KR102088262B1 - One-step isothermal detection method of gene mutation using hairpins formed on a gold nanoshell - Google Patents

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KR102088262B1 KR1020180071435A KR20180071435A KR102088262B1 KR 102088262 B1 KR102088262 B1 KR 102088262B1 KR 1020180071435 A KR1020180071435 A KR 1020180071435A KR 20180071435 A KR20180071435 A KR 20180071435A KR 102088262 B1 KR102088262 B1 KR 102088262B1
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Abstract

본 발명은 2개 프라이머 세트가 표적 서열과 혼성화하면 결찰되어 헤어핀 구조를 형성함으로써 표적 핵산 분자가 분리되어 다른 프라이머 세트의 혼성화에 사용되도록 설계된 프라이머를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트 및 이를 이용하는 검출방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 의해 1시간 이내에 KRAS 돌연변이를 20 아토몰(attomole, 10-18 mole) 의 민감도로 검출할 수 있다.
본 발명의 표적 핵산 검출용 키트 및 이를 이용하는 검출방법은 SNP 검출 분야에서 PCR 등 열순환 장치를 사용하지 않고도 검출 대상 표적 핵산을 민감하고 특이적으로 직접적이고 신속하게 검출할 수 있는 기술로 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention provides a target nucleic acid detection kit comprising a primer designed to be used for hybridization of another primer set by separating the target nucleic acid molecule by ligation to form a hairpin structure when two primer sets hybridize with the target sequence, and a detection method using the same to provide. By the method of the present invention, KRAS mutations within 1 hour can be detected with a sensitivity of 20 attomole (10 -18 mole).
The kit for detecting a target nucleic acid of the present invention and a detection method using the same are usefully used as a technique capable of sensitive and specific direct and rapid detection of a target nucleic acid to be detected without using a thermal cycle device such as PCR in the field of SNP detection Can.

Description

금 나노쉘 상에 형성되는 헤어핀을 이용한 유전자 돌연변이의 단일 단계 등온 검출방법{One-step isothermal detection method of gene mutation using hairpins formed on a gold nanoshell}One-step isothermal detection method of gene mutation using hairpins formed on a gold nanoshell}

본 발명은 PCR 등 열순환 장치를 사용하지 않고도 검출 대상 표적 핵산을 검출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2개 프라이머 세트가 표적 서열과 혼성화하면 결찰되어 헤어핀 구조를 형성함으로써 표적 핵산 분자가 분리되어 다른 프라이머 세트의 혼성화에 사용되도록 설계된 프라이머를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트 및 이를 이용하는 검출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of detecting a target nucleic acid to be detected without using a thermal cycling device such as PCR, and more specifically, when two primer sets hybridize with a target sequence, it is ligated to separate the target nucleic acid molecule by forming a hairpin structure. It relates to a target nucleic acid detection kit comprising a primer designed to be used for hybridization of different primer sets and a detection method using the same.

단일염기다형성(single nucleotide polymorphism, SNP)은 인구의 1 % 이상에서 발견되는 DNA의 단일 뉴클레오티드 변이이다. 코딩 영역의 SNP는 비-코딩 영역에서의 SNP보다 낮은 빈도로 발생하기 때문에 일부 SNP는 질병 또는 약물 감수성의 진행과 밀접하게 연관되어 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로 SNP는 질병 위험을 예측하는 바이오마커와, 특히 개인 맞춤형 의약에 대한 약물 효능을 평가하는 바이오마커로 사용되어 왔다.Single nucleotide polymorphism (SNP) is a single nucleotide variation of DNA found in more than 1% of the population. It is known that some SNPs are closely related to the progression of disease or drug sensitivity because SNPs in the coding region occur less frequently than SNPs in the non-coding region. Therefore, SNP has been used as a biomarker for predicting disease risk, and especially for evaluating drug efficacy for personalized medicine.

최근까지 SNP를 바이오마커로 사용하는 몇 가지 분석 방법이 시판되고 있다. 사용 가능한 대부분의 방법은 PCR을 이용하여 표적 유전자를 증폭시켜야 검출할 수 있는 원리이다. 기본적으로 상기 방법들에서는 PCR 도중에 또는 PCR 후에 특정 생성물을 모두 생성한 다음, MALDI-TOF MS, 겔 전기영동, 형광 검출 및 시퀀싱(염기분석)을 포함한 여러 방법 중 하나로 정량한다. 상기 방법의 대립 유전자(allele) 판별 전략은 프라이머 신장(primer extension), 혼성화(hybridization), 결찰(ligation) 및 효소 절단(enzymatic cleavage)을 포함하는 4개 군으로 분류된다. 프라이머 신장 방법에서, 각 SNP의 대립 유전자(allele) 중 하나에 상응하는 신장 생성물이 SNP-특이적 프라이머를 사용하여 생성된다. 혼성화 기반의 분석법은 일치 또는 불일치 표적과 프로브의 결합 친화력에서의 차이를 이용한다. 결찰 접근법은 DNA 리가아제를 사용하여 SNP-특이적 결찰 생성물을 생성한다. 이들은 효과적인 암 치료를 가능하게 하지만, 값 비싼 장비와 열순환 장치에 의존하기 때문에 상대적으로 높은 비용과 장시간의 분석 시간을 필요로 한다. 그러므로 비용 효율적이고 신속한 SNP 타이핑(검출) 방법을 개발해야 하는 과제가 남아 있다. Until recently, several analytical methods using SNP as a biomarker have been commercially available. Most of the methods that can be used are based on amplification of the target gene using PCR to detect it. Basically, in the above methods, all specific products are generated during or after PCR, and then quantified by one of several methods including MALDI-TOF MS, gel electrophoresis, fluorescence detection and sequencing (base analysis). The allele discrimination strategy of the method is divided into four groups including primer extension, hybridization, ligation and enzymatic cleavage. In the primer extension method, an extension product corresponding to one of alleles of each SNP is generated using SNP-specific primers. Hybridization-based assays utilize differences in the binding affinity of a probe to a match or mismatch target. The ligation approach uses DNA ligase to generate SNP-specific ligation products. They enable effective cancer treatment, but rely on expensive equipment and thermocyclers, requiring relatively high cost and long analysis time. Therefore, the challenge remains to develop a cost-effective and rapid SNP typing (detection) method.

PCR을 사용하지 않는 등온 핵산 증폭(Isothermal nucleic acid amplification, IAA)이 PCR 기반 방법의 대안으로 고려되어 왔다. 그러나 SNP 검출을 위한 등온 방법은 아직 상업적으로 이용 가능하지 않은데, 이는 상대적으로 낮은 작동 온도에 의한 IAA의 낮은 특이성 때문일 것이다. 효소와 프로브로 인한 결찰의 이중 특이성 때문에 다른 방법보다 결찰 방법에서의 특이성이 더 크다. 리가아제 연쇄 반응(ligase chain reaction, LCR), 리가아제 검출 반응(ligase detection reaction, LDR) 및 분지 증폭(ramification amplification, RAM)은 SNP 타이핑을 위한 대표적인 결찰-기반 방법이다. LCR 및 LDR에서는, 표적 유전자와 완벽하게 일치하는 2개의 프라이머가 연결된다. 결찰된 프라이머(LP)와 표적 유전자의 복합체는 열변성되고, 표적 유전자는 새로운 결찰을 위한 주형(template)으로 재사용되며, 따라서 LP의 기하급수적 생성을 유도한다. 이와는 대조적으로, RAM에서는 선형 프로브의 두 말단을 연결(결찰)하여 표적 유전자와 완벽히 일치되어 혼성화되는 고리화된(circularized) 프로브가 생성되고 등온적으로 회전환증폭(rolling circle amplification, RCA)을 수행한다. LCR의 경우에는 PCR 사용으로 인한 고비용의 한계가 여전히 존재한다. RAM은 등온적으로 증폭 산물을 생산하지만, RCA의 프로토콜은 표적 유전자 포획, 결합되지 않은 프로브의 세척, 리가아제 반응, RAM 반응, 증폭된 산물 검출과 같은 복잡한 여러 단계를 포함한다. SNP 검출을 위한 등온(isothermal) 방법을 개발하기 위한 노력으로서, 순환적 결찰 반응 이후의 뉴클레아제 반응이 보고되었다. 상기 방법에서는, 가닥-분리 헤어핀(strand-displacing hairpin)에 의해 결찰된 프라이머-표적 DNA 복합체가 열변성 과정 없이 분리됨으로써 2개 프라이머의 새로운 세트가 순환적으로 결찰되도록 하였다. 결찰된 생성물은 또한 금 나노입자 상에서 RNase H에 의해 형광 표지된 기질을 절단하도록 순환되어 표적 특이적 형광 증폭을 유도하였다. 결과적으로, KRAS 유전자의 점 돌연변이를 포함하는 10 아토몰(attomole, 10-18 mole)의 표적 DNA가 검출되었다. 리가아제 및 뉴클레아제에 의한 결찰 및 분해의 조합이 각각 높은 특이성 및 민감성을 유도하였지만, 2 단계 과정이라는 점이 점 돌연변이의 직접적이고 간단한 검출에 대한 장애물이다.Isothermal nucleic acid amplification (IAA) without PCR has been considered as an alternative to PCR-based methods. However, isothermal methods for SNP detection are not yet commercially available, probably due to the low specificity of IAA due to its relatively low operating temperature. Due to the dual specificity of ligation due to enzymes and probes, specificity in ligation is greater than in other methods. Ligase chain reaction (LCR), ligase detection reaction (LDR), and ramification amplification (RAM) are representative ligation-based methods for SNP typing. In LCR and LDR, two primers that perfectly match the target gene are linked. The complex of the ligated primer (LP) and the target gene is thermally denatured, and the target gene is reused as a template for new ligation, thus inducing exponential production of LP. In contrast, in RAM, two ends of a linear probe are connected (ligated) to create a circularized probe that is perfectly matched and hybridized with the target gene and isothermally performed rolling circle amplification (RCA). do. In the case of LCR, there are still high cost limitations due to the use of PCR. RAM produces isothermally amplified products, but RCA's protocol involves several complex steps such as target gene capture, washing of unbound probes, ligase reaction, RAM reaction, and detection of amplified products. In an effort to develop an isothermal method for SNP detection, nuclease reactions following cyclic ligation reactions have been reported. In this method, a primer-target DNA complex ligated by a strand-displacing hairpin is separated without a heat denaturation process, thereby allowing a new set of two primers to be ligated cyclically. The ligated product was also circulated to cleave the fluorescently labeled substrate by RNase H on gold nanoparticles to induce target specific fluorescence amplification. As a result, 10 attomole (10 -18 mole) target DNA containing a point mutation of the KRAS gene was detected. Although the combination of ligation and degradation by ligase and nuclease induced high specificity and sensitivity, respectively, the two-step process is an obstacle to direct and simple detection of point mutations.

