KR102062980B1 - Amplified double-stranded DNA detection method and apparatus using the same - Google Patents

Amplified double-stranded DNA detection method and apparatus using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 DNA 검출 방법으로, 상기 DNA 검출 방법은, 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계 및 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계가 하나의 챔버(Chamber)내에서 동시 또는 순차적으로 이루어지고, 상기 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계는, 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머에 의한 증폭 반응으로, 상기 포워드 프라이머의 말단은 전극에 도포된 포워드 프라이머 결합층에 친화적인 물질로 표지되어 있고, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는, (a) 상기 증폭된 이중 가닥 DNA와 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질의 결합으로 결합물이 생성되는 단계; 및 (b) 상기 결합물에 부착된 산화-환원 표지자와 전자 이동 매개체(electron mediator)의 산화-환원 반응에 의해 전극으로 전자가 이동되고, 전자 이동 매개체의 전자 전달 속도 차에 의해 DNA를 검출하는 단계; 를 포함하되, 상기 검출은, 증폭된 이중 가닥 DNA의 변성(Denaturation) 단계를 별도로 요구하지 않는 것인, DNA 검출 방법 및 이를 이용하는 장치에 대한 것이다.The present invention is a DNA detection method, wherein the DNA detection method, the isothermal amplification of the double-stranded DNA and the step of detecting the amplified double-stranded DNA is carried out simultaneously or sequentially in one chamber (Chamber), the double The isothermal amplification of the strand DNA is performed by an amplification reaction with a forward primer and a reverse primer, and the ends of the forward primer are labeled with a material friendly to the forward primer binding layer applied to the electrode, and the amplified double stranded DNA is The detecting may include: (a) generating a conjugate by binding of the amplified double-stranded DNA to a protein that specifically binds to the double-stranded DNA; And (b) the electrons are transferred to the electrode by the oxidation-reduction reaction of the redox marker and the electron mediator attached to the conjugate, and the DNA is detected by the difference in the electron transfer rate of the electron transfer mediator. step; Including, but the detection is a DNA detection method and apparatus using the same, which does not require a denaturation (Denaturation) step of the amplified double-stranded DNA.

Description

증폭된 이중 가닥 DNA 검출방법 및 이를 이용한 장치 {Amplified double-stranded DNA detection method and apparatus using the same}Amplified double-stranded DNA detection method and apparatus using the same

본 발명은 DNA 검출 방법으로, 상기 DNA 검출 방법은, 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계 및 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계가 하나의 챔버(Chamber)내에서 동시 또는 순차적으로 이루어지고, 상기 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계는, 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머에 의한 증폭 반응으로, 상기 포워드 프라이머의 말단은 전극에 도포된 포워드 프라이머 결합층에 친화적인 물질로 표지되어 있고, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA와 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질의 결합으로 결합물이 생성되는 단계; 및 상기 결합물에 부착된 산화-환원 표지자와 전자 이동 매개체(electron mediator)의 산화-환원 반응에 의해 전극으로 전자가 이동되고, 전자 이동 매개체의 전자 전달 속도 차에 의해 DNA를 검출하는 단계; 를 포함하되, 상기 검출은, 증폭된 이중 가닥 DNA의 변성(Denaturation) 단계를 별도로 요구하지 않는 것인, DNA 검출 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.The present invention is a DNA detection method, wherein the DNA detection method, the isothermal amplification of the double-stranded DNA and the step of detecting the amplified double-stranded DNA is carried out simultaneously or sequentially in one chamber (Chamber), the double The isothermal amplification of the strand DNA is performed by an amplification reaction with a forward primer and a reverse primer, and the ends of the forward primer are labeled with a material friendly to the forward primer binding layer applied to the electrode, and the amplified double stranded DNA is The detecting may include: generating a conjugate by binding the amplified double-stranded DNA and a protein that specifically binds to the double-stranded DNA; And moving the electrons to the electrode by the oxidation-reduction reaction between the redox marker and the electron mediator attached to the conjugate, and detecting the DNA by the difference in the electron transfer rate of the electron transfer medium. Including, but the detection, DNA denaturation (Denaturation) step of the amplified double-stranded DNA, relates to a DNA detection method and apparatus using the same.

분자 진단(molecular diagnostics)은 질병 진단이나 병원균 확인을 하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 분자 진단을 위해 짧은 시간에 고감도로 선택적인 핵산(nucleic acid)을 검출하는 방법은 종래에 많이 개발되어 왔다. 하지만, 현재까지 개발된 분자 진단 기술은 단순하면서 빠른 검출이 요구되는 현장현시검사(point-of-care testing)에는 적합하지 않다(Craw, P.; Balachandran, W. Lab Chip 2012, 12, 2469). 현장현시검사에 적합하지 않은 이유 중 가장 큰 이유로는, 핵산 증폭(nucleic acid amplification)에 가장 많이 이용되는 중합 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)을 이용하여 검출시, 빠르고 정밀한 온도 조절 순환이 필요하기 때문이다(Li, J.; Macdonald, J. Biosens. Bioelectron. 2015, 64, 196).Molecular diagnostics play an important role in disease diagnosis and pathogen identification. For such molecular diagnosis, a method of detecting a selective nucleic acid (nucleic acid) in a short time with high sensitivity has been developed in the past. However, the molecular diagnostic techniques developed to date are not suitable for point-of-care testing requiring simple and fast detection (Craw, P .; Balachandran, W. Lab Chip 2012, 12 , 2469). . The biggest reason for not being suitable for in situ testing is the need for fast and precise temperature controlled circulation when detecting using polymerase chain reaction (PCR), which is most commonly used for nucleic acid amplification. (Li, J .; Macdonald, J. Biosens. Bioelectron. 2015, 64 , 196).

최근에는, 전술한 온도 조절의 문제를 극복하기 위해서 등온 증폭(Isothermal amplification)을 분자 진단에 적용하는 시도가 증가하고 있는 추세이다. 대표적인 등온 증폭 방법으로는, 재조합효소 중합효소 증폭(recombinase polymerase amplification, RPA), 루프 매개 증폭(loop-mediated isothermal amplification, LAMP), 헬리카제-종속 증폭(helicase-dependent amplification, HDA) 등이 있다. 또, 현장현시검사용으로 사용되는 검출은, 작은 기기를 이용하여 고감도 측정이 가능해야 하므로, 전기 화학 신호 측정에 의한 것이 적합하다.In recent years, attempts to apply isothermal amplification to molecular diagnosis have been increasing in order to overcome the above-mentioned problems of temperature control. Representative isothermal amplification methods include recombinase polymerase amplification (RPA), loop-mediated isothermal amplification (LAMP), and helicase-dependent amplification (HDA). In addition, the detection used for on-the-spot inspection should be capable of high-sensitivity measurement using a small device, and therefore, the detection by electrochemical signal is suitable.

물론, 지금까지 등온 증폭과 전기화학 측정이 결합된 방법으로 핵산을 검출하려는 시도는 있었으나, 종래의 검출방법은 핵산의 증폭 반응이 끝난 후 바로 전기화학적 신호의 측정이 이루어지는 것이 아닌, 상당한 반응 시간(incubation period)을 가지고 나서 전기화학 측정이 이루어진다. 게다가, 이러한 시도는 모두 세척(washing)과정 혹은 정제(purification)과정을 필요로 한 것들이었다. 상기 세척 혹은 정제과정은 비특이적으로 전극 표면에 붙어 있는 표지(label)의 제거 및 시료(sample) 속에 존재하는 방해물질(interfering species)의 제거를 위해 필요한 과정이다. 이러한 세척 혹은 정제 과정은 낮은 배경 수준(background level)을 제공하여 검출의 정확도를 높여 줄 수는 있지만, 전체 검출 과정을 복잡하게 하고 전체 검출 시간이 길어지게 하므로 빠르고 단순한 검출을 필요로 하는 현장현시검사용으로는 부적합하다고 볼 수 있다. 게다가, 세척 강도(washing intensity)에 따라 생체 특이적 결합이 영향을 받아서 검출 결과의 재현성이 영향을 받을 수 있다. 즉, 등온 증폭 반응과 전기화학 측정이 결합되고, 빠른 시간에 고감도로 핵산을 검출하는 방법의 개발이 필요하다.Of course, there have been attempts to detect nucleic acids by a combination of isothermal amplification and electrochemical measurements, but conventional detection methods do not measure electrochemical signals immediately after the amplification reaction of nucleic acids. Electrochemical measurements are made after having an incubation period. In addition, all of these attempts required a washing process or a purification process. The washing or purification process is a process necessary for non-specifically removing a label attached to the electrode surface and removing interfering species present in the sample. This cleaning or purification process can provide a low background level to increase the accuracy of the detection, but it can complicate the entire detection process and increase the overall detection time, thus requiring on-the-spot inspections that require fast and simple detection. It is not suitable for the purpose. In addition, washing specific intensity may affect biospecific binding, thereby affecting the reproducibility of detection results. That is, an isothermal amplification reaction and an electrochemical measurement are combined, and development of a method for detecting nucleic acid with high sensitivity in a fast time is required.

무세척으로 빠르게 생체분자를 검출하기 위해, 전극(electrode)과 산화환원 효소 표지(redox enzyme label) 사이에서 전자를 주고 받는 전자 이동 매개체(electron mediator)의 매개 속도(mediation rate)를 이용하는 방법이 적용될 수 있다. (Dutta, G.; Kim, S.; Park, S.; Yang, H. Anal. Chem. 2014, 86, 4589; Dutta, G.; Park, S.; Singh, A.; Seo, J.; Kim, S.; Yang, H. Anal. Chem. 2015, 87, 3574-3578). 하지만, 이러한 전자 매개 속도를 이용한 방법을 기존의 DNA 혼성화(DNA hybridization)를 이용한 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출에는 쉽게 사용할 수가 없다. 기존의 혼성화를 이용한 검출은 이중 가닥 DNA를 단일가닥 DNA로 바꾸는 변성(Denaturation)과정을 필요로 하기 때문이다. 변성(Denaturation) 과정은 고온을 필요로 하므로, 큰 온도 변화가 필요하기 때문에 간단한 검사용으로는 적합하지 않다. 만일 증폭된 이중 가닥 DNA를 변성시켜 단일 가닥 DNA를 형성했더라도, 공급된 상보적 프로브와 결합하는 것이 아닌, 변성 이전의 단일가닥 DNA 간의 친화도가 더 높아 원래의 상보적인 단일가닥 DNA끼리 재결합하기가 쉽다는 문제점이 있다.In order to detect biomolecules quickly and without washing, a method using a mediation rate of an electron mediator that exchanges electrons between an electrode and a redox enzyme label may be applied. Can be. (Dutta, G .; Kim, S .; Park, S .; Yang, H. Anal. Chem. 2014 , 86 , 4589; Dutta, G .; Park, S .; Singh, A .; Seo, J .; Kim, S .; Yang, H. Anal.Chem . 2015 , 87 , 3574-3578). However, such an electron mediated method cannot be easily used for the detection of amplified double stranded DNA using conventional DNA hybridization. Conventional hybridization detection requires denaturation of double-stranded DNA into single-stranded DNA. The denaturation process requires a high temperature and is therefore not suitable for simple inspection because of the large temperature change required. If the amplified double-stranded DNA is denatured to form single-stranded DNA, recombination of the original complementary single-stranded DNA with higher affinity between the single-stranded DNA prior to denaturation, rather than binding to the complementary probe supplied. There is a problem that is easy.

