KR102430546B1 - Single molecule array including nano trench structures for imaging - Google Patents

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Abstract

나노 트렌치 구조를 포함하는 이미징용 단일 분자 어레이에 관한 것으로, 일 양상에 따른 이미징용 단일 분자 어레이, 이의 제조방법, 단일 분자와 분석 단백질의 상호작용 분석 방법 및 단백질 맵핑 방법에 의하면, 세척이 용이하고 여러번 재사용하여도 결과에 영향을 미치지 않아 경제적이며 단일 분자의 손상없이 오랜시간동안 이미징이 가능한 효과가 있다. It relates to a single molecule array for imaging including a nanotrench structure, and according to an aspect of the single molecule array for imaging, a method for manufacturing the same, a method for analyzing the interaction of a single molecule with an analyte protein, and a protein mapping method, it is easy to wash and It is economical as it does not affect the result even if reused several times, and it has the effect of being able to image for a long time without damaging a single molecule.

Description

나노 트렌치 구조를 포함하는 이미징용 단일 분자 어레이 {Single molecule array including nano trench structures for imaging}Single molecule array including nano trench structures for imaging

나노 트렌치 구조를 포함하는 이미징용 단일 분자 어레이에 관한 것이다.It relates to a single-molecule array for imaging including nano-trench structures.

바이오칩은 생물에서 유래한 효소, 단백질, 항체, DNA, 미생물, 동식물 세포 및 기관, 신경세포 및 기관, 신경세포 등과 같은 생체 유기물과 반도체나 유리 같은 무기물을 조합하여 기존의 반도체칩 형태로 만든 혼성소자(Hybrid device)이다. 생체분자의 고유한 기능을 활용하고 생체의 기능을 모방함으로써 감염성 질병을 진단하거나 유전자를 분석하고 새로운 정보처리용 신기능 소자의 역할을 하는 특징이 있다.A biochip is a hybrid device made in the form of a conventional semiconductor chip by combining biological organic materials such as enzymes, proteins, antibodies, DNA, microorganisms, animal and plant cells and organs, nerve cells and organs, and nerve cells derived from living things and inorganic materials such as semiconductors or glass. (Hybrid device). By utilizing the unique functions of biomolecules and mimicking the functions of living things, it has the characteristics of diagnosing infectious diseases or analyzing genes and serving as new functional devices for new information processing.

바이오칩의 종류에 대해서는 생물분자와 시스템화된 정도에 따라 DNA칩, RNA칩, 단백질 칩, 세포칩, 뉴런칩 등으로 구분될 수 있으며, 시료의 전처리, 생화학 반응, 검출, 자료 해석까지 소형 집적화되어 자동분석기능을 갖는 실험실칩(Lab on a chip)과 같은 각종 생화학물질의 검출 및 분석 기능을 할 수 있는 '바이오센서'를 포함하여 광범위하게 정의될 수 있다.Biochips can be classified into DNA chips, RNA chips, protein chips, cell chips, and neuron chips depending on the biomolecules and the degree of systematization. It can be broadly defined including a 'biosensor' capable of detecting and analyzing various biochemicals, such as a lab on a chip having an analysis function.

바이오칩의 감도와 처리량을 높이기 위해서, 최근 단일 분자 기술을 통합하려는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 단일 분자 분광법의 발전으로 분자의 구조적 역학 및 물리적 특성을 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 단일 분자를 이용한 연구에 관심에 높아지면서 단일 분자를 고정하고 조작할 수 있는 기술 또한 빠르게 발전되었다. 그 기술 중 하나는 한쪽 끝만 고정시키고 DNA를 길게 펴는 새로운 방법으로 2008년 미국 콜로비아 대학의 Greene 교수 연구팀에 의해 개발된 DNA 커튼이라는 방법이 있다. 이 방법에서는 지질층에 아비딘과 한쪽 끝이 비오틴으로 표지된 DNA를 넣어주어 지질 이중층 표면 위를 아비딘이 결합된 DNA가 흐를 수 있게 하였다. 그리고 표면에 크롬층을 만들어 주고 일정한 방향으로 흐름을 발생시킴으로써 DNA 분자들의 길게 펴지도록 하였고 그 DNA 위에서 단백질 결합하는 위치를 분석할 수 있었다. 그러나 이렇게 크롬을 사용하는 것은 비싸고 노동력이 많이 들어, 주로 재사용을 하게 되는데 세척이 깨끗하게 되지 않아 다음 실험 결과에 영향을 미칠 수 있는 단점이 있다. 또한, DNA 염색에 쓰이는 YOYO-1은 광표백 방지제가 있는 경우에도 연속 레이저 조도 하에서 빠른 광표백을 일으키고 DNA의 절단을 유도할 수 있는 단점이 있다.In order to increase the sensitivity and throughput of biochips, recent attempts have been made to integrate single-molecule technology. These advances in single-molecule spectroscopy have made it possible to accurately measure the structural dynamics and physical properties of molecules. As interest in research using single molecules has increased, techniques for fixing and manipulating single molecules have also been rapidly developed. One of those techniques is a method called DNA curtain developed by Professor Greene's research team at Columbia University in the United States in 2008 as a new method of stretching DNA by fixing only one end. In this method, avidin-bound DNA was allowed to flow over the surface of the lipid bilayer by adding avidin and biotin-labeled DNA to the lipid layer. And by creating a chromium layer on the surface and generating a flow in a certain direction, the DNA molecules were stretched out and the protein binding position on the DNA could be analyzed. However, using chrome like this is expensive and labor intensive, so it is mainly reused, but there is a disadvantage that it is not clean and can affect the results of the next experiment. In addition, YOYO-1 used for DNA staining has a disadvantage in that it can cause rapid photobleaching under continuous laser illumination and induce DNA cleavage even in the presence of a photobleaching inhibitor.

이에 본 발명자들은 본 발명을 완성하여 이러한 문제점들을 해결하였다.Accordingly, the present inventors have solved these problems by completing the present invention.

일 양상은 고체 지지체 상에, 에칭된 직선 또는 비직선 나노 장벽, 지방 이중층 및 상기 지방 이중층에 링커에 의해 결합되어 있는 하나 이상의 단일 분자를 포함하는, 이미징용 단일 분자 어레이를 제공하는 것이다.One aspect is to provide a single molecule array for imaging comprising, on a solid support, an etched straight or non-straight nanobarrier, a fat bilayer, and one or more single molecules bound to the fat bilayer by a linker.

다른 양상은 고체 지지체 상에 직선 또는 비직선 나노 장벽을 에칭하는 단계; 상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계; 상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계; 유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 및 상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 이미징용 단일 분자 어레이 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect includes etching a straight or non-straight nano-barrier on a solid support; forming a fat bilayer on the solid support; attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker; elongating the single molecule on the fat bilayer under the flow of a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof; and binding a fluorescent protein to the single molecule.

또 다른 양상은 고체 지지체 상에 직선 또는 비직선 나노 장벽을 에칭하는 단계; 상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계; 상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계; 유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계; 및 상기 단일 분자에 분석하고자 하는 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 단일 분자와 분석 단백질의 상호작용 분석 방법을 제공하는 것이다.Another aspect is a method comprising: etching a straight or non-straight nano-barrier on a solid support; forming a fat bilayer on the solid support; attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker; elongating the single molecule on the fat bilayer under the flow of a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof; binding a fluorescent protein to the single molecule; and binding the protein to be analyzed to the single molecule, to provide a method for analyzing the interaction between a single molecule and an analyte protein.

또 다른 양상은 고체 지지체 상에 직선 또는 비직선 나노 장벽을 에칭하는 단계; 상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계; 상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계; 유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계; 및 상기 단일 분자에 분석하고자 하는 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 단백질 결합 부위 맵핑 방법을 제공하는 것이다.Another aspect is a method comprising: etching a straight or non-straight nano-barrier on a solid support; forming a fat bilayer on the solid support; attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker; elongating the single molecule on the fat bilayer under the flow of a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof; binding a fluorescent protein to the single molecule; And to provide a protein binding site mapping method comprising the step of binding the protein to be analyzed to the single molecule.