한국특허 공개 제10-2015-0143347호 (2015.12.23.)Korean Patent Publication No. 10-2015-0143347 (2015.12.23.) 한국특허 공개 제10-2013-0082495호 (2013.07.19)Korean Patent Publication No. 10-2013-0082495 (2013.07.19) 한국특허 공개 특2003-0055343호 (2013.07.19)Korean Patent Publication No. 2003-0055343 (2013.07.19)

본 발명의 발명자들은 PCR 등 고가의 열순환 장치 없이 등온 핵산 증폭으로 SNP를 검출하는 기술에 대하여 연구하던 중, 2개 프라이머 세트가 표적 서열과 혼성화하면 결찰되어 헤어핀 구조를 형성함으로써 표적 핵산 분자가 분리되어 다른 프라이머 세트의 혼성화에 사용되는 프라이머 설계 기술을 사용하면, 단일 표적 핵산 당 다중 리가아제 반응이 수행되는 단일 단계 등온 리가아제 반응을 진행시킬 수 있으며, 종래 기술에서의 PCR 등 열순환 장치의 사용에 의한 장시간의 분석시간과 비교하여, 단일 단계 등온 리가아제 반응에 의해 1시간 이내의 검출 반응으로 5배 낮은 검출 한계를 달성할 수 있으며, 민감도 1%의 우수한 검출 효능으로 SNP 검출이 수행될 수 있다는 것을 발견하였다.The inventors of the present invention were studying a technique for detecting SNP by isothermal nucleic acid amplification without expensive thermal cycling devices such as PCR, and when two primer sets hybridize with a target sequence, they are ligated to form a hairpin structure, thereby separating the target nucleic acid molecule By using a primer design technique used for hybridization of different primer sets, a single step isothermal ligase reaction in which multiple ligase reactions per single target nucleic acid can be performed, and the use of a thermal cycling device such as PCR in the prior art Compared to the analysis time for a long time by, a detection reaction within 1 hour can be achieved by a single step isothermal ligase reaction, and 5 times lower detection limit can be achieved, and SNP detection can be performed with excellent detection efficiency of 1% sensitivity. I found it.

따라서, 본 발명은 2개 프라이머 세트가 표적 서열과 혼성화하면 결찰되어 헤어핀 구조를 형성함으로써 표적 핵산 분자가 분리되어 다른 프라이머 세트의 혼성화에 사용되도록 설계된 프라이머를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트 및 이를 이용하는 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is a target nucleic acid detection kit comprising a primer designed to be used for hybridization of another primer set by separating a target nucleic acid molecule by ligation to form a hairpin structure when two primer sets hybridize with a target sequence, and detection using the same It aims to provide a method.

본 발명의 일 측면에 따라, 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘 및 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머를 포함하고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 결찰 프라이머의 서열이 표적 핵산의 서열과 상보적이고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 후에 헤어핀 구조를 형성하는 서열을 갖고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머의 결찰 온도가 1차 프라이머 및 2차 프라이머 간의 Tm보다 높고, 상기 형성된 헤어핀 구조가 상기 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm보다 높은 Tm 값을 갖는 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트가 제공된다.According to an aspect of the present invention, the primary primer comprises a fixed Au nanoshell and a secondary primer having a SERS active dye, and the sequence of the ligation primer ligated with the primary primer and the secondary primer is identical to the sequence of the target nucleic acid. Complementary, having a sequence that forms a hairpin structure after the primary and secondary primers are ligated, the ligation temperature of the primary and secondary primers is higher than Tm between the primary and secondary primers, and the formed hairpin structure Provided is a target nucleic acid detection kit, characterized in that it has a Tm value higher than the Tm of the ligation primer and target nucleic acid.

일 구현예에서, 상기 Au 나노쉘은 직경 10 - 1000 nm일 수 있다. In one embodiment, the Au nanoshell may have a diameter of 10-1000 nm.

일 구현예에서, 상기 표적 핵산은 KRAS 유전자의 변이 유전자일 수 있으며, 바람직하게는 KRAS 유전자의 12번 코돈에서의 35G>A 변이 또는 35G>T 변이 유전자일 수 있다.In one embodiment, the target nucleic acid may be a mutation gene of the KRAS gene, preferably a 35G> A mutation or 35G> T mutation gene at codon 12 of the KRAS gene.

일 구현예에서, 상기 상기 결찰 온도는 35 - 55 ℃일 수 있다.In one embodiment, the ligation temperature may be 35-55 ℃.

일 구현예에서, 상기 1차 프라이머는 서열번호 1의 염기서열을 갖고, 상기 2차 프라이머는 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열을 갖는 것일 수 있다.In one embodiment, the primary primer has a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, the secondary primer may have a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3.

일 구현예에서, 상기 SERS 활성 염료는 TAMRA 또는 CY3일 수 있다.In one embodiment, the SERS active dye may be TAMRA or CY3.

본 발명의 다른 측면에 따라, (ⅰ) 실리카 코어에 시드 금(Au)을 부착시켜 Au 나노쉘을 얻는 단계; 및 (ⅱ) 단계(ⅰ)에서 얻은 Au 나노쉘 표면에 티올화된 1차 프라이머를 고정하는 단계를 포함하는, 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (i) obtaining an Au nanoshell by attaching seed gold (Au) to a silica core; And (ii) fixing a thiolated primary primer on the surface of the Au nanoshell obtained in step (iii), to provide a method for preparing an Au nanoshell with a fixed primary primer.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, (a) 검출 대상 시료에 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘을 혼합하여 1차 프라이머를 표적 핵산과 혼성화시키는 단계; (b) 단계(a)에서 얻은 혼합물에 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머 및 리가제를 혼합한 후 인큐베이션하여 등온 결찰 반응 및 헤어핀 구조를 형성시키는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻은 생성물을 SERS로 측정하여 Au 나노쉘 상에 형성된 헤어핀 구조를 검출하는 단계를 포함하는 표적 핵산의 검출방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) mixing a primary primer immobilized Au nanoshell on a sample to be detected to hybridize the primary primer with a target nucleic acid; (b) mixing the secondary primer having SERS active dye and ligase in the mixture obtained in step (a) and incubating to form an isothermal ligation reaction and a hairpin structure; And (c) detecting the hairpin structure formed on the Au nanoshell by measuring the product obtained in step (b) with SERS.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 인큐베이션은 30분에서 1시간 30분 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, the incubation of step (b) may be performed for 30 minutes to 1 hour 30 minutes.

본 발명에 의해, 2개 프라이머 세트가 표적 서열과 혼성화하면 결찰되어 헤어핀 구조를 형성함으로써 표적 핵산 분자가 분리되어 다른 프라이머 세트의 혼성화에 사용되는 프라이머 설계 기술을 사용하면, 단일 표적 핵산 당 다중 리가아제 반응이 수행되는 단일 단계 등온 리가아제 반응을 진행시킬 수 있으며, 종래 기술에서의 PCR 등 열순환 장치의 사용에 의한 장시간의 분석시간과 비교하여, 단일 단계 등온 리가아제 반응에 의해 1시간 이내의 검출 반응으로 5배 낮은 검출 한계를 달성할 수 있으며, 민감도 1%의 우수한 검출 효능으로 SNP 검출이 수행될 수 있다는 것이 밝혀졌다.According to the present invention, when two primer sets hybridize with a target sequence, they are ligated to form a hairpin structure, thereby separating the target nucleic acid molecule and using a primer design technique used for hybridization of other primer sets, multiple ligase per single target nucleic acid A single step isothermal ligase reaction in which the reaction is performed can be carried out, and compared to a long analysis time by the use of a thermal cycle device such as PCR in the prior art, detection within 1 hour by a single step isothermal ligase reaction It has been found that the reaction can achieve a 5-fold lower detection limit, and SNP detection can be performed with an excellent detection efficacy of 1% sensitivity.

따라서, 본 발명의 특징적으로 설계된 프라이머를 포함하는 표적 핵산 검출용 키트 및 이를 이용하는 검출방법은 SNP 검출 분야에서 PCR 등 열순환 장치를 사용하지 않고도 검출 대상 표적 핵산을 민감하고 특이적으로 직접적이고 신속하게 검출할 수 있는 기술로 유용하게 사용될 수 있다.Accordingly, the kit for detecting a target nucleic acid containing a primer designed specifically for the present invention and a detection method using the same are sensitive and specifically directly and rapidly detect the target nucleic acid to be detected without using a thermal cycling device such as PCR in the field of SNP detection. It can be usefully used as a detectable technology.