본 발명은 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이용하여 하나의 챔버(Chamber)에서 등온 증폭 반응 및 증폭된 DNA 검출이 동시 혹은 순차적으로 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 또, 검출을 위해 증폭된 이중 가닥 DNA의 변성(Denaturation)이 별도로 요구되지 않는 것을 목적으로 한다. 또한, 전극과 산화-환원 표지자 사이의 전자 이동 매개체의 매개 속도 차를 이용한 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하여, 별도의 세척 과정을 요구하지 않는 것을 목적으로 하고 있다.The present invention aims to enable simultaneous or sequential isothermal amplification reaction and amplified DNA detection in one chamber using a protein that specifically binds to double stranded DNA. It is also an object that denaturation of the double stranded DNA amplified for detection is not required separately. It also aims to detect amplified double-stranded DNA using the mediated rate difference of the electron transfer mediator between the electrode and the redox marker, so that no separate washing procedure is required.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another task that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따르면, DNA 검출 방법으로, 상기 DNA 검출 방법은, 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계 및 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계가 하나의 챔버(Chamber)내에서 동시 또는 순차적으로 이루어지고, 상기 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계는, 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머에 의한 증폭 반응으로, 상기 포워드 프라이머의 말단은 전극에 도포된 포워드 프라이머 결합층에 친화적인 물질로 표지되어 있고, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA와 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질의 결합으로 결합물이 생성되는 단계 및 상기 결합물에 부착된 산화-환원 표지자와 전자 이동 매개체(electron mediator)의 산화-환원 반응에 의해 전극으로 전자가 이동되고, 전자 이동 매개체의 전자 전달 속도 차에 의해 DNA를 검출하는 단계를 포함하되, 상기 검출은, 증폭된 이중 가닥 DNA의 변성(Denaturation) 단계를 별도로 요구하지 않는 것인, DNA 검출 방법이 제공된다.According to one embodiment of the invention, in the DNA detection method, the DNA detection method, the isothermal amplification of the double-stranded DNA and the step of detecting the amplified double-stranded DNA simultaneously or sequentially in one chamber (Chamber) Isothermal amplification of the double-stranded DNA, the amplification reaction by a forward primer and a reverse primer, the ends of the forward primer is labeled with a material friendly to the forward primer binding layer applied to the electrode, Detecting the amplified double-stranded DNA, the combination of the amplified double-stranded DNA and a protein that specifically binds to the double-stranded DNA to produce a conjugate and the redox marker attached to the conjugate and the electron The electrons are transferred to the electrode by the oxidation-reduction reaction of the electron mediator, and the electron transfer rate of the electron transfer medium Comprising the step of detecting DNA by the said detection, this will be a, DNA detection method that does not require a modification (Denaturation) phase of the amplified double-stranded DNA is provided separately.

일 측에 따르면, 상기 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질은, 징크 핑거 단백질(Zinc finger protein)일 수 있다.According to one side, the protein that specifically binds to the double-stranded DNA may be a zinc finger protein.

일 측에 따르면, 상기 징크 핑거 단백질은 Zif268, TFIIIA, GAGA 및 Ros 로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.According to one side, the zinc finger protein may be any one or more selected from the group consisting of Zif268, TFIIIA, GAGA and Ros.

일 측에 따르면, 상기 등온 증폭 반응은 재조합효소 중합효소 증폭(recombinase polymerase amplification, RPA), 루프 매개 증폭(loop-mediated isothermal amplification, LAMP), 헬리카제-종속 증폭(helicase-dependent amplification, HDA), 회전환 증폭(rolling circle amplification, RCA), 다중치환증폭(multiple displacement amplification, MDA), 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification, SDA), 핵산 서열-기재 증폭(nucleic acid sequence-based amplification, NASBA) 중 어느 하나인 것 일 수 있다.According to one side, the isothermal amplification reaction is recombinase polymerase amplification (RPA), loop-mediated isothermal amplification (LAMP), helicase-dependent amplification (HDA), Any of rolling circle amplification (RCA), multiple displacement amplification (MDA), strand displacement amplification (SDA), and nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) It can be one.

일 측에 따르면, 상기 DNA 검출 방법은, 검출 중에 세척 과정을 요구하지 않는 것일 수 있다.According to one side, the DNA detection method, may be one that does not require a washing process during detection.

일 측에 따르면, 상기 산화-환원 표지자는 글루코스 옥시데이즈, 글리세롤-3-포스페이트 디하이드로지네이즈, 아스코베이트 옥시데이즈, 호스래디쉬 옥시데이즈, 소이빈 옥시데이즈, 라케이즈, 빌리루빈 옥시데이즈, 타이로시네이즈, 금 나노입자, 은 나노입자, 백금 나노입자, 이리듐 나노입자, 팔라듐 나노입자, 프러시안블루 나노입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.According to one side, the redox markers are glucose oxidase, glycerol-3-phosphate dehydrogenase, ascorbate oxidase, horseradish oxidase, soybean oxidase, lacage, bilirubin oxidase, tyro It may be any one selected from the group consisting of synages, gold nanoparticles, silver nanoparticles, platinum nanoparticles, iridium nanoparticles, palladium nanoparticles, Prussian blue nanoparticles, and combinations thereof.

일 측에 따르면, 상기 전자 이동 매개체는 Ru(NH3)6 3+, Ru(NH3)6 2+, Fe(CN)6 3-, Fe(CN)6 4-, Ru(NH3)5(pyridine)3+, Ru(NH3)5(pyridine)2+, 페로센, 페로센 메탄올, 페로센 카복시산, Os(bpy)2Cl2 3+, Ox(bpy)2Cl2 2+ 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.According to one side, the electron transfer mediator is Ru (NH 3 ) 6 3+ , Ru (NH 3 ) 6 2+ , Fe (CN) 6 3- , Fe (CN) 6 4- , Ru (NH 3 ) 5 (pyridine) 3+ , Ru (NH 3 ) 5 (pyridine) 2+ , ferrocene, ferrocene methanol, ferrocene carboxylic acid, Os (bpy) 2 Cl 2 3+ , Ox (bpy) 2 Cl 2 2+ and combinations thereof It may be any one selected from the group consisting of.

일 측에 따르면, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는, 2종 이상의 전극을 포함하고, 전극 사이의 간섭이 없이 각각의 전극을 통해 동시에 2종 이상의 증폭된 DNA를 검출하는 것일 수 있다.According to one side, the step of detecting the amplified double-stranded DNA, including two or more kinds of electrodes, may be to detect two or more kinds of amplified DNA through each electrode at the same time without interference between the electrodes.

일 측에 따르면, 상기 전극은 주석산화물(Indium tin oxide, ITO) 전극, 그래핀(grapheme)이 입혀진 주석산화물 전극, 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 입혀진 주석산화물 전극, 카본 전극, 금 전극, 은 전극, Ag/AgCl 전극, 백금 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.According to one side, the electrode is a tin oxide (ITO) electrode, a tin oxide electrode coated with graphene (grapheme), a tin oxide electrode coated with carbon nanotube, carbon electrode, gold electrode, silver It may be any one selected from the group consisting of electrodes, Ag / AgCl electrodes, platinum electrodes, and combinations thereof.

일 측에 따르면, 전술한 DNA 검출 방법을 이용하여 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 DNA 검출장치일 수 있다.According to one side, it may be a DNA detection device for detecting a double-stranded DNA amplified using the above-described DNA detection method.

본 발명에 따르면, 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이용하여 별도의 변성(Denaturation) 단계 없이 증폭된 이중 가닥DNA를 검출할 수 있어 빠르고 간단한 검출이 가능하다. 또, 전기화학적 신호 검출은 하나의 챔버(Chamber) 내에서 등온 증폭 반응 중 또는 후에 일어날 수 있어, 단시간에 증폭된 DNA 검출을 가능하게 한다. 더욱이, 전자 이동 매개체의 매개 속도 차를 이용하므로 별도의 세척과정 없이 증폭된 DNA를 검출 할 수 있어 DNA의 손실을 줄일 수 있다.According to the present invention, a protein that specifically binds to double-stranded DNA can be used to detect amplified double-stranded DNA without a separate denaturation step, thereby enabling quick and simple detection. In addition, electrochemical signal detection can occur during or after an isothermal amplification reaction in one chamber, enabling amplified DNA detection in a short time. Moreover, since the median speed difference of the electron transfer mediator is used, the amplified DNA can be detected without a separate washing process, thereby reducing the loss of DNA.

도 1은 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이용한 증폭된 이중 가닥 DNA 검출을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이용한 2종의 증폭된 이중 가닥 DNA검출을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 징크 핑거 단백질(Zinc finger protein)을 이용한 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 Zif268을 이용한 RPA로 증폭된 DNA의 검출을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 Zif268과 이중 가닥 DNA의 결합을 위한 Zn2+의 전자 이동 매개 영향을 실험한 데이터이다.
도 6은 ITO 변형전극에서 GOx-Zif268 접합체의 비특이적 흡착을 실험한 데이터이다.
도 7은 타깃 DNA의 RPA 증폭 특이성 및 증폭된 타깃 DNA의 검출 선별도를 실험한 데이터이다.
도 8은 피스시리케치아 살모니스의 DNA를 증폭하여 무세척으로 검출한 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
1 schematically depicts amplified double stranded DNA detection using proteins that specifically bind to double stranded DNA.
Figure 2 schematically shows two amplified double stranded DNA detections using proteins that specifically bind to double stranded DNA.
Figure 3 schematically shows the detection of amplified double stranded DNA using zinc finger protein according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 schematically shows the detection of DNA amplified by RPA using Zif268 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows experimental data of electron transfer mediated effects of Zn 2+ for binding Zif268 to double-stranded DNA.
FIG. 6 shows data of nonspecific adsorption of GOx-Zif268 conjugates on ITO modified electrodes.
7 is data for experiments on RPA amplification specificity of target DNA and detection selectivity of amplified target DNA.
8 is a graph showing the experimental results of amplifying the DNA of Pissirikesia salmonis and detecting it without washing.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, various changes may be made to the embodiments so that the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It is to be understood that all changes, equivalents, and substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of description and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components will be given the same reference numerals regardless of the reference numerals and duplicate description thereof will be omitted. In the following description of the embodiment, if it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명에서 사용되는 용어는 다음과 같이 정의될 수 있다.Terms used in the present invention may be defined as follows.

본 발명에서 용어 “변성(Denaturation)”은 이중 가닥 DNA의 상보적인 결합이 끊어져 두 개의 단일 가닥 DNA가 되는 것을 의미한다.The term "denaturation" in the present invention means that the complementary binding of the double stranded DNA is broken to form two single stranded DNA.

본 발명에서 용어 “변형전극”은 포워드 프라이머와 결합 친화적인 물질을 전극에 도포하여 포워드 프라이머 결합층을 추가한 전극을 의미한다.In the present invention, the term “modified electrode” refers to an electrode to which a forward primer binding layer is added by applying a forward-friendly material and a binding friendly material to the electrode.