일 양상은 고체 지지체 상에, 에칭된 직선 또는 비직선 나노 장벽, 지방 이중층 및 상기 지방 이중층에 링커에 의해 결합되어 있는 하나 이상의 단일 분자를 포함하는, 이미징용 단일 분자 어레이를 제공한다.One aspect provides a single molecule array for imaging comprising, on a solid support, an etched straight or non-straight nanobarrier, a fat bilayer, and one or more single molecules bound to the fat bilayer by a linker.

본 명세서에서 용어 "어레이"는 하나 이상의 단일 분자가 지지체 상에 규칙적인 배열로 부착되어 있는 것을 의미하는 것일 수 있다. As used herein, the term “array” may mean that one or more single molecules are attached to a support in a regular arrangement.

상기 고체 지지체는 예를 들면 실리카 (silica), 용융 실리카 (fused silica), 석영, 붕규산 유리, 기능성 유리, 폴리디메틸실록산, 랭뮤어 블로젯막 (Langmure-Blodgett film), Si, Ge, GaAs, GaP, SiO2, SiN4, 실리콘, 개질 실리콘, 또는 고분자 (예를 들면 (폴리)테트라플루오로에틸렌, (폴리)비닐리덴디플루오르화물, 폴리스티렌, 또는 폴리카보네이트)로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 상기 고체 지지체는 예를 들면 원형, 정사각형, 사각형, 또는 삼각형일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 고체 지지체는 용융 실리카로 이루어진 것이고, 형광 현미경에 이용되는 슬라이드일 수 있다.The solid support is, for example, silica, fused silica, quartz, borosilicate glass, functional glass, polydimethylsiloxane, Langmure-Blodgett film, Si, Ge, GaAs, GaP, SiO 2 , SiN 4 , silicone, modified silicone, or a polymer (eg, (poly)tetrafluoroethylene, (poly)vinylidenedifluoride, polystyrene, or polycarbonate). Also, the solid support may be, for example, circular, square, square, or triangular. In one embodiment, the solid support is made of fused silica, and may be a slide used in a fluorescence microscope.

일 구체예에 있어서, 상기 고체 지지체는 예를 들어, 플로우셀 (flow cell)을 형성하는 것일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 어레이을 포함하는 미세유체 플로우셀 일 수 있다. 상기 고체 지지체는 두개 이상의 개구부, 예를 들어, 하나 이상의 유입구와 하나 이상의 배출구를 추가적으로 포함할 수 있다. 유입구와 배출구는 이어져 있으며, 상기 고체 지지체와 이의 경계에서 접착식으로 부착되는 커버, 예를 들어, 유리 커버슬립과 같은 글래스 커버가 부착되어 상기 고체 지지체와 커버사이에 챔버를 만드는 플로우셀일 수 있다. 본 발명에 따라 완충액이 유입구에 주입되어 지질 이중층 상의 단일 분자를 신장시키고 배출구로 배출될 수 있다. 상기 플로우셀은 추가적으로 중간 지역, 두갈래로 분기된 나노채널, 병렬 채널의 적어도 하나의 쌍, 적어도 하나의 구멍 또는 이의 조합을 포함한다. In one embodiment, the solid support may be, for example, to form a flow cell (flow cell). For example, it may be a microfluidic flow cell comprising an array of the present invention. The solid support may further comprise two or more openings, eg, one or more inlets and one or more outlets. The inlet and outlet are continuous, and the solid support and a cover adhesively attached at the boundary thereof, for example, a glass cover such as a glass coverslip, may be attached to a flow cell to create a chamber between the solid support and the cover. According to the present invention, a buffer can be injected into the inlet to elongate single molecules on the lipid bilayer and discharged to the outlet. The flow cell further includes an intermediate region, bifurcated nanochannels, at least one pair of parallel channels, at least one aperture, or a combination thereof.

상기 에칭된 직선 또는 비직선 나노 장벽은 지질 확산을 방지하는 것일 수 있다. 상기 에칭은 고체 지지체 상에 음각을 형성하는 것을 의미할 수 있고, 일 구체예에 있어서, 전자 빔 리소그래피 또는 포토 리소그래피 기법을 포함하여 건식 에칭 (dry etching)에 의해 에칭된 것일 수 있다. 상기 건식에칭은 반응성 이온 에칭 (RIE: Reactive Ion Etching) 또는 유도결합플라즈마 (ICP: Inductively Coupled Plasma) 에칭에 의한 것일 수 있다. 또한 본 발명에 있어서 에칭은 다른 물리적으로 압력을 가해 에칭하는 것이 아니어서 균일하게 에칭되는 것일 수 있다. 또한, 크롬 (Cr)과 같은 금속으로 이루어진 장벽이 아니기 때문에 강한 조건으로 세척해도 부식되지 않고, 깨끗하게 세척 가능하여 여러 번 재사용해도 결과에 영향을 미치지 않을 수 있다. 상기 직선 또는 비직선 나노 장벽은 다양한 길이의 깊이 및 폭을 가지는 것일 수 있다. 예를 들어 깊이는 100 nm 내지 5 ㎛일 수 있고, 폭은 50 nm 내지 1 ㎛일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 장벽의 패턴은 반복적 삼각형의 파형으로 톱니 모양의 장벽을 형성할 수 있다. 상기 장벽은 비직선이고 기하학적인 장벽의 정점을 연결함으로써 나노웰을 형성하고, 나노웰은 핵산의 출입을 위한 나노 기공을 포함할 수 있다. The etched straight or non-straight nano-barrier may prevent lipid diffusion. The etching may mean forming an intaglio on a solid support, and in one embodiment, may be etched by dry etching including electron beam lithography or photolithography. The dry etching may be performed by reactive ion etching (RIE) or inductively coupled plasma (ICP) etching. In addition, in the present invention, the etching may be uniformly etched because the etching is not performed by applying another physical pressure. In addition, since it is not a barrier made of a metal such as chromium (Cr), it does not corrode even if washed under strong conditions, and it can be washed cleanly, so even if it is reused several times, the result may not be affected. The straight or non-linear nano-barriers may have various lengths and depths and widths. For example, the depth may be 100 nm to 5 μm, and the width may be 50 nm to 1 μm. In one embodiment, the barrier pattern may form a jagged barrier with a repeating triangular waveform. The barrier is non-linear and forms a nanowell by connecting the vertices of the geometric barrier, and the nanowell may include nanopores for entry and exit of nucleic acids.

일 구체예에 있어서, 상기 단일 분자는 핵산 분자일 수 있고, 예를 들어, 단일 가닥 DNA, 이중 가닥 DNA 또는 RNA 일 수 있다. 핵산 분자는 약 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 50000, 100000, 200000 또는 이보다 많은 수의 뉴클레오티드로 이루어져 있을 수 있다. 상기 고체 지지체 상에 부착될 수 있는 핵산 분자의 수는 상기 고체 지지체의 사이즈 및 어레이의 디자인에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 약 50, 100, 250, 500, 1000, 2000, 5000 또는 이보다 많은 수의 핵산 분자가 부착될 수 있다.In one embodiment, the single molecule may be a nucleic acid molecule, for example, single-stranded DNA, double-stranded DNA or RNA. A nucleic acid molecule may consist of about 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 50000, 100000, 200000 or more nucleotides. The number of nucleic acid molecules that can be attached to the solid support may be determined by the size of the solid support and the design of the array. For example, about 50, 100, 250, 500, 1000, 2000, 5000 or more nucleic acid molecules may be attached.