도 1은 AuNS와 SNP에 특이적 헤어핀 형성 프로브를 이용한 다중 KRAS 돌연변이의 단일 단계 등온 검출을 나타낸 개략도이다.
도 2는 사용된 올리고 뉴클레오티드(표 1) 및 결찰된 생성물의 TBE 겔(4-20 %)에서의 전기영동 이미지이다[레인 1: FP1, 레인 2: FP2A, 레인 3: FP2AC, 레인 4: 35G>A, 레인 5: LPA, 레인 6: FP1 및 FP2A의 혼합물, 레인 7: 35G>A의 존재 하에서 DNA 리가아제로 1시간 동안 처리한 FP1과 FP2A의 혼합물, 레인 8: 35G>A의 존재 하에서 DNA 리가아제로 1시간 동안 처리한 FP1과 FPAC의 혼합물, 레인 9: 35G>A가 없는 상태에서 DNA 리가아제로 1시간 동안 처리한 FP1 FP2A의 혼합물].
도 3은 AuNS 합성의 개략도(a), 아미노-변형 실리카 구체(b), 및 AuNS(c)의 TEM 이미지이다.
도 4는 표적 서열에 따라 FP2A(a) 또는 FP2T(b)와 AuNS 상에 고정화된 FP1의 등온 리가아제 반응을 수행한 후 얻어진 SERS 스펙트럼이다.
도 5는 표적 SNP의 농도를 변화시켜 등온 리가아제 반응을 1시간 동안 수행한 후의 SERS 스펙트럼으로서, (a) 35G>A KRAS 유전자 점 돌연변이의 상이한 농도의 SERS 스펙트럼, (b) 35G>A 농도 대비 1385 cm-1 밴드 강도의 플롯이고, 삽입도는 밴드 강도와 1.0×10-11 내지 1.0×10-8 M의 표적 핵산 농도의 로그값 사이의 선형 관계를 나타낸다.
도 6은 표적 SNP의 농도를 변화시켜 등온 리가아제 반응을 1시간 동안 수행한 후의 SERS 스펙트럼으로서, (a) 35G>T KRAS 유전자 점 돌연변이의 상이한 농도의 SERS 스펙트럼, (b) 35 G>T 농도 대비 1588 cm-1 밴드 강도의 플롯이고, 삽입도는 밴드 강도와 1.0×10-11 내지 1.0×10-8 M의 표적 핵산 농도의 로그값 사이의 선형 관계를 나타낸다.
도 7은 본 발명을 이용한 분석의 진단 감도를 나타낸 것으로서, 야생형 KRAS 유전자의 존재 하에서 35G>A 및 35G>T에 대한 TAMRA 및 CY3의 특징적 파수에서의 SERS 강도의 S/N 비율이다.
도 8은 도 5의 그래프에 표시된 KRAS 돌연변이(35G>A)의 농도에 따라 얻어진 SERS 강도이다.
도 9는 도 6의 그래프에 표시된 KRAS 돌연변이(35G>T)의 농도에 따라 얻어진 SERS 강도이다.
1 is a schematic diagram showing single step isothermal detection of multiple KRAS mutations using a hairpin-forming probe specific for AuNS and SNP.
2 is an electrophoresis image on the TBE gel (4-20%) of the oligonucleotides used (Table 1) and ligation products [lane 1: FP1, lane 2: FP2A, lane 3: FP2AC, lane 4: 35G. > A, lane 5: LPA, lane 6: mixture of FP1 and FP2A, lane 7: mixture of FP1 and FP2A treated with DNA ligase for 1 hour in the presence of 35G> A, lane 8: in the presence of 35G> A Mixture of FP1 and FPAC treated with DNA ligase for 1 hour, lane 9: mixture of FP1 FP2A treated with DNA ligase for 1 hour without 35G> A].
3 is a schematic (a) of the synthesis of AuNS, amino-modified silica spheres (b), and TEM images of AuNS (c).
4 is a SERS spectrum obtained after performing an isothermal ligase reaction of FP1 immobilized on AU2 and FP2A (a) or FP2T (b) according to the target sequence.
Figure 5 is a SERS spectrum after performing the isothermal ligase reaction for 1 hour by changing the concentration of the target SNP, (a) 35G> A SERS spectrum of different concentrations of the KRAS gene point mutation, (b) 35G> A concentration comparison It is a plot of 1385 cm −1 band intensity, and the inset shows a linear relationship between the band intensity and the logarithm of the target nucleic acid concentration of 1.0 × 10 −11 to 1.0 × 10 −8 M.
Figure 6 is the SERS spectrum after performing the isothermal ligase reaction for 1 hour by changing the concentration of the target SNP, (a) 35G> T SERS spectrum of different concentrations of the KRAS gene point mutation, (b) 35 G> T concentration It is a plot of contrast 1588 cm −1 band intensity, and the inset shows a linear relationship between the band intensity and the logarithm of the target nucleic acid concentration of 1.0 × 10 −11 to 1.0 × 10 −8 M.
Figure 7 shows the diagnostic sensitivity of the assay using the present invention, S / N ratio of SERS intensity at the characteristic wavenumbers of TAMRA and CY3 for 35G> A and 35G> T in the presence of wild-type KRAS gene.
8 is the SERS intensity obtained according to the concentration of the KRAS mutation (35G> A) shown in the graph of FIG. 5.
9 is the SERS intensity obtained according to the concentration of the KRAS mutation (35G> T) shown in the graph of FIG. 6.

본 발명은 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘 및 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머를 포함하고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 결찰 프라이머의 서열이 표적 핵산의 서열과 상보적이고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 후에 헤어핀 구조를 형성하는 서열을 갖고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머의 결찰 온도가 1차 프라이머 및 2차 프라이머 간의 Tm보다 높고, 상기 형성된 헤어핀 구조가 상기 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm보다 높은 Tm 값을 갖는 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트를 제공한다.The present invention includes a secondary primer having an Au nanoshell with a primary primer immobilized thereon and a SERS active dye, and the sequence of the ligation primer ligated with the primary primer and the secondary primer is complementary to the sequence of the target nucleic acid, and the primary After the primers and secondary primers are ligated, they have a sequence that forms a hairpin structure, and the ligation temperature of the primary and secondary primers is higher than Tm between the primary and secondary primers, and the formed hairpin structure is identical to the ligation primers. Provided is a target nucleic acid detection kit characterized by having a Tm value higher than that of the target nucleic acid.

본 발명에서는, 2개 프라이머 세트가 표적 서열과 혼성화하면 결찰되어 헤어핀 구조를 형성함으로써 표적 핵산 분자가 분리되어 다른 프라이머 세트의 혼성화에 사용되도록 설계된다. 그 결과 하나의 표적 DNA 당 다수의 헤어핀이 금 나노쉘(gold nanoshell, AuNS) 표면에 형성될 수 있고, 이는 표면 근처에서 고도로 강화되고 신뢰성있는 라만 산란을 제공하게 된다. 금 나노입자(AuNP)는 높은 SERS 강화 인자로 핫스팟(hot spot)을 제공할 수 있지만, 핫 스팟의 수는 불규칙하므로, 금 나노쉘(AuNS)이 본 발명에서 사용되었다. 프라이머는 SERS 리포터(활성) 염료로 표지 되었으므로, 본 발명에서는 1시간 결찰 반응 후에 1 pM 만큼의 단일 염기 불일치(mismatched) 표적 서열을 구별할 수 있다.In the present invention, when two primer sets hybridize with a target sequence, they are ligated to form a hairpin structure, so that the target nucleic acid molecule is separated and designed to be used for hybridization of other primer sets. As a result, multiple hairpins per target DNA can form on a gold nanoshell (AuNS) surface, which provides highly enhanced and reliable Raman scattering near the surface. Gold nanoparticles (AuNP) can provide a hot spot with a high SERS enhancing factor, but the number of hot spots is irregular, so a gold nanoshell (AuNS) was used in the present invention. Since the primer was labeled with a SERS reporter (active) dye, the present invention can discriminate a single base mismatched target sequence by 1 pM after 1 hour ligation reaction.

일 구현예에서, 상기 Au 나노쉘은 직경 10 - 1000 nm, 바람직하게는 50 - 500 nm, 보다 바람직하게는 100 - 200 nm일 수 있다. 이 때, Au 나노쉘의 두께(쉘의 두께)는 1 - 200 nm, 바람직하게는 10 - 100 nm, 보다 바람직하게는 20 - 40 nm일 수 있다.In one embodiment, the Au nanoshell may have a diameter of 10-1000 nm, preferably 50-500 nm, more preferably 100-200 nm. At this time, the thickness of the Au nanoshell (thickness of the shell) may be 1-200 nm, preferably 10-100 nm, more preferably 20-40 nm.

일 구현예에서, 상기 표적 핵산은 1차 프라이머와 2차 프라이머가 결찰된 결찰 프라이머와 상보적이고; 상기 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm이 1차 프라이머 및 2차 프라이머 간의 Tm 및 결찰 온도보다는 높고, 헤어핀 구조의 Tm보다는 낮은 조건을 만족하는 유전자라면 어떠한 유전자라도 검출 가능하며, 예를 들어, 말라리아 및 결핵과 같은 인간 감염 병원체의 돌연변이일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the target nucleic acid is complementary to a ligation primer in which the primary and secondary primers are ligated; Any gene can be detected as long as the Tm of the ligation primer and the target nucleic acid is higher than the Tm and ligation temperature between the primary and secondary primers, and lower than the Tm of the hairpin structure, for example, malaria and tuberculosis It may be a mutation of the same human infectious agent, but is not limited thereto.

일 구현예에서, 상기 표적 핵산은 KRAS 유전자의 변이 유전자일 수 있으며, 바람직하게는 KRAS 유전자의 12번 코돈에서의 35G>A 변이 또는 35G>T 변이 유전자일 수 있다.In one embodiment, the target nucleic acid may be a mutation gene of the KRAS gene, preferably a 35G> A mutation or 35G> T mutation gene at codon 12 of the KRAS gene.

일 구현예에서, 상기 결찰 온도는 1차 프라이머 및 2차 프라이머 간의 Tm 보다는 높고, 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm 보다는 낮은 범위로 설계될 수 있으며, 예를 들어, 35 - 55 ℃, 바람직하게는 40 - 50 ℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the ligation temperature is higher than the Tm between the primary primer and the secondary primer, and may be designed in a range lower than the Tm of the ligation primer and the target nucleic acid, for example, 35-55 ° C, preferably 40 -It may be 50 ℃, but is not limited thereto.

일 구현예에서, 상기 1차 프라이머는 하기 서열번호 1의 염기서열을 갖고, 상기 2차 프라이머는 하기 서열번호 2 또는 하기 서열번호 3의 염기서열을 갖는 것일 수 있다.In one embodiment, the primary primer may have a base sequence of SEQ ID NO: 1, and the secondary primer may have a base sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3.