본 발명에서 용어 “포워드 프라이머 결합층”은 등온 증폭 반응에 사용되는 포워드 프라이머와 결합하도록 인위적으로 제작된 단층을 의미한다.As used herein, the term “forward primer binding layer” refers to a monolayer artificially designed to bind to a forward primer used in an isothermal amplification reaction.

이하, 본 명세서에서 달리 정의되지 않은 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 의미를 갖는 것이다.Hereinafter, terms that are not defined otherwise in the present specification have the meanings commonly used in the art to which the present invention belongs.

본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출방법은, 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계 및 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계가 하나의 챔버(Chamber)내에서 동시 또는 순차적으로 이루어지고, 상기 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계는, 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머에 의한 증폭 반응으로, 상기 포워드 프라이머의 말단은 전극에 도포된 포워드 프라이머 결합층에 친화적인 물질로 표지되어 있고, 상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는, (a) 상기 증폭된 이중 가닥 DNA와 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질의 결합으로 결합물이 생성되는 단계; 및 (b) 상기 결합물에 부착된 산화-환원 표지자와 전자 이동 매개체(electron mediator)의 산화-환원 반응에 의해 전극으로 전자가 이동되고, 전자 이동 매개체의 전자 전달 속도 차에 의해 DNA를 검출하는 단계; 를 포함하되, 상기 검출은, 증폭된 이중 가닥 DNA의 변성(Denaturation) 단계를 별도로 요구하지 않는 것이다.In the DNA detection method according to an embodiment of the present invention, the step of isothermally amplifying double stranded DNA and detecting the amplified double stranded DNA are simultaneously or sequentially performed in one chamber. The isothermal amplification of DNA is an amplification reaction by a forward primer and a reverse primer, and the ends of the forward primer are labeled with a material friendly to the forward primer binding layer applied to the electrode, and the amplified double-stranded DNA is detected. The step of (a) generating a conjugate by combining the amplified double-stranded DNA and a protein that specifically binds to the double-stranded DNA; And (b) the electrons are transferred to the electrode by the oxidation-reduction reaction of the redox marker and the electron mediator attached to the conjugate, and the DNA is detected by the difference in the electron transfer rate of the electron transfer mediator. step; Including, but the detection is that does not require a denaturation step of the amplified double-stranded DNA separately.

이하의 설명 및 도면에서는, 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이중 가닥 DNA 결합 단백질이라고 칭하도록 한다.In the following description and drawings, a protein that specifically binds to double stranded DNA is referred to as a double stranded DNA binding protein.

이중 가닥 DNA의 등온 증폭이 진행되는 동안, 증폭된 이중 가닥 DNA가 생성될 때마다 상기 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출이 가능하므로 증폭 단계 및 검출 단계는 동시에 진행될 수 있다. 또, 최종적으로 등온 증폭이 모두 종료된 후에도, 미처 검출되지 않은 증폭된 이중 가닥 DNA가 검출될 수 있으므로 순차적으로 진행될 수도 있다. 여기서, 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계는, 챔버에 공급되는 리버스 프라이머와 말단이 표지된 포워드 프라이머에 의한 것이다. 또, 증폭된 이중 가닥 DNA를 전극에 인접시켜 전기화학적 신호를 검출하기 위해, 포워드 프라이머의 말단에 표지되는 물질은 작업전극에 도포된 포워드 프라이머 결합층과 친화도가 높은 물질임이 바람직하다. 등온 증폭 반응에 의해 챔버 내에 증폭된 이중 가닥 DNA가 하나 이상 존재하게 되면, 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계를 수행하게 된다. 증폭된 이중 가닥 DNA는 포워드 프라이머 말단과 포워드 프라이머 결합층과의 결합에 의해 전극에 인접하게 되고, 이중 가닥 결합 단백질과 특이적으로 결합하여 결합물을 생성한다. 이 때, 이중 가닥 DNA 결합 단백질에는 산화-환원 표지자가 부착된 상태로 결합이 진행되어, 결합의 유무에 따라 전극과 산화-환원 표지자의 거리가 달라지게 된다. 증폭된 이중 가닥 DNA와 결합하여 결합물이 생성되는 경우, 전자 이동 매개체는 전극과 인접한 위치에서 산화-환원 표지자에 의해 환원되고, 작업 전극에 전자를 전달하면서 다시 산화가 되는 과정을 단시간에 반복하는 빠른 매개 속도를 가지게 된다. 반면 증폭된 이중 가닥 DNA와 결합하지 않는 경우, 증폭된 이중 가닥 DNA와 결합하지 않은 이중 가닥 DNA 결합 단백질은 전극에 인접하지 않아, 상대적으로 느린 매개 속도를 가지게 된다. 즉, 증폭된 이중 가닥 DNA가 존재하는 경우, 빠른 매개 속도에 의해 전자 전달 속도가 빨라져, 전극에 높은 전기화학적 신호가 검출될 수 있다.During the isothermal amplification of the double stranded DNA, the amplified step and the detecting step can proceed simultaneously because the amplified double stranded DNA can be detected whenever an amplified double stranded DNA is generated. In addition, even after all isothermal amplification is completed, amplified double-stranded DNA that is not detected may be detected, and thus may proceed sequentially. Here, the step of isothermally amplifying the double stranded DNA is by means of a reverse primer and an end-labeled forward primer supplied to the chamber. In addition, in order to detect the electrochemical signal by amplifying the double-stranded DNA adjacent to the electrode, the material labeled at the end of the forward primer is preferably a material having high affinity with the forward primer binding layer applied to the working electrode. When at least one double stranded DNA is amplified in the chamber by an isothermal amplification reaction, the step of detecting the amplified double stranded DNA is performed. The amplified double stranded DNA is adjacent to the electrode by binding of the forward primer end and the forward primer binding layer, and specifically binds to the double stranded binding protein to generate a bond. At this time, the double-stranded DNA binding protein is bonded in the state in which the redox marker is attached, and the distance between the electrode and the redox marker is changed depending on the presence or absence of the binding. When a conjugate is formed by binding to amplified double-stranded DNA, the electron transfer mediator is reduced by an oxidation-reduction marker at a position adjacent to the electrode and repeats the process of oxidizing again while transferring electrons to the working electrode. It has a fast medium speed. On the other hand, when it does not bind to the amplified double stranded DNA, the double stranded DNA binding protein that does not bind to the amplified double stranded DNA is not adjacent to the electrode, and thus has a relatively slow mediating speed. In other words, when amplified double-stranded DNA is present, the electron transfer rate is increased by a fast medium speed, so that a high electrochemical signal can be detected at the electrode.

일 측에 따르면, 전자 이동 매개체는, Ru(NH3)6 3+, Ru(NH3)6 2+, Fe(CN)6 3-, Fe(CN)6 4-, Ru(NH3)5(pyridine)3+, Ru(NH3)5(pyridine)2+, 페로센, 페로센 메탄올, 페로센 카복시산, Os(bpy)2Cl2 3+, Ox(bpy)2Cl2 2+ 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.According to one side, the electron transfer medium is Ru (NH 3 ) 6 3+ , Ru (NH 3 ) 6 2+ , Fe (CN) 6 3- , Fe (CN) 6 4- , Ru (NH 3 ) 5 (pyridine) 3+ , Ru (NH 3 ) 5 (pyridine) 2+ , ferrocene, ferrocene methanol, ferrocene carboxylic acid, Os (bpy) 2 Cl 2 3+ , Ox (bpy) 2 Cl 2 2+ and combinations thereof It may be any one selected from the group consisting of.

일 측에 따르면, 산화-환원 표지자는 글루코스 옥시데이즈, 글리세롤-3-포스페이트 디하이드로지네이즈, 아스코베이트 옥시데이즈, 호스래디쉬 옥시데이즈, 소이빈 옥시데이즈, 라케이즈, 빌리루빈 옥시데이즈, 타이로시네이즈, 금 나노입자, 은 나노입자, 백금 나노입자, 이리듐 나노입자, 팔라듐 나노입자, 프러시안블루 나노입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.According to one side, the redox markers are glucose oxidase, glycerol-3-phosphate dehydrogenase, ascorbate oxidase, horseradish oxidase, soybean oxidase, laccase, bilirubin oxidase, tyrosine Nase, gold nanoparticles, silver nanoparticles, platinum nanoparticles, iridium nanoparticles, palladium nanoparticles, Prussian blue nanoparticles and combinations thereof.

일 측에 따르면, 이중 가닥 DNA결합 단백질은 징크 핑거 단백질(Zinc finger protein)일 수 있다. 징크 핑거 단백질은 높은 친화도로 이중 가닥 DNA 또는 RNA-DNA 하이브리드에 결합할 수 있어 이중 가닥 DNA를 검출하는데 용이하게 사용된다. 본 발명에 사용하는 징크 핑거 단백질은 구아닌(Guanine)이 상대적으로 많이 존재해 단일 가닥 DNA에는 잘 결합하지 않으며, 이중 가닥 DNA에는 강하게 결합하는 특성인 Cys2His2-type의 징크 핑거 단백질임이 적합하다. Cys2His2-type의 징크 핑거 단백질은 다양한 단백질-DNA 및 단백질-단백질의 결합을 중재한다. 또, Cys2His2-type의 징크 핑거 도메인(Domain)은 크기가 작고, 자가 접힘(self-folding) 단백질 구조로, 일반적으로 시스테인(cysteine) 또는 히스티딘(histidine) 아미노산 사이에 보존되어 있는 징크(zinc) 이온의 결합을 조정한다. 이러한 모티프(motif)로 인해 ββα 구조를 형성할 수 있으며, 징크 이온(Zn2+)과의 결합으로 안정성을 추가로 얻을 수도 있다.According to one side, the double-stranded DNA binding protein may be a zinc finger protein. Zinc finger proteins are capable of binding to double stranded DNA or RNA-DNA hybrids with high affinity and are thus readily used for detecting double stranded DNA. The zinc finger protein used in the present invention is Cys 2 His 2 -type zinc finger protein, which has a relatively high amount of guanine, which does not bind well to single-stranded DNA, and binds strongly to double-stranded DNA. . Zinc finger proteins of the Cys 2 His 2 -type mediate the binding of various protein-DNAs and protein-proteins. In addition, the zinc finger domain of the Cys 2 His 2 -type is a small, self-folding protein structure, which is generally conserved between cysteine or histidine amino acids. zinc) adjusts the binding of ions Due to this motif (motif) can form a ββα structure, it is possible to further obtain stability by combining with zinc ions (Zn 2+ ).

일 측에 따르면, 본 발명의 징크 핑거 단백질은 Zif268, TFIIIA, GAGA 및 Ros로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.According to one side, the zinc finger protein of the present invention may be any one or more selected from the group consisting of Zif268, TFIIIA, GAGA and Ros.

