor D, which interferes with the cleavage of the second protease, is bound to the (N) Sensor for enzyme detection.
제 1항에 있어서,
상기 A-B는 2 내지 500개의 아미노산으로 이루어진 펩타이드인 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the AB is a peptide consisting of 2 to 500 amino acids.
제 1항에 있어서,
상기 목적 단백질분해효소는 보툴리눔 신경독소(BoNT), 기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteinases; MMP), 트롬빈, FXIIIa(factor Xiiia), 카스파제(caspase), 우로키나아제 플라스미노겐 활성제(urokinase plasminogen activator, uPA), HIV 프로테아제, DPP-IV(dipeptidyl peptidase) 및 프로테아좀(proteasome)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
The target proteinase may be selected from the group consisting of botulinum neurotoxin (BoNT), matrix metalloproteinases (MMP), thrombin, FXIIIa (factor Xiiia), caspase, urokinase plasminogen activator, wherein the protease is at least one selected from the group consisting of uPA, HIV protease, dipeptidyl peptidase (DPP-IV), and proteasome.
제 1항에 있어서,
상기 제2 단백질분해효소는 아미노펩티다아제(aminopeptidase) 또는 카복시펩티다아제(carboxylpeptidase)인 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the second protease is an aminopeptidase or a carboxylpeptidase. 2. The sensor according to claim 1, wherein the second protease is an aminopeptidase or a carboxylpeptidase.
제 1항에 있어서,
상기 신호발생 물질은 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
Characterized in that the signal generating material generates a color, fluorescent or electrochemical signal.
제 1항에 있어서,
상기 신호발생 물질은 히드로퀴논, 아미노페놀, 디아미노벤젠, 디히드록시나프탈렌, 아미노나프톨, 디아미노나프탈렌, 벤조퀴논, 퀴논이민, 나프토퀴논, 나프토퀴논이민 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전기화학적 활성물질인 것을 특징으로 하는 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the signal generating material is selected from the group consisting of hydroquinone, aminophenol, diaminobenzene, dihydroxynaphthalene, aminonaphthol, diaminonaphthalene, benzoquinone, quinoneimine, naphthoquinone, naphthoquinone imine, Wherein the electrochemically active substance is an electrochemically active substance.
제 1항에 있어서,
상기 신호발생 물질은 나프틸아민, 아미노이소프탈린, 쿠마린, 시아닌, 플루오레신, 테트라메틸로드아민, 알렉사, 보디피 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 형광체인 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
Characterized in that the signal generating material is at least one phosphor selected from the group consisting of naphthylamine, aminoisophthalin, coumarin, cyanine, fluorescein, tetramethylolamine, alexa, Detecting enzyme for degrading enzyme.
제 6항에 있어서,
상기 전기화학적 신호는 신호발생 물질의 직접적인 산화환원 반응 또는 산화환원 순환반응을 이용하는 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 6,
Wherein the electrochemical signal utilizes a direct redox reaction or a redox circulation reaction of the signal generating material.
제 1항에 있어서,
상기 목적 단백질분해효소의 검출 한계는 1 ng/mL 이하인 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the detection limit of the target protease is 1 ng / mL or less.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 단백질분해효소 검출용 센서; 및
제2 단백질분해효소를 포함하는, 단백질분해효소 검출용 조성물.
11. A protease-detecting sensor according to any one of claims 1 to 10; And
A composition for detecting protease, comprising a second protease.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 단백질분해효소 검출용 센서에 목적 단백질분해효소 및 제2 단백질분해효소를 가하는 단계; 및
상기 센서로부터의 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호를 측정하는 단계;를 포함하는 단백질분해효소의 검출방법.
10. A method for detecting a protease comprising the steps of: adding a target proteinase and a second protease to a sensor for detecting a protease according to any one of claims 1 to 10; And
And measuring the color, fluorescence or electrochemical signal from the sensor.
(1) 목적 단백질분해효소에 의하여 절단 가능한 서열인 A-B로 이루어진 펩타이드에 상기 B가 결합한 상태와 상기 B가 절단된 상태간에 색깔, 형광 또는 전기화학적 신호의 차이를 나타내는 신호발생물질인 C를 반응시켜 결합하는 단계; 및
(2) 상기 (1)단계의 A-B-C 복합체를 전극에 가하는 단계;를 포함하는 단백질분해효소 검출용 센서의 제조방법.
(1) A signal generating substance C, which shows a difference in color, fluorescence or electrochemical signal, between a state in which B is bound and a state in which B is cleaved is reacted with a peptide consisting of AB, which is a cleavable sequence by a target protease, Combining; And
(2) adding the ABC complex of the step (1) to the electrode.
제 13항에 있어서,
상기 전극은 주석산화물 전극, 그래핀이 입혀진 주석산화물 전극, 탄소나노튜브가 입혀진 주석산화물 전극, 붕소가 도핑된 다이아몬드(boron-doped diamond) 전극, 유사다이아몬드 탄소(diamond-like carbon) 전극, 탄소 전극, 금 전극, 은 전극, Ag/AgCl 전극, 백금 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 단백질분해효소 검출용 센서의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The electrode may be a tin oxide electrode, a tin oxide electrode coated with graphene, a tin oxide electrode coated with carbon nanotube, a boron-doped diamond electrode, a diamond-like carbon electrode, , Gold electrode, silver electrode, Ag / AgCl electrode, platinum electrode, and combinations thereof.
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