일 구체예에 있어서, 상기 링커는 하나 이상의 단백질을 포함하는 것일 수 있다. 상기 링커는 지질 이중층에 부착되는 것으로, 상기 링커는 비오틴-스트렙타비딘을 포함하는 것일 수 있다. 스트렙타비딘은 지질 머리에 결합되고, 비오틴은 단일 분자에 결합되어 비오틴-스트렙타비딘 결합에 의해 지질 이중층에 부착되는 것일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 하나 이상의 단일 분자는 각각 별개의 링커에 의해 지방 이중층에 결합되어 있는 것일 수 있다. 예를 들어, 각 단일 분자 하나 당 하나의 링커를 갖는 것일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 단일 분자의 일 말단이 링커에 의해 결합되는 것일 수 있고, 상기 단일 분자는 유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합을 통해 직선 또는 비직선이고 기하학적인 장벽을 따라 정렬되는 것일 수 있다. 또한, 일 구체예에 있어서, 상기 단일 분자는 유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 적용되는 방향에 따라 바람직한 방향으로 위치될 수 있고, 상기 유체 역학 힘은 완충액의 주입으로 인한 것일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 단일 분자의 일 말단이 장벽을 따라 정렬되어 부착되고, 유체 역학 힘 등의 흐름 방향에 따라 이중층 상에서 단일 분자의 비부착 말단이 신장되는 것일 수 있다. In one embodiment, the linker may include one or more proteins. The linker is attached to the lipid bilayer, and the linker may include biotin-streptavidin. Streptavidin may be bound to a lipid head, and biotin may be bound to a single molecule and attached to a lipid bilayer by a biotin-streptavidin bond. In one embodiment, the one or more single molecules may be bound to the fat bilayer by separate linkers. For example, it may have one linker per each single molecule. In one embodiment, one end of a single molecule may be bound by a linker, and the single molecule may be straight or non-linear and aligned along a geometric barrier through hydrodynamic force, electrophoretic force, or a combination thereof. can Also, in one embodiment, the single molecule may be positioned in a desired direction depending on the direction in which a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof is applied, and the hydrodynamic force may be due to injection of a buffer solution. In one embodiment, one end of the single molecule is aligned and attached along the barrier, and the non-adherent end of the single molecule is extended on the bilayer according to a flow direction such as a hydrodynamic force.

일 구체예에 있어서, 상기 단일 분자에 형광 단백질이 결합하는 것일 수 있다. 본 발명에서 개별 단일 분자를 시각화하기 위하여 형광 단백질을 결합하는 것일 수 있다. 상기 형광 단백질은 녹색 형광 단백질(green fluorescent protein; GFP), 변형된 녹색 형광 단백질(modified green fluorescent protein; mGFP), 증강된 녹색 형광 단백질(enhanced green fluorescent protein; EGFP), 적색 형광 단백질(red fluorescent protein; RFP), 변형된 적색 형광 단백질(modified red fluorescent protein; mRFP), 청색 형광 단백질(Blue Fluorescent Protein; BFP), 증강된 청색 형광 단백질(Enhanced Blue Fluorescent Protein; EBFP), 황색 형광 단백질(Yellow Fluorescent Protein; YFP), 증강된 황색 형광 단백질(Enhanced Yellow Fluorescent Protein; EYFP), 시안 형광 단백질(Cyan Fluorescent Protein; CFP), 시안 녹색 형광 단백질 (Cyan Green Fluorescent Protein; CGFP), 증강된 시안 형광 단백질(Enhanced Cyan Fluorescent Protein; ECFP), AzG(Azami Green), HcR(Heteractis crispa red fluorescent protein; HcRed),또는 디스코소마 적색 형광 단백질(Discosoma red fluorescent protein; DsRed) 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 형광 단백질에는 단일 분자에 결합할 수 있는 모티프가 결합되어 있을 수 있다. 일 구체예에 있어서, 핵산 분자에 결합할 수 있는 모티프가 형광 단백질에 결합되어 있는 것일 수 있으며, 상기 모티프는 펩티드일 수 있다. 상기 펩티드를 구성하는 아미노산 서열은 핵산 분자에 결합할 수 있는 서열을 포함하며 5 내지 20개의 아미노산으로 이루어져 있을 수 있고, 핵산 분자에 결합할 수 있는 서열이라면 구체적인 서열에 한정되지 않고 다양할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 의하면, EGFP의 N-말단이나 C-말단에 N-KWKWKKA-C 또는 N-AKKWKWK-C로 구성된 아미노산 서열을 가지거나 이들의 조합을 가질 수 있으며, DNA에 강하게 붙는 다른 아미노산 서열도 포함할 수 있다. 또한, 상기 형광 단백질은 단일 분자를 절단하는 것이 아닐 수 있으며, 퀀텀닷 (quantum dot)으로 추가로 표지될 수 있다.In one embodiment, a fluorescent protein may be bound to the single molecule. In the present invention, it may be to bind a fluorescent protein to visualize individual single molecules. The fluorescent protein is a green fluorescent protein (GFP), a modified green fluorescent protein (mGFP), an enhanced green fluorescent protein (EGFP), a red fluorescent protein (red fluorescent protein) ; RFP), modified red fluorescent protein (mRFP), blue fluorescent protein (BFP), enhanced blue fluorescent protein (EBFP), yellow fluorescent protein (Yellow Fluorescent Protein) ; YFP), Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP), Cyan Fluorescent Protein (CFP), Cyan Green Fluorescent Protein (CGFP), Enhanced Cyan Fluorescent Protein (Cyan) Fluorescent Protein (ECFP), Azami Green (AzG), Heteractis crispa red fluorescent protein (HcRed), or Discosoma red fluorescent protein (DsRed), but is not limited thereto. In addition, a motif capable of binding to a single molecule may be bound to the fluorescent protein. In one embodiment, a motif capable of binding to a nucleic acid molecule may be bound to a fluorescent protein, and the motif may be a peptide. The amino acid sequence constituting the peptide includes a sequence capable of binding to a nucleic acid molecule and may consist of 5 to 20 amino acids, and as long as it is a sequence capable of binding to a nucleic acid molecule, it may vary without being limited to a specific sequence. According to one embodiment of the present invention, EGFP has an amino acid sequence consisting of N-KWKWKKA-C or N-AKKWKWK-C at the N-terminus or C-terminus of EGFP, or may have a combination thereof, It may also include an amino acid sequence. In addition, the fluorescent protein may not cleave a single molecule, and may be further labeled with a quantum dot.

다른 양상은 고체 지지체 상에 직선 또는 비직선 나노 장벽을 에칭하는 단계; 상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계; 상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계; 완충액 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 및 상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 이미징용 단일 분자 어레이 제조방법을 제공한다.Another aspect includes etching a straight or non-straight nano-barrier on a solid support; forming a fat bilayer on the solid support; attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker; elongating the single molecule on the fat bilayer with buffer flow; and binding a fluorescent protein to the single molecule.

또 다른 양상은 고체 지지체 상에 직선 또는 비직선 나노 장벽을 에칭하는 단계; 상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계; 상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계; 완충액 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계; 및 상기 단일 분자에 분석하고자 하는 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 단일 분자와 분석 단백질의 상호작용 분석 방법을 제공한다.Another aspect is a method comprising: etching a straight or non-straight nano-barrier on a solid support; forming a fat bilayer on the solid support; attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker; elongating the single molecule on the fat bilayer with buffer flow; binding a fluorescent protein to the single molecule; and binding the protein to be analyzed to the single molecule.

고체 지지체 상에 직선 또는 비직선 나노 장벽을 에칭하는 단계; 상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계; 상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계; 완충액 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계; 및 상기 단일 분자에 분석하고자 하는 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 단백질 결합 부위 맵핑 방법을 제공한다.etching a straight or non-straight nano-barrier on a solid support; forming a fat bilayer on the solid support; attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker; elongating the single molecule on the fat bilayer with buffer flow; binding a fluorescent protein to the single molecule; And it provides a protein binding site mapping method comprising the step of binding the protein to be analyzed to the single molecule.

상기 단백질 결합 부위 맵핑 방법은 본 발명에 있어서 단일 분자에 결합하는 단백질이 단일 분자에서 어느 위치에 결합하는지, 어느 위치에서 상호작용하는지를 분석하여 나타내는 것을 의미하는 것일 수 있다. The method for mapping the protein binding site may mean indicating by analyzing at which position in the single molecule the protein binding to a single molecule binds and at which position it interacts in the present invention.

상기 발명에 대해 기술한 용어 및 방법 등은 각 발명들 간에 동일하게 적용된다. The terms and methods described for the above invention are equally applied between the respective inventions.

