KR101995895B1 - Isothermal detection method of DNA using graphene oxide and RNase H - Google Patents

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Abstract

The present invention provides an isothermal detecting method of a target DNA. The method comprises: a step (a) of reacting RNA probe having a florescent dye on an end portion thereof with graphene oxide to obtain a first reactant; a step (b) of adding a sample expected to contain a target DNA in the first reactant obtained in the step (a) and obtaining a second reactant to make the RNA probe and the target DNA form a dimer; a step (c) of adding RNase H to the second reactant obtained in the step (b) and obtaining a third reactant decomposing the RNA probe; and a step (d) of measuring florescence of the third reactant obtained in the step (c). The isothermal detecting method of DNAs using graphene oxides and RNase H may be useful as a detecting method of simple, specific, sensitive DNAs in clinical diagnosis, cancer immune therapy, food safety, forensic medicine and precision medicine fields.

Description

산화 그래핀 및 RNase H를 이용한 DNA의 등온 검출 방법{Isothermal detection method of DNA using graphene oxide and RNase H}[0002] Isothermal detection method of DNA using graphene oxide and RNase H [

본 발명은 단일 온도에서 DNA의 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화 그래핀 및 RNase H를 이용한 표적 DNA의 등온 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting DNA at a single temperature, and more particularly to a method for detecting isothermal detection of target DNA using graphene oxide and RNase H.

임상 진단, 암 면역 요법, 식품 안전, 법의학 및 정밀 의학 분야의 응용 분야에 있어서 매우 특이적이고 간단한 방식으로 소량의 DNA 또는 RNA를 검출하기 위한 지속적인 노력이 있었다. 전통적인 분석 방법은 표적 유전자를 증폭시키기 위해 열 순환기에서 중합 효소 연쇄 반응(PCR)에 의존하는 것이었다. 최근에는 PCR 기계의 개발 초기 기기에 비해 상대적으로 작은 기기에서 PCR을 수행하기 위한 열 사이클링 기술이 크게 발전하고 있다. 그러나, 자원 제한 국가 및 소규모 클리닉에서 사용 가능한, 간단하면서도 우수한 민감도 및 특이성을 갖는 방법으로 특정 서열을 검출하기 위한 새로운 분석법을 개발해야 할 필요성이 증가하고 있다.There has been a continuing effort to detect small amounts of DNA or RNA in a very specific and simple manner in the fields of clinical diagnostics, cancer immunotherapy, food safety, forensics and precision medicine. Traditional analytical methods rely on polymerase chain reaction (PCR) in thermocycler to amplify the target gene. In recent years, a thermal cycling technique for performing PCR in a relatively small device compared to the initial device of the PCR machine has been greatly developed. However, there is an increasing need to develop new assays for detecting specific sequences in a way that has simple yet excellent sensitivity and specificity, available in resource-constrained countries and small clinics.

현재까지, 핵산 서열 기반 증폭(nucleic-acid-sequence-based amplification), 루프 매개 증폭(loop-mediated amplification), 롤링 환 증폭(rolling-circle amplification) 및 헬리케이즈 의존 증폭(helicase-dependent amplification) 등의 열 순환기 없이 핵산을 검출하는 방법(등온 유전자 증폭)이 많이 연구되고 있으며, 이들 방법은 등온 조건에서 종래의 PCR과 유사하게 특이적인 폴리머라제 및 프라이머를 사용하여 증폭 산물(amplicon)을 생산하고 PCR의 성능에 필적하는 성능을 나타내었다.To date, there has been a growing interest in nucleic acid-sequence-based amplification, loop-mediated amplification, rolling-circle amplification and helicase-dependent amplification Methods for detecting nucleic acids without thermocycler (isothermal gene amplification) have been extensively studied. These methods use amplification products that are specific for polymerases and primers similar to conventional PCR under isothermal conditions. The performance comparable to the performance was shown.

등온 유전자 증폭보다 더 간단한 다른 등온 검출 방법은 특정 표적 유전자로부터의 검출 신호를 직접 증폭하는 것이다. 등온 신호 증폭은 RNase H, 엑소뉴클레아제 III(exonuclease III), 절단 엔도뉴클레아제(nicking endonuclease) 및 이중체 특이적인 뉴클레아제(duplex specific nuclease) 등의 뉴클레아제로 표지된 프로브를 분해시키기 위한 표적 DNA의 재사용의 결과이다. 등온 신호 증폭 방법(isothermal signal amplifying methods, ISAM)은 표적 DNA-프로브 혼성화에 있어서 효소 특이적인 구조를 필요로 한다. 예를 들어, 엑소뉴클레아제 III에 의한 ISAM은 프로브의 3` 평활 말단(blunt end)과 혼성화를 형성하고, 절단 엔도뉴클레아제 ISAM은 프로브의 절단을 위한 특정한 서열을 포함한다. 따라서, 효소 기질의 형성을 위하여는 세심한 프로브의 설계가 필요하다. 이와는 대조적으로, RNase H는 표적 DNA-RNA 이중체의 형태로 RNA에만 특이성을 나타내기 때문에 검출 서열에 대한 제한이 적은 장점이 있다.Another isothermal detection method that is simpler than isothermal gene amplification is to directly amplify the detection signal from a particular target gene. Isothermal signal amplification can be accomplished by digesting nuclease-labeled probes, such as RNase H, exonuclease III, nicking endonuclease, and duplex specific nuclease Lt; RTI ID = 0.0 > DNA < / RTI > Isothermal signal amplifying methods (ISAM) require enzyme-specific structures in the target DNA-probe hybridization. For example, ISAM by exonuclease III forms a hybridization with the 3'blunt end of the probe, and the cleavage endonuclease ISAM contains a specific sequence for cleavage of the probe. Therefore, careful probe design is required for the formation of the enzyme substrate. In contrast, RNase H has the advantage of less restriction on the detection sequence because it only shows specificity for RNA in the form of target DNA-RNA duplexes.

표적 DNA 재사용 및 형광 공여체-소광제(donor-quencher) 쌍을 이용한 프로브 절단 후 형광 발현을 처음으로 이용한 이래, 사이클링 프로브 기술(cycling probe technology, CPT)이라는 RNase H를 이용한 ISAM이 크게 발전하였다. 선행문헌(T. T. Goodrich, H. J. Lee and R. M. Corn, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 4086-4087.)에서는 CPT에서 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 이미징을 사용하여 2시간 내에 합성 올리고 뉴클레오티드 1 fM을 검출할 수 있는 것으로 보고된 바 있다. 또 다른 선행문헌(J. H. Kim, R. A. Estabrook, G. Braun, B. R. Lee and N. O. Reich, Chem. Commun., 2007, 0, 4342-4344.)에서는 DNA-RNA-DNA의 키메라 프로브 대신에 27-염기 RNA 프로브를 사용하였고, 그 RNA 프로브는 형광 소광제로서 금 나노입자(gold nanoparticle, AuNPs)에 고정화된 것으로 민감하고 신속한 프로테아제 활성 분석에 응용되기도 하였다. 그러나, 디티오트레이톨(dithiothreitol, DTT)과 같은 이황화 결합 환원제에 금 나노입자가 쉽게 응집되거나 고정화된 RNA 프로브가 탈착되기 때문에 이황화 결합 환원제가 필요한 RNase H 효소 이용에 제약이 따른다는 단점을 지니고 있다. RNase H의 기질로서 최소 2개의 혼성화된 염기가 가양성(false positive) 신호 증폭을 일으킬 수 있기 때문에, 이러한 특이성의 결핍을 해결하기 위해 올리고 뉴클레오티드와 핵산 리가제(ligase)의 2D 구조를 ISAM에 적용하려는 시도가 있었다(선행문헌 J. H. Kim, Analyst, 2016, 141, 6381-6386.). 그러나, 이 방법도 RNA 프로브-표적 DNA의 혼성체의 형성을 특이적으로 제어함과 동시에 표적 DNA의 재사용을 증가시키는 것에 어려움이 있기 때문에 RNase H-보조 ISAM의 단순성을 유지하면서 분해된 RNA 프로브의 수를 증가시켜 특이성을 높일 수 있는 새로운 방법의 개발이 요구된다.Since the first use of fluorescence expression after probe DNA cleavage using target DNA re-use and fluorescent donor-quencher pairs, ISAM using RNase H called cycling probe technology (CPT) has greatly developed. Surface plasmon resonance (SPR) imaging was performed in CPT for 2 hours at room temperature, using a preliminary document (TT Goodrich, HJ Lee and RM Corn, J. Am. Chem. Soc. , 2004, 126, 4086-4087) Lt; RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI > fM of the synthetic oligonucleotide. In another prior art (JH Kim, RA Estabrook, G. Braun, BR Lee and NO Reich, Chem. Commun. , 2007, 0, 4342-4344) The probe was immobilized on a gold nanoparticle (AuNPs) as a fluorescence quencher and was applied to the sensitive and rapid analysis of protease activity. However, since the gold nanoparticles are easily aggregated or immobilized on a disulfide-bonded reducing agent such as dithiothreitol (DTT), an RNA probe is desorbed, which is disadvantageous in that there is a restriction on the use of an RNase H enzyme requiring a disulfide bonded reducing agent . Since at least two hybridized bases as a substrate for RNase H can cause false positive signal amplification, the 2D structure of the oligonucleotide and nucleic acid ligase is applied to the ISAM to solve this lack of specificity (Prior Art JH Kim, Analyst , 2016, 141, 6381-6386). However, since this method also has difficulties in increasing the reuse of the target DNA while specifically controlling the formation of the hybrid of the RNA probe-target DNA, the RNA probe It is required to develop a new method that can increase the specificity by increasing the number.

한국 등록특허 제10-1554173호 (2015.09.18.)Korean Registered Patent No. 10-1554173 (2015.09.18.) 한국 공개특허 제10-2018-0065748호 (2018.06.18.)Korean Patent Publication No. 10-2018-0065748 (June 18, 2018).

Xiang Li et al., Science of Advanced Materials 2014, Vol. 6, 1-7.Xiang Li et al., Science of Advanced Materials 2014, Vol. 6, 1-7.