CAGCTCCAACA (서열번호 1)CAGCTCCAACA (SEQ ID NO: 1)

AAGGAGCTGGTGGACCTACGCCAT (서열번호 2)AAGGAGCTGGTGGACCTACGCCAT (SEQ ID NO: 2)

AAGGAGCTGGTGGACCTACGCCAA (서열번호 3)AAGGAGCTGGTGGACCTACGCCAA (SEQ ID NO: 3)

일 구현예에서, 상기 SERS 활성 염료는 SERS(표면 강화 라만 산란, surface enhanced Raman scattering)로 측정 가능한 것이라면 제한받지 않으며, 예를 들어 TAMRA 또는 CY3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the SERS active dye is not limited as long as it can be measured by SERS (surface enhanced Raman scattering), and may be, for example, TAMRA or CY3, but is not limited thereto.

본 발명은 또한 (ⅰ) 실리카 코어에 시드 금(Au)을 부착시켜 Au 나노쉘을 얻는 단계; 및 (ⅱ) 단계(ⅰ)에서 얻은 Au 나노쉘 표면에 티올화된 1차 프라이머를 고정하는 단계를 포함하는, 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘의 제조방법을 제공한다.The present invention also (i) attaching the seed gold (Au) to the silica core to obtain an Au nanoshell; And (ii) fixing a thiolated primary primer on the surface of the Au nanoshell obtained in step (iii), to provide a method for preparing an Au nanoshell with a fixed primary primer.

본 발명은 또한, (a) 검출 대상 시료에 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘을 혼합하여 1차 프라이머를 표적 핵산과 혼성화시키는 단계; (b) 단계(a)에서 얻은 혼합물에 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머 및 리가제를 혼합한 후 인큐베이션하여 등온 결찰 반응 및 헤어핀 구조를 형성시키는 단계; 및 (c) 단계(b)에서 얻은 생성물을 SERS로 측정하여 Au 나노쉘 상에 형성된 헤어핀 구조를 검출하는 단계를 포함하는 표적 핵산의 검출방법을 제공한다.The present invention also, (a) mixing the primary primer immobilized Au nano-shell on the sample to be detected to hybridize the primary primer with the target nucleic acid; (b) mixing the secondary primer having SERS active dye and ligase in the mixture obtained in step (a) and incubating to form an isothermal ligation reaction and a hairpin structure; And (c) detecting a hairpin structure formed on the Au nanoshell by measuring the product obtained in step (b) with SERS.

본 발명의 표적 핵산의 검출방법은 검출 대상 시료에 1차 프라이머가 고정된 Au 나노쉘을 혼합하여 1차 프라이머를 표적 핵산과 혼성화시키는 단계[즉, 단계(a)]를 포함한다. 단계(a)는 Au 나노쉘에 고정된 FP1(1차 프라이머)와 시료(표적 핵산을 포함하는 검출 대상 시료)를 혼합하여 FP1의 서열 일부와 표적 핵산의 서열 일부를 혼성화시키는 단계이다.The method for detecting a target nucleic acid of the present invention includes a step of mixing the primary primer immobilized Au nanoshell with a target nucleic acid to hybridize the primary primer with the target nucleic acid (that is, step (a)). Step (a) is a step of hybridizing a portion of the sequence of FP1 and a portion of the target nucleic acid by mixing FP1 (primary primer) fixed to the Au nanoshell and a sample (a sample to be detected containing the target nucleic acid).

본 발명의 표적 핵산의 검출방법은 단계(a)에서 얻은 혼합물에 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머 및 리가제를 혼합한 후 인큐베이션하여 등온 결찰 반응 및 헤어핀 구조를 형성시키는 단계[즉, 단계(b)]를 포함한다. 단계(b)는 Au 나노쉘에 고정된 FP1(1차 프라이머)의 서열 일부와 표적 핵산의 서열 일부가 혼성화된 상태에서, 표적 핵산의 혼성화되지 않은 단일 가닥 부분과 FP2(2차 프라이머)가 혼성화되면, FP1(1차 프라이머) 및 FP2(2차 프라이머)가 결찰되어 연결되는 단계이다. 이때, 결찰된 프라이머는 헤어핀 구조를 형성할 수 있는 서열을 포함하고, 헤어핀 구조의 Tm이 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm보다 높기 때문에, 결찰 프라이머와 결합(혼성화)되어 있던 표적 핵산은 반응(결찰) 온도를 변화시키지 않고도 결찰된 프라이머로부터 분리되며, 분리된 표적 핵산은 또 다른 결찰되지 않은 프라이머 쌍의 반응(결찰)에 재사용될 수 있다. 이에 따라, 재순환된 표적 핵산은 AuNS의 표면상에서 단일의 표적 핵산이 다수의 결찰 반응에 참여하게 되어 다수의 헤어핀을 형성하게 한다. 그 결과, 헤어핀의 FP2의 SERS 활성 염료가 AuNS 표면에 축적되어 점 돌연변이 특이적 방식으로 SERS가 증폭되게 된다.The method for detecting a target nucleic acid of the present invention is a step of forming an isothermal ligation reaction and a hairpin structure by mixing and incubating a secondary primer having a SERS active dye and a ligase in the mixture obtained in step (a) [ie, step (b )]. Step (b) hybridizes a single-stranded non-hybridized portion of the target nucleic acid and FP2 (secondary primer) in a state where a portion of the sequence of the target nucleic acid and a portion of the sequence of FP1 (primary primer) immobilized on the Au nanoshell are hybridized. Once, FP1 (primary primer) and FP2 (secondary primer) are ligated and linked. At this time, the ligated primer includes a sequence capable of forming a hairpin structure, and since the Tm of the hairpin structure is higher than the Tm of the ligation primer and the target nucleic acid, the target nucleic acid that is bound (hybridized) with the ligation primer reacts (ligation). It is isolated from the ligated primer without changing the temperature, and the isolated target nucleic acid can be reused in the reaction (ligation) of another unligated primer pair. Accordingly, the recycled target nucleic acid causes a single target nucleic acid to participate in multiple ligation reactions on the surface of the AuNS to form multiple hairpins. As a result, the SERS active dye of FP2 of hairpin accumulates on the surface of AuNS and the SERS is amplified in a point-mutation-specific manner.

일 구현예에서, 단계(b)의 인큐베이션 시간은 30분에서 1시간 30분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1시간 동안 수행될 수 있다. 1시간 동안의 결찰 및 증폭 시간에 의하여도 점 돌연변이 특이적 방식으로 증폭된 SERS 측정치를 얻을 수 있다.In one embodiment, the incubation time of step (b) may be performed for 30 minutes to 1 hour 30 minutes, and preferably for 1 hour. SERS measurements amplified in a point-mutation-specific manner can also be obtained by ligation and amplification times for 1 hour.

본 발명의 표적 핵산의 검출방법은 단계(b)에서 얻은 생성물을 SERS로 측정하여 Au 나노쉘 상에 형성된 헤어핀 구조를 검출하는 단계[즉, 단계(c)]를 포함한다. 본 발명에서는 단일 분자 검출 감도, 분자 특이적 지문 및 광학적 안정성 때문에 복합화 DNA 및 민감성 DNA 검출을 위한 검출 신호로서 표면 강화 라만 산란(surface enhanced Raman scattering, SERS)을 도입하였다.The method for detecting a target nucleic acid of the present invention includes the step of detecting the hairpin structure formed on the Au nanoshell by measuring the product obtained in step (b) with SERS [ie, step (c)]. In the present invention, surface enhanced Raman scattering (SERS) was introduced as a detection signal for detecting complex DNA and sensitive DNA due to single molecule detection sensitivity, molecular specific fingerprint, and optical stability.

이상과 같이, 본 발명의 표적 핵산 검출용 키트를 사용하면 단일 표적 핵산 당 다중 리가아제 반응이 수행되는 단일 단계 등온 리가아제 반응을 진행시킬 수 있으며, 본 발명의 검출방법에서 얻어진 LOD는 두 돌연변이 모두에서 20 아토몰로 얻어져서 매우 민감한 검출방법임이 확인되었다. 또한, 종래 기술에서의 PCR 등 열순환 장치의 사용에 의한 장시간의 분석시간과 비교하여, 본 발명의 검출방법에서는 단일 단계 등온 리가아제 반응에 의해 1시간 이내의 검출 반응으로 5배 낮은 검출 한계를 달성할 수 있으며, 민감도 1%의 우수한 검출 효능으로 수행될 수 있다. 본 발명의 검출방법에서는 신호 증폭을 위한 추가적인 단계 없이 결찰 반응 동안 SERS의 증폭이 달성되기 때문에 이전의 방법보다 직접적이고 신속하게 검출 대상 표적 핵산을 민감하고 특이적으로 검출할 수 있으며, 다양한 병원체 또는 이의 돌연변이에 대해서 자원이 제한된 국가에서 PCR에 대한 대안으로 활용될 수 있다.As described above, by using the kit for detecting a target nucleic acid of the present invention, a single step isothermal ligase reaction in which multiple ligase reactions per single target nucleic acid can be performed, and the LOD obtained in the detection method of the present invention is both mutants. It was confirmed to be a very sensitive detection method since it was obtained with 20 atomoles. In addition, compared to the analysis time of a long time by the use of a thermal cycle device such as PCR in the prior art, in the detection method of the present invention, the detection limit of 5 times lower by detection reaction within 1 hour by a single step isothermal ligase reaction It can be achieved and can be performed with good detection efficacy of 1% sensitivity. In the detection method of the present invention, since the amplification of SERS is achieved during the ligation reaction without an additional step for signal amplification, it is possible to detect target nucleic acids to be detected directly and more rapidly and sensitively than the previous method, and various pathogens or their It can be used as an alternative to PCR in countries with limited resources for mutation.

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><Example>

1. 재료 및 방법1. Materials and Methods

(1) 시약(1) Reagent

모든 화학 물질은 특별히 언급한 경우를 제외하고는 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO)로부터 구입하여 추가 정제없이 사용하였다. 올리고 뉴클레오타이드는 바이오니아(Bioneer, 대전, 한국)에서 구입하였다.All chemicals were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO), except where specifically noted, and used without further purification. Oligonucleotides were purchased from Bioneer (Daejeon, Korea).