일 양상에 따른 이미징용 단일 분자 어레이, 이의 제조방법, 단일 분자와 분석 단백질의 상호작용 분석 방법 및 단백질 맵핑 방법에 의하면, 세척이 용이하고 여러번 재사용하여도 결과에 영향을 미치지 않아 경제적이며 단일 분자의 손상없이 오랜시간동안 이미징이 가능한 효과가 있다. According to the single molecule array for imaging, the manufacturing method thereof, the single molecule-analyzed protein interaction analysis method, and the protein mapping method according to an aspect, it is easy to wash and does not affect the result even if it is reused several times. Imaging is possible for a long time without damage.

도 1A는 크롬 장벽이 사용되는 경우의 모식도와 이를 사용한 경우의 TIRFM 이미지를 나타낸 것이고; 도 1B는 크롬 장벽을 사용하는 경우, 세척 후 장벽이 분열된 것을 나타낸 이미지(위), 세척 후 이를 이용하여 실험한 경우 단백질이 뭉쳐져 있는 것을 나타낸 488 nm 에서의 TIRFM 이미지(중간), 및 세척 후 이를 이용하여 실험한 경우의 레이저 산란을 나타낸 이미지이며(아래), 각 이미지의 왼쪽에 있는 화살표는 장벽의 위치를 나타내고; 및 도 1C는 YOYO-1을 사용한 경우, 연속 레이저 조도 하에서 YOYO-1에 의한 DNA 분자의 광절단을 나타낸 이미지이다.
도 2A는 나노 트렌치 장벽을 제조하는 과정을 도식화한 그림이고; 도 2B는 생성된 나노 트렌치 패턴을 나타낸 그림(위) 및 나노 트렌치 장벽의 광학 현미경 이미지(아래)이며; 및 도 2C는 나노 트렌치의 수직 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3A는 나노 트렌치 장벽을 사용한 경우, 488 nm에서의 TIRFM 이미지(위) 및 637 nm에서의 TIRFM 이미지이고; 도 3B는 크롬 장벽 또는 나노 트렌치 장벽을 사용한 경우 레이저 산란을 정량적으로 비교한 그래프이며, 오차 막대는 4 회 반복하여 표준 편차를 나타낸 것이고; 도 3C는 크롬 장벽 또는 나노 트렌치 장벽을 사용한 경우 형광 백그라운드를 정량적으로 비교한 그래프이며, 오차 막대는 4 회 반복하여 표준 편차를 나타낸 것이고; 도 3D는 크롬 장벽의 세척 전후의 표면 상태를 나타낸 이미지이며; 및 도 3E는 나노 트렌치 장벽의 세척 전후의 표면 상태를 나타낸 이미지이다.
도 4A는 나노 트렌치 장벽을 사용한 DNA 커튼을 도식화한 그림이고; 도 4B는 DNA 결합 모티프와 형광 단백질로 이루어진 FP-DBP 구조를 나타낸 그림이며; 도 4C는 각각 완충액이 흐를때와 흐르지 않을 때의 FP-DBP로 염색된 DNA 커튼을 나타낸 TIRFM 이미지이고; 도 4D는 유속에 따른 DNA 신장을 나타낸 TIRFM 이미지 및 유리 FP-DBP가 있는 경우와 없는 경우의 DNA 상대 신장 대 유속을 나타낸 그래프이며; 도 4E는 연속 조도하의 FP-DBP로 염색된 DNA 분자의 TIRFM 이미지이고; 도 4F는 FP-DBP 또는 YOYO-1으로 염색한 경우의 DNA 커튼의 광표백 곡선을 나타낸 그래프이며; 및 도 4G는 pH 변화에 따른 FP-DBP의 키모그래프를 나타낸 이미지이다.
도 5A는 퀀텀닷과 결합된 EcoRIE111Q가 DNA 분자에 결합되어 있는 것을 도식화한 그림이고; 도 5B는 FP-DBP로 염색된 DNA 분자의 TIRFM 이미지(위), 퀀텀닷이 태깅된 EcoRIE111Q을 나타낸 형광성 반점 이미지(중간) 및 DNA와 EcoRIE111Q 이미지를 겹친 이미지(아래)이며; 도 5C는 EcoRIE111Q이 결합되어 있는 단일 DNA 분자의 키모그래프를 나타낸 이미지이고; 및 도 5D는 λ-DNA에 결합되 어 있는 EcoRIE111Q의 결합 부위를 나타낸 히스토그램이다.
1A shows a schematic diagram when a chromium barrier is used and a TIRFM image when it is used; Figure 1B is an image showing the cleavage of the barrier after washing (top) when using a chromium barrier, a TIRFM image at 488 nm showing aggregation of proteins when tested using it after washing (middle), and after washing Images showing laser scattering when tested using this (bottom), and the arrows on the left of each image indicate the location of the barrier; and FIG. 1C is an image showing photocleavage of DNA molecules by YOYO-1 under continuous laser illumination when YOYO-1 is used.
Figure 2A is a schematic diagram of the manufacturing process of the nano-trench barrier; Figure 2B is a figure showing the resulting nano-trench pattern (top) and an optical microscopy image (bottom) of the nano-trench barrier; and FIG. 2C is an SEM image showing a vertical cross-section of the nanotrench.
3A is a TIRFM image at 488 nm (top) and a TIRFM image at 637 nm when using a nano-trench barrier; 3B is a graph quantitatively comparing laser scattering when a chromium barrier or a nano-trench barrier is used, and the error bars represent the standard deviation after 4 repetitions; Figure 3C is a graph quantitatively comparing the fluorescence background when a chromium barrier or a nano-trench barrier is used, and the error bars represent the standard deviation after 4 repetitions; 3D is an image showing the surface condition before and after cleaning of the chromium barrier; and FIG. 3E is an image showing the surface state before and after cleaning of the nano-trench barrier.
Figure 4A is a schematic diagram of a DNA curtain using a nano-trench barrier; Figure 4B is a diagram showing the structure of the FP-DBP consisting of a DNA binding motif and a fluorescent protein; 4C is a TIRFM image showing a DNA curtain stained with FP-DBP with and without buffer flow, respectively; 4D is a TIRFM image showing DNA elongation as a function of flow rate and a graph showing DNA relative elongation versus flow rate with and without free FP-DBP; 4E is a TIRFM image of DNA molecules stained with FP-DBP under continuous illumination; Figure 4F is a graph showing the photobleaching curve of the DNA curtain when stained with FP-DBP or YOYO-1; and FIG. 4G is an image showing the chymograph of FP-DBP according to pH change.
Figure 5A is a diagram schematically showing that EcoRI E111Q bound to quantum dots is bound to a DNA molecule; 5B is a TIRFM image of DNA molecules stained with FP-DBP (top), a fluorescent speckle image showing a quantum dot-tagged EcoRI E111Q (middle), and an image of DNA and EcoRI E111Q superimposed (bottom); Figure 5C is an image showing the chymograph of a single DNA molecule to which EcoRI E111Q is bound; and FIG. 5D is a histogram showing the binding site of EcoRI E111Q bound to λ-DNA.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1. 나노 트렌치 제조Example 1. Nano Trench Fabrication