본 발명에서는 산화그래핀을 이용한 RNase H 보조 ISAM의 문제점을 극복하기 위한 새로운 방법이 개발되었다. 순수 금나노 입자와 유사하게, 산화그래핀은 단일 가닥 DNA/RNA에 대한 선택적 친화성을 갖는 것으로 알려져 있으며, 흡착된 핵산에 연결된 염료의 형광을 소광시킬 수 있다. 이와 대조적으로, 산화그래핀의 에폭시, 카르보닐 및 히드록실기와 같은 작용기는 폴리에틸렌 글리콜 또는 올리고 뉴클레오티드와 같은 안정화 리간드를 필요로 하지 않으면서 다양한 극성 분자를 함유하는 수용액에서 안정한 분산을 가능하게 한다. 이러한 특성을 이용하여 효소를 이용한 표적 RNA를 민감하게 검출할 수 있다. 최근에는 단일 염기가 미스매치된 이중가닥의 DNA가 산화그래핀과 상호 작용하는 것이 보고되었다. 그러나, 단일 염기 식별 상호 작용은 아직 뉴클레아제 기반의 ISAM에 적용되지 않았다.In the present invention, a new method for overcoming the problems of the RNase H auxiliary ISAM using the oxidized graphene has been developed. Similar to pure gold nanoparticles, oxidized graphene is known to have selective affinity for single stranded DNA / RNA and can quench the fluorescence of dyes linked to the adsorbed nucleic acid. In contrast, functional groups such as epoxy, carbonyl and hydroxyl groups of oxidized graphene enable stable dispersion in aqueous solutions containing various polar molecules without the need for stabilizing ligands such as polyethylene glycols or oligonucleotides. Using these properties, the target RNA using the enzyme can be sensitively detected. Recently, it has been reported that double stranded DNA in which a single base is mismatched interacts with oxidized graphene. However, single base discrimination interactions have not yet been applied to nuclease based ISAMs.

따라서, 본 발명자들은 표적 DNA의 간단하고, 특이적이고, 민감한 검출을 위해 염료 표지된 RNA 프로브의 서열 특이적 분해를 제어하는 방법으로 산화그래핀을 이용하였다. 그 결과 산화그래핀을 RNase H 효소 반응 전에 추가한 본 발명은 30분 내에 20 attomole만큼 낮은 양의 26 염기 길이의 표적 DNA를 검출할 수 있었고, 불일치된 염기의 종류에 관계없이 단일 염기의 불일치를 구별하므로 RNase H 사용시의 단점인 비특이성을 현저히 낮출 수 있었다. 이로부터, 본 발명은 산화 그래핀 및 RNase H를 이용한 DNA의 등온 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Thus, we used oxidized graphene as a method to control sequence-specific degradation of dye-labeled RNA probes for simple, specific, sensitive detection of target DNA. As a result, the present invention, in which the graphene oxide was added before the RNase H enzyme reaction, was able to detect a 26-base-long target DNA in an amount as low as 20 attomoles within 30 minutes, and found a single base inconsistency regardless of the type of the incompatible base And thus the non-specificity, which is a disadvantage of using RNase H, could be significantly lowered. It is therefore an object of the present invention to provide a method for isothermal detection of DNA using graphene oxide and RNase H.

본 발명의 일 측면에 따라, (a) 말단에 형광염료를 포함하는 RNA 프로브를 산화그래핀과 반응시켜 제 1 반응물을 얻는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 상기 제 1 반응물에 표적 DNA를 포함하고 있을 것으로 예상되는 검체를 첨가하여 RNA 프로브와 표적 DNA가 이중체를 형성하도록 하는 제 2 반응물을 얻는 단계; (c) 단계(b)에서 얻어진 상기 제 2 반응물에 RNase H를 첨가하여 RNA 프로브가 분해되도록 하는 제 3 반응물을 얻는 단계; 및 (d) 단계(c)에서 얻어진 상기 제 3 반응물의 형광을 측정하는 단계를 포함하는 표적 DNA의 등온 검출 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a nucleic acid comprising the steps of: (a) reacting an RNA probe containing a fluorescent dye at its end with an oxidized graphene to obtain a first reactant; (b) adding a specimen expected to contain the target DNA to the first reactant obtained in step (a) to obtain a second reactant for forming a duplex between the RNA probe and the target DNA; (c) adding RNase H to the second reactant obtained in step (b) to obtain a third reactant for degrading the RNA probe; And (d) measuring the fluorescence of the third reactant obtained in step (c).

일 구현예에서, 상기 단계(c)의 RNA 프로브가 분해된 제 3 반응물이 단계(b)로 이동하여 반복 수행될 수 있다.In one embodiment, the third reactant from which the RNA probe of step (c) has been degraded may be transferred to step (b) and repeatedly performed.

일 구현예에서, 상기 산화그래핀이 농도 1 내지 50 ㎍/㎖일 수 있다.In one embodiment, the graphene oxide may be at a concentration of 1 to 50 [mu] g / ml.

일 구현예에서, 상기 RNA 프로브가 농도 0.1 내지 500 nM일 수 있다.In one embodiment, the RNA probe may be at a concentration of 0.1-500 nM.

일 구현예에서, 상기 RNase H가 농도 0.01 내지 5 U/㎕일 수 있다.In one embodiment, the RNase H concentration may be 0.01 to 5 U / [mu] l.

일 구현예에서, 상기 단계(a) 내지 단계(c)가 온도 20 ~ 70 ℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, steps (a) through (c) may be performed at a temperature of 20-70 ° C.

본 발명에 의해, 산화 그래핀 및 RNase H를 이용한 DNA의 등온 검출 방법이 산화그래핀을 RNase H 효소반응 전에 첨가시 표적 DNA에 대한 우수한 특이성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 또한, 상기 DNA의 등온 검출 방법은 30분 내에 신속하게 수행할 수 있으며, 37 ℃의 온화한 온도에서 수행하므로 종래의 분자 진단의 복잡성 및 고비용을 효과적으로 극복할 수 있다.According to the present invention, it has been found that the isothermal detection method of DNA using graphene oxide and RNase H shows excellent specificity to the target DNA when the graphene oxide is added before the RNase H enzyme reaction. In addition, the isothermal detection method of the DNA can be performed rapidly within 30 minutes and is performed at a mild temperature of 37 ° C, which can effectively overcome the complexity and high cost of conventional molecular diagnostics.

따라서, 산화 그래핀 및 RNase H를 이용한 DNA의 등온 검출 방법은 임상 진단, 암 면역 요법, 식품 안전, 법의학 및 정밀 의학 분야에서 간단하고 특이적이며 민감한 DNA 검출 방법으로서 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the isothermal detection method of DNA using the graphene oxide and RNase H can be used as a simple, specific and sensitive DNA detection method in clinical diagnosis, cancer immunotherapy, food safety, forensic medicine and precision medicine.