일 측에 따르면, 등온 증폭 반응은 재조합효소 중합효소 증폭(recombinase polymerase amplification, RPA), 루프 매개 증폭(loop-mediated isothermal amplification, LAMP), 헬리카제-종속 증폭(helicase-dependent amplification, HDA), 회전환 증폭(rolling circle amplification, RCA), 다중치환증폭(multiple displacement amplification, MDA), 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification, SDA), 핵산 서열-기재 증폭(nucleic acid sequence-based amplification, NASBA) 중 어느 하나인 것일 수 있다. 타깃으로 하는 DNA의 종류 및 프라이머에 따라 열거된 등온 증폭 반응 중 적합한 어느 하나의 등온 증폭 방법을 선택적으로 사용할 수 있으며, 후술하는 실시예에서는 RPA로 타깃 DNA를 등온 증폭하여 실험한 내용을 설명하고 있다.According to one side, the isothermal amplification reaction is recombinase polymerase amplification (RPA), loop-mediated isothermal amplification (LAMP), helicase-dependent amplification (HDA), Any one of rolling circle amplification (RCA), multiple displacement amplification (MDA), strand displacement amplification (SDA), and nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) It may be that. Any suitable isothermal amplification method can be selectively used among the isothermal amplification reactions listed according to the type of DNA and the primer to be targeted. Examples described below describe the experiments by isothermally amplifying the target DNA with RPA. .

등온 증폭 반응과 동시 또는 순차적으로 진행되는 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는 전술한 포워드 프라이머 말단 표지와 포워드 프라이머 결합층 간에 존재하는 높은 친화도로 인해 증폭된 이중 가닥 DNA가 전극에 인접함으로써 가능하게 된다. 이 때, 챔버 내의 전극은 주석산화물(Indium tin oxide, ITO) 전극, 그래핀(grapheme)이 입혀진 주석산화물 전극, 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 입혀진 주석산화물 전극, 카본 전극, 금 전극, 은 전극, Ag/AgCl 전극, 백금 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것일 수 있다. 또, 열거한 전극 중 2종 이상을 선택하고, 전극 사이의 간섭이 없이 각각의 전극을 통해 동시에 2종 이상의 증폭된 DNA를 검출 할 수도 있다. 산화-환원 표지자가 하나의 전극에 결합하여 매개 속도가 빨라지더라도 이웃하는 전극의 전류에는 거의 영향이 없기 때문에 간섭이 없이 동시 검출이 가능하게 된다. 이 경우, 챔버 내에는 선택된 2종 이상의 전극이 하나의 기판에 패턴되고, 각각의 전극에 도포되는 포워드 프라이머 결합층은 서로 다른 물질임이 바람직하다. 전자 이동 매개체에 의한 매개 속도 차를 이용하여 2종의 서로 다른 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 방법에 대해서는 도 2에서 후술하도록 한다.Detecting amplified double-stranded DNA that proceeds concurrently or sequentially with an isothermal amplification reaction is made possible by the amplified double-stranded DNA adjacent to the electrode due to the high affinity present between the forward primer end label and the forward primer binding layer described above. do. At this time, the electrode in the chamber is an indium tin oxide (ITO) electrode, a tin oxide electrode coated with graphene, a tin oxide electrode coated with carbon nanotube, a carbon electrode, a gold electrode, a silver electrode It may be any one selected from the group consisting of Ag / AgCl electrode, platinum electrode and a combination thereof. In addition, two or more kinds of the listed electrodes can be selected, and two or more kinds of amplified DNA can be detected simultaneously through each electrode without interference between the electrodes. Even if the redox marker is bonded to one electrode and the mediating speed is increased, the redox marker has little effect on the current of neighboring electrodes, thereby enabling simultaneous detection without interference. In this case, it is preferable that two or more selected electrodes are patterned on one substrate in the chamber, and the forward primer bonding layers applied to the respective electrodes are different materials. A method of detecting two different amplified double-stranded DNAs using a mediated velocity difference by an electron transfer medium will be described later with reference to FIG. 2.

일 측에 따르면, DNA 검출장치는 앞서 설명된 DNA 검출방법을 이용한 것일 수 있다. 이 경우, DNA 검출장치는 전술한 내용에 따라 적합한 물질로 구성되는 것이 바람직하다.According to one side, the DNA detection device may be using the above-described DNA detection method. In this case, the DNA detection device is preferably made of a suitable material in accordance with the above description.

도 1에서는 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이용한 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출을 개략적으로 도시하고 있다.1 schematically illustrates the detection of amplified double stranded DNA using a protein that specifically binds to double stranded DNA.

도 1은 산화-환원 표지자가 연결된 이중 가닥 DNA 결합 단백질, 리버스 프라이머, 포워드 프라이머, 전자 이동 매개체(electron mediator), 기질 및 주형 DNA가 공급된 등온 증폭 챔버에서 전자 이동 매개체에 의해 포워드 프라이머 결합층이 도포된 전극으로 전자를 전달하는 과정이 개략적으로 도시되어 있다. 공급된 주형 DNA는 리버스 프라이머 및 포워드 프라이머에 의해 증폭 반응이 수행되고, 증폭된 이중 가닥 DNA는 상기 산화-환원 표지자가 연결된 이중 가닥 DNA 결합 단백질과 특이적으로 결합한다. 이러한 특이적인 결합은, 별도의 변성(Denaturation) 단계를 필요로 하지 않아 하나의 챔버에서 등온 증폭 반응과 신호 검출이 동시에 일어날 수 있게 한다. 또, 포워드 프라이머는 상기 포워드 프라이머 결합층과 친화도가 높은 물질로 말단이 표지 되어, 증폭된 이중 가닥 DNA와 결합하는 산화-환원 표지자가 연결된 이중 가닥 DNA 결합 단백질을 전극 가까이에 고정하는 역할을 수행한다. 여기서, 산화-환원 표지자는 기질을 산화시켜 전자를 획득하고, 획득된 전자를 이용하여 전자 이동 매개체를 환원시킨다. 환원된 전자 이동 매개체가 전극에 전자를 전달하면서 재산화되는 과정을 반복하고 이로 인해 전기화학적 신호가 생성된다. 이 때, 증폭된 이중 가닥 DNA와의 결합 유무에 따라, 전극과 산화-환원 표지자 사이의 거리가 달라지면서 전극과 산화-환원 표지자 사이에서 전자를 주고 받는 전자 이동 매개체의 매개 속도가 달라지게 된다. 증폭된 이중 가닥 DNA와 특이적으로 결합하는 이중 가닥 DNA 결합 단백질에 표지된 산화-환원 표지자는 전극 근처에 존재하게 되어 상대적으로 큰 매개 속도를 보이고, 증폭된 이중 가닥 DNA와 결합하지 않은 이중 가닥 DNA 결합 단백질에 표지된 산화-환원 표지자는 전극에서 멀리 떨어져 있게 되어 상대적으로 작은 매개 속도를 보인다. 이러한 속도차이를 이용하여 원하는 타깃 DNA의 증폭산물을 선별할 수 있어, 무세척으로 빠르게 증폭된 DNA를 검출할 수 있다.1 shows a forward primer binding layer by an electron transfer mediator in an isothermal amplification chamber supplied with double stranded DNA binding protein, reverse primer, forward primer, electron mediator, substrate and template DNA to which redox markers are linked. The process of transferring electrons to the coated electrode is shown schematically. The supplied template DNA is subjected to an amplification reaction by a reverse primer and a forward primer, and the amplified double stranded DNA specifically binds to the double stranded DNA binding protein to which the redox marker is linked. This specific binding eliminates the need for a separate denaturation step, allowing the isothermal amplification reaction and signal detection to occur simultaneously in one chamber. In addition, the forward primer is end-labeled with a material having a high affinity with the forward primer binding layer, and serves to fix a double-stranded DNA binding protein connected to an redox marker that binds to the amplified double-stranded DNA near the electrode. do. Here, the redox markers oxidize the substrate to obtain electrons, and use the obtained electrons to reduce the electron transfer mediator. The reduced electron transfer mediator repeats the process of reoxidation by transferring electrons to the electrode, resulting in an electrochemical signal. At this time, depending on whether the amplified double-stranded DNA binding, the distance between the electrode and the redox marker is changed, the speed of the mediation of the electron transfer medium to exchange electrons between the electrode and the redox marker. Oxidation-reduction markers labeled on double-stranded DNA binding proteins that specifically bind to amplified double-stranded DNA are present near the electrode, thus exhibiting relatively high mediation rates and double-stranded DNA that does not bind to amplified double-stranded DNA. Oxidation-reduction markers labeled on the binding protein are farther away from the electrode and exhibit relatively small mediation rates. By using this speed difference, the amplified product of the target DNA can be selected, and the DNA amplified rapidly without washing can be detected.

도 2는 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질을 이용한 2종의 증폭된 이중 가닥 DNA검출을 개략적으로 도시한 것이다.Figure 2 schematically shows two amplified double stranded DNA detections using proteins that specifically bind to double stranded DNA.

도 2는 하나의 기판에 2 개의 전극이 포함되어 있고, 제1전극에는 제1포워드 프라이머 결합층이, 제2전극에는 제2포워드 프라이머 결합층이 도포된 등온 증폭 챔버가 도시되어 있다. 상기 챔버에는 산화-환원 표지자가 연결된 이중 가닥 DNA 결합 단백질, 제1타깃 DNA주형, 제2타깃 DNA주형, 제1리버스 프라이머, 제2리버스 프라이머, 제1포워드 프라이머, 제2포워드 프라이머, 전자 이동 매개체 및 기질이 공급된다. 여기서, 제1리버스 프라이머 및 제1포워드 프라이머에 의해 제1타깃 DNA 주형이 등온 증폭되고, 제2리버스 프라이머 및 제2포워드 프라이머에 의해 제2타깃 DNA 주형이 등온 증폭된다. 이 때, 제1포워드 프라이머의 말단은 제1전극에 도포된 제1포워드 프라이머 결합층과 친화도가 높은 물질로 표지되고, 제2포워드 프라이머의 말단은 제2전극에 도포된 제2포워드 프라이머 결합층과 친화도가 높은 물질로 표지된다. 여기서, 전자 이동 매개체에 의한 전자 이동 매개 속도 차를 이용한 전기화학적 신호를 검출하는 과정은 도1에서 전술한 바와 동일하다. 다만, 매개 속도 차를 이용한 신호 검출 시, 두 전극간의 간섭을 최소화 하기 위해 제1포워드 프라이머의 말단 표지 및 제1포워드 프라이머 결합층의 물질은 제2포워드 프라이머 말단 표지 및 제2포워드 프라이머 결합층의 물질과 서로 상이한 것이어야 한다. 더 바람직하게는, 제1포워드 프라이머의 말단 표지와 제2포워드 프라이머 결합층 간의 친화도 및 제2포워드 프라이머의 말단 표지와 제1포워드 프라이머 결합층 간의 친화도는 낮을수록 좋다. 전술한 내용에 따라, 하나의 챔버에서 2종 이상의 증폭된 DNA를 검출할 수도 있다.2 illustrates an isothermal amplification chamber in which two electrodes are included in one substrate, a first forward primer binding layer is applied to a first electrode, and a second forward primer binding layer is applied to a second electrode. The chamber includes a double-stranded DNA binding protein linked to the redox marker, a first target DNA template, a second target DNA template, a first reverse primer, a second reverse primer, a first forward primer, a second forward primer, and an electron transfer medium. And substrates. Here, the first target DNA template isothermally amplified by the first reverse primer and the first forward primer, and the second target DNA template isothermally amplified by the second reverse primer and the second forward primer. In this case, the end of the first forward primer is labeled with a material having a high affinity with the first forward primer binding layer applied to the first electrode, and the end of the second forward primer is a second forward primer binding applied to the second electrode. It is labeled with a material having a high affinity for the layer. Here, the process of detecting the electrochemical signal using the electron transfer medium velocity difference by the electron transfer medium is the same as described above in FIG. However, when detecting a signal using the median speed difference, in order to minimize interference between two electrodes, the material of the first forward primer end label and the first forward primer binding layer may be formed of the second forward primer end label and the second forward primer binding layer. It must be different from the material. More preferably, the affinity between the terminal label of the first forward primer and the second forward primer binding layer and the affinity between the terminal label of the second forward primer and the first forward primer binding layer are better. According to the foregoing, two or more kinds of amplified DNA may be detected in one chamber.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 징크 핑거 단백질(Zinc finger protein)을 이용한 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출을 개략적으로 도시한 것이다.Figure 3 schematically shows the detection of amplified double stranded DNA using zinc finger protein according to an embodiment of the present invention.