나노 트렌치는 도 2a에서 나타낸 바와 같이 용융 실리카 슬라이드에서 제작되었다 (도 2A). 두 개의 구멍이 있는 슬라이드를 피라나 용액 (30 % H2O2와 농축 96 % H2SO4의 3 : 1 혼합물)으로 세척하고 탈이온수로 헹구었다. 250 nm 두께의 알루미늄 층 (Al)을 10 mTorr의 아르곤 가스를 이용하여 DC 스퍼터 (SRN-120, Sorona)에 의해 증착시킨 후, 310 nm 두께의 950 K PMMA 층 (4 %, AR-P 671.04, Allresist GmbH)을 4000 rpm에서 1 분 동안 스핀코팅시켰다(도 2a, 단계 1). PMMA 층을 핫플레이트상에서 180 ℃에서 3 분 동안 굳혔다. 톱니 패턴은 80kV에서 0.724nA 전류로 EBL (NB3, Nanobeam Ltd.)에 의해 그려졌다 (도 2a, 단계 2). e-빔에 노출된 PMMA 영역을 현상액 (1 : 3 비율의 MIBK (메틸 이소부틸 케톤) 및 이소프로판올)에서 2 분 동안 제거하고 이소프로판올로 헹구었다 (도 2a, 단계 3). PMMA 및 Al 층은 Cl2 및 BCl2 가스의 혼합물을 사용하여 ICP-RIE (FabStar, Top Technology Ltd.)에 의해 에칭되었다 (도 2a, 단계 4). 이어서, SF4, CF4 및 O2의 가스 혼합물로 추가의 ICP-RIE 에칭에 의해 나노-트렌치가 형성되었다 (도 2a, 단계 5). Al 부식액 AZ-MIF300에 10 분 동안 침지시켜 나머지 Al 층을 제거하였다 (도 2a, 단계 6). 이어서, 잔류 Al을 피라나 용액에 10 분 동안 침지시켜 완전히 제거하여 최종적으로 나노 트렌치 구조를 제조하였다.Nano trenches were fabricated in fused silica slides as shown in Fig. 2a (Fig. 2A). Slides with two holes were washed with Pirana solution (3:1 mixture of 30% H 2 O 2 and concentrated 96% H 2 SO 4 ) and rinsed with deionized water. A 250 nm thick aluminum layer (Al) was deposited by DC sputtering (SRN-120, Sorona) using 10 mTorr of argon gas, followed by a 310 nm thick 950 K PMMA layer (4%, AR-P 671.04, Allresist GmbH) at 4000 rpm for 1 min (Fig. 2a, step 1). The PMMA layer was cured on a hotplate at 180 °C for 3 minutes. The sawtooth pattern was drawn by EBL (NB3, Nanobeam Ltd.) with a current of 0.724 nA at 80 kV (Fig. 2a, step 2). The PMMA area exposed to the e-beam was removed in developer (MIBK (methyl isobutyl ketone) and isopropanol in a 1:3 ratio) for 2 min and rinsed with isopropanol (Fig. 2a, step 3). The PMMA and Al layers were etched by ICP-RIE (FabStar, Top Technology Ltd.) using a mixture of Cl 2 and BCl 2 gases (Fig. 2a, step 4). Nano-trenches were then formed by further ICP-RIE etching with a gas mixture of SF 4 , CF 4 and O 2 ( FIG. 2a , step 5 ). The remaining Al layer was removed by immersion in Al etchant AZ-MIF300 for 10 minutes (Fig. 2a, step 6). Then, the residual Al was completely removed by immersion in the pirana solution for 10 minutes to finally prepare a nano-trench structure.

그 결과, 수동 스크래치와 달리, EBL 및 RIE를 사용하여 제작된 나노 트렌치는 균일하게 조각되었다 (도 2B). 각 나노-트렌치는 톱니 패턴을 가지고 있어 지질 이중층 내에서 DNA 분자의 측면 확산을 방지할 수 있다. 또한 수직 단면에 대한 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지 (도 2C)를 보면 폭은 약 350 nm였으며, 1.38 μm 깊이의 매우 예리한 절벽을 보여, 나노-트렌치가 지질 분자의 확산에 효과적인 장벽을 제공할 수 있음을 나타낸다.As a result, unlike manual scratching, the nanotrenches fabricated using EBL and RIE were uniformly engraved (Fig. 2B). Each nano-trench has a sawtooth pattern to prevent lateral diffusion of DNA molecules within the lipid bilayer. Also, scanning electron microscopy (SEM) images of vertical sections (Fig. 2C) show a very sharp cliff with a width of about 350 nm and a depth of 1.38 μm, suggesting that the nano-trench can provide an effective barrier to the diffusion of lipid molecules. indicates that there is

도 2A는 나노 트렌치 장벽을 제조하는 과정을 도식화한 그림이고; 도 2B는 생성된 나노 트렌치 패턴을 나타낸 그림(위) 및 나노 트렌치 장벽의 광학 현미경 이미지(아래)이며; 및 도 2C는 나노 트렌치의 수직 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.Figure 2A is a schematic diagram of the manufacturing process of the nano-trench barrier; Figure 2B is a figure showing the resulting nano-trench pattern (top) and an optical microscopy image (bottom) of the nano-trench barrier; and FIG. 2C is an SEM image showing a vertical cross-section of the nanotrench.

실시예 2. DNA 준비Example 2. DNA Preparation

DNA 커튼 실험을 위해, 4 nM 람다 파지 (λ) DNA (NEB)를 200 ㎕의 T4 DNA 리가아제 반응 용액에서 100 배 과량의 올리고머와 혼합하였다. 올리고머는 비오틴화된 L-COS (5'-포스페이트-GGG CGG CGA CCT-비오틴-3') 및 R-COS (5'-포스페이트-AGG TCG CCG CCC-3')이며, 둘 다 Bioneer (한국)에 의해 합성되었다. 혼합물을 히팅 블록 (heat block)상에서 65 ℃로 가열한 다음, 23 ℃로 천천히 냉각시켰다. 1㎕의 T4 DNA 리가아제 (2 U/㎕, NEB)를 첨가한 후, 23 ℃에서 밤새 결찰을 진행시켰다. 65 ℃에서 열-불활성화 후, 리가아제 및 과량의 올리고머를 S-400 마이크로-스핀 컬럼 (Illusta MicroSpinTM S-400, GE Healthcare)으로 제거하여 최종적으로 DNA 커튼 실험을 하기 위한 DNA를 준비하였다.For DNA curtain experiments, 4 nM lambda phage (λ) DNA (NEB) was mixed with 100-fold excess of oligomers in 200 μl of T4 DNA ligase reaction solution. The oligomers are biotinylated L-COS (5'-phosphate-GGG CGG CGA CCT-biotin-3') and R-COS (5'-phosphate-AGG TCG CCG CCC-3'), both of which are Biooneer (Korea). was synthesized by The mixture was heated to 65 °C on a heat block and then slowly cooled to 23 °C. After addition of 1 μl of T4 DNA ligase (2 U/μl, NEB), ligation was performed at 23° C. overnight. After heat-inactivation at 65° C., ligase and excess oligomers were removed with an S-400 micro-spin column (Illusta MicroSpin™ S-400, GE Healthcare) to finally prepare DNA for DNA curtain experiment.

실시예 3. FP-DBP (Fluorescent Protein-DNA Binding Peptide)의 정제 Example 3. Purification of FP-DBP (Fluorescent Protein-DNA Binding Peptide)