도 1은 산화그래핀과 RNase H를 이용한 RNA 프로브-표적 DNA 상호작용의 등온 제어(실시예 및 비교예)를 나타난 개략도이다.
도 2는 산화그래핀 및 표적 DNA의 존재 및 부재 하에서 RNA 프로브의 형광 스펙트럼 결과이다.
도 3은 표적 DNA(100 nM) 또는 비상보적 DNA(non-complementary DNA, NCD)의 존재하에서 프로브와 혼합된 산화그래핀 양을 최적화하여 나타낸 결과(a, 실시예의 상대적 형광 강도; b, 비교예의 상대적 형광 강도; c, 실시예의 신호 대 잡음비(signal to ratio, SN ratio); d, 비교예의 SN ratio)이다.
도 4는 100 nM RNA 프로브, 100 nM 표적 DNA 및 10 ㎍/㎖ 산화그래핀을 이용하여 실시예 또는 비교예에서의 RNase H의 농도를 최적화하여 나타낸 결과(a, 실시예의 SN ratio; b, 비교예의 SN ratio)이다.
도 5는 100 nM RNA 프로브, 100 nM 표적 DNA 및 10 ㎍/㎖ 산화그래핀을 이용하여 실시예 또는 비교예에서의 RNase H 농도에 따라 반응된 시료의 520 nm에서의 형광 강도(Fluorescence intensity, F.I.)로 나타낸 결과(a, 실시예의 F.I.; b, 비교예의 F.I.)이다. (a)의 파란색선은 실시예에서 표적 DNA가 존재하는 경우를 나타내고, (b)의 주황색선은 비교예에서 표적 DNA가 존재하는 경우를 나타낸다. (a) 및 (b)의 검정색선은 실시예 및 비교예에서 표적 DNA가 존재하지 않는 경우를 나타낸다.
도 6은 0 - 100 nM의 표적 DNA의 양, 최적화된 RNase H 및 산화그래핀을 이용하여 실시예에서의 표적 DNA 검출의 민감도를 나타낸 결과(a, 형광 스펙트럼; B, SN ratio)이다. SN ratio 측정에는 520 nm에서의 형광 강도를 사용하였다. (a)에 삽입된 그래프는 10 pM 미만의 표적 DNA에 대한 결과를 확대한 형광 스펙트럼이고, (b)에 삽입된 그래프는 0 - 0.1 nM의 표적 DNA에 대한 결과를 확대한 SN ratio를 나타낸다.
도 7은 0 - 100 nM의 표적 DNA의 양, 최적화된 RNase H 및 산화그래핀을 이용하여 비교예에서의 표적 DNA 검출의 민감도를 나타낸 결과(a, 형광 스펙트럼; b, SN ratio)이다. SN ratio 측정에는 520 nm에서의 형광 강도를 사용하였다. (a)에 삽입된 그래프는 10 pM 미만의 표적 DNA에 대한 결과를 확대한 형광 스펙트럼이고, (b)에 삽입된 그래프는 0 - 0.1 nM의 표적 DNA에 대한 결과를 확대한 SN ratio를 나타낸다.
도 8은 RNase H의 부재 하에서 0 - 100 nM의 표적 DNA의 양 및 최적화된 산화그래핀을 이용하여 실시예/비교예에서의 표적 DNA 검출의 민감도를 나타낸 결과(a/c, 형광 스펙트럼; b/d, SN ratio)이다. SN ratio 측정에는 520 nm에서의 형광 강도를 사용하였다. (a) 및 (b)에 삽입된 그래프는 표적 DNA에 대한 결과를 확대한 형광 스펙트럼이다.
도 9는 RNA 프로브에 대한 형광 강도의 표준 곡선을 나타낸 결과이다.
도 10은 산화그래핀의 첨가 순서에 따른 표적 DNA 검출에서의 특이성을 나타내는 결과(a, 실시예에 따라 수행된 100 nM RNA 프로브, 산화그래핀 및 4 종류의 DNA 서열(야생형 및 3개의 단일 염기 미스매치(T[M_T], G[M_G] 및 C[M_C]))의 반응에서의 SN ratio; b, 비교예에 따라 수행된 100 nM RNA 프로브, 산화그래핀 및 4 종류의 DNA 서열의 반응에서의 SN ratio)이다. (a) 및 (b)에 삽입된 그래프는 미스매치된 3개 DNA에 대한 결과를 확대한 SN ratio를 나타낸다.
도 11은 야생형 표적 DNA 및 3개의 단일 염기 미스매치된 DNA(T[M_T], G[M_G] 및 C[M_C])의 존재하에 RNA 프로브의 상대 SN ratio 결과이다. 상대 SN ratio는 실시예에 따라 반응된 시료의 SN ratio를 비교예에 따라 반응된 시료의 SN ratio로 나눈 값이다.
1 is a schematic diagram showing isothermal control of RNA probe-target DNA interaction using oxidized graphene and RNase H (Examples and Comparative Examples).
Figure 2 shows the fluorescence spectra of RNA probes in the presence and absence of oxidized graphene and target DNA.
Figure 3 shows the results (a, relative fluorescence intensity of the example, b, of the comparative example) of optimizing the amount of oxidized graphene mixed with the probe in the presence of the target DNA (100 nM) or non-complementary DNA Relative fluorescence intensity c, signal-to-noise ratio (SN ratio) of the embodiment, d, SN ratio of the comparative example).
Figure 4 shows the results (a, SN ratio of the examples, b, comparison) of optimizing the concentration of RNase H in the example or comparative example using 100 nM RNA probe, 100 nM target DNA and 10 쨉 g / SN ratio).
FIG. 5 shows the fluorescence intensity (FI) at 520 nm of a sample reacted according to the concentration of RNase H in the Example or Comparative Example using 100 nM RNA probe, 100 nM target DNA and 10 μg / (A in the example, FI in the embodiment, FI in the comparative example). The blue line in (a) shows the case where the target DNA is present in the examples, and the orange line in (b) shows the case in which the target DNA exists in the comparative example. The black lines in (a) and (b) show the case where the target DNA is not present in the examples and the comparative examples.
Figure 6 shows the results (a, fluorescence spectrum; B, SN ratio) showing the sensitivity of target DNA detection in the examples using optimized amounts of target DNA of 0-100 nM, optimized RNase H and oxidized graphene. The fluorescence intensity at 520 nm was used for SN ratio measurements. (a) shows the fluorescence spectrum of the target DNA of less than 10 pM, and the graph of (b) shows the SN ratio of the result of the target DNA of 0 to 0.1 nM.
FIG. 7 shows the results (a, fluorescence spectrum, b, SN ratio) showing the sensitivity of the target DNA detection in the comparative example using the amount of target DNA of 0-100 nM, the optimized RNase H and the oxidized graphene. The fluorescence intensity at 520 nm was used for SN ratio measurements. (a) shows the fluorescence spectrum of the target DNA of less than 10 pM, and the graph of (b) shows the SN ratio of the result of the target DNA of 0 to 0.1 nM.
Fig. 8 shows the results (a / c, fluorescence spectrum; b) showing the sensitivity of detection of target DNA in the examples / comparative examples using the amount of target DNA of 0-100 nM in the absence of RNase H and the optimized graphene oxide / d, SN ratio). The fluorescence intensity at 520 nm was used for SN ratio measurements. The graphs inserted in (a) and (b) are the fluorescence spectra obtained by enlarging the results for the target DNA.
Fig. 9 shows the results of a standard curve of fluorescence intensity for an RNA probe.
Fig. 10 shows the results (a, 100 nM RNA probe, oxidized graphene and four kinds of DNA sequences (wild type and three single bases) which were carried out according to the example, showing the specificity in detection of target DNA according to the order of addition of graphene oxide SN ratio in the reaction of mismatches (T [M_T], G [M_G] and C [M_C]); b, reaction of 100 nM RNA probe, oxidized graphene and four kinds of DNA sequences SN ratio). The graphs inserted in (a) and (b) show the SN ratios in which the results for the three mismatched DNAs are expanded.
Figure 11 shows the relative SN ratio results of RNA probes in the presence of wild type target DNA and three single base mismatched DNAs (T [M_T], G [M_G] and C [M_C]). The relative SN ratio is a value obtained by dividing the SN ratio of the reacted sample by the SN ratio of the reacted sample according to the comparative example.

본 발명은, (a) 말단에 형광염료를 포함하는 RNA 프로브를 산화그래핀과 반응시켜 제 1 반응물을 얻는 단계; (b) 단계(a)에서 얻어진 상기 제 1 반응물에 표적 DNA를 포함하고 있을 것으로 예상되는 검체를 첨가하여 RNA 프로브와 표적 DNA가 이중체를 형성하도록 하는 제 2 반응물을 얻는 단계; (c) 단계(b)에서 얻어진 상기 제 2 반응물에 RNase H를 첨가하여 RNA 프로브가 분해되도록 하는 제 3 반응물을 얻는 단계; 및 (d) 단계(c)에서 얻어진 상기 제 3 반응물의 형광을 측정하는 단계를 포함하는 표적 DNA의 등온 검출 방법을 제공한다.(A) reacting an RNA probe containing a fluorescent dye at its end with oxidized graphene to obtain a first reactant; (b) adding a specimen expected to contain the target DNA to the first reactant obtained in step (a) to obtain a second reactant for forming a duplex between the RNA probe and the target DNA; (c) adding RNase H to the second reactant obtained in step (b) to obtain a third reactant for degrading the RNA probe; And (d) measuring the fluorescence of the third reactant obtained in step (c).

본 발명의 검출 방법은 말단에 형광염료를 포함하는 RNA 프로브를 산화그래핀과 반응시켜 제 1 반응물을 얻는 단계[즉, 단계(a)]를 포함한다. 단계(a)에서 산화그래핀은 단일 가닥 DNA 및 RNA에 대한 친화력이 강하고 형광 소광 능력이 있기 때문에 RNA 프로브로 표지된 염료의 형광이 표적 DNA이 없는 경우에 산화그래핀에 의하여 소광된다.The detection method of the present invention includes a step (that is, step (a)) of reacting an RNA probe containing a fluorescent dye at its terminal end with an oxidized graphene to obtain a first reactant. In step (a), the oxidized graphene has strong affinity for single-stranded DNA and RNA and has fluorescence quenching capability, so that the fluorescence of the dye labeled with the RNA probe is quenched by the oxidative graphene in the absence of the target DNA.

본 발명의 검출 방법은 단계(a)에서 얻어진 상기 제 1 반응물에 표적 DNA를 포함하고 있을 것으로 예상되는 검체를 첨가하여 RNA 프로브와 표적 DNA가 이중체를 형성하도록 하는 제 2 반응물을 얻는 단계[즉, 단계(b)]를 포함한다. 단계(b)에서 산화그래핀에 흡착된 RNA/표적 DNA는 DNA 분해 효소로부터 보호되며 표적 DNA와 이중체를 형성함으로써 산화그래핀으로부터 방출된다.The detection method of the present invention comprises the steps of adding a specimen expected to contain a target DNA to the first reactant obtained in step (a) to obtain a second reactant for forming a duplex between the RNA probe and the target DNA , Step (b)]. In step (b), the RNA / target DNA adsorbed to the oxidized graphene is protected from the DNA degrading enzyme and is released from the oxidized graphene by forming a duplex with the target DNA.

본 발명의 검출 방법은 단계(b)에서 얻어진 상기 제 2 반응물에 RNase H를 첨가하여 RNA 프로브가 분해되도록 하는 제 3 반응물을 얻는 단계[즉, 단계(c)]를 포함한다. 단계(c)에서 RNase H에 의한 RNA 프로브의 분해는 표적 DNA가 열 순환 없이 산화그래핀 상에서 흡착되어 손상되지 않은 RNA 프로브와 새로운 이중체를 형성하게 하고, 단계(c)의 RNA 프로브가 분해된 제 3 반응물이 단계(b)로 이동하여 반복 수행될 수 있다.The detection method of the present invention includes the step of adding a RNase H to the second reactant obtained in step (b) to obtain a third reactant for allowing the RNA probe to be degraded (i.e., step (c)). The degradation of the RNA probe by RNase H in step (c) causes the target DNA to adsorb on the oxidized graphene without thermocycling to form a new duplex with the uninjured RNA probe, and the RNA probe of step (c) The third reactant may be moved to step (b) and repeatedly performed.

본 발명의 검출 방법은 단계(c)에서 얻어진 상기 제 3 반응물의 형광을 측정하는 단계[즉, 단계(d)]를 포함한다. 단계(d)에서 형광은 480 nm의 여기 파장 및 500 ~ 700 nm의 방츨 파장에서 마이크로플레이트 판독기를 사용하여 기록한다.The detection method of the present invention includes the step of measuring the fluorescence of the third reactant obtained in step (c) (i.e., step (d)). In step (d), fluorescence is recorded using a microplate reader at an excitation wavelength of 480 nm and a wavelength of 500 to 700 nm.

일 구현예에서, 상기 산화그래핀이 농도 1 ~ 50 ㎍/㎖, 바람직하게는 5 ~ 20 ㎍/㎖, 가장 바람직하게는 10 ㎍/㎖일 수 있으며, 상기 RNA 프로브가 농도 0.1 ~ 500 nM, 바람직하게는 10 ~ 200 nM, 가장 바람직하게는 100 nM일 수 있으며, 상기 RNase H가 농도 0.01 ~ 5 U/㎕, 바람직하게는 0.1 ~ 3 U/㎕, 가장 바람직하게는 2 U/㎕일 수 있다.In one embodiment, the oxidized graphene may be in a concentration of 1 to 50 μg / ml, preferably 5 to 20 μg / ml, most preferably 10 μg / ml, and the RNA probe may be in a concentration of 0.1-500 nM, Preferably 10 to 200 nM, most preferably 100 nM, and the RNase H concentration may be 0.01 to 5 U / μl, preferably 0.1 to 3 U / μl, and most preferably 2 U / have.