도 3은 이중 가닥 DNA 결합 단백질로 징크 핑거 단백질(Zinc finger protein)을 사용한 차이만 있을 뿐, 도1과 동일한 구성을 포함하고 있다. 여기서 사용되는 징크 핑거 단백질은 Zif268, TFIIIA, GAGA 및 Ros 로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상 일 수 있다. 그러나, 그 종류는 앞서 열거한 내용에 반드시 한정되지는 않는다.FIG. 3 includes only the difference of using a zinc finger protein as a double-stranded DNA binding protein, and includes the same configuration as that of FIG. 1. The zinc finger protein used herein may be any one or more selected from the group consisting of Zif268, TFIIIA, GAGA, and Ros. However, the kind is not necessarily limited to the contents listed above.

다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭된 이중 가닥 DNA 검출방법을 도면을 첨부하여 설명한 것이다.The following describes the amplified double-stranded DNA detection method according to an embodiment of the present invention with the accompanying drawings.

실시예. 글루코스 옥시데이즈(GOx), 페로센메탄올 및 Zif268을 이용한 RPA로 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출 및 특성 평가Example. Detection and Characterization of Double-stranded DNA Amplified with RPA Using Glucose Oxidates (GOx), Ferrocenemethanol, and Zif268

도 4는 Zif268를 이용한 RPA로 등온 증폭된 이중 가닥 DNA의 검출을 개략적으로 도시한 것이다.4 schematically illustrates the detection of double stranded DNA isothermally amplified with RPA using Zif268.

도 4 에서는, 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하기 위해 타깃 DNA는 피스시리케치아 살모니스의 DNA, 이중 가닥 DNA 결합 단백질로는 Zif268, 산화-환원 표지자로는 글루코스 옥시데이즈(GOx), 기질로는 글루코스(Glucose), 전자 이동 매개체로는 페로센메탄올을 사용하였다. 포워드 프라이머의 말단에 표지된 물질로는 바이오틴(Biotin)을, 전극에 도포되는 포워드 프라이머 결합층은 바이오틴(Biotin)과 친화도가 높은 아비딘 유사체인 뉴트라비딘(neutravidin) 을 사용하였다.In Figure 4, to detect the amplified double-stranded DNA, the target DNA is the DNA of Piscirichechia Salmonis, Zif268 as the double-stranded DNA binding protein, glucose oxidase (GOx) as the redox marker, substrate Glucose and ferrocenemethanol were used as electron transfer mediators. Biotin was used as a material labeled at the end of the forward primer, and neutravidin, an avidin analog having high affinity with Biotin, was used as the forward primer binding layer applied to the electrode.

도 4에서 도시한 바에 따른 증폭된 DNA 검출 방법은 다음과 같다. 이중 가닥 DNA 결합 단백질인 징크 핑거 단백질Zif268에는 글루코스 옥시데이즈(GOx)가 산화-환원 표지자로 연결되고, 리버스 프라이머와 포워드 프라이머에 의해 타깃 DNA 주형이 등온 증폭된다. 여기서, 포워드 프라이머는 아비딘(avidin)과 결합 친화적인 바이오틴(biotin)이 말단에 표지되어 있다.Amplified DNA detection method as shown in Figure 4 is as follows. The zinc finger protein Zif268, a double stranded DNA binding protein, is linked with glucose oxidase (GOx) as an oxidation-reduction marker and isothermally amplified by a reverse primer and a forward primer. Herein, the forward primer is labeled at the end of biotin, which is binding-friendly with avidin.

이후, 설명하는 실험에서 사용되는 물질의 염기서열은 하기의 표 1과 같다.Then, the base sequence of the material used in the experiment described is shown in Table 1 below.

물질matter 염기 서열Base sequence 길이Length 포워드
프라이머
Forward
primer

5'- biotin-CGACAACGGCGACAGTATTAGCACAAGCAATTATTC -3'

5'- biotin-CGACAACGGCGACAGTATTAGCACAAGCAATTATTC -3 '

36 mer

36 mer
리버스
프라이머
Reverse
primer

5'- CTGTGCACGGTGTAGATAAGTCTTTTAATGCAG -3'

5'- CTGTGCACGGTGTAGATAAGTCTTTTAATGCAG -3 '

33 mer

33 mer

피스시리케치아
살모니스

Pissirikechea
Salmonis
5'- CGACAACGGCGACAGTATTAGCACAAGCAATTATTCAAGAAGGCGTGAAGTCTGTTG
CTGCCGGCATGAACCCAATGGACCTAAAACGCGGCATCGATAAAGCCACTATCGCTG
CAGTTGCTGCATTAAAAGACTTATCTACACCGTGCACAG -3'
5'- CGACAACGGCGACAGTATTAGCACAAGCAATTATTC AAGAAGGCGTGAAGTCTGTTG
CTGCCGGCATGAACCCAATGGACCTAAAACGCGGCATCGATAAAGCCACTATCGCTG
CAGTTG CTGCATTAAAAGACTTATCTACACCGTGCACAG -3 '

153 bp

153 bp

비특이적
프라이머

Nonspecific
primer

5'-biotin-ATG AGT ATA AAT AGT AGA AGT TGT GCT AGA GAT AAA AG-3'

5'-biotin-ATG AGT ATA AAT AGT AGA AGT TGT GCT AGA GAT AAA AG-3 '

38 mer

38 mer

랜덤 시퀀스

Random sequence

5'-agaatagctaagatccatagatcagaaatctgtgaacgtaggaaaatctgtgaa
cgtaggaaaagaatagctaagatccatagatcagaatgtgtcctgtcc-3'

5'-agaatagctaagatccatagatcagaaatctgtgaacgtaggaaaatctgtgaa
cgtaggaaaagaatagctaagatccatagatcagaatgtgtcctgtcc-3 '

102 bp

102 bp

작업 전극으로는 주석 산화물 전극인 ITO를 사용하고, 상기 전극에는 포워드 프라이머 결합층으로 아비딘 유사체인 뉴트라비딘(neutravidin)이 도포된다. 상기 뉴트라비딘(neutravidin)은 포워드 프라이머의 말단에 표지된 바이오틴(Biotin)과 친화도가 높아 증폭된 이중 가닥 DNA가 전극 가까이 위치하도록 한다. 따라서, 증폭된 이중 가닥 DNA와 특이적으로 결합하는 Zif268과 이에 표지된 글루코스 옥시데이즈(GOx) 역시 전극 가까이에 위치하게 된다. 기질인 글루코스는 글루코스 옥시데이즈(GOx)에 의해 글루콘산으로 산화되면서 글루코스 옥시데이즈(GOx)에 전자를 전달하고, 산화된 페로센메탄올은 글루코스 옥시데이즈(GOx)에 의해 전자를 얻고 환원된 형태가 된다. 이후, 환원된 페로센메탄올은 전극에 전자를 전달하고 다시 산화된 형태가 되는 방식으로 산화-환원 과정을 반복하게 된다. 이러한 과정의 반복으로 전극에는 높은 전기화학적 신호가 발생하게 되고, 전극으로부터 멀리 떨어진 GOx-Zif268 접합체로부터 전자를 전달하는 전자 이동 매개체의 매개 속도는 현저히 느려져 매우 낮은 수준의 신호가 발생하게 된다. 이러한 매개 속도의 차이로 원하는 증폭된 DNA를 검출할 수 있다. 위와 같은 원리로 증폭된 DNA를 검출하는 실험은 하기와 같이 진행되었다. ITO, a tin oxide electrode, is used as the working electrode, and the avidin analog, neutravidin, is applied to the forward primer binding layer. The neutravidin has high affinity with labeled Biotin at the end of the forward primer so that the amplified double-stranded DNA is located near the electrode. Thus, Zif268 and its labeled glucose oxidase (GOx), which specifically bind to amplified double stranded DNA, are also located close to the electrode. Glucose, a substrate, is transported to glucose oxidase (GOx) as it is oxidized to glucose by glucose oxidase (GOx), and the oxidized ferrocenemethanol obtains electrons and is in reduced form by glucose oxidase (GOx). . Thereafter, the reduced ferrocenemethanol transfers electrons to the electrode and repeats the redox process in such a manner that the reduced ferrocenemethanol becomes an oxidized form. The repetition of this process generates a high electrochemical signal on the electrode, and the median velocity of the electron transfer mediator, which transfers electrons from the GOx-Zif268 conjugate away from the electrode, is significantly slowed down, resulting in a very low level of signal. This difference in mediation rate can detect the desired amplified DNA. Experiment to detect the amplified DNA on the same principle as described above was carried out.

1. Zif268의 발현 및 정제 1. Expression and Purification of Zif268

Zif268을 박테리아 발현 벡터 Pmal-c2X에 클로닝하고, N말단 말토오즈 결합 단백질(maltose binding protein, MBP)을 정제 태그로 사용하여 발현하였다. 대장균 BL21(Invitrogen)에서 발현된 Zif268은 종래에 보고된 내용대로 정제하였다.Zif268 was cloned into the bacterial expression vector Pmal-c2X and expressed using N-terminal maltose binding protein (MBP) as a purification tag. Zif268 expressed in Escherichia coli BL21 (Invitrogen) was purified as previously reported.

2. 글루코스 옥시데이즈(GOx)-Zif268 접합체 준비2. Preparation of Glucose Oxidates (GOx) -Zif268 Conjugate

글루코스 옥시데이즈(GOx)- Zif268 접합체 역시 종래에 보고된 절차에 따라 제조되었다.Glucose Oxidates (GOx) -Zif268 conjugates were also prepared according to previously reported procedures.

먼저, 접합하는 동안 Zif268 구조를 유지하기 위해 Zn2+가 함유된 HEPES 완충액을 사용하였다. 100 μg / mL Zif268 및 HEPES 완충액 (1 mg / mL 설포-SMCC(sulfosuccinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexane-1-carboxylate)포함) 50 μL를 함유 한 HEPES 1 mL를 혼합하고 22 ± 2 ° C에서 30 분 동안 배양했다. Zif268에 접합한 설포-SMCC 을 13500g에서 20 분 동안 10K 원심 분리 필터로 여과하여 남는 설포-SMCC를 제거하고, 여과 액을 1 mL의 HEPES 완충액에 용해시켰다.First, a HEPES buffer containing Zn 2+ was used to maintain the Zif268 structure during conjugation. Mix 1 mL of HEPES containing 100 μg / mL Zif268 and 50 μL of HEPES buffer (including 1 mg / mL sulfo-SMCC (sulfosuccinimidyl 4- [N-maleimidomethyl] cyclohexane-1-carboxylate)) at 22 ± 2 ° C Incubate for 30 minutes. Sulfo-SMCC conjugated to Zif268 was filtered through a 10K centrifugal filter at 13500 g for 20 minutes to remove the remaining sulfo-SMCC, and the filtrate was dissolved in 1 mL of HEPES buffer.