DNA의 형광 표지를 위한 FP-DBP를 정제하였다. 본 실시예에 사용된 FP-DBP는 EGFP(enhanced green fluorescence protein)에 DNA 백본에 결합할 수 있는 펩티드를 결합시킨 것으로, 도 4B에 나타낸 바와 같이, EGFP의 N-말단에는 N-KWKWKKA-C, C-말단에는 N-AKKWKWK-C의 아미노산 서열을 갖는 것이다. N-말단 3xFLAG-태그 및 C-말단 10xHis를 갖는 FP-DBP 구축물을 pET15b 플라스미드에서 구축한 다음, 이.콜라이 균주 BL21 (DE3)에 형질 전환시켰다. 37 ℃에서 카베니실린이 보충된 1 L LB 브로쓰에서 세포를 성장시켰다. OD600이 약 0.8에 도달하면, 1 mM 이소프로필-β-D-티오갈락토시드로 FP-DBP의 발현을 유도하고, 16 ℃에서 밤새 추가로 발현시켰다. 세포를 수집하고, 펠렛화하고, 용해 완충제 (50 mM 인산 나트륨 [8.0], 300 mM NaCl 및 10 mM 이미다졸)에 재현탁시켰다. 모든 후속 정제 공정은 4 ℃에서 수행되었다. 세포를 초음파 처리하여 용해시킨 다음, 정화된 용해물을 중력 흐름 하에서 10 ml 컬럼의 Talon 수지 (GE Healthcare) 상에 로딩하였다. 컬럼을 80 ml 세척 완충액 (50 mM 인산 나트륨 [8.0], 300 mM NaCl 및 20 mM 이미다졸)으로 세척한 다음, 용리 완충액 (50 mM 인산 나트륨 [8.0], 300 mM NaCl 및 250 mM 이미다졸)으로 용리시켰다. FP-DBP를 포함하는 분획을 모으고, 1xTE (10mM Tris-HCl [8.0] 및 1mM EDTA)로 희석하여 100mM NaCl을 제공하고, 완충액 A (20 mM Tris-HCl [8.0], 100 mM NaCl, 1 mM EDTA 및 1 mM DTT)로 평형화시킨 (equilibrate) 1ml 헤파린 컬럼 (HiTrap Heparin HP, GE Healthcare)에 로딩하였다. 이어서, 컬럼을 10 ml의 95 % 완충액 A/5 % 완충액 B로 세척하고, 여기서 완충액 B는 20 mM Tris-HCl [8.0], 1 M NaCl, 1 mM EDTA 및 1 mM DTT를 포함하였다. 단백질을 90 % 완충액 A/10 % 완충액 B에서 100 % 완충액 B 로의 구배로 용리시키고, FP-DBP를 포함하는 분획을 모았다. 글리세롤을 50 %의 최종 농도로 첨가하고, 최종 정제된 단백질 스톡을 액체 N2에 스냅-냉동시키고 사용할 때까지 -80 ℃에서 저장하였다.FP-DBP for fluorescent labeling of DNA was purified. FP-DBP used in this Example is a peptide capable of binding to the DNA backbone to EGFP (enhanced green fluorescence protein), and as shown in FIG. 4B, the N-terminus of EGFP is N-KWKWKKA-C, It has an amino acid sequence of N-AKKWKWK-C at the C-terminus. An FP-DBP construct with an N-terminal 3xFLAG-tag and C-terminal 10xHis was constructed from the pET15b plasmid and then transformed into E. coli strain BL21 (DE3). Cells were grown in 1 L LB broth supplemented with carbenicillin at 37°C. When the OD 600 reached about 0.8, expression of FP-DBP was induced with 1 mM isopropyl-β-D-thiogalactoside and further expressed at 16°C overnight. Cells were collected, pelleted and resuspended in lysis buffer (50 mM sodium phosphate [8.0], 300 mM NaCl and 10 mM imidazole). All subsequent purification processes were performed at 4 °C. Cells were lysed by sonication and then the clarified lysate was loaded onto a 10 ml column of Talon resin (GE Healthcare) under gravity flow. The column was washed with 80 ml wash buffer (50 mM sodium phosphate [8.0], 300 mM NaCl and 20 mM imidazole) followed by elution buffer (50 mM sodium phosphate [8.0], 300 mM NaCl and 250 mM imidazole). eluted. Fractions containing FP-DBP were pooled and diluted with 1xTE (10 mM Tris-HCl [8.0] and 1 mM EDTA) to give 100 mM NaCl, and buffer A (20 mM Tris-HCl [8.0], 100 mM NaCl, 1 mM) EDTA and 1 mM DTT) and loaded onto a 1 ml heparin column (HiTrap Heparin HP, GE Healthcare). The column was then washed with 10 ml of 95% Buffer A/5% Buffer B, where Buffer B comprised 20 mM Tris-HCl [8.0], 1 M NaCl, 1 mM EDTA and 1 mM DTT. Proteins were eluted with a gradient of 90% Buffer A/10% Buffer B to 100% Buffer B and fractions containing FP-DBP were pooled. Glycerol was added to a final concentration of 50% and the final purified protein stock was snap-frozen in liquid N 2 and stored at −80° C. until use.

실시예 4. EcoRIExample 4. EcoRI E111QE111Q 의 정제purification of

단백질-DNA 상호 작용을 확인하기 위하여 EcoRI의 촉매적으로 불활성인 E111Q 돌연변이체인 EcoRIE111Q를 정제하였다.In order to confirm the protein-DNA interaction, EcoRI E111Q , a catalytically inactive E111Q mutant of EcoRI, was purified.

C-말단 인테인 (intein)을 갖는 N-말단 3xFLAG-태그된 EcoRIE111Q는 이.콜라이 균주 BL21 (DE3)에서 발현되었다. 카베니실린이 보충된 2 L의 LB 배지에서 OD600 ~0.6으로 성장시킨 후, 1 mM IPTG로 단백질 발현을 유도하고, 단백질을 16 ℃에서 밤새 발현시켰다. 세포 용해 후, 정화된 용해물을 중력 흐름하에 5 ml 컬럼의 키틴 수지 (S6651L, NEB)에 통과시켰다. 컬럼을 20 ml의 세척 완충액 (20 mM Tris-HCl [8.5], 500 mM NaCl 및 1 mM EDTA)으로 세척하였다. 컬럼에 결합하면서, 인테인을 세척 완충액에서 밤새 50 mM DTT로 절단하였다. 마지막으로, EcoRIE111Q를 키틴 용리 완충액 (40 mM Tris-HCl [7.5], 300 mM NaCl, 10 mM 2-머캅토에탄올, 0.1 mM EDTA, 50 % 글리세롤 및 0.15 % 트리톤 X-100)에서 용리시켰다. 최종 정제된 단백질 스톡을 액체 N2에 급속 냉동시키고, 사용할 때까지 -80 ℃에서 저장하였다.N-terminal 3xFLAG-tagged EcoRI E111Q with a C-terminal intein was expressed in E. coli strain BL21 (DE3). After growth to an OD of 600-0.6 in 2 L of LB medium supplemented with carbenicillin, protein expression was induced with 1 mM IPTG, and the protein was expressed overnight at 16°C. After cell lysis, the clarified lysate was passed through a 5 ml column of chitin resin (S6651L, NEB) under gravity flow. The column was washed with 20 ml of wash buffer (20 mM Tris-HCl [8.5], 500 mM NaCl and 1 mM EDTA). While binding to the column, the intein was cleaved with 50 mM DTT overnight in wash buffer. Finally, EcoRI E111Q was eluted in chitin elution buffer (40 mM Tris-HCl [7.5], 300 mM NaCl, 10 mM 2-mercaptoethanol, 0.1 mM EDTA, 50% glycerol and 0.15% Triton X-100). The final purified protein stock was flash frozen in liquid N 2 and stored at -80 °C until use.

실험예 1. 나노 트렌치의 광학 특성 및 재사용 가능성 분석Experimental Example 1. Analysis of Optical Characteristics and Reusability of Nano Trench

나노 트렌치 슬라이드의 광학 특성이 DNA 커튼에 사용하기에 적합한지 테스트하였다. The optical properties of the nano-trench slides were tested to be suitable for use in DNA curtains.

구체적으로, 프리즘형 전 내부 반사 형광 현미경 (TIRFM)은 역 형광 현미경 (Nikon Eclipse Ti-2)으로 제작되었고, 488 nm, 532 nm, 561 nm 또는 637 nm에서의 형광 여기를 위해 고체 레이저 (200mW, OBIS, Coherent Laser)를 사용하였다. 레이저 빔은 용융 실리카 슬라이드와 완충액 사이의 경계에 소멸 장이 존재하여 전 내부 반사를 유도하기 위해 맞춤형 도브 프리즘 (dove prism)을 통해 임계 각도 이상의 각도로 입사했다. 레이저 여기를 차단하기 위해 적절한 long-pass 필터를 사용하여 60x 수침 대물 렌즈 (CFI Plan Apo VC 60XWI, Nikon)로 형광 신호를 수집했다. EM-CCD 카메라 (iXon 897, Andor Technology)를 사용하여 형광을 이미지화했다. 데이터는 NIS-Element 소프트웨어 (Nikon)를 사용하여 수집되었다.Specifically, a prismatic total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) was fabricated with an inverted fluorescence microscope (Nikon Eclipse Ti-2) and a solid-state laser (200 mW; OBIS, Coherent Laser) was used. The laser beam was incident at an angle above the critical angle through a custom dove prism to induce total internal reflection due to the presence of an evanescent field at the boundary between the fused silica slide and the buffer. Fluorescence signals were collected with a 60x water immersion objective (CFI Plan Apo VC 60XWI, Nikon) using an appropriate long-pass filter to block laser excitation. Fluorescence was imaged using an EM-CCD camera (iXon 897, Andor Technology). Data were collected using NIS-Element software (Nikon).