(2) AuNS의 합성(2) Synthesis of AuNS

선행문헌의 방법(T. Pham, J. B. Jackson, N. J. Halas and T. R. Lee, Langmuir, 2002, 18, 4915-4920)에 따라 26 nm 두께의 AuNS (직경: ~ 128 nm)를 합성하였다. 먼저, Stober 방법으로 실리카 나노입자를 제조하였다. 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS) (Sigma) 1.5 mL를 NH4OH 2.8 mL 포함 에탄올 45 mL(14.8 N)에 넣었다. 8시간 반응시킨 후, APTES[(3-Aminopropyl)triethoxysilane] 126 μL를 혼합물에 첨가하였다. 8시간 동안 인큐베이션한 후, APTES 처리된 실리카 코어를 2시간 동안 끓였다. 미반응 시약을 제거하기 위하여 실리카 코어를 2000 g에서 30분간 원심분리하였다. 상등액을 버린 후, 펠릿을 프로브 소니케이터(VC 750, Sonics)를 사용하여 50 mL의 신선한 에탄올에 10분 동안 현탁시켰다. 실리카 코어의 원심분리 정제를 2회 더 반복하였다. 그 다음에, 시드 금 콜로이드(seed gold colloid, 2~3 nm)를 실리카 코어에 넣었다. 밤새 인큐베이션한 후, 혼합물을 초순수 10 mL에 현탁하고 2000 g에서 30분 동안 원심분리하여 미결합 시드 금을 제거하였다. 원심분리 단계를 2회 더 반복하였다. 시드 금 콜로이드 부착 실리카 코어를 1 mL의 0.0148 % HAuCl4와 혼합하였다. 6.7 μL의 30% 포름알데히드를 첨가한 다음 10분 동안 격렬히 와류교반(vortexing)하여 나노쉘의 성장이 개시되도록 하였다. 나노쉘의 두께는 실리카 코어의 양을 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 나노쉘의 크기와 쉘 두께를 측정하기 위하여 TEM (JEM-2100F, JEOL)을 이용하여 합성된 나노입자에 대한 고해상도 사진을 얻었다.26 nm thick AuNS (diameter: ~ 128 nm) was synthesized according to the method of the prior literature (T. Pham, JB Jackson, NJ Halas and TR Lee, Langmuir , 2002, 18 , 4915-4920). First, silica nanoparticles were prepared by a Stober method. 1.5 mL of tetraethyl orthosilicate (TEOS) (Sigma) was added to 45 mL of ethanol (14.8 N) with 2.8 mL of NH 4 OH. After reacting for 8 hours, 126 μL of APTES [(3-Aminopropyl) triethoxysilane] was added to the mixture. After incubation for 8 hours, the APTES treated silica core was boiled for 2 hours. The silica core was centrifuged at 2000 g for 30 minutes to remove unreacted reagents. After discarding the supernatant, the pellet was suspended for 10 min in 50 mL of fresh ethanol using a probe sonicator (VC 750, Sonics). The centrifugation purification of the silica core was repeated twice more. Then, a seed gold colloid (2-3 nm) was placed in the silica core. After incubation overnight, the mixture was suspended in 10 mL of ultrapure water and centrifuged at 2000 g for 30 minutes to remove unbound seed gold. The centrifugation step was repeated two more times. The silica core with seed gold colloid was mixed with 1 mL of 0.0148% HAuCl 4 . 6.7 μL of 30% formaldehyde was added, followed by vigorous vortexing for 10 minutes to initiate the growth of the nanoshell. The thickness of the nanoshell can be controlled by changing the amount of silica core. In order to measure the size and thickness of the nanoshell, high-resolution pictures of the nanoparticles synthesized using TEM (JEM-2100F, JEOL) were obtained.

(3) AuNS 상에 올리고 뉴클레오티드의 고정화(3) Immobilization of oligonucleotide on AuNS

모든 올리고 뉴클레오티드(표 1 참조)는 바이오니아(Bioneer, 대전, 한국)에서 구입하였다. FP1의 티올(Thiol)[5'(OP)-CAGCTCCAACA-(SH)3']은 실온에서 30분 동안 10 mM 인산 나트륨 완충액(sodium phosphate buffer, pH 7.0) 중에서 10 mM TCEP(Sigma Aldrich)(Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine)로 처리하여 활성화시켰다. 200배 몰 과량의 티올 활성화된 FP1을 실온에서 16시간 동안 초순수 1 mL 중의 AuNS와 혼합하였다. 금 표면에서의 FP1 적용 범위의 밀도를 증가시키기 위하여, NaCl 농도를 0.1 M까지 점차적으로 증가시켰다. 추가 48시간 후, 과량의 비결합 FP1을 8,000 rpm에서 25분 동안 초순수로 원심 분리하여 제거하고, 4회 반복하였다. 프라이머로 변형된 AuNS를 실온에서 물 200 μL에 재분산시켰다. 하기 표 1에 본 발명에서 사용된 올리고 뉴클레오티드의 서열을 나타내었다.All oligonucleotides (see Table 1) were purchased from Bioneer (Daejeon, Korea). Thiol of FP1 [5 '(OP) -CAGCTCCAACA- (SH) 3'] is 10 mM Sigma Aldrich (TCEP) (Tris) in 10 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) for 30 minutes at room temperature. It was activated by treatment with-(2-Carboxyethyl) phosphine). A 200-fold molar excess of thiol-activated FP1 was mixed with AuNS in 1 mL of ultrapure water for 16 hours at room temperature. In order to increase the density of the FP1 coverage at the gold surface, the NaCl concentration was gradually increased to 0.1 M. After an additional 48 hours, excess unbound FP1 was removed by centrifugation with ultrapure water at 8,000 rpm for 25 minutes and repeated 4 times. The AuNS modified with the primer was redispersed in 200 μL of water at room temperature. Table 1 below shows the sequences of the oligonucleotides used in the present invention.

올리고 뉴클레오티드Oligonucleotide 서열order FP1FP1 5'-(OP)-CAGCTCCAACA-(SH)-3'5 '-(OP) -CAGCTCCAACA- (SH) -3' FP2AFP2A 5'-TAMRA-AAG GAGCTGGTGGACCTACGCCAT-3'5'-TAMRA-AAG GAGCTGGTGGACCTACGCCAT-3 ' FP2TFP2T 5'-Cy3-AAG GAGCTGGTGGACCTACGCCAA-3'5'-Cy3-AAG GAGCTGGTGGACCTACGCCAA-3 ' FP2ACFP2AC TTTTACGCCATTTTTACGCCAT 35G>A35G> A TGG AGCTGATGGCGTATGG AGCTGATGGCGTA 35G>T35G> T TGG AGCTGTTGGCGTATGG AGCTGTTGGCGTA LPA (결찰된 FP1 및 FP2A)LPA (ligated FP1 and FP2A) AAGGAGCTGGTGGACCTACGCCATCAGCTCCAACAAAGGAGCTGGTGGACCTACGCCATCAGCTCCAACA 35G (야생형 표적)35G (wild type target) TGG AGCTGGTGGCGTATGG AGCTGGTGGCGTA

(4) 올리고 뉴클레오티드의 겔 전기영동(4) Gel electrophoresis of oligonucleotides

사용된 올리고 뉴클레오티드 및 결찰된 생성물의 전기영동을 TBE 폴리아크릴아미드 겔(4~20 %)에 시료를 로딩하고 50분 동안 180 V에서 겔을 전개시켜 수행하였다. 전기영동 후, 염료[1 × SYBR Green I Nucleic Acid Gel Stain (Thermo Fisher Scientific, USA)]를 포함하는 1 x TBE 완충액(pH 8.0)에서 겔을 40 분 동안 염색하였다. 염색된 겔의 UV 여기 형광 사진을 Davinchi-Gel Imaging System (Davinchi-K, 한국)을 사용하여 얻었다.Electrophoresis of the oligonucleotides and ligated products used was carried out by loading the sample on a TBE polyacrylamide gel (4-20%) and deploying the gel at 180 V for 50 minutes. After electrophoresis, the gel was stained for 40 min in 1 x TBE buffer (pH 8.0) containing dye [1 x SYBR Green I Nucleic Acid Gel Stain (Thermo Fisher Scientific, USA)]. UV excitation fluorescence pictures of the stained gel were obtained using a Davinchi-Gel Imaging System (Davinchi-K, Korea).

(5) 등온 리간드 반응 및 SERS 측정(5) Isothermal ligand reaction and SERS measurement

다양한 양의 표적 핵산이 있는 상태에서 20 mM Tris-HCl(pH 7.6), 25 mM Mg(CH3COOH)2, 10 mM KCH3COOH, 1 mM NAD 및 0.1 % Triton X-100를 포함하는 20 μL 반응 완충액 중 FP1 변형 AuNS(0.2 nM)를 함유하는 용액에 FP2A(최종 0.2 μM) 또는 FP2T(최종 0.2 μM) 및 Taq DNA 리가아제(최종 3 U/㎕)를 첨가하였다. 혼합물을 45 ℃에서 1시간 동안 인큐베이션하였다. 반응한 시료 10 μl를 깨끗한 유리에서 질소 가스로 건조시켰다. 공촛점 라만 현미경(LabRAM HR Evolution, HORIBA)을 사용하여 각 스캔에 대해 3초의 집적 시간을 사용하여 샘플의 스팟(초점이 맞춰진 633 nm 레이저의 직경은 1.03 μm 임)을 10회 스캔하였다.20 μL with 20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 25 mM Mg (CH 3 COOH) 2 , 10 mM KCH 3 COOH, 1 mM NAD and 0.1% Triton X-100 in the presence of varying amounts of target nucleic acid To a solution containing FP1 modified AuNS (0.2 nM) in the reaction buffer, FP2A (0.2 μM final) or FP2T (0.2 μM final) and Taq DNA ligase (3 U / μL final) were added. The mixture was incubated at 45 ° C. for 1 hour. 10 μl of the reacted sample was dried in a clean glass with nitrogen gas. Using a confocal Raman microscope (LabRAM HR Evolution, HORIBA), the spot of the sample (the diameter of the focused 633 nm laser was 1.03 μm) was scanned 10 times using a 3 second integration time for each scan.