이후, 280 ㎍ / mL 글루코스 옥시데이즈(GOx)를 함유하는 1 ㎖의 HEPES 완충액과 2 ㎎ / ㎖ SATP를 함유하는 10 ㎕의 HEPES 완충액을 혼합하고, 혼합물을 22 ± 2 ℃에서 30 분 동안 배양 하였다. 그 결과액을 0.012 g / mL 의 EDTA와 0.044 g / mL 의 하이드록실 아민 염산염을 함유한 탈 아세틸화 용액(HEPES 완충액) 20 μL와 22 ± 2 ℃에서 2 시간 혼합 한 후, 30 K 원심 분리 필터로 여과 하였다. 과량의 탈 아세틸 용액을 제거하기 위해 13500g에서 20 분간 여과한다. 남은 여과액은 1 mL의 HEPES 완충액에 용해시켰다.Thereafter, 1 ml of HEPES buffer containing 280 μg / mL glucose oxidase (GOx) and 10 μl of HEPES buffer containing 2 mg / ml SATP were mixed, and the mixture was incubated at 22 ± 2 ° C. for 30 minutes. . The resulting solution was mixed with 20 μL of a deacetylation solution (HEPES buffer) containing 0.012 g / mL EDTA and 0.044 g / mL hydroxyl amine hydrochloride for 2 hours at 22 ± 2 ° C., followed by a 30 K centrifugal filter Was filtered through. Filter for 20 minutes at 13500 g to remove excess deacetyl solution. The remaining filtrate was dissolved in 1 mL of HEPES buffer.

Zif268와 설포-SMCC의 접합체 함유용액과 SATP-GOx결합체가 포함용액을 22 ± 2 ℃에서 2 시간 동안 1 : 1의 몰비로 혼합 하였다. 혼합용액 중 GOx-Zif268을 여과하기 위해, 최종 혼합물을 13500 g에서 20 분 동안 30 K 원심 분리 필터로 여과시켰다. 마지막으로, 남은 용액을 TZ 완충액 1 mL에 용해시키고 -20 ℃에서 분취액으로 보관했다.The solution containing the conjugate of Zif268 and sulfo-SMCC and the SATP-GOx conjugate were mixed at a molar ratio of 1: 1 at 22 ± 2 ° C. for 2 hours. To filter GOx-Zif268 in the mixed solution, the final mixture was filtered through a 30 K centrifugal filter at 13500 g for 20 minutes. Finally, the remaining solution was dissolved in 1 mL of TZ buffer and stored as an aliquot at -20 ° C.

3. 감지전극 준비3. Sensor Preparation

ITO 전극 (1 × 2 cm)을 H2O, H2O2 (30 %) 및 NH4OH (30 %)의 혼합 용액에 5 : 1 : 1의 체적비로 70 ℃에서 1 시간 동안 침지하여 전처리 하였다. 뉴트라비딘(neutravidin-), 스트렙타비딘(streptavidin-) 및 아비딘(avidin-) 변형 된 ITO 전극을 얻기 위해, 10 μg / mL의 뉴트라비딘(neutravidin), 스트렙타비딘(streptavidin) 및 아비딘(avidin)을 각각 함유하는 70 μL의 탄산염 완충액 (50 mM, pH 9.6)을 전처리 된 ITO 전극 상에 20 ℃에서 2 시간 동안 배양 하였다. 전극을 blocking buffer 70 μL로 20 ℃에서 30 분간 차단 한 후, 사용하기 전에 4 ℃에서 냉장고에 보관 하였다.Pretreatment by dipping the ITO electrode (1 × 2 cm) in a mixed solution of H 2 O, H 2 O 2 (30%) and NH 4 OH (30%) at 70 ° C. for 1 hour at a volume ratio of 5: 1: 1 It was. To obtain neutravidin-, streptavidin- and avidin- modified ITO electrodes, 10 μg / mL of neutravidin, streptavidin and avidin 70 μL of carbonate buffer (50 mM, pH 9.6) each containing was incubated at 20 ° C. for 2 hours on a pretreated ITO electrode. After blocking the electrode for 30 minutes at 20 ℃ with 70 μL blocking buffer, and stored in the refrigerator at 4 ℃ before use.

4. 무세척 DNA 검출을 위한 준비4. Preparation for No Clean DNA Detection

전기화학셀은 ITO 감지전극, Ag / AgCl (3M NaCl) 기준전극 및 백금 카운터 전극으로 조립되었다. 각 ITO 전극의 노출된 영역은 약 0.28 cm2였다. 동결 건조된 RPA 펠릿을 초순수 증류수에 용해시킨 후 3K 원심 분리 필터를 사용하여 DTT(전기 활성 간섭종)를 제거하였다. 남은 여과액을 사용하기 전에 펠렛당 29.5 μL의 재수화 완충액에 현탁시켰다.The electrochemical cell was assembled with ITO sensing electrode, Ag / AgCl (3M NaCl) reference electrode and platinum counter electrode. The exposed area of each ITO electrode was about 0.28 cm 2 . Lyophilized RPA pellets were dissolved in ultrapure distilled water and then DTT (electrically active interference species) was removed using a 3K centrifugal filter. The remaining filtrate was suspended in 29.5 μL of rehydration buffer per pellet before use.

RPA로 증폭된 이중 가닥 DNA를 세척과정 없이 검출하기 위해 1 mM 페로센 메탄올을 함유한 TZ 완충액 100 μL, 50 mM 글루코스 함유 TZ 완충액 100 μL, TZ 완충액 740 ㎕, 2.4 μL의 10 μM 비오틴 종결 순방향 프라이머로 이루어진 47.5 μL의 혼합용액을 미세 다공성 튜브에 넣고, 10 μM 리버스 프라이머 2.4 μL, DNA 주형의 다른 사본 번호(Copy number)를 포함하는 13.2 μL의 초순수 증류수 용해액, 29.5 μL 의 여과액을 함유하는 재수화 완충액 및 2.5 μL의 Mg (CH3COO) 2 용액을 첨가하여 RPA 반응을 개시 하였다. 이 때, 사본 번호(copy number)는 하기의 수식 1과 같이 계산되었다. To detect RPA amplified double stranded DNA without washing, 100 μL of TZ buffer containing 1 mM ferrocene methanol, 100 μL of TZ buffer containing 50 mM glucose, 740 μL of TZ buffer, 2.4 μL of 10 μM biotin terminated forward primer 47.5 μL of the mixed solution was placed in a microporous tube, and resuspension containing 2.4 μL of 10 μM reverse primer, 13.2 μL of ultrapure distilled water solution containing different copy numbers of DNA template, and 29.5 μL of filtrate. RPA reaction was initiated by the addition of quenching buffer and 2.5 μL of Mg (CH 3 COO) 2 solution. At this time, the copy number was calculated as in Equation 1 below.

[수식 1][Equation 1]

Figure 112018036077523-pat00001
Figure 112018036077523-pat00001

이후, 혼합물을 볼텍싱 (vortexing)하여 혼합하고 37 ℃에서 배양 하였다Thereafter, the mixture was mixed by vortexing and incubated at 37 ° C.

배양된 샘플 용액은 곧 다시 5 분 동안 볼텍싱(vortexing)한 다음 1 ㎖의 최종 부피로 10 ㎍ / ㎖의 GOx-Zif268 접합체 10 μL와 함께 조립된 전기 화학 셀에 주입 하였다. GOx-Zif268접합체, 페로센 메탄올, 글루코스, 바이오틴 - 말단 포워드 프라이머 및 역방향 프라이머의 생성 된 농도는 각각 0.1 μg / mL, 0.1 mM, 5 mM, 24 nM 및 24 nM이었다. 1 mL부피로 채운 셀을 전기 화학적 측정 전에 37 ℃에서 10 분간 추가 배양 하였다(CH Instruments, Austin, TX, USA).The cultured sample solution was soon vortexed for another 5 minutes and then injected into an assembled electrochemical cell with 10 μL of 10 μg / mL GOx-Zif268 conjugate at a final volume of 1 mL. The resulting concentrations of the GOx-Zif268 conjugate, ferrocene methanol, glucose, biotin-terminal forward primer and reverse primer were 0.1 μg / mL, 0.1 mM, 5 mM, 24 nM and 24 nM, respectively. Cells filled with 1 mL volume were further incubated at 37 ° C. for 10 min before electrochemical measurements (CH Instruments, Austin, TX, USA).

5. RPA로 등온 증폭된 이중 가닥 DNA의 겔 전기 영동 확인5. Confirmation of gel electrophoresis of double stranded DNA isothermally amplified with RPA

RPA 반응은 2.4μL의 바이오틴 말단 포워드 프라이머, 2.4μL의 리버스 프라이머, 13.2μL의 0.1ng / μL DNA(Piscirickettsia Salmonis의 주형 DNA 또는 비특이적 랜덤 서열 DNA) 및 29.5μL의 재수화 완충액으로 이루어진 용액에서 수행되었다. RPA 반응은 2.5 μL의 Mg (CH3COO)2 용액을 50 μL의 최종 부피로 첨가 한 다음, 볼텍싱(vortexing)에 의해 개시되었다. 최종 용액을 37 ℃에서 5 분 동안 인큐베이션한 뒤, 5 분동안 짧은 볼텍싱(vortexing)을 하여 다시 혼합 하였다. RPA 증폭된 용액 (50 μL)을 제조사의 지시에 따라 정제 하였다(NucleoSpin®® Gel사의 PCR Clean-up kit).RPA reactions were performed in a solution consisting of 2.4 μL biotin terminal forward primer, 2.4 μL reverse primer, 13.2 μL 0.1 ng / μL DNA (temporal DNA or nonspecific random sequence DNA from Piscirickettsia Salmonis) and 29.5 μL of rehydration buffer. . The RPA reaction was initiated by vortexing after adding 2.5 μL of Mg (CH 3 COO) 2 solution to a final volume of 50 μL. The final solution was incubated at 37 ° C. for 5 minutes and then mixed again by short vortexing for 5 minutes. RPA amplified solution (50 μL) was purified according to the manufacturer's instructions (PCR Clean-up kit from NucleoSpin® Gel).

도 5에서는 Zif268와 이중 가닥 DNA의 결합을 유지하기 위해 사용된 TZ완충용액(Zn2+ 함유)의 전자 이동 매개 영향을 실험한 결과를 나타낸 데이터이다.5 is a data showing the results of experiments on the electron transfer mediated effect of the TZ buffer (containing Zn 2+ ) used to maintain the binding of Zif268 and double-stranded DNA.