그 결과 동일한 조도 조건에서, Cr 나노 배리어와 비교하여 나노 트렌치에서 훨씬 적은 레이저 산란이 나타났다 (도 3A 및 도 1B 비교). 양적으로, 나노 트렌치는 488 nm와 637 nm의 여기 파장에서 산란을 크게 줄였으며, 532 nm 또는 561 nm에서 나노 트렌치와 Cr 장벽 사이에는 큰 차이가 없었다 (도 3B). 또한, 637 nm 여기 하에서, Cr 장벽과 비교하여 나노-트렌치 슬라이드에 대해 자가 형광이 매우 억제되었다 (도 3C). 이러한 결과는 나노 트렌치의 광학 특성이 Cr 또는 수동 스크래치 장벽보다 DNA 커튼의 형광 이미징에 더 적합함을 나타낸다.As a result, under the same illuminance condition, much less laser scattering was observed in the nano-trench compared to the Cr nano-barrier (compare FIGS. 3A and 1B). Quantitatively, the nanotrench significantly reduced scattering at excitation wavelengths of 488 nm and 637 nm, and there was no significant difference between the nanotrench and the Cr barrier at 532 nm or 561 nm (Fig. 3B). Also, under 637 nm excitation, autofluorescence was highly suppressed for the nano-trench slides compared to the Cr barrier (Fig. 3C). These results indicate that the optical properties of nanotrenches are more suitable for fluorescence imaging of DNA curtains than Cr or passive scratch barriers.

표면 불순물 제거가 재사용에 중요하므로 패턴화된 슬라이드를 세척한 후 표면 청결도를 테스트하였다. Cr 장벽은 초음파 처리, 가열 및/또는 강한 용매 또는 산과 같은 거친 시약에 의해 쉽게 분해되기 때문에 가볍게 세척해야 한다. 따라서, 2% Hellmanex III에 밤새 둔 후, 99% 에탄올에 밤새 둔 다음, 1M 수산화 나트륨에 30 분간 두어 연속적으로 세척하였다. 각 단계 사이에 탈이온수로 헹구었다. 그 결과, 이러한 세척은 불순물의 제거가 불완전하다는 것을 나타냈다 (도 3D). Surface cleanliness was tested after washing the patterned slides because removal of surface impurities is important for reuse. Cr barriers should be cleaned lightly as they are easily degraded by sonication, heating and/or harsh reagents such as strong solvents or acids. Therefore, after overnight in 2% Hellmanex III, then in 99% ethanol overnight, and then in 1M sodium hydroxide for 30 minutes to wash successively. Rinse with deionized water between each step. As a result, this washing indicated that the removal of impurities was incomplete (Fig. 3D).

대조적으로, 슬라이드 상에 에칭된 나노 트렌치는 용융 실리카에 허용되는 임의의 화학 시약에 대해 상당히 강건했다. 따라서 나노 트렌치 세척은 상기 Cr 장벽의 세척에 비해 아세톤 및 강한 산화 피라나 용액으로 더 처리하였다. 구체적으로, 나노 트렌치 슬라이드를 세척하기 위해, 아세톤에 30분간 두고, 2% Hellmanex III에 하루 둔 다음, 피라나 용액 (3 : 1 비율의 농축된 96% H2SO4 : 30% H2O2)에 40분간 두고, 99% 에탄올에 밤새 둔 다음 1M 수산화 나트륨에 30분간 두어 연속적으로 세척하였다. 각 단계 사이에 탈이온수로 헹구었다. 또한, 피라나 처리를 제외하고, 이들 세척 단계는 초음파 처리로 수행되었다. 그 결과, 이러한 강한 세척 과정으로 잔류물이 완전히 제거되어 깨끗한 슬라이드 표면을 나타냈다 (도 3E). 이러한 결과는 나노 트렌치가 Cr 장벽에 비해 재사용에 더 적합함을 나타낸다. In contrast, the nano trenches etched onto the slides were fairly robust against any chemical reagents acceptable to fused silica. Therefore, nano-trench cleaning was further treated with acetone and strong oxidized pirana solution compared to the cleaning of the Cr barrier. Specifically, to wash the nano-trench slides, they were placed in acetone for 30 minutes, placed in 2% Hellmanex III for one day, and then pirana solution (concentrated 96% H 2 SO 4 in a 3: 1 ratio: 30% H 2 O 2 ) ) for 40 minutes, placed in 99% ethanol overnight, and then placed in 1M sodium hydroxide for 30 minutes, followed by continuous washing. Rinse with deionized water between each step. Also, with the exception of pirana treatment, these washing steps were performed by sonication. As a result, the residue was completely removed by this strong washing process, resulting in a clean slide surface (Fig. 3E). These results indicate that nanotrenches are more suitable for reuse compared to Cr barriers.

도 1A는 크롬 장벽이 사용되는 경우의 모식도와 이를 사용한 경우의 TIRFM 이미지를 나타낸 것이고; 도 1B는 크롬 장벽을 사용하는 경우, 세척 후 장벽이 분열된 것을 나타낸 이미지(위), 세척 후 이를 이용하여 실험한 경우 단백질이 뭉쳐져 있는 것을 나타낸 488 nm 에서의 TIRFM 이미지(중간), 및 세척 후 이를 이용하여 실험한 경우의 레이저 산란을 나타낸 이미지이며(아래), 각 이미지의 왼쪽에 있는 화살표는 장벽의 위치를 나타낸다. 1A shows a schematic diagram when a chromium barrier is used and a TIRFM image when it is used; Figure 1B is an image showing the cleavage of the barrier after washing (top) when using a chromium barrier, a TIRFM image at 488 nm showing aggregation of proteins when tested using it after washing (middle), and after washing It is an image showing laser scattering in the case of an experiment using this (bottom), and the arrow on the left of each image indicates the position of the barrier.

도 3A는 나노 트렌치 장벽을 사용한 경우, 488 nm에서의 TIRFM 이미지(위) 및 637 nm에서의 TIRFM 이미지이고; 도 3B는 크롬 장벽 또는 나노 트렌치 장벽을 사용한 경우 레이저 산란을 정량적으로 비교한 그래프이며, 오차 막대는 4 회 반복하여 표준 편차를 나타낸 것이고; 도 3C는 크롬 장벽 또는 나노 트렌치 장벽을 사용한 경우 형광 백그라운드를 정량적으로 비교한 그래프이며, 오차 막대는 4 회 반복하여 표준 편차를 나타낸 것이고; 도 3D는 크롬 장벽의 세척 전후의 표면 상태를 나타낸 이미지이며; 및 도 3E는 나노 트렌치 장벽의 세척 전후의 표면 상태를 나타낸 이미지이다.3A is a TIRFM image at 488 nm (top) and a TIRFM image at 637 nm when using a nano-trench barrier; 3B is a graph quantitatively comparing laser scattering when a chromium barrier or a nano-trench barrier is used, and the error bars represent the standard deviation after 4 repetitions; Figure 3C is a graph quantitatively comparing the fluorescence background when a chromium barrier or a nano-trench barrier is used, and the error bars represent the standard deviation after 4 repetitions; 3D is an image showing the surface condition before and after cleaning of the chromium barrier; and FIG. 3E is an image showing the surface state before and after cleaning of the nano-trench barrier.

실험예 2. 나노 트렌치 구조가 형성된 슬라이드 상에서의 FP-DBP로 염색된 DNA 분자의 DNA 신장 분석Experimental Example 2. DNA elongation analysis of DNA molecules stained with FP-DBP on a slide on which a nanotrench structure is formed

나노 트렌치 슬라이드를 사용하여 형성된 DNA 커튼의 성능을 테스트하였다 (도 4A). DNA 분자를 형광 염색하기 위해 FP-DBP를 적용했다 (도 4B). The performance of the DNA curtain formed using nano-trench slides was tested (Fig. 4A). FP-DBP was applied to fluorescently stain DNA molecules (Fig. 4B).

구체적으로, DNA 커튼을 준비하기 위해 플로우셀은 양면 테이프를 사용하여 나노 트렌치 슬라이드를 커버슬립 (coverslip)에 접착하여 만들어졌으며, 이는 또한 마이크로채널을 형성하기 위한 스페이서 (spacer)이기도 하다. 플로우셀을 주사기 펌프 및 6-방향 주입 밸브로 구성된 유체 시스템에 연결하기 위해, 나노포트 (IDEX)를 구멍에 부착하였다. Specifically, to prepare a DNA curtain, a flow cell was made by attaching a nano-trench slide to a coverslip using double-sided tape, which is also a spacer to form a microchannel. To connect the flow cell to a fluid system consisting of a syringe pump and a 6-way infusion valve, a nanoport (IDEX) was attached to the orifice.