2. 결과2. Results

도 1은 AuNS 상의 단일 표적에 대한 프라이머의 다중 연결을 나타내는 개략도이다. 민감한 SNP 스크리닝을 위한 표적의 등온 재순환을 위하여, 프라이머 세트 FP1 및 FP2는 표적과 복합화된 후에 결찰되면 헤어핀 구조를 형성하도록 설계되었다. 결찰된 프라이머는 저절로 헤어핀으로 변하기 때문에, 결합되어 있던 표적은 반응 온도를 변화시키지 않고도 결찰된 프라이머로부터 분리되어 결찰되지 않은 프라이머 쌍의 또 다른 결찰에 재사용될 수 있다. 결찰 반응 과정에서, 재순환된 표적은 AuNS의 표면상에서 단일 표적 당 다수의 헤어핀을 형성하게 한다. 그 결과, 헤어핀의 FP2의 SERS 활성 염료가 AuNS 표면에 축적되어 점 돌연변이 특이적 방식으로 SERS가 증폭되도록 한다. 1 is a schematic diagram showing multiple linkage of primers to a single target on AuNS. For isothermal recycling of targets for sensitive SNP screening, primer sets FP1 and FP2 are designed to form a hairpin structure when ligated after complexing with the target. Since the ligated primer turns into a hairpin by itself, the bound target can be separated from the ligated primer without changing the reaction temperature and reused for another ligation of the unligated primer pair. In the course of the ligation reaction, the recycled target causes the formation of multiple hairpins per single target on the surface of the AuNS. As a result, the SERS active dye of FP2 of hairpin accumulates on the surface of AuNS so that the SERS is amplified in a point-mutation-specific manner.

KRAS 유전자의 점 돌연변이를 다중 검출하기 위하여 KRAS 유전자의 12번 코돈에서의 35G>A 및 35G>T를 선택하였다. AuNS 상에서 반응을 수행하기 전에, 표적 특이적 헤어핀의 다중 형성을 위한 프라이머 세트 FP1 및 FP2의 설계를 검증하여야 한다. 프라이머의 서열은 이들이 특이적 표적과의 혼성화시에 결찰되고 그 이후에만 헤어핀을 형성하도록 주의하여 설계되어야 한다. 그렇지 않으면 프라이머 세트의 줄기 서열(stem sequence) 사이의 자기-혼성화가 일어나서 거짓 양성 신호(false-positive signal)를 일으킬 수 있다. 자기-혼성화를 피하기 위하여서는 융합 온도, FP1과 FP2 간 복합체의 Tm, 즉 융점이 결찰 온도보다 충분히 낮아야 한다. FP1/FP2A 및 FP1/FP2T과 같은 2개 복합체의 계산된 Tm은 25.5 ℃였다. 결찰 반응은 혼성화의 Tm보다 높은 45 ℃에서 수행되었으므로 자기 혼성화는 무시할 수 있다. 35G> A and 35G> T at codon 12 of the KRAS gene were selected for multiple detection of point mutations in the KRAS gene. Before performing the reaction on AuNS, the design of primer sets FP1 and FP2 for multiple formation of target specific hairpins should be verified. The sequence of the primers should be carefully designed such that they are ligated upon hybridization with a specific target and form hairpins only thereafter. Otherwise, self-hybridization between the stem sequences of the primer set may occur, resulting in a false-positive signal. In order to avoid self-hybridization, the fusion temperature, Tm of the complex between FP1 and FP2, that is, the melting point must be sufficiently lower than the ligation temperature. The calculated Tm of the two complexes, FP1 / FP2A and FP1 / FP2T, was 25.5 ° C. The ligation reaction was performed at 45 ° C. higher than the Tm of hybridization, so self-hybridization is negligible.

다중 결찰을 위하여, 헤어핀의 Tm은 결합된 표적을 분리시킬 만큼 충분히 높아야 한다. 헤어핀의 Tm(35G>A의 경우 77.5 ℃, 35G>T의 경우 79.6 ℃)은 결찰된 프라이머와 표적 복합체의 Tm(35G>A의 경우 60.7 ℃, 35G>T의 경우 61.3 ℃)보다 높았다. 표적 특이적 다중 결찰 및 자기 혼성화를 피하기 위하여 설계된 서열을 확인하기 위하여 겔 전기영동을 수행하였다. 도 2는 180 V에서 50 분간 전기영동한 후 자외선을 조사한 아크릴아미드 겔의 사진이다.For multiple ligations, the hairpin's Tm must be high enough to separate the bound target. The Tm (77.5 ° C for 35G> A, 79.6 ° C for 35G> T) of the hairpin was higher than the Tm (60.7 ° C for 35G> A, 61.3 ° C for 35G> T) of the ligated primer and target complex. Gel electrophoresis was performed to identify sequences designed to avoid target specific multiple ligation and self-hybridization. 2 is a photograph of acrylamide gel irradiated with ultraviolet light after electrophoresis at 180 V for 50 minutes.

자기 혼성화된 프라이머는 FP1 또는 FP2A가 각각 로딩된 레인 1과 레인 2의 밴드보다 기점에 가까운 형광 밴드로 나타나야 한다. 그러나, FP1과 FP2A의 혼합물이 로딩된 레인 6의 2개 밴드는 레인 1 및 레인 2의 밴드와 동일한 위치에 위치하였고, 2개 밴드보다 기점 부근의 레인 6에 추가적인 밴드는 없었다. 레인 6의 밴드 위치로부터 2개 프라이머 사이의 자기 혼성화를 피하기 위한 서열의 정확성이 입증되었다. 단일 표적에 혼성화된 프라이머의 다중 결찰에서 헤어핀 형성의 역할도 전기영동 분석에 의해 입증되었다. 레인 7 및 레인 8에는 표적 핵산 및 DNA 리가아제의 존재 하에서 각각 1시간 동안의 FP1과 FP2A 및 FP2AC의 혼합물을 로딩하였다. FP2AC는 35G>A에 혼성화할 수 있지만 FP1에 결찰된 후에 헤어핀을 형성하지는 않았다. 두 레인에서, 레인 5의 밴드와 동일한 자리에 기점에 가까운 동일한 밴드가 위치하였으며, 이 위치는 결찰된 프라이머의 서열을 갖는 올리고 뉴클레오티드이다. 두 레인에 동일한 밴드가 위치한 것과는 대조적으로, 레인 7의 밴드의 신호 강도가 레인 8의 밴드의 강도보다 높았다. 레인 7 밴드의 상대적으로 높은 강도는 동일한 양의 표적 핵산의 레인 8에서 더 많은 수의 결찰된 프라이머를 의미하고, 이에 따라 프라이머의 결찰 후 헤어핀의 형성에 의한 단일 표적 핵산 당 다중 결찰이 있음이 확인되었다. 표적 핵산 없는 자기-결찰 프라이머를 확인하기 위하여, 레인 7에서의 리가아제 및 동일한 프라이머를 레인 9에 표적 핵산 없이 로딩하였다. 결찰된 프라이머에 상응하는 밴드가 나타나지 않았으며, 이로써 표적 핵산 없이는 자기-결찰이 없음이 확인되었다. 겔 전기영동에 의해 SNP 특이적 SERS에 대한 다중 헤어핀 형성이 정확히 설계되었음이 입증되었으므로, AuNS 상에 FP1을 고정시키고(도 3 참조), 등온 결찰 반응을 수행하였다. 35G>A 또는 35G>T인 점 돌연변이 서열에 따른 FP2A와 FP2T의 존재 하에서 AuNS에 고정된 FP1와 반응을 시킨 후 SERS 신호를 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 35G>A 및 35G>T을 검출하기 위하여, TAMRA(Tetramethylrhodamine) 및 CY3을 각각 FP2A 및 FP2T로 표지하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 스팟으로부터 얻어된 SERS 신호는 첨가된 유형의 돌연변이 및 프로브와 정확히 일치하였다. 즉, 첨가된 프로브와 표적 SNP가 일치된 스팟으로부터 얻어진 SERS 스펙트럼에서는 35G>A 및 35G>T에 대한 각각의 TAMRA 및 CY3의 특징적인 파수가 나타났다. 이와는 달리, 야생형 표적 또는 불일치 SNP 함유 돌연변이가 첨가된 스팟에서는 특징적인 파수가 관찰되지 않았다. 도 4로부터, 다른 비고정 프라이머와 함께 FP1 고정 AuNS를 이용하여 측정된 SERS를 분석함으로써 KRAS 돌연변이의 SNP를 성공적으로 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다. The self-hybridized primer should appear as a fluorescent band closer to the origin than the bands of lane 1 and lane 2 loaded with FP1 or FP2A, respectively. However, the two bands of lane 6 loaded with a mixture of FP1 and FP2A were located at the same position as the bands of lane 1 and lane 2, and there was no additional band in lane 6 near the origin than the two bands. The accuracy of the sequence was demonstrated to avoid self-hybridization between the two primers from the band position in lane 6. The role of hairpin formation in multiple ligations of primers hybridized to a single target was also demonstrated by electrophoresis analysis. Lanes 7 and 8 were loaded with a mixture of FP1 and FP2A and FP2AC for 1 hour, respectively, in the presence of target nucleic acid and DNA ligase. FP2AC can hybridize to 35G> A but did not form hairpins after ligation to FP1. In both lanes, the same band close to the origin was located at the same spot as the band in lane 5, which is an oligonucleotide having the sequence of the ligated primer. In contrast to the same band located in both lanes, the signal strength of the band in lane 7 was higher than that of lane 8. The relatively high intensity of the lane 7 band means a greater number of ligated primers in lane 8 of the same amount of target nucleic acid, thus confirming that there is multiple ligation per single target nucleic acid by the formation of hairpins after ligation of the primer Became. To identify self-ligating primers without target nucleic acids, the ligase and the same primers in lane 7 were loaded in lane 9 without target nucleic acids. No band corresponding to the ligated primer was shown, confirming that there was no self-ligation without the target nucleic acid. Since it was proved that multiple hairpin formation for SNP-specific SERS was accurately designed by gel electrophoresis, FP1 was immobilized on AuNS (see FIG. 3), and an isothermal ligation reaction was performed. After reacting with FP1 immobilized in AuNS in the presence of FP2A and FP2T according to the point mutation sequence of 35G> A or 35G> T, the SERS signal was measured and the results are shown in FIG. 4. To detect 35G> A and 35G> T, TAMRA (Tetramethylrhodamine) and CY3 were labeled with FP2A and FP2T, respectively. As shown in Figure 4, the SERS signal obtained from the spot was exactly consistent with the added type of mutation and probe. That is, in the SERS spectrum obtained from the spot where the added probe and the target SNP matched, a characteristic wave number of each TAMRA and CY3 for 35G> A and 35G> T was shown. In contrast, no characteristic wavenumber was observed in spots to which wild type targets or inconsistent SNP-containing mutants were added. It can be seen from FIG. 4 that SNPs of KRAS mutations can be successfully detected by analyzing SERS measured using FP1 immobilized AuNS in combination with other non-fixed primers.