일 구현예에서, 상기 단계(a) 내지 단계(c)가 온도 20 ~ 70 ℃, 바람직하게는 30 ~ 40 ℃, 가장 바람직하게는 37 ℃에서 수행될 수 있다.In one embodiment, steps (a) to (c) can be performed at a temperature of 20 to 70 캜, preferably 30 to 40 캜, most preferably 37 캜.

산화그래핀의 역할을 평가하기 위하여 산화그래핀이 RNase H 효소 반응에 첨가되는 순서에 따라 2개의 상이한 방식(실시예 및 비교예)으로 비교한 결과, RNA 프로브의 형광은 산화그래핀의 존재 하에서 현저히 감소되어 산화그래핀에 형광 표지된 RNA 프로브가 흡착됨을 나타내었다. 또한, 산화그래핀 및 RNase H의 최적의 양을 각각 확보하여 표적 DNA에 대한 20 attomole의 우수한 민감도 및 탁월한 특이성을 확인하였다. 따라서, 산화 그래핀 및 RNase H를 이용한 DNA의 등온 검출 방법은 37 ℃의 온화한 온도에서 수행하므로 종래의 분자 진단의 복잡성 및 고비용을 효과적으로 극복하는 동시에 우수한 민감성과 탁월한 특이성으로 생물학 및 의학 분야에서 새로운 표적 DNA 분석법으로 유용하게 사용될 수 있다.To evaluate the role of the oxidized graphene, two different methods (Examples and Comparative Examples) were compared according to the order in which the oxidized graphene was added to the RNase H enzyme reaction. As a result, the fluorescence of the RNA probe was observed in the presence of oxidized graphene And the fluorescence labeled RNA probe was adsorbed to the oxidized graphene. In addition, the optimum amount of graphene oxide and RNase H was secured, respectively, to confirm excellent sensitivity and excellent specificity of 20 attomole to target DNA. Therefore, the isothermal detection method using DNA graphene and RNase H is performed at a mild temperature of 37 ° C, thus effectively overcoming the complexity and high cost of conventional molecular diagnostics, while at the same time having excellent sensitivity and excellent specificity, DNA analysis can be usefully used.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Examples>

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

(1) 재료(1) Material

본 발명에서 사용된 모든 올리고뉴클레오티드(표 1 참조)는 IDT, Inc.(미국 일리노이주)에서 입수하였다. 저장 완충액(25 mM 트리스-HCl, 30 mM 염화나트륨, 0.5 mM EDTA, 1 mM DTT, 50 % 글리세롤, pH 7.5) 중의 RNase H(60 Units/㎕)는 타카라 바이오 인크.(Shiga, Japan)로부터 구입하였다. 뉴잉글랜드 바이오랩스 인크.(Ipswich, USA)로부터 10 × 반응 완충액(750 mM 염화칼륨, 500 mM 트리스-HCl, 30 mM 염화마그네슘, 100 mM DTT, pH 8.3)을 얻었다.All oligonucleotides used in the present invention (see Table 1) were obtained from IDT, Inc. (Illinois, USA). RNase H (60 Units / μl) in storage buffer (25 mM Tris-HCl, 30 mM sodium chloride, 0.5 mM EDTA, 1 mM DTT, 50% glycerol, pH 7.5) was purchased from Takara Bio Inc. . 10 × reaction buffer (750 mM potassium chloride, 500 mM Tris-HCl, 30 mM magnesium chloride, 100 mM DTT, pH 8.3) was obtained from New England BioLabs Inc. (Ipswich, USA).

다른 모든 화합물은 시그마-알드리치에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였고, Milli-Q® 수질 정화 시스템(밀리포어, MA, USA)의 Biopak® 연마기를 사용하여 가공한 초순수 DNase/RNase-free 증류수(D.W)를 모든 실험에 사용하였다.All other compounds were purchased from Sigma-Aldrich and used without further purification. Ultrapure DNase / RNase-free distilled water (DW) processed using a Biopak ® grinder from Milli-Q ® water purification system (Millipore, MA, USA) Were used for all experiments.

Figure 112018102923257-pat00001
Figure 112018102923257-pat00001

(2) 산화그래핀 또는 산화그래핀-프로브 복합체의 제조(2) Preparation of oxidized graphene or oxidized graphene-probe complex

D.W.에 분산된 산화그래핀(0.1 mg/㎖)의 용액을 1시간 동안 항온수조 초음파기(Branson, USA)에서 초음파 처리하여 안정한 산화그래핀 현탁액을 얻었다. 갈색 분산액을 4000 rpm에서 10분 동안 원심분리한 후, 남아있는 펠렛을 D.W.에 분산시켰다. 산화그래핀 현탁액의 품질은 나노 입자 분석기(SZ-100, Horiba, Japan)와 UV-가시광선 분광계(Carry 5000, Agilent, USA)를 사용하여 산화그래핀의 크기와 농도를 측정하여 분석하였다.A solution of oxidized graphene (0.1 mg / ml) dispersed in D.W. was sonicated in a thermostatic bath sonicator (Branson, USA) for 1 hour to obtain a stable oxidized graphene suspension. The brown dispersion was centrifuged at 4000 rpm for 10 minutes and then the remaining pellets were dispersed in D.W. The quality of the oxidized graphene suspension was analyzed by measuring the size and concentration of the oxidized graphene using a nanoparticle analyzer (SZ-100, Horiba, Japan) and a UV-visible spectrophotometer (Carry 5000, Agilent, USA).

산화그래핀-RNA 프로브 복합체는 100 ㎕의 RNA 프로브(1 μM)과 100 ㎕의 10× 반응 완충액을 700 ㎕의 D.W에 첨가한 혼합액에 산화그래핀 용액(0.1 mg/㎖) 100 ㎕를 넣은 후 30초 동안 격렬히 교반한 후 실온에서 1시간 동안 배양하였다. 이어서, 12,000 rpm에서 20분 동안 원심분리하여 얻은 RNA 프로브-산화그래핀 혼합물을 1 ~ 3분 동안 격렬하게 교반하고 초음파를 가하여 새로운 완충액에 분산시킨 산화그래핀-프로브 복합체를 사용 전까지 4 ℃의 어두운 곳에 보관하였다.The oxidized graphene-RNA probe complex was prepared by adding 100 μl of the oxidized graphene solution (0.1 mg / ml) to a mixture of 100 μl of RNA probe (1 μM) and 100 μl of 10 × reaction buffer to 700 μl of DW After vigorous stirring for 30 seconds, the cells were incubated at room temperature for 1 hour. The graphene oxide-probe complex obtained by centrifuging the RNA probe-oxidized graphene mixture obtained by centrifugation at 12,000 rpm for 20 minutes at 20,000 rpm was vigorously stirred for 1 to 3 minutes and ultrasonicated and dispersed in a new buffer. Respectively.

(3) 산화그래핀 및 RNase H의 최적량 평가 (3) Evaluation of optimum amount of oxidized graphene and RNase H

표적 DNA 검출 분석을 위한 산화그래핀의 최적의 양을 결정하기 위해, 100 nM의 RNA 프로브와 다양한 양의 산화그래핀을 혼합하여 제조된 산화그래핀-RNA 프로브 복합체를 37 ℃에서 30분 동안 표적 DNA 또는 비상보적 DNA와 반응시켰다. 반응시킨 혼합물의 형광을 여기 파장 480 nm에서 마이크로플레이트 판독기(Infinite M200 Pro, Tecan, Switzerland)를 사용하여 기록하였다.To determine the optimum amount of oxidized graphene for target DNA detection analysis, the oxidized graphene-RNA probe complex prepared by mixing 100 nM RNA probe with various amounts of oxidized graphene was incubated at 37 &lt; 0 &gt; DNA or non-complementary DNA. Fluorescence of the reacted mixture was recorded using a microplate reader (Infinite M200 Pro, Tecan, Switzerland) at excitation wavelength of 480 nm.

최적화된 양의 산화그래핀, 100 pM의 표적 DNA, 100 nM의 RNA 프로브 및 다양한 양의 RNase H로 DNA 검출 분석을 수행하여, 분석을 위한 최적의 RNase H의 양을 결정하였다. DNA 검출 분석을 하기 전에, 표적 DNA 및 RNA 프로브를 90 ℃에서 10분 동안 변성시키고 천천히 상온으로 냉각시켰다. RNase H 효소 반응 후 효소 활성을 정지시키기 위해 90 ℃에서 10분 동안 열처리하고 상온에서 냉각시킨 후 형광 스펙트럼을 측정하였다.A DNA detection assay was performed with an optimized amount of graphene oxide, 100 pM of target DNA, 100 nM of RNA probe and various amounts of RNase H to determine the optimal amount of RNase H for analysis. Before DNA detection analysis, the target DNA and RNA probes were denatured at 90 DEG C for 10 minutes and slowly cooled to room temperature. After the enzymatic reaction with RNase H, the enzyme activity was stopped by heat treatment at 90 ° C for 10 minutes, and after cooling at room temperature, the fluorescence spectrum was measured.

(4) DNA 검출 분석(4) DNA detection analysis

100 nM RNA 프로브 또는 RNA 프로브-산화그래핀 복합체가 포함된 1× 반응 완충용액 20 ㎕에서 다양한 농도의 DNA를 이용하여 37 ℃에서 RNase H 존재 또는 부재 하에서 반응 후 여기 파장 480 nm, 방출 파장 500 nm에서 700 nm 사이에서 방출 형광 스펙트럼을 측정하였다. RNase H가 첨가된 시료의 경우 효소활성을 정지시키기 위해 90 ℃에서 10분 동안 시료를 열처리하고 상온으로 냉각한 후 형광 스펙트럼을 측정하였다.100 nM RNA probe or RNA probe-oxidized graphene complex was reacted in 20 μl of DNA buffer at various concentrations in the presence or absence of RNase H at 37 ° C. To 700 nm. &Lt; tb &gt; &lt; TABLE &gt; In the case of RNase H-added samples, the sample was heat-treated at 90 ° C for 10 minutes to stop the enzyme activity, and after cooling to room temperature, the fluorescence spectrum was measured.