도 5a 및 도 5b의 (i) 내지 (iii)는 각각, (i)는 100μμM의 페로센 메탄올만 공급된 경우, (ii) 100μμM 의 페로센 메탄올에 5 μμM의 글루코스가 공급된 경우, (iii) 100 μμM 페로센 메탄올, 5 μμM 글루코스 및 200 μμM/ml 의 글루코스 옥시데이즈(GOx)가 공급된 경우로, (i) 내지 (iii)의 경우를 순환전압전류법(Cycle votammetry)과 크로노쿨로메트리(Chronocoulometry)를 이용하여 실험한 결과를 도시한 것이다.(I) to (iii) of FIGS. 5A and 5B, respectively, (i) when only 100 μM of ferrocene methanol was supplied, and (ii) 100 μM of ferrocene methanol was supplied with 5 μM of glucose, (iii) 100 In the case of μM ferrocene methanol, 5 μM glucose and 200 μM / ml glucose oxidase (GOx) supplied, the cases of (i) to (iii) were subjected to cyclic votammetry and chronocoulometry. ) Shows the results of the experiment.

도 5a의 실험은 도 4의 검출 방법을 이용하고, 순환 전압 전류법으로 측정된 그래프로, 20mV/s의 스캔속도로 기록되었다. 도 5a의 (i) 그래프를 보면, 페로센 메탄올을 함유한 TZ완충용액에서 얻어진 순환 전압 전류 그래프를 통해 페로센 메탄올이 빠른 외부 전자 전달을 함으로써, ITO 전극에서 가역적인 전기 화학적 양상을 보임을 확인 할 수 있다. 도 5a의 (ii) 그래프를 보면, 페로센 메탄올과 글루코스를 함유한 TZ 완충용액에서 얻은 순환 전압 전류 그래프는 도 5a의 (i)와 유사하였으나, 도 5a의 (iii) 그래프에서는 페로센 메탄올, 글루코스 및 글루코스 옥시데이즈(GOx)를 함유한 TZ 완충용액에서 얻어진 순환 전압 전류 그래프의 전류량은 높게 측정되었다. 이러한 결과를 통해, 페로센 메탄올과 글루코스 사이의 직접적인 반응이 매우 느리거나 발생하지 않았으며, 페로센 메탄올의 전자 이동 매개가 TZ 완충용액에서도 빠른 속도로 진행된다는 것을 알 수 있다.The experiment of FIG. 5A is a graph measured by cyclic voltammetry using the detection method of FIG. 4 and recorded at a scan rate of 20 mV / s. Referring to the graph (i) of FIG. 5A, it can be seen that the ferrocene methanol exhibits reversible electrochemical behavior at the ITO electrode through fast external electron transfer through a cyclic voltage current graph obtained from a TZ buffer solution containing ferrocene methanol. have. Referring to the graph (ii) of FIG. 5A, the cyclic voltage current graph obtained from the TZ buffer containing ferrocene methanol and glucose is similar to that of FIG. 5A, but in the graph (iii) of FIG. 5A, the ferrocene methanol, glucose and The amount of current in the cyclic voltage current graph obtained in the TZ buffer containing glucose oxidase (GOx) was measured high. These results indicate that the direct reaction between ferrocene methanol and glucose was not very slow or occurred, and the electron transfer mediation of ferrocene methanol proceeds rapidly in TZ buffer.

도 5b는 페로센 메탄올이 글루코스 및 산화-환원 표지자인 글루코스 옥시데이즈(GOx)에 의해 전자 이동 매개체의 역할을 수행함을 보여주기 위해, 37 °C 의 TZ완충용액에 0.13V 전압이 인가된 ITO전극에서 크로노쿨로메트리를 측정한 결과를 그래프로 도시한 것이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 단순히 페로센 메탄올만 존재하는 도 5b의 (i)의 경우나 글루코스만 더 추가되는 도 5b의 (ii)의 경우에는 낮은 전하량이 측정되고 있으나, 페로센 메탄올, 글루코스 및 글루코스 옥시데이즈(GOx)가 모두 존재하는 도 5b의 (iii)에서는 전하량이 급격히 증가하는 데이터를 얻을 수 있었다. 얻어진 데이터의 결과에 따라, 페로센 메탄올과 기질인 글루코스 사이의 직접적인 산화-환원 반응은 매우 느리거나 발생하지 않았다는 사실을 확인 할 수 있었다. 또, 도 5b의 (iii) 그래프를 통해, 글루코스 옥시데이즈(GOx)가 존재하는 경우, 시간이 지남에 따라 계측되는 신호는 실질적으로 증가하므로 Zn2+의 존재와 관계없이 전자 매개 속도가 빠르다는 것을 확인 할 수 있었다.FIG. 5B shows that ferrocene methanol acts as an electron transfer mediator by glucose and redox marker glucose oxidase (GOx), in an ITO electrode applied 0.13V voltage to TZ buffer solution at 37 ° C. The results of measuring chronocoolometry are shown graphically. As shown in FIG. 5B, low charges are measured in case of (i) of FIG. 5B in which only ferrocene methanol is present or in case of (ii) of FIG. 5B in which only glucose is added, but ferrocene methanol, glucose and glucose are measured. In (iii) of FIG. 5B in which all of the oxidases (GOx) exist, data in which the amount of charge is rapidly increased can be obtained. Based on the data obtained, it was confirmed that the direct redox reaction between ferrocene methanol and the substrate glucose was very slow or did not occur. In addition, in the graph (iii) of FIG. 5B, when glucose oxidase (GOx) is present, the signal measured over time increases substantially, indicating that the electron-mediated velocity is high regardless of the presence of Zn 2+ . I could confirm that

도 6은 ITO-변형전극에서 GOx-Zif268 접합체의 비특이적 흡착을 실험한 결과를 나타낸 데이터이다.6 is data showing the results of experiments on the non-specific adsorption of the GOx-Zif268 conjugate on the ITO-modified electrode.

우선, 전극에 포워드 프라이머 결합층을 도포하여 변형전극을 만들었다. 포워드 프라이머 결합층으로 사용된 물질들은 모두 아비딘 유사체 (뉴트라비딘, 스트렙타비딘 및 아비딘)였으며, 이를 이용하여 뉴트라비딘-변형전극, 스트렙타비딘-변형전극 및 아비딘-변형전극을 생성하였다. 생성된 3 개의 전극은 상이한 비특이적 결합이 나타났는데, 이는 3 가지 아비딘 유사체 각각이 상이한 PI값(각각 뉴트라비딘=6.3, 스트렙타비딘=~ 5-6 및 아비딘=~ 10)을 갖기 때문이다.First, a strained electrode was made by applying a forward primer bonding layer to an electrode. The materials used as the forward primer binding layer were all avidin analogs (neutravidin, streptavidin and avidin), which were used to generate neutravidin-modified electrodes, streptavidin-modified electrodes and avidin-modified electrodes. The resulting three electrodes showed different nonspecific bindings because each of the three avidin analogs had different PI values (neutravidin = 6.3, streptavidin = -5-6 and avidin = 10, respectively).

도 6에서는, 각각의 변형전극에서의 비특이적 흡착의 차이를 비교하기 위해 (i)를 대조군으로 하고, (ii) 내지 (vii)는 각각, (ii)은 결합층으로 뉴트라비딘(neutravidin)을 사용한 경우, (iii)은 (ii)에 포워드 프라이머를 함께 공급한 경우, (iv)는 결합층으로 스트렙타비딘을 사용한 경우, (v)는 (iv)에 포워드 프라이머를 함께 공급한 경우, (vi)는 결합층으로 아비딘을 사용한 경우, (vii)은 (vi)에 포워드 프라이머를 함께 공급한 경우로 하여 실험을 진행한 결과를 그래프로 나타었다. 그 결과, 스트렙타비딘 변형전극 및 아비딘 변형전극에서는 높은 전하량이 측정되어, 높은 수준의 비특이적 흡착이 일어났음을 확인할 수 있었다. 반면, (ii) 의 경우 및 (iii)의 경우는 대조군과 별반 차이 없는 낮은 비특이적 흡착을 보였음이 확인 되었다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 검증 실험에서도 포워드 프라이머의 말단은 바이오틴(Biotin)으로 표지하고, 전극은 뉴트라비딘-변형전극으로 하여 증폭된 DNA 검출을 진행하였다.In FIG. 6, (i) is used as a control, (ii) to (vii) is used as a control, and (ii) is used as neutravidin as a binding layer in order to compare the difference of nonspecific adsorption at each modified electrode. In case (iii) is supplied with forward primer to (ii), (iv) is used with streptavidin as binding layer, (v) is supplied with forward primer to (iv), (vi In the case of using avidin as the binding layer, (vii) is a case where the forward primer is supplied to (vi) together, the results of the experiment are shown graphically. As a result, the high amount of charge was measured in the streptavidin modified electrode and the avidin modified electrode, it was confirmed that a high level of non-specific adsorption occurred. On the other hand, in the case of (ii) and (iii) it was confirmed that the low non-specific adsorption was not significantly different from the control. Therefore, in the verification experiment according to an embodiment of the present invention, the ends of the forward primers were labeled with biotin, and the electrodes were amplified DNA detection using a neutravidin-modified electrode.

도 7은 본 발명을 이용하여 타깃 DNA의 RAP 증폭 특이성 및 증폭된 타깃DNA의 검출 선별도를 실험한 결과를 나타낸 데이터이다.FIG. 7 shows data showing the results of experiments on RAP amplification specificity of target DNA and detection selectivity of amplified target DNA using the present invention.

도 7a에서는 RPA 반응 후, TZ 완충용액(PH 8.5)에서 37 ℃에서 0.13V의 전위를 인가하여 100초에 측정한 크로노쿨로메트리 그래프를 도시하고 있다. (i) 내지 (v)의 경우는 각각, 대조군인 (i)는 특이적 프라이머만 공급된 경우, (ii)는 비특이적 프라이머와 타깃 DNA가 공급된 경우, (iii)은 특이적 프라이머 및 송아지 흉선 DNA가 공급된 경우, (iv)는 특이적 프라이머 및 랜덤 시퀀스 DNA 가 공급된 경우, (v)는 특이적 프라이머와 타깃 DNA가 공급된 경우로, 각각의 상이한 조건에서 DNA를 증폭하고 검출하는 실험을 진행하였다. 그래프에 도시된 내용을 보면, (i) 내지 (iv)는 비슷한 수준의 전하량이 측정되었으나, (v)의 경우에는 매우 높은 수준의 전하량이 측정 되었음을 확인할 수 있다. 이는, 타깃 DNA와 이에 상보적으로 결합하는 특이적인 프라이머를 공급하는 경우, 증폭된 DNA가 타깃이 아닌 DNA에 비해 매우 높은 신호 감지가 가능하므로 다른 물질로부터 얻어지는 신호의 간섭을 무시할 수 있는 정도임을 의미한다. 즉, 타깃 DNA와 특이적인 프라이머를 사용하는 본 발명의 검출의 선별도가 매우 높음을 입증하는 데이터라고 할 수 있다.FIG. 7A shows a chronocoolometry graph measured at 100 seconds after application of a potential of 0.13V at 37 ° C. in a TZ buffer (PH 8.5) after RPA reaction. In the case of (i) to (v), respectively, the control group (i) is supplied with only specific primers, (ii) is supplied with non-specific primers and target DNA, and (iii) is specific primers and calf thymus When DNA is supplied, (iv) is supplied with specific primers and random sequence DNA, (v) is supplied with specific primers and target DNA, and the experiment amplifies and detects DNA under different conditions. Proceeded. As shown in the graph, it can be seen that (i) to (iv) measured similar levels of charge, but in the case of (v), very high levels of charge were measured. This means that in case of supplying the target DNA and specific primers complementarily binding thereto, the amplified DNA can detect a much higher signal than the non-target DNA, so that interference of signals from other materials can be ignored. do. That is, it can be said that the data demonstrates that the selectivity of detection of this invention using a target DNA and a specific primer is very high.