다음으로 표적 핵산을 0에서 100 nM로 첨가량을 달리하여 등온 결찰 반응을 수행하였다. 35G>A 및 35G>T에 대하여 각각 1385 cm-1 및 1588 cm-1을 대표적 파수로 선택하였고, 이들은 표지된 염료의 뚜렷하고 강한 파수에 해당한다. 도 5 및 도 6에는 첨가된 표적 핵산 양에 따른 대표적인 파수의 강도가 나타나 있다. 첨가된 표적 양이 증가함에 따라 파수의 강도가 비례하여 증가하였다. 10 pM 내지 10 nM 범위에서 각 돌연변이에 대한 SERS 강도와 표적 농도 사이의 선형 관계가 얻어졌다. 20 아토몰에 해당하는 10 pM의 낮은 35G>T 및 35G>A에 대하여 SERS 신호의 배경 제거(background subtraction) 후의 값은 각각 9.5 ± 1.3 및 7.5 ± 1.2이었다. 0.1 pM의 돌연변이 표적에 대하여는 신호가 얻어지지 않았다. 따라서, 본 발명의 검출방법의 LOD는 두 돌연변이 모두에서 20 아토몰로 결정되었다. 선행문헌[H. T. Ngo, N. Gandra, A. M. Fales and S. M. Taylor, Biosen. Bioelectron., 2016, 81, 8-14]에서는 SERS 나노래틀(nanorattle)을 사용하여 100 아토몰의 말라리아 SNP를 검출한 것이 보고된 바 있다. 본 발명의 검출방법에서는 AuNS에서 단일 표적에 대해 다중 헤어핀을 형성하도록 설계되었다. 또한, 헤어핀이 형성되는 동안 SERS 신호가 발생되었다. 그 결과, 본 발명에서는 선행기술의 방법보다 1시간 이내의 검출 반응으로 5배 낮은 검출 한계를 달성할 수 있었다.Next, an isothermal ligation reaction was performed by varying the amount of addition of the target nucleic acid from 0 to 100 nM. For 35G> A and 35G> T, 1385 cm -1 and 1588 cm -1 , respectively, were selected as representative wave numbers, which correspond to the distinct and strong wave numbers of the labeled dyes. 5 and 6 show the intensity of a representative wave number according to the amount of target nucleic acid added. The intensity of wave number increased proportionally as the amount of target added increased. A linear relationship between SERS intensity and target concentration for each mutation in the range of 10 pM to 10 nM was obtained. The values after background subtraction of the SERS signal for low 35G> T and 35G> A of 10 pM corresponding to 20 atomolar were 9.5 ± 1.3 and 7.5 ± 1.2, respectively. No signal was obtained for the 0.1 pM mutant target. Therefore, the LOD of the detection method of the present invention was determined to be 20 atomoles in both mutations. Prior literature [HT Ngo, N. Gandra, AM Fales and SM Taylor, Biosen. Bioelectron., 2016, 81, 8-14] has reported that 100 Atomol malaria SNPs were detected using SERS nanorattle. In the detection method of the present invention, it was designed to form multiple hairpins for a single target in AuNS. In addition, a SERS signal was generated while the hairpin was being formed. As a result, in the present invention, it was possible to achieve a detection limit 5 times lower with a detection reaction within 1 hour than the prior art method.

마지막으로 본 발명의 민감도를 조사하였다. 각 점 돌연변이와 야생형 표적의 혼합물로 등온 결찰 반응을 수행하였다. 도 7에는 야생형 표적의 존재하에 돌연변이체의 비율이 감소함에 따라 각 대표적인 파수의 SERS 강도가 감소하는 것이 나타나 있다. 야생형 표적의 100%의 강도와 비교하여 점 돌연변이체가 1% 될 때까지 상대적으로 높은 SERS 강도가 검출되었다. 본 발명의 방법으로 1 %의 돌연변이체에 대하여 검출을 수행한 후에 얻어진 SERS 강도는 야생형 표적 100 %의 경우에서 얻어진 강도보다 최소 약 1.5 배 더 높았다. 따라서, 본 발명의 민감도는 1%로 평가할 수 있다.Finally, the sensitivity of the present invention was investigated. An isothermal ligation reaction was performed with a mixture of each point mutation and wild type target. 7 shows that the SERS intensity of each representative wave decreases as the proportion of mutants decreases in the presence of a wild-type target. A relatively high SERS intensity was detected until the point mutant became 1% compared to the intensity of 100% of the wild type target. The SERS intensity obtained after detection was performed on 1% mutants by the method of the present invention was at least about 1.5 times higher than the intensity obtained in the case of 100% wild type target. Therefore, the sensitivity of the present invention can be evaluated as 1%.

결론적으로 SERS와 결합된, 단일 표적 당 단일 단계 등온 다중 리가아제 반응이 KRAS 유전자의 점 돌연변이에 민감하고 특이적인 검출을 위해 성공적으로 개발되었다. 등온 리가아제 반응에서, 본 발명에서 표적 특이적 결찰시 헤어핀을 형성하는 프라이머가 최초로 도입되었다. 전기영동 분석과 민감한 검출에 의해 다중 결찰을 위한 헤어핀 형성 프라이머의 역할이 입증되었다. AuNP와 산화 그래핀을 포함하는 나노물질이 형광 수용체로서 DNA 리가아제 반응에 사용된 바 있다. 본 발명은 표적 서열에서 단일 염기 불일치를 판별하는 우수한 결과를 보여주었다. 선행기술에서는 결찰된 생성물의 증폭이 없기 때문에, 분석의 검출 감도가 1 피코몰(picomole) 정도의 양으로 제한되었다.In conclusion, a single-step isothermal multiple ligase reaction per single target, combined with SERS, has been successfully developed for sensitive and specific detection of point mutations in the KRAS gene. In the isothermal ligase reaction, primers that form hairpins upon target specific ligation were first introduced in the present invention. The role of hairpin forming primers for multiple ligation was demonstrated by electrophoresis analysis and sensitive detection. Nanomaterials including AuNP and graphene oxide have been used for DNA ligase reactions as fluorescent receptors. The present invention has shown excellent results in discriminating single base mismatches in target sequences. Since there was no amplification of the ligated product in the prior art, the detection sensitivity of the assay was limited to an amount of 1 picomolar.

보고된 SNP 검출 등온 분석 중에서, 형광 증폭과 결합된 인베이더 검정법(invader assay)은 1 젭토몰(1 zeptomole; 10-21 mole) 수준에서 표적을 검출 할 수 있다. 그러나 인베이더 검정법은 그러한 민감도를 위하여 4시간 동안의 효소 반응을 필요로 한다. 본 발명에서의 분석 민감도는 PCR없이 1시간 이내에 달성할 수 있는 효과이다.Among the reported SNP detection isothermal analysis, an invader assay combined with fluorescence amplification can detect a target at a level of 1 zeptomole (10 -21 mole). However, the invader assay requires 4 hours of enzymatic reaction for such sensitivity. Analysis sensitivity in the present invention is an effect that can be achieved within 1 hour without PCR.

종래의 리가아제 연쇄 반응에서는, 프라이머와 표적 간의 결찰 및 분리는 열적으로 제어되므로 정교하고 값 비싼 열순환 장치가 필요하였다. 이전에 본 발명의 발명자들은 PCR 없이 재사용 프로브 분석(cycling probe assay)을 결합한 등온 결찰 반응을 보고한 바 있다. 상기 방법에서 KRAS 돌연변이의 35G>A의 10 아토몰 수준으로 검출할 수 있었다. 그러나, 결찰 반응 및 신호 생성을 위한 단계는 상기 감도를 달성하기 위해 최소 2시간의 반응을 요구하는 개별적인 단계로 되어 있다. 이와는 반대로, 본 발명의 방법은 신호 증폭을 위한 추가적인 단계 없이 결찰 반응 동안 SERS가 얻어지기 때문에 이전의 방법보다 직접적인 방법이다.In the conventional ligase chain reaction, ligation and separation between the primer and the target are thermally controlled, and thus, a sophisticated and expensive thermocycling device is required. Previously, the inventors of the present invention have reported an isothermal ligation reaction that combines a recycling probe assay without PCR. In the above method, it was possible to detect the level of 10 Atomol of 35G> A of the KRAS mutation. However, the steps for ligation reaction and signal generation consist of individual steps requiring a minimum of 2 hours of reaction to achieve the sensitivity. In contrast, the method of the present invention is a more direct method than the previous method because SERS is obtained during the ligation reaction without additional steps for signal amplification.