(5) 효소 반응 전에 산화그래핀-프로브 복합체를 형성하는 방법(실시예)(5) Method of forming oxidized graphene-probe complex before enzyme reaction (Example)

RNA 프로브가 산화 그패핀 표면에 흡착되면서 RNA 프로브에서 표지된 염료의 형광은 산화그래핀에 의해 소광된다. 표적 DNA가 존재하면 RNA 프로브-표적 DNA의 이중체(RNase H의 기질)가 형성되면서 RNA 프로브는 산화그래핀으로부터 탈착된다. RNase H에 의하여 이중체로부터 RNA 프로브가 분해되고 표적 DNA는 이중체에서 분리되어, 손상되지 않은 산화 그래핀에 흡착된 RNA 프로브와 새로운 이중체를 형성하게 된다. 이러한 방법으로 표적 DNA로 RNA 프로브를 다중 분리 및 분해시키게 하였다. 이 방법에 의해 RNA 프로브가 분해되면 프로브에 표지된 염료는 산화그래핀으로부터 멀리 떨어져 있게 되고, RNA 프로브의 다중 분해 사이클의 결과로서 형광이 증폭되기 때문에, 증폭된 형광을 측정하여 단일 표적 DNA을 검출할 수 있게 되는 것이다(도 1 참조).As the RNA probe is adsorbed on the oxidized gaffin surface, the fluorescence of the labeled dye in the RNA probe is quenched by the oxidative graphene. When the target DNA is present, the RNA probe is desorbed from the oxidized graphene as a duplex of RNA probe-target DNA (substrate of RNase H) is formed. RNase H degrades the RNA probe from the duplex and the target DNA is separated from the duplex and forms a new duplex with the RNA probe adsorbed to the intact oxidative graphene. In this way, the RNA probe was multi-isolated and digested with the target DNA. When the RNA probe is degraded by this method, the dye labeled on the probe is far away from the oxidized graphene, and fluorescence is amplified as a result of the multiple degradation cycle of the RNA probe. Therefore, the amplified fluorescence is measured to detect a single target DNA (See FIG. 1).

(6) 효소 반응 후에 산화그래핀을 첨가하는 방법(비교예)(6) Method of adding graphene oxide after enzyme reaction (Comparative Example)

산화그래핀은 RNase H에 의한 효소반응이 완료된 후에 반응물에 첨가되므로, 산화그래핀은 효소 또는 RNA 프로브-표적 DNA의 상호 작용에 영향을 미치지 않고 효소 반응 후의 남아있는 손상되지 않은 RNA 프로브의 형광 소광제로 작용한다(도 1 참조).Since the oxidized graphene is added to the reaction after the enzymatic reaction with RNase H is completed, the oxidized graphene does not affect the interaction of the enzyme or RNA probe-target DNA, and the fluorescence quenching of the remaining undamaged RNA probe after the enzyme reaction (See FIG. 1).

2. 결과2. Results

(1) 산화그래핀의 표적 DNA 검출에서의 형광 소광 평가(1) Evaluation of fluorescence quenching in detection of target DNA of oxidized graphene

RNA 프로브의 특이성 및 다중 분해에 대한 산화그래핀의 역할을 조사하기 위해, RNase H 반응에 첨가되는 순서에 따라 산화그래핀을 2개의 상이한 방식(실시예 및 비교예)으로 사용하였다(도 1 참조). 실시예에서는 산화그래핀의 존재 하에서 RNase H 효소 반응이 수행되었다. 산화그래핀은 단일가닥 DNA 및 RNA에 대한 친화력이 강하고 형광을 소광시키는 능력이 있기 때문에 RNA 프로브로 표지된 염료의 형광은 표적 DNA가 없는 경우에 산화그래핀에 의해 소광되었다. 산화그래핀에 흡착된 RNA/DNA는 DNA 분해 효소로부터 보호되고, 단일 RNA 프로브는 표적 DNA와 이중체를 형성함으로써 산화그래핀으로부터 방출된 후에만 RNA 프로브를 분해할 수 있다. RNase H는 RNA 프로브를 분해하여 표적 DNA가 열 순환 없이 산화그래핀 상에 흡착된 손상되지 않은 RNA 프로브와 또 다른 이중체를 형성하도록 해리시킨다. 등온 반응 동안, 분해된 프로브의 표지된 염료는 산화그래핀으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 반응 결과 회복된다. 결과적으로 단일 표적 DNA 당 RNA 프로브의 다중 분해 사이클을 통해 형광이 증폭되어 표적 DNA의 민감한 검출이 가능한 것이다. 산화그래핀이 RNA 프로브-표적 DNA 이중체의 특이적 형성에 참여하는 경우, 단순한 선형 RNA 프로브 구조만으로도 높은 특이성을 기대할 수 있다. 비교예에서, 효소 반응을 수행한 후에 분석 샘플에 산화그래핀이 첨가되었다. 이 때, 산화그래핀은 반응 후에 남은 손상되지 않은 RNA 프로브의 형광 소거제로서만 작용한다.To investigate the specificity of RNA probes and the role of oxidative graphenes on multiple degradation, oxidative graphene was used in two different ways (Example and Comparative Example) according to the order in which they were added to the RNase H reaction ). In the examples, the RNase H enzyme reaction was carried out in the presence of oxidized graphene. Since oxidized graphene has a strong affinity for single stranded DNA and RNA and has the ability to extinguish fluorescence, the fluorescence of the dye labeled with the RNA probe was quenched by oxidative graphene in the absence of the target DNA. The RNA / DNA adsorbed to the oxidized graphene is protected from the DNA degrading enzyme, and the single RNA probe can decompose the RNA probe only after it is released from the oxidized graphene by forming a duplex with the target DNA. RNase H dissociates the RNA probe to dissociate the target DNA to form another duplex with the unimpaired RNA probe adsorbed onto the oxidized graphene without thermal cycling. During the isothermal reaction, the labeled dye of the degraded probe is away from the oxidized graphene and is recovered as a result of the reaction. As a result, fluorescence can be amplified through multiple degradation cycles of RNA probes per single target DNA, allowing sensitive detection of target DNA. If the oxidized graphene participates in the specific formation of RNA probe-target DNA duplexes, high specificity can be expected with a simple linear RNA probe structure alone. In the comparative example, the oxidized graphene was added to the analytical sample after performing the enzymatic reaction. At this time, the oxidized graphene acts only as a fluorescence scavenger of the remaining intact RNA probe after the reaction.

단일가닥 RNA 프로브의 흡착 및 그 후의 탈착을 표적 DNA의 존재 하에서 시험하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이, RNA 프로브의 형광이 산화그래핀의 존재 하에서 현저히 감소한 것은 형광 염료가 표지된 RNA 프로브의 산화그래핀에 대한 흡착을 잘 나타내는 결과이다(산화그래핀의 겉보기 형광 소광 효율은 거의 100 %였음). 표적 DNA를 상기 RNA 프로브-산화그래핀 혼합물에 첨가한 경우, RNA 프로브의 원래 형광의 15.14 %가 회복되었다(표 2 참조). 형광의 부분 회복은 모든 RNA 프로브가 표적 DNA와 혼성화되는 것은 아님을 의미한다. 상대적으로 많은 양의 산화그래핀이 RNA 프로브와 표적 DNA 간의 혼성화를 방해할 것이다. 반면에, 적은 양의 산화그래핀은 RNA 프로브를 효과적으로 흡착할 수 없어 높은 백그라운드 신호를 유발할 것이다.The adsorption of single strand RNA probes and subsequent desorption was tested in the presence of the target DNA. As shown in Fig. 2, the fluorescence of the RNA probe is remarkably reduced in the presence of the oxidized graphene, which is a result of well showing the adsorption of the fluorescent dye-labeled RNA probe to the oxidized graphene (the apparent fluorescence quenching efficiency of the oxidized graphene Almost 100%). When the target DNA was added to the RNA probe-oxidized graphene mixture, 15.14% of the original fluorescence of the RNA probe was restored (see Table 2). Partial recovery of fluorescence means that not all RNA probes hybridize to the target DNA. A relatively large amount of oxidized graphene will interfere with the hybridization between the RNA probe and the target DNA. On the other hand, a small amount of oxidized graphene can not effectively adsorb RNA probes, resulting in a high background signal.

Figure 112018102923257-pat00002
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(2) 산화그래핀의 최적의 양 평가(2) Evaluation of optimum amount of graphene oxide

고효율의 프로브-표적 DNA의 혼성화에 따른 낮은 백그라운드 신호를 달성하기 위해, RNA 프로브의 농도를 100 nM로 고정한 다음, 산화그래핀의 최적의 양을 평가하기 위하여 2개 분석 방법(실시예 및 비교예)으로 각각 수행하였다.To achieve a low background signal due to hybridization of high efficiency probe-target DNA, the concentration of the RNA probe was fixed at 100 nM and then analyzed using two analytical methods (Examples and Comparative Examples Respectively.

가양성 신호를 유발하는 비상보성 DNA(non-complementary, NCD)과의 경쟁적 흡착에 의해 산화그래핀으로부터 RNA 프로브가 탈착될 수 있으므로, 산화그래핀의 양은 RNA 프로브와 NCD의 흡착을 유지하기에 충분하여야 했다. 따라서, 최적의 산화그래핀의 양은 표적 DNA 첨가 후 형광 증가를 극대화하고, NCD를 첨가한 후에는 형광 증가를 최소화하는 것으로 결정하였다. 실시예에서는 표적 DNA 및 NCD를 산화그래핀-RNA 프로브 복합체에 첨가하였고, 비교예에서는 산화그래핀을 RNA 프로브와 타겟 DNA의 혼합물 또는 RNA 프로브와 NCD의 혼합물에 첨가하였다.Since the RNA probe can be desorbed from the oxidized graphene by competitive adsorption with non-complementary (NCD) DNA that induces a false-positive signal, the amount of oxidized graphene is sufficient to maintain adsorption of the RNA probe and NCD should. Thus, the optimal amount of graphene oxide was determined to maximize fluorescence increase after addition of target DNA, and to minimize fluorescence increase after addition of NCD. In the examples, the target DNA and NCD were added to the oxidized graphene-RNA probe complex, and in the comparative example, the oxidized graphene was added to the mixture of the RNA probe and the target DNA or the mixture of the RNA probe and the NCD.