도 7b에서는 겔 전기영동을 통해 타깃 DNA의 RPA증폭 특이성을 확인한 데이터이다. 레인1 내지 레인4는 각각, 레인1은 마커, 레인2는 증폭 이전의 타깃 DNA 0.1ng/ μμL, 레인3은 타깃 DNA를 포함하는 RPA 증폭산물, 레인4는 타깃 DNA가 없는 랜덤 시퀀스 DNA의 RPA 증폭산물이며, RPA 증폭반응과 타깃 DNA의 증폭 특이도를 확인하기 위해 겔 전기영동을 수행한 결과, 비특이적인 랜덤 시퀀스의 DNA만 있는 경우인 레인4에서는 밴드가 관찰되지 않은 반면, 타깃 DNA를 증폭한 레인3에서는 명확한 밴드가 관찰되었다. 즉, 도 7b의 겔 전기영동으로 RPA 반응이 타깃 DNA 주형에 특이적이라는 것이 확인되었다.In Figure 7b is the data confirming the RPA amplification specificity of the target DNA through gel electrophoresis. Lanes 1 to 4, lane 1 is a marker, lane 2 is 0.1ng / μL of target DNA before amplification, lane 3 is an RPA amplification product containing target DNA, and lane 4 is RPA of random sequence DNA without target DNA. As amplification product, gel electrophoresis was performed to confirm amplification specificity of RPA amplification reaction and target DNA, and amplification of target DNA while no band was observed in lane 4 where only nonspecific random sequence DNA was present In lane 3, a clear band was observed. That is, it was confirmed by gel electrophoresis of FIG. 7B that the RPA reaction was specific for the target DNA template.

도 8은 피스시리케치아 살모니스의 DNA를 증폭하여 무세척으로 검출한 실험 결과 그래프이다.Figure 8 is a graph of the experimental results of amplifying the DNA of Pissirikesia Salmonis detected by no-clean.

도 8a는 피스시리케치아 살모니스 DNA를 주형으로 증폭한 이중 가닥 DNA의 시간 대 전하도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 주형 DNA를 등온 증폭하는 과정은 전술한 실시예의 내용과 동일하게 진행되었다. 15분 간의 등온 증폭 반응 직후, 잠복기 없이 37 °C 의 TZ완충용액에 0.13V 전압이 인가된 ITO전극에서 각기 다른 초기 사본 번호(initial copy number)로 크로노쿨로메트리를 측정했으며, 그 결과 그래프를 도 8a에 도시하였다. 도시된 그래프를 보면, 시간이 지날수록 전하의 변화량(기울기)이 증가하고 있어, 복사된 수가 많을수록 전하의 변화량도 함께 증가함을 알 수 있다.Figure 8a is a graph showing the results of measuring the time versus charge of the double-stranded DNA amplified Pissirichechia Salmonis DNA as a template. The isothermal amplification of the template DNA was performed in the same manner as in the above-described example. Immediately after 15 minutes of isothermal amplification reaction, chronocoulometry was measured with different initial copy numbers on ITO electrodes applied 0.13V to 37 ° C TZ buffer solution without any incubation period. It is shown in Figure 8a. Looking at the graph, it can be seen that the amount of change of the charge (tilt) increases with time, and as the number of copies increases, the amount of change of the charge also increases.

도 8b는 도 8a의 크로노쿨로메트리 그래프에서 100초일 때 기록된 전하 데이터를 이용한 보정 플롯 그래프이다. 측정은 제로 농도에 대해 7 회 반복하였고, 동일한 시료에 대해 새로운 감지 전극을 사용하고 농도를 달리하여 3회 반복하였다. 각 초기 사본 수에 대한 전하량은 제로 농도에 대한 평균값을 제외하고 계산했다. 점선으로 표기된 그래프는 제로 농도에 대한 크로노쿨로메트리 측정의 표준편차를 3배한 것을 나타낸 것이다. 계산된 검출한계는 약 13.2 μL에 300 복제물이 측정되었으며, 이를 통해 전술한 실시예를 이용하면 증폭된 DNA의 고감도 검출이 가능함이 확인되었다.FIG. 8B is a correction plot graph using charge data recorded at 100 seconds in the chronocoolometry graph of FIG. 8A. The measurements were repeated seven times for zero concentration and three times with different sensing concentrations for the same sample. The amount of charge for each initial copy number was calculated without the average value for zero concentration. The graph indicated by the dotted line shows three times the standard deviation of the chronocoolometry measurements for zero concentration. The calculated detection limit was measured in about 13.2 μL 300 copies, it was confirmed that the high sensitivity detection of the amplified DNA using the above-described example.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or, even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the following claims.

Claims (10)

DNA 검출 방법으로,
상기 DNA 검출 방법은, 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계 및 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계가 하나의 챔버(Chamber)내에서 동시 또는 순차적으로 이루어지고,
상기 이중 가닥 DNA를 등온 증폭하는 단계는, 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머에 의한 증폭 반응이고,
상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는,
(a) 상기 증폭된 이중 가닥 DNA와 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질의 결합으로 결합물이 생성되는 단계; 및
(b) 상기 결합물에 부착된 산화-환원 표지자와 전자 이동 매개체(electron mediator)의 산화-환원 반응에 의해 전극으로 전자가 이동되고, 전자 이동 매개체의 전자 전달 속도 차에 의해 DNA를 검출하는 단계; 를 포함하되,
상기 검출은, 증폭된 이중 가닥 DNA의 변성(Denaturation) 단계를 별도로 요구하지 않는 것인, DNA 검출 방법.
By DNA detection method,
In the DNA detection method, isothermal amplification of the double-stranded DNA and detecting the amplified double-stranded DNA are simultaneously or sequentially performed in one chamber,
Isothermal amplifying the double stranded DNA is an amplification reaction by a forward primer and a reverse primer,
Detecting the amplified double stranded DNA,
(a) combining the amplified double-stranded DNA with a protein that specifically binds to the double-stranded DNA to produce a conjugate; And
(b) the electrons are transferred to the electrode by the oxidation-reduction reaction of the redox marker and the electron mediator attached to the conjugate, and the DNA is detected by the difference in the electron transfer rate of the electron transfer mediator. ; Including but not limited to:
Wherein said detection does not require a denaturation step of the amplified double stranded DNA separately.
제 1항에 있어서,
상기 이중 가닥 DNA에 특이적으로 결합하는 단백질은, 징크 핑거 단백질(Zinc finger protein)인, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The protein that specifically binds to the double-stranded DNA is a zinc finger protein, DNA detection method.
제2항에 있어서,
상기 징크 핑거 단백질은, Zif268, TFIIIA, GAGA 및 Ros 로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, DNA 검출방법.
The method of claim 2,
The zinc finger protein is any one or more selected from the group consisting of Zif268, TFIIIA, GAGA and Ros, DNA detection method.
제 1항에 있어서,
상기 등온 증폭 반응은, 재조합효소 중합효소 증폭(recombinase polymerase amplification, RPA), 루프 매개 증폭(loop-mediated isothermal amplification, LAMP), 헬리카제-종속 증폭(helicase-dependent amplification, HDA), 회전환 증폭(rolling circle amplification, RCA), 다중치환증폭(multiple displacement amplification, MDA), 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification, SDA), 핵산 서열-기재 증폭(nucleic acid sequence-based amplification, NASBA) 중 어느 하나인, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The isothermal amplification reaction, recombinase polymerase amplification (RPA), loop-mediated isothermal amplification (LAMP), helicase-dependent amplification (HDA), rotation ring amplification ( DNA, either rolling circle amplification (RCA), multiple displacement amplification (MDA), strand displacement amplification (SDA), or nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) Detection method.
제1항에 있어서,
상기 DNA 검출 방법은, 검출 중에 세척 과정을 요구하지 않는, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The DNA detection method does not require a washing process during detection.
제1항에 있어서,
상기 산화-환원 표지자는, 글루코스 옥시데이즈, 글리세롤-3-포스페이트 디하이드로지네이즈, 아스코베이트 옥시데이즈, 호스래디쉬 옥시데이즈, 소이빈 옥시데이즈, 라케이즈, 빌리루빈 옥시데이즈, 타이로시네이즈, 금 나노입자, 은 나노입자, 백금 나노입자, 이리듐 나노입자, 팔라듐 나노입자, 프러시안블루 나노입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The redox markers include glucose oxidase, glycerol-3-phosphate dehydrogenase, ascorbate oxidase, horseradish oxidase, soybean oxidase, lacage, bilirubin oxidase, tyrosinase, gold DNA detection method, any one selected from the group consisting of nanoparticles, silver nanoparticles, platinum nanoparticles, iridium nanoparticles, palladium nanoparticles, Prussian blue nanoparticles and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 전자 이동 매개체는, Ru(NH3)6 3+, Ru(NH3)6 2+, Fe(CN)6 3-, Fe(CN)6 4-, Ru(NH3)5(pyridine)3+, Ru(NH3)5(pyridine)2+, 페로센, 페로센 메탄올, 페로센 카복시산, Os(bpy)2Cl2 3+, Ox(bpy)2Cl2 2+ 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The electron transfer mediator is Ru (NH 3 ) 6 3+ , Ru (NH 3 ) 6 2+ , Fe (CN) 6 3- , Fe (CN) 6 4- , Ru (NH 3 ) 5 (pyridine) 3 + , Ru (NH 3 ) 5 (pyridine) 2+ , ferrocene, ferrocene methanol, ferrocene carboxylic acid, Os (bpy) 2 Cl 2 3+ , Ox (bpy) 2 Cl 2 2+ and combinations thereof Any one selected, DNA detection method.
제 1항에 있어서,
상기 증폭된 이중 가닥 DNA를 검출하는 단계는, 2종 이상의 전극을 포함하고, 전극 사이의 간섭이 없이 각각의 전극을 통해 동시에 2종 이상의 증폭된 DNA를 검출하는, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The detecting of the amplified double-stranded DNA includes two or more kinds of electrodes, and simultaneously detects two or more kinds of amplified DNA through each electrode without interference between the electrodes.
제1항에 있어서,
상기 전극은, 주석산화물(Indium tin oxide, ITO) 전극, 그래핀(grapheme)이 입혀진 주석산화물 전극, 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 입혀진 주석산화물 전극, 카본 전극, 금 전극, 은 전극, Ag/AgCl 전극, 백금 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인, DNA 검출방법.
The method of claim 1,
The electrode may be a tin oxide (ITO) electrode, a tin oxide electrode coated with graphene, a tin oxide electrode coated with carbon nanotube, a carbon electrode, a gold electrode, a silver electrode, Ag / DNA detection method, any one selected from the group consisting of AgCl electrode, platinum electrode and combinations thereof.
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