본 발명의 방법에서는 1시간 이내에 20 아토몰의 KRAS 돌연변이를 검출 할 수 있다. SERS를 이용한 다른 보고된 등온 SNP 검출 방법과 비교하여, 본 발명의 단일 단계 리가아제 반응의 LOD는 적어도 5배 더 낮은 것으로 측정되었다. 임상 적용에서, 상업용 키트는 진단 민감도가 5 %이다. 본 발명의 방법은 야생형 표적의 존재 하에서 35G>A 및 35G>T 모두에서 1 % 변이를 검출 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 두 개의 상이한 점 돌연변이를 성공적으로 검출할 수 있다는 것이 입증되었다. 본 발명에서는 헤어핀 형성 프라이머가 고정된 온도에서 표적을 분리시키기 위한 열순환기 역할로 사용되었다. AuNS에서의 프라이머의 직접적인 결찰에 의해 신호 증폭을 위한 추가 단계없이 SERS의 증폭이 달성되었다. SNP 특이적 신호 증폭이 고정된 온화한 조건의 온도에서 수행되었기 때문에, 보통의 저렴한 장비, 예를 들어 마이크로 플레이트 판독기로 비용 효과적인 SNP 검출이 수행될 수 있다. 따라서 본 발명의 방법은 KRAS 돌연변이의 SNP 검출뿐만 아니라 말라리아 및 결핵과 같은 인간 감염 병원체의 돌연변이에 대해서도 자원이 제한된 국가에서 PCR에 대한 대안으로 적절한 시료 준비를 거쳐 사용될 수 있다.In the method of the present invention, it is possible to detect 20 atomolar KRAS mutations within 1 hour. Compared to other reported isothermal SNP detection methods using SERS, the LOD of the single step ligase reaction of the present invention was determined to be at least 5 times lower. In clinical applications, commercial kits have a diagnostic sensitivity of 5%. The method of the present invention can detect 1% variation in both 35G> A and 35G> T in the presence of a wild type target. Thus, it has been demonstrated that the method of the present invention can successfully detect two different point mutations. In the present invention, the hairpin forming primer was used as a thermocycler to separate the target at a fixed temperature. Amplification of SERS was achieved without additional steps for signal amplification by direct ligation of primers in AuNS. Since SNP-specific signal amplification was performed at a fixed, mild condition temperature, cost-effective SNP detection can be performed with ordinary inexpensive equipment, such as a microplate reader. Therefore, the method of the present invention can be used through proper sample preparation as an alternative to PCR in countries where resources are limited for SNP detection of KRAS mutations as well as mutations of human infectious agents such as malaria and tuberculosis.

<110> Daegu-Gyeongbuk Medical Innovation Foundation <120> One-step isothermal detection method of gene mutation using hairpins formed on a gold nanoshell <160> 3 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 11 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 1 cagctccaac a 11 <210> 2 <211> 24 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 2 aaggagctgg tggacctacg ccat 24 <210> 3 <211> 24 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 3 aaggagctgg tggacctacg ccaa 24 <110> Daegu-Gyeongbuk Medical Innovation Foundation <120> One-step isothermal detection method of gene mutation using          hairpins formed on a gold nanoshell <160> 3 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 11 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 1 cagctccaac a 11 <210> 2 <211> 24 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 2 aaggagctgg tggacctacg ccat 24 <210> 3 <211> 24 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 3 aaggagctgg tggacctacg ccaa 24

Claims (10)

1차 프라이머가 고정된 직경 10 - 1000 nm의 Au 나노쉘 및 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머를 포함하고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 결찰 프라이머의 서열이 표적 핵산의 서열과 상보적이고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 후에 헤어핀 구조를 형성하는 서열을 갖고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머의 결찰 온도가 1차 프라이머 및 2차 프라이머 간의 Tm보다 높고, 상기 형성된 헤어핀 구조가 상기 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm보다 높은 Tm 값을 갖는 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.The primary primers include Au nanoshells with a fixed diameter of 10-1000 nm and secondary primers with SERS active dye, and the sequences of the ligation primers ligated with primary and secondary primers are complementary to those of the target nucleic acid, , After the primary and secondary primers are ligated, have a sequence that forms a hairpin structure, and the ligation temperature of the primary and secondary primers is higher than Tm between the primary and secondary primers, and the formed hairpin structure is Kit for detecting a target nucleic acid, characterized in that it has a Tm value higher than the Tm of the ligation primer and the target nucleic acid. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 표적 핵산이 KRAS 유전자의 변이 유전자인 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.The kit for detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the target nucleic acid is a variant gene of the KRAS gene. 제1항에 있어서, 상기 표적 핵산이 KRAS 유전자의 12번 코돈에서의 35G>A 변이 또는 35G>T 변이 유전자인 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.The kit for detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the target nucleic acid is a 35G> A mutation or a 35G> T mutation gene in codon 12 of the KRAS gene. 제1항에 있어서, 상기 결찰 온도가 35 - 55 ℃인 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.The kit for detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the ligation temperature is 35-55 ° C. 제1항에 있어서, 상기 1차 프라이머가 서열번호 1의 염기서열을 갖고, 상기 2차 프라이머가 서열번호 2 또는 서열번호 3의 염기서열을 갖는 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.The kit for detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the primary primer has a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, and the secondary primer has a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 3. 제1항에 있어서, 상기 SERS 활성 염료가 TAMRA 또는 CY3인 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.The kit for detecting a target nucleic acid according to claim 1, wherein the SERS active dye is TAMRA or CY3. 제1항에 있어서, 상기 1차 프라이머가 고정된 직경 10 - 1000 nm의 Au 나노쉘이
(ⅰ) 실리카 코어에 시드 금(Au)을 부착시켜 직경 10 - 1000 nm의 Au 나노쉘을 얻는 단계; 및
(ⅱ) 단계(ⅰ)에서 얻은 Au 나노쉘 표면에 티올화된 1차 프라이머를 고정하는 단계
를 포함하는, 1차 프라이머가 고정된 직경 10 - 1000 nm의 Au 나노쉘의 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 표적 핵산 검출용 키트.
The method of claim 1, wherein the primary primer is Au nanoshell having a fixed diameter of 10-1000 nm
(Iii) attaching seed gold (Au) to the silica core to obtain an Au nanoshell having a diameter of 10-1000 nm; And
(Ii) fixing the thiolated primary primer on the surface of the Au nanoshell obtained in step (i)
A kit for detecting a target nucleic acid comprising a primary primer, which is prepared by a method of manufacturing an Au nanoshell having a fixed diameter of 10-1000 nm.
(a) 검출 대상 시료에 1차 프라이머가 고정된 직경 10 - 1000 nm의 Au 나노쉘을 혼합하여 1차 프라이머를 표적 핵산과 혼성화시키는 단계;
(b) 단계(a)에서 얻은 혼합물에 SERS 활성 염료를 갖는 2차 프라이머 및 리가제를 혼합한 후 인큐베이션하여 등온 결찰 반응 및 헤어핀 구조를 형성시키는 단계; 및
(c) 단계(b)에서 얻은 생성물을 SERS로 측정하여 Au 나노쉘 상에 형성된 헤어핀 구조를 검출하는 단계
를 포함하고,
상기 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 결찰 프라이머의 서열이 표적 핵산의 서열과 상보적이고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머가 결찰된 후에 헤어핀 구조를 형성하는 서열을 갖고, 1차 프라이머 및 2차 프라이머의 결찰 온도가 1차 프라이머 및 2차 프라이머 간의 Tm보다 높고, 상기 형성된 헤어핀 구조가 상기 결찰 프라이머와 표적 핵산의 Tm보다 높은 Tm 값을 갖는 것을 특징으로 하는 표적 핵산의 검출방법.
(a) mixing a primary primer with a target target nucleic acid by mixing Au nanoshells having a diameter of 10-1000 nm with a primary primer fixed thereon;
(b) mixing the secondary primer having SERS active dye and ligase in the mixture obtained in step (a) and incubating to form an isothermal ligation reaction and a hairpin structure; And
(c) detecting the hairpin structure formed on the Au nanoshell by measuring the product obtained in step (b) with SERS
Including,
The sequences of the ligation primers in which the primary and secondary primers are ligated are complementary to the sequence of the target nucleic acid, and have a sequence that forms a hairpin structure after the primary and secondary primers are ligated, primary and secondary Method of detecting a target nucleic acid, characterized in that the ligation temperature of the primer is higher than the Tm between the primary primer and the secondary primer, and the formed hairpin structure has a Tm value higher than the Tm of the ligation primer and the target nucleic acid.
제9항에 있어서, 단계(b)의 상기 인큐베이션이 30분에서 1시간 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 표적 핵산의 검출방법.The method of claim 9, wherein the incubation of step (b) is performed for 30 minutes to 1 hour 30 minutes.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090298197A1 (en) 2005-11-15 2009-12-03 Oxonica Materials Inc. Sers-based methods for detection of bioagents
US20130157885A1 (en) 2011-11-17 2013-06-20 Rheonix, Inc. System and methods for selective molecular analysis
US20160076086A1 (en) 2013-03-22 2016-03-17 Duke University Nano-plasmonic molecular probes and methods of use
KR101769239B1 (en) 2016-03-03 2017-08-30 연세대학교 산학협력단 A molecular beacon with reverse-hairpin type and method for detecting target materials by using the same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AR031640A1 (en) 2000-12-08 2003-09-24 Applied Research Systems ISOTHERMAL AMPLIFICATION OF NUCLEIC ACIDS IN A SOLID SUPPORT
WO2011156434A2 (en) 2010-06-07 2011-12-15 Firefly Bioworks, Inc. Nucleic acid detection and quantification by post-hybridization labeling and universal encoding
KR101752274B1 (en) 2014-06-13 2017-06-29 서울대학교산학협력단 Primer set for high sensitive real-time multiplex loop-mediated isothermal amplification reaction for determining type of shiga toxin genes stx1 and stx2 of Enterohemorrhagic Escherichia coli, and method for determining type of shiga toxin genes of Enterohemorrhagic Escherichia coli using the same
KR101802386B1 (en) * 2015-12-11 2017-11-30 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단 A nanoparticle for surface-enhanced resonance scattering, a method for preparing the same, and use thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090298197A1 (en) 2005-11-15 2009-12-03 Oxonica Materials Inc. Sers-based methods for detection of bioagents
US20130157885A1 (en) 2011-11-17 2013-06-20 Rheonix, Inc. System and methods for selective molecular analysis
US20160076086A1 (en) 2013-03-22 2016-03-17 Duke University Nano-plasmonic molecular probes and methods of use
KR101769239B1 (en) 2016-03-03 2017-08-30 연세대학교 산학협력단 A molecular beacon with reverse-hairpin type and method for detecting target materials by using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anal Bioanal Chem. 408(7):1773-81 (2016.03.)*
Analyst. 141(23):6381-6386 (2016.11.14.)*

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