도 3에 나타난 바와 같이, 각각 100 nM의 표적 DNA 및 NCD의 존재 하에 첨가된 산화그래핀의 양에 따른 RNA 프로브의 형광은 2개 방법 모두에서 산화그래핀 양이 증가할수록 RNA 프로브의 형광이 감소하는 것으로 나타났다. 표적 DNA의 존재 하에서의 형광은 표적 또는 NCD를 포함하지 않은 대조군의 형광보다 높았다. 표적 DNA의 존재 하에서의 증가된 형광은 실시예 및 비교예에 있어서 산화그래핀의 10 ㎍/㎖ 및 5 ㎍/㎖에서 각각 최대화되었다. NCD는 산화그래핀에서의 RNA와의 경쟁적 흡착 때문에 형광을 증가시켰다. 가양성 신호는 산화그래핀의 양이 증가함에 따라 감소하였고, 실시예 및 비교예 각각에 대해 20 ㎍/㎖ 및 10 ㎍/㎖의 산화그래핀 양에서 대조군의 신호와 동일하게 되었다. 그러나, 실시예의 20 ㎍/㎖ 산화그래핀 양에서 표적 DNA의 존재 하에서 형광이 거의 증가되지 않았다. 비교예에서, 5 ㎍/㎖ 산화그래핀 농도에서 표적 DNA에 의해 야기된 형광은 최대가 되었으나, NCD의 존재 하에서 증가된 형광이 상대적으로 높았다. 따라서, 2개 방법 모두에서 산화그래핀의 최적 양을 10 ㎍/㎖로 선택하였다.As shown in Figure 3, fluorescence of RNA probes according to the amount of oxidized graphene added in the presence of 100 nM of target DNA and NCD, respectively, decreased with increasing amounts of oxidized graphene in both methods . Fluorescence in the presence of the target DNA was higher than fluorescence of the target or control without NCD. Increased fluorescence in the presence of the target DNA was maximized at 10 / / ml and 5 / / ㎖ of oxidized graphene, respectively, in the Examples and Comparative Examples. NCD increased fluorescence due to competitive adsorption with RNA in oxidized graphene. The false positive signal decreased as the amount of graphene oxide increased, and became equal to that of the control group in amounts of 20 μg / ml and 10 μg / ml of oxidized graphene for each of the Examples and Comparative Examples. However, in the presence of the target DNA in the amount of 20 μg / ml oxidized graphene of the example, fluorescence was hardly increased. In the comparative example, the fluorescence caused by the target DNA at the 5 ug / ml oxidative graphene concentration was maximized, but the fluorescence increased in the presence of NCD was relatively high. Thus, the optimal amount of graphene oxide was selected to be 10 [mu] g / ml in both methods.

(3) RNase H의 최적의 양 평가(3) Evaluation of optimal amount of RNase H

실시예 및 비교예 모두에서 효소 농도를 0에서 5 U/㎕로 변화시켜 RNase H의 최적 양을 결정하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 대조군과 비교하여 표적 DNA(100 pM)의 존재시 RNase H의 증가량에 따라 상대적 형광 강도의 증가를 확인하였고, 두 방법 모두에서 RNase H는 2 U/㎕ 에서 최대 값에 도달하였다. 표적 DNA와 이중체가 된 RNA 프로브의 증가된 양이 RNase H의 증가된 양에 의해 분해되었으므로, 제한된 반응 시간 내에 형광이 증가되었다. 그러나, 2 U/㎕를 초과하는 RNase H 농도에서 표적 DNA 존재시에는 형광 증가 속도가 느려졌다(도 5 참조). 그 대신, 표적 DNA가 없는 경우에 형광 증가 속도는 2 U/㎕보다 높은 RNase H 농도에서 유지되었다. 따라서, 2 U/㎕가 두 방법 모두에서 최적의 RNase H 양으로 결정되었다. RNase H의 반응 완충 용액은 10 mM의 DTT를 포함하였다. 선행문헌(J. H. Kim, R. A. Estabrook, G. Braun, B. R. Lee and N. O. Reich, Chem. Commun., 2007, 0, 4342-4344. 및 D. H. Tsai, M. P. Shelton, F. W. DelRio, S. Elzey, S. Guha, M. R. Zachariah and V. A. Hackley, Anal. Bioanal. Chem., 2012, 404, 3015-3023.)에서는 AuNPs에 고정화된 염료 표지된 RNA 프로브가 높은 DTT 농도에 의해 분리되어 백그라운드 신호를 높게 야기시키는 것으로 나타나 있다. 그러나, 본 발명에서 10 mM의 DTT가 존재하는 경우에도 산화그래핀에 흡착된 RNA 프로브의 불안정함이 관찰되지 않았다.The optimal amount of RNase H was determined by varying the enzyme concentration from 0 to 5 U / μl in both Example and Comparative Example. As shown in FIG. 4, the increase of relative fluorescence intensity was confirmed by increasing the amount of RNase H in the presence of the target DNA (100 pM) as compared with the control. In both methods, RNase H was maximized at 2 U / . Fluorescence was increased within the limited reaction time since the increased amount of RNA probes doubled with the target DNA was degraded by an increased amount of RNase H. However, in the presence of the target DNA at an RNase H concentration exceeding 2 U / μl, the rate of fluorescence increase was slow (see FIG. 5). Instead, the rate of fluorescence increase was maintained at RNase H concentrations higher than 2 U / μl in the absence of target DNA. Thus, 2 U / μl was determined as the optimal amount of RNase H in both methods. The reaction buffer solution of RNase H contained 10 mM DTT. ( J. JH Kim, RA Estabrook, G. Braun, BR Lee and NO Reich, Chem. Commun. , 2007, 0, 4342-4344 and DH Tsai, MP Shelton, FW Del Rio, S. Elzey, S. Guha, MR Zachariah and VA Hackley, Anal. Bioanal. Chem. , 2012, 404, 3015-3023) have shown that dye-labeled RNA probes immobilized on AuNPs are separated by high DTT concentrations, resulting in high background signals. However, in the present invention, even when 10 mM of DTT was present, instability of the RNA probe adsorbed on the oxidized graphene was not observed.

(4) 산화그래핀 첨가 순서에 따른 민감도 평가(4) Sensitivity evaluation according to the order of addition of graphene oxide

산화그래핀과 RNase H의 양을 최적화한 후, 산화그래핀 첨가 순서에 따른 검출 감도를 상이한 양의 표적 DNA(0 ~ 100 nM)와 최적 양의 산화그래핀 및 RNase H와 반응한 시료의 형광 강도를 측정함으로써 평가하였다. 도 6(실시예) 및 도 7(비교예)은 500 nm 내지 700 nm에서 측정된 형광을 나타내며, 이 형광의 강도는 표적 DNA의 첨가량이 증가함에 따라 증가하였다.After optimizing the amount of graphene oxide and RNase H, the detection sensitivities according to the order of addition of graphene oxide were measured by using different amounts of target DNA (0-100 nM), the optimum amounts of oxidized graphene and RNase H, And evaluated by measuring the strength. Fig. 6 (Example) and Fig. 7 (Comparative Example) show fluorescence measured at 500 nm to 700 nm, and the intensity of the fluorescence increased with increasing amount of target DNA.

실시예 및 비교예 각각에 대해 신호 대 잡음비(SN ratio)가 2 및 3일때 1 pM 및 100 fM만큼 낮은 표적 DNA 농도가 검출 가능하였다. 도 6(b) 및 도 7(b)에 나타난 바와 같이, 실시예 및 비교예 각각에 대해 103 및 104 배 이상의 우수한 선형 관계가 관찰되었다. 검출한계(LOD) 기준인

Figure 112018102923257-pat00003
(공시료 분석시그널의 표준편차의 3배)에 근거하여, 실시예 및 비교예에 대한 검출한계를 각각 72 fM과 31 fM으로 추정하였고, 이는 각각 1.04 attomole와 620 zeptomole에 해당한다. 신호대 잡음비(SN ratio) 2에 기초한 검출된 표적 DNA의 최저 농도는 실시예 및 비교예 각각에 대해 20 attomole 및 2 attomole이었다. 그러나, RNase H 없이 수행된 분석에서 검출된 표적 DNA의 최저 농도는 실시예 및 비교예에 대해 각각 10 nM 및 1 nM인 것으로 확인되었다(도 8 참조). AuNP를 이용한 CPT의 SN ratio 2에 근거한 검출한계는 100 attomole이었다. 본 발명에서 제안하는 검출 방법은 AuNP를 이용한 CPT보다 적어도 5배 더 민감한 것이다. 선행문헌(Y.-H. Wu, C.-M. Jiang, and G.-X. Yang, Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci. 2016, 20, 1775-1780. 및 C. Hong, A. Baek, S. S. Hah, W. Jung, and DE. Kim, Anal. Chem., 2016, 88, 2999-3003.)에서는 각각 2 femtomole과 20 attomole의 검출한계를 갖는 산화그래핀과 효소 보조 ISAM을 이용한 RNA 검출을 보고하였다. 그러나 선행문헌에서의 검출한계는 2시간 이상의 반응에서 여러 단계를 거쳐야 달성될 수 있었다.For each of the Examples and Comparative Examples, a target DNA concentration as low as 1 pM and 100 fM was detectable when signal to noise ratio (SN ratio) was 2 and 3, respectively. As shown in Figs. 6 (b) and 7 (b), excellent linear relationships of 10 3 and 10 4 times or more were observed for each of the examples and the comparative examples. Based on detection limit (LOD)
Figure 112018102923257-pat00003
(Three times the standard deviation of the blob analysis signal), the detection limits for the Examples and Comparative Examples were estimated at 72 fM and 31 fM, respectively, which correspond to 1.04 attomole and 620 zeptomole, respectively. The lowest concentration of detected target DNA based on the signal-to-noise ratio (SN ratio) 2 was 20 attomoles and 2 attomoles for each of the Examples and Comparative Examples, respectively. However, the lowest concentration of target DNA detected in the assay performed without RNase H was confirmed to be 10 nM and 1 nM, respectively, for the Examples and Comparative Examples (see Fig. 8). The detection limit based on SN ratio 2 of CPT using AuNP was 100 attomole. The detection method proposed in the present invention is at least 5 times more sensitive than CPT using AuNP. Y.-H. Wu, C.-M. Jiang, and G.-X. Yang, Eur. Rev. Med. Pharmacol. Sci., 2016 , 20, 1775-1780, and C. Hong, A. RNA using two-femtomole and enzyme-assisted ISAM with detection limits of 20 attomole and 20 femtomole, respectively, were used in this study (Baek, SS Hah, W. Jung, and DE Kim, Anal. Chem., 2016, 88, 2999-3003. Detection. However, the limit of detection in the preceding literature could be achieved by several steps in response of more than 2 hours.

또한, 본 발명자들은 RNA 프로브에 대한 형광 강도의 표준곡선으로부터 RNase H의 농도에 따른 단일 표적 DNA 당 분해된 RNA 프로브의 수를 추정하였다(도 9 참조). 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 및 비교예 각각에 대하여 단일 표적 DNA 당 최대 8419 및 9725의 RNA 프로브가 RNase H에 의해 분해된 것을 확인하였다.In addition, we estimated the number of RNA probes degraded per single target DNA according to the concentration of RNase H from the standard curve of fluorescence intensity for RNA probes (see FIG. 9). As shown in Table 3, it was confirmed that up to 8419 and 9725 RNA probes per single target DNA were degraded by RNase H for each of the examples and the comparative examples.

Figure 112018102923257-pat00004
Figure 112018102923257-pat00004

따라서, 도 6, 도 7 및 도 8에 의해 표적 DNA-RNA 프로브 혼성화의 등온 제어에 있어 RNase H가 형광을 증폭시키고 감도를 현저하게 향상시키는 역할을 수행함을 확인하였다. 산화그래핀이 첨가되는 순서에 따라 표적 DNA의 검출한계의 차이는 산화그래핀에서 흡착된 RNase H에 기인할 수 있다. 한편, 전통적인 CPT에서는 RNase H가 특이성이 부족하므로 DNA-RNA-DNA 키메라 프로브를 사용하였다.6, 7, and 8, it was confirmed that RNase H amplifies fluorescence and significantly improves sensitivity in isothermal control of hybridization of the target DNA-RNA probe. Depending on the order in which the graphene grafts are added, the difference in the detection limit of the target DNA can be attributed to the RNase H adsorbed on the oxidized graphene. On the other hand, DNA-RNA-DNA chimera probes were used in conventional CPT because RNase H lacked specificity.

(5) 산화그래핀 첨가 순서에 따른 특이성 평가(5) Evaluation of specificity according to the order of addition of graphene oxide

간단한 RNA 프로브와 3개 DNA 서열(서열 중간에 미스매치 염기가 하나만 존재하는 DNA 염기 서열)로 실시예 및 비교예의 특이성을 평가하였다. 도 10에 나타난 바와 같이, 산화그래핀 첨가 순서에 따라 특이성에 대한 의존성이 유의하게 관찰되어 산화그래핀이 기질의 특이적인 형성을 조절하는데 도움이 되는 것으로 추정되었다.The specificity of the examples and comparative examples was evaluated with a simple RNA probe and three DNA sequences (a DNA sequence having only one mismatch base in the middle of the sequence). As shown in FIG. 10, dependence on specificity was observed to be significant depending on the order of addition of the graphene oxide, and it was estimated that the graphene graphex helps to regulate the specific formation of the substrate.

두 방법 모두에 있어서, 완전 일치 DNA(야생형 표적 DNA)와 비교하여 미스매치된 DNA의 형광에서도 작은 증가가 관찰되었지만, 비교예와 달리 실시예에서 미스매치된 DNA 서열은 표적 DNA를 첨가하지 않은 대조군(DNA 서열 자체를 첨가하지 않은 공실험)의 형광과 비교하여서는 형광을 증가시키지 않았다. 두 방법 모두에서 특이성에 대한 미스 매치 염기의 효과는 무시할 만했다. 효소 반응에서 산화그래핀 첨가의 순서에 의존하는 상이한 특이성은 기질의 특이적 형성의 조절에서 산화그래핀의 역할을 명백히 나타내었다. RNA 프로브가 산화그래핀에 흡착되는 실시예에서, 산화그래핀이 흡착된 RNA와 표적 DNA 사이의 이중체의 형성에 영향을 주었고, 효소 반응 후에 산화그래핀이 첨가된 비교예에서는 검출 방법에 대한 특이성에 대하여 산화그래핀이 영향을 미치지 않았다. RNase H는 DNA-RNA 이중체에서의 RNA만을 분해하기 때문에, 비교예에서 미스매치된 DNA에 대한 형광 감소는 기질의 일치된 염기 수에 대한 효소 활성의 의존성으로부터 유래했을 것이다. 이전에 관찰되었듯이, 실시예에서 효소 반응에 관여된 산화그래핀이 미스매치된 DNA에 따른 감소된 형광에 기여한 것으로 보였다. 미스매치된 DNA에 의한 형광 감소를 조사하기 위해 실시예 및 비교예에서의 증가된 형광을 비교하였다. 도 11에 나타난 바와 같이, 미스매치된 DNA에 대한 형광의 상대 SN ratio는 야생형 표적 DNA의 경우보다 작은 것으로 나타나, 특이성에 대하여 그래핀에 의한 RNase H 활성의 저해가 원인이 아니라는 것이 확인되었다.In both methods, a small increase was observed in the fluorescence of mismatched DNA as compared to the perfectly matched DNA (wild-type target DNA), but unlike the comparative example, the mismatched DNA sequence in the examples was the control (In the blank experiment in which the DNA sequence itself was not added), fluorescence was not increased. The effect of the mismatch base on specificity in both methods was negligible. Different specificities depending on the order of the oxidative graphene addition in the enzymatic reaction clearly demonstrated the role of oxidative graphene in the regulation of substrate specific formation. In the example in which the RNA probe was adsorbed to the oxidized graphene, the oxidized graphene influenced the formation of a duplex between the adsorbed RNA and the target DNA, and in the comparative example in which the oxidized graphene was added after the enzyme reaction, Oxidative graphene did not affect specificity. Since RNase H only degrades RNA in the DNA-RNA duplex, the reduction in fluorescence for the mismatched DNA in the comparative example would have resulted from the dependence of enzyme activity on the number of base equivalents of the substrate. As previously observed, the graphene graphenes involved in the enzymatic reaction in the examples appeared to contribute to the reduced fluorescence due to mismatched DNA. Increased fluorescence in the Examples and Comparative Examples was compared to investigate fluorescence reduction by mismatched DNA. As shown in FIG. 11, the relative SN ratio of fluorescence to mismatched DNA was smaller than that of wild-type target DNA, and it was confirmed that the specificity was not caused by inhibition of RNase H activity by graphene.

따라서, 산화그래핀에서 표적 DNA과 RNA 프로브에 의해 형성된 복합체를 기술하는 두 가지 모델을 제안한다. 한 모델에서 산화그래핀-단일 가닥 DNA 또는 산화그래핀-단일 가닥 RNA 복합체가 DNA-RNA 이중체보다 더 안정하다면, 단일 가닥 DNA 또는 단일 가닥 RNA는 기질을 형성하고 탈착을 진행하기보다는 산화그래핀에 우선적으로 흡착되어야 한다. 이 경우, 완전히 혼성화된 이중체의 형태만이 흡착된 표적 및 프로브의 안정성을 파괴할 수 있다. 또 다른 모델에서는, RNA 프로브와 미스매치된 DNA 서열의 불완전한 이중체는 이중체의 2개 미스매치된 염기에 의해 산화그래핀에 붙어있다. 후자에서, 이중체의 2개의 혼성화된 가닥(arm)에서의 염기 수는 RNase H의 기질로서 작용하기에 충분하고 효소 접근을 가능하게 한다. 그러나, 결과적으로 실시예에서 형광이 유의하게 증가되지 않았기 때문에, 전자 모델의 메카니즘이 특이적 표적 DNA-RNA 프로브 형성의 조절에 대한 산화그래핀의 역할을 보다 정확하게 설명한다.Thus, we propose two models for describing complexes formed by target DNA and RNA probes in oxidized graphene. In one model, if oxidized graphene-single stranded DNA or oxidized graphene-single stranded RNA complexes are more stable than DNA-RNA duplexes, single-stranded DNA or single-stranded RNAs will form substrates and, Should be adsorbed preferentially. In this case, only the fully hybridized form of the duplex can destroy the stability of the adsorbed target and probe. In another model, an incomplete duplex of an RNA probe and a mismatched DNA sequence is attached to the oxidized graphene by two mismatched bases in the duplex. In the latter, the number of bases in the two hybridized arms of the duplex is sufficient to serve as a substrate for RNase H and allows for enzyme access. However, as a result, since the fluorescence was not significantly increased in the examples, the mechanism of the electronic model more accurately describes the role of oxidative graphene in regulating the formation of specific target DNA-RNA probes.

(6) 결론(6) Conclusion

결론적으로 간단하고 신속한 방법으로 표적 DNA을 민감하고 특이적으로 검출하기 위해 RNase H 및 산화그래핀을 사용하는 표적 DNA-RNA 프로브 상호 작용에 대한 등온 제어를 성공적으로 입증하였다. 20 attomole 및 2 attomole만큼 낮은 양의 표적 DNA가 실시예 및 비교예 각각의 방법으로 검출되었다. 2개 방법에서 RNase H는 표적 DNA에 결합된 RNA를 분해함으로써 기질을 형성하도록 표적 DNA를 해리시켜, 단일 표적 DNA 분자를 최대 ~ 10,000배 재사용하게 만들었다.In conclusion, we have successfully demonstrated isothermal control of target DNA-RNA probe interactions using RNase H and oxidized graphene to sensitively and specifically detect the target DNA in a simple and rapid manner. Target DNA amounts as low as 20 attomoles and 2 attomoles were detected by the methods of the Examples and Comparative Examples, respectively. In two methods, RNase H dissociates the RNA bound to the target DNA to dissociate the target DNA to form a substrate, allowing reuse of single target DNA molecules up to 10,000 times.

산화그래핀 상에 흡착된 프로브에 연결된 염료로부터의 형광은 산화그래핀 자체에 의해 효과적으로 소광되었다. 일단 RNA 프로브가 RNase H에 의해 분해되면, 산화그래핀의 유효 소광 거리에서 멀어지므로 표지 염료로부터 형광이 방출되었다. RNase H의 부재 하에서는 민감도가 ~ 104배 이상 감소되는 반면에 RNase H에 의한 표적 DNA의 효소적 탈착 및 산화그래핀으로의 효과적인 형광 소광의 다중 사이클은 민감도를 향상시켰다. 비록 효소 반응에의 산화그래핀의 관여가 민감도를 10배 정도 감소시켰으나, 미스매치된 염기의 종류에 관계 없이 DNA 서열의 단일 염기 미스매치가 선형 및 순수 RNA 프로브를 사용하여 구별될 수 있다. 또한, 산화그래핀과 RNase H와 함께 표적 DNA 및 RNA 프로브 사이의 상호 작용을 등온 제어함으로써 30 분 내에 단일 단계 반응으로 높은 민감도와 특이성을 달성하였다.Fluorescence from the dye coupled to the probe adsorbed on the oxidized graphene was effectively quenched by the oxidized graphene itself. Once the RNA probe is degraded by RNase H, fluorescence is emitted from the label dye as it moves away from the effective extinction distance of the graphene oxide. Sensitivity in the absence of RNase H was reduced by ~ 10 4- fold, while multiple cycles of enzymatic desorption of target DNA by RNase H and efficient fluorescence quenching with oxidative graphene enhanced sensitivity. Although the involvement of oxidized graphene in the enzymatic reaction reduced sensitivity by a factor of 10, single base mismatches of DNA sequences could be distinguished using linear and pure RNA probes, regardless of the type of mismatched base. In addition, high sensitivity and specificity were achieved in a single step reaction within 30 minutes by isothermal control of the interaction between the target DNA and RNA probe with oxidized graphene and RNase H.

무엇보다도, 본 발명은 RNA 프로브-표적 DNA 상호 작용을 제어하기 위해 정밀하고 값 비싼 열 순환 계측기를 필요로 하지 않는다. 고정된 온화한 온도에서 수행되는 등온 분석은 종래의 분자 진단의 복잡성 및 고비용을 효과적으로 극복할 수 있다. 이러한 탁월한 특성으로 인해 본 발명은 생물학적 및 의학적 분야, 특히 현장 검사가 필요한 곳에서 임상적으로 관련성이 높은 성능을 갖춘 새로운 표적 DNA 검출법으로 유용하게 사용될 수 있다.Above all, the present invention does not require a precise and costly thermocycling meter to control RNA probe-target DNA interactions. Isothermal analysis performed at a fixed mild temperature can effectively overcome the complexity and cost of conventional molecular diagnostics. Because of these excellent properties, the present invention can be usefully used as a new target DNA detection method with clinically relevant performance in the biological and medical field, particularly where field testing is required.

(7) 요약(7) Summary

본 발명에서는, 열 순환기 없이 표적 DNA의 매우 민감하고 특이적인 검출을 위하여 산화그래핀 및 RNase H를 이용한 RNA 프로브와 표적 DNA 사이의 상호 작용을 제어하는 방법이 개발되었다. 본 발명은 형광 표지된 RNA 프로브와 함께 결합된 표적 DNA를 검출하기 위하여 RNA 프로브-표적 DNA 혼성체 및 RNase H 사이의 선택적 커플링을 위해 산화그래핀을 사용하였다. 산화그래핀과 RNase H는 단일 가닥 DNA 또는 RNA 및 DNA-RNA 이중체에서의 RNA에 대하여 각각 강한 친화성과 선택성을 나타내었다. 완전 일치 표적 DNA와 결합된 RNA 프로브는 RNase H에 의해 분해되고, 표적 DNA가 해리되면서 다중 혼성체 형성이 가능하였다. 산화그래핀에 의한 고효율 형광 소광으로 인하여, 표적 DNA의 존재 하에서 표지된 RNA 프로브가 분해됨에 따라 형광이 발현되는 반면, 단일 염기라도 미스 매치된 DNA 서열에서는 형광이 관찰되지 않았다. 형광 증폭 및 분해된 RNA 프로브의 수를 최대화하기 위해 산화그래핀과 RNase H의 양을 최적화하였다(각각 10 ㎍/㎖ 및 2 U/㎕). 상기 산화그래핀과 RNase H의 상호 작용의 최적화된 제어는, 본 발명의 반응이 37 ℃에서 수행되므로, 열 순환기 없이 30분 내에 표적 DNA의 재사용 및 단일 표적 DNA 당 약 10,000개의 RNA 프로브의 분해를 가능하게 하였다. 결과적으로, 본 발명에서는 20 attomole만큼 적은 양의 표적 DNA를 검출할 수 있어 우수한 민감성을 확인하였고, 미스매치된 DNA 염기서열과 비교시 완전 일치된 표적 DNA에 대한 탁월한 특이성을 나타내었다.In the present invention, a method for controlling the interaction between an RNA probe using oxidized graphene and RNase H and a target DNA for highly sensitive and specific detection of a target DNA without a thermocycler has been developed. The present invention uses oxidized graphene for selective coupling between RNA probe-target DNA hybrids and RNase H to detect target DNA bound with fluorescently labeled RNA probes. Oxidized graphene and RNase H showed strong affinity and selectivity for single-stranded DNA or RNA and for RNA in DNA-RNA duplexes, respectively. The RNA probe bound to the perfectly matched target DNA was degraded by RNase H and the target DNA was dissociated, allowing for the formation of multiple hybrids. Due to the high efficiency fluorescence quenching by the oxidative graphene, fluorescence was expressed as the labeled RNA probe was degraded in the presence of the target DNA, whereas fluorescence was not observed in the mismatched DNA sequence even with a single base. The amounts of oxidized graphene and RNase H were optimized to maximize the number of fluorescent amplified and degraded RNA probes (10 μg / ml and 2 U / μl, respectively). Optimized control of the interaction of the oxidized graphene and RNase H is achieved by reuse of the target DNA within 30 minutes without thermocycler and degradation of about 10,000 RNA probes per single target DNA since the reaction of the present invention is carried out at 37 & . As a result, the present invention was able to detect as little as 20 attomoles of the target DNA, thus confirming excellent sensitivity, and showed excellent specificity for the target DNA perfectly matched as compared with the mismatched DNA sequence.

Claims (6)

(a) 말단에 형광염료를 포함하는 RNA 프로브를 산화그래핀과 반응시켜 제 1 반응물을 얻는 단계;
(b) 단계(a)에서 얻어진 상기 제 1 반응물에 표적 DNA를 포함하고 있을 것으로 예상되는 검체를 첨가하여 RNA 프로브와 표적 DNA가 이중체를 형성하도록 하는 제 2 반응물을 얻는 단계;
(c) 단계(b)에서 얻어진 상기 제 2 반응물에 RNase H를 첨가하여 RNA 프로브가 분해되도록 하는 제 3 반응물을 얻는 단계; 및
(d) 단계(c)에서 얻어진 상기 제 3 반응물의 형광을 측정하는 단계
를 포함하는 표적 DNA의 등온 검출 방법.
(a) reacting an RNA probe containing a fluorescent dye at its end with oxidized graphene to obtain a first reactant;
(b) adding a specimen expected to contain the target DNA to the first reactant obtained in step (a) to obtain a second reactant for forming a duplex between the RNA probe and the target DNA;
(c) adding RNase H to the second reactant obtained in step (b) to obtain a third reactant for degrading the RNA probe; And
(d) measuring the fluorescence of the third reactant obtained in step (c)
/ RTI &gt; of the target DNA.
제1항에 있어서, 단계(c)의 RNA 프로브가 분해된 제 3 반응물이 단계(b)로 이동하여 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 표적 DNA의 등온 검출 방법.The isothermal detection method of claim 1, wherein the third reactant in which the RNA probe of step (c) has been degraded is transferred to step (b) and repeatedly performed. 제1항에 있어서, 상기 산화그래핀이 농도 1 내지 50 ㎍/㎖로 포함되는 것을 특징으로 하는 표적 DNA의 등온 검출 방법.The isothermal detection method of claim 1, wherein the graphene oxide is contained at a concentration of 1 to 50 占 퐂 / ml. 제1항에 있어서, 상기 RNA 프로브가 농도 0.1 내지 500 nM로 포함되는 것을 특징으로 하는 표적 DNA의 등온 검출 방법.The isothermal detection method of claim 1, wherein the RNA probe is contained at a concentration of 0.1 to 500 nM. 제1항에 있어서, 상기 RNase H가 농도 0.01 내지 5 U/㎕로 포함되는 것을 특징으로 하는 표적 DNA의 등온 검출 방법.The isothermal detection method of claim 1, wherein the RNase H is contained at a concentration of 0.01 to 5 U / μl. 제1항에 있어서, 단계(a) 내지 단계(c)가 온도 20 내지 70 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 표적 DNA의 등온 검출 방법.The method according to claim 1, wherein the steps (a) to (c) are carried out at a temperature of 20 to 70 ° C.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130124196A (en) * 2012-04-24 2013-11-13 서울대학교산학협력단 Composition for detecting nucleic acid, and detecting method of nucleic acid using the same
KR101554173B1 (en) 2010-06-25 2015-09-18 한국과학기술원 A fluorescence-based method for assay of enzyme activity
KR20180001893A (en) * 2016-06-28 2018-01-05 한국과학기술원 Method for detection of target nucleic acids
KR20180065748A (en) 2016-12-08 2018-06-18 서울대학교산학협력단 Composition for detecting nucleotide in exosome comprising nano graphene sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101554173B1 (en) 2010-06-25 2015-09-18 한국과학기술원 A fluorescence-based method for assay of enzyme activity
KR20130124196A (en) * 2012-04-24 2013-11-13 서울대학교산학협력단 Composition for detecting nucleic acid, and detecting method of nucleic acid using the same
KR20180001893A (en) * 2016-06-28 2018-01-05 한국과학기술원 Method for detection of target nucleic acids
KR20180065748A (en) 2016-12-08 2018-06-18 서울대학교산학협력단 Composition for detecting nucleotide in exosome comprising nano graphene sensor

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anal. Chem.2013, 85, 16, 7941-7947 *
Analytical Methods, Issue 37, pp 4596-4603. DOI: 10.1039/C8AY01514G (2018.09.07) 1부.* *
Xiang Li et al., Science of Advanced Materials 2014, Vol. 6, 1-7.
논문1(MANUSCRIPT) : ANALYTICAL METHODS(2018) *

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