마이크로채널을 탈이온수 및 지질 완충제 (20 mM Tris-HCl [8.0] 및 100 mM NaCl)로 헹구었다. 리포좀은 DOPC (1,2-디올레오일-sn-글리세로-포스포콜린), 0.5 % 비오틴화된-DPPE (1,2-디팔미토일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민-N-(캡 비오티닐)) 및 8 % mPEG 2000-DOPE (1,2-디올레오일-sn-글리세로-3-포스포에탄올아민-N-[메톡시(폴리에틸렌 글리콜)-2000])로 구성되었고, 모두 Avanti-Polar Lipids에서 구입하였다. 지질 이중층을 형성하기 위해, 리포좀을 20 분 인큐베이션하여 마이크로채널 표면에 침착시킨 후, 유리 리포좀을 지질 완충액으로 세척하였다. 이어서, 임의의 나머지 코팅되지 않은 표면을 BSA 완충액 (40 mM Tris-HCl [8.0], 50 mM NaCl, 2 mM MgCl2 및 0.4 % BSA)의 주입에 의해 부동태화시켰다. 이어서 여기에 BSA 완충액 중 0.025 mg/ml 스트렙타비딘을 주입하였다. 10 분간 인큐베이션 한 후, 비결합 스트렙타비딘을 BSA 완충액으로 세척하고, 한쪽 말단에 비오틴으로 태그된 λ-DNA 분자를 비오틴-스트렙타비딘 연결을 통해 비오틴화된 지질에 고정시켰다. 이어서 플로우셀을 유체 시스템에 연결하고 TIRFM에 놓은 다음 형광을 이미지화했다.The microchannels were rinsed with deionized water and lipid buffer (20 mM Tris-HCl [8.0] and 100 mM NaCl). Liposomes contain DOPC (1,2-dioleoyl-sn-glycero-phosphocholine), 0.5% biotinylated-DPPE (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine- N-(cap biotinyl)) and 8% mPEG 2000-DOPE (1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000]) , and all were purchased from Avanti-Polar Lipids. To form a lipid bilayer, the liposomes were deposited on the microchannel surface by incubation for 20 minutes, and then the free liposomes were washed with a lipid buffer. Any remaining uncoated surface was then passivated by injection of BSA buffer (40 mM Tris-HCl [8.0], 50 mM NaCl, 2 mM MgCl 2 and 0.4% BSA). Then, 0.025 mg/ml streptavidin in BSA buffer was injected. After incubation for 10 minutes, unbound streptavidin was washed with BSA buffer, and λ-DNA molecules tagged with biotin at one end were immobilized on biotinylated lipids via biotin-streptavidin linkages. The flow cell was then connected to the fluidic system, placed in a TIRFM, and fluorescence was imaged.

그 결과, 항-표백제 없이 1xTE (pH7.5) 중 0.1 nM FP-DBP의 존재하에, λ-DNA 분자는 잘 염색되었고, 유동 완충액에서 말단 결합된 DNA 분자는 신장되었지만 흐름이 중단되면 소멸 장에서 되감겼다 (도 4C). DNA의 역학적 성질이 FP-DBP의 결합에 의해 변경되는지 여부를 결정하기 위해, 0.1 nM FP-DBP의 존재 여부에 따라 DNA의 상대적 신장 (<x>/L) 대 유속을 측정하였다 (도 4D). DNA 신장에 대해, 장벽의 중심으로부터 각 DNA 분자의 끝까지 DNA 길이를 측정하였고, 유속의 함수로서 DNA 신장은 지속 길이를 유일한 파라미터로 사용하여 다음과 같은 지렁이 체인 모델 (worm-like chain model)에 의해 피팅되었다: F=kBT/P(1/4(1-<x>/L)2-1/4+<x>/L). 상기 F는 흐름으로 인한 유체 역학적 힘, <x>는 DNA 신장, L은 λ-DNA의 윤곽 길이 (contour length), kB는 볼츠만 상수, T는 절대 온도, P는 DNA 지속 길이이며, kBT의 값은 실온에서 4.1 pN nm이다. As a result, in the presence of 0.1 nM FP-DBP in 1xTE (pH7.5) without anti-bleaching agent, λ-DNA molecules stained well, and end-bound DNA molecules in flow buffer were elongated but in the evanescent field when flow was stopped. was rewound (Fig. 4C). To determine whether the kinetic properties of DNA are altered by binding of FP-DBP, relative elongation (<x>/ L ) versus flow rate of DNA was measured in the presence or absence of 0.1 nM FP-DBP (Fig. 4D) . For DNA elongation, the DNA length was measured from the center of the barrier to the end of each DNA molecule, and DNA elongation as a function of flow rate was determined by the following worm-like chain model, using the duration length as the only parameter. Fitted: F=k B T/P(1/4(1-<x>/ L ) 2 -1/4+<x>/ L ). where F is the hydrodynamic force due to flow, <x> is the DNA elongation, L is the contour length of λ-DNA, k B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, P is the DNA duration, k B The value of T is 4.1 pN nm at room temperature.

0.1 nM FP-DBP의 존재하에, 유일한 피팅 파라미터인 P는 187 nm 였으며, FP-DBP가 존재하지 않는 경우는 53 nm로 나타났다. 이와 같이 FP-DBP가 존재하는 경우, P 값은 네이키드 DNA 값 (~ 50 nm)의 약 3.7 배이다. 이러한 결과는, 유리 FP-DBP의 존재 하에서, 유속의 증가는 더 많은 FP-DBP가 결합할 수 있도록 DNA를 더 길게 신장시킴을 나타낸다. 또한, FP-DBP의 DNA-결합 모티프에서 트립토판 잔기의 방향족 고리는 DNA 염기 사이에 삽입되어, 결과적으로 FP-DBP의 결합은 DNA를 더욱 단단하게 하여 지속 길이를 증가시키는 것을 나타낸다.In the presence of 0.1 nM FP-DBP, the only fitting parameter, P, was 187 nm, and 53 nm in the absence of FP-DBP. As such, when FP-DBP is present, the P value is about 3.7 times that of the naked DNA value (~50 nm). These results indicate that, in the presence of free FP-DBP, the increase in flow rate elongates the DNA longer so that more FP-DBP can bind. In addition, in the DNA-binding motif of FP-DBP, an aromatic ring of tryptophan residues is inserted between DNA bases, indicating that as a result, binding of FP-DBP makes the DNA more rigid and increases the persistence length.

도 4A는 나노 트렌치 장벽을 사용한 DNA 커튼을 도식화한 그림이고; 도 4B는 DNA 결합 모티프와 형광 단백질로 이루어진 FP-DBP 구조를 나타낸 그림이며; 도 4C는 각각 완충액이 흐를때와 흐르지 않을 때의 FP-DBP로 염색된 DNA 커튼을 나타낸 TIRFM 이미지이고; 도 4D는 유속에 따른 DNA 신장을 나타낸 TIRFM 이미지 및 유리 FP-DBP가 있는 경우와 없는 경우의 DNA 상대 신장 대 유속을 나타낸 그래프이다.Figure 4A is a schematic diagram of a DNA curtain using a nano-trench barrier; Figure 4B is a diagram showing the structure of the FP-DBP consisting of a DNA binding motif and a fluorescent protein; 4C is a TIRFM image showing a DNA curtain stained with FP-DBP with and without buffer flow, respectively; FIG. 4D is a TIRFM image showing DNA elongation according to flow rate and a graph showing DNA relative elongation versus flow rate with and without free FP-DBP.

실험예 3. FP-DBP와 YOYO-1의 광화학적 특성 비교 분석Experimental Example 3. Comparative analysis of photochemical properties of FP-DBP and YOYO-1

동일한 농도 (0.1 nM)에서 FP-DBP의 광화학적 특성과 YOYO-1의 광화학적 특성을 비교하였다. The photochemical properties of FP-DBP and YOYO-1 were compared at the same concentration (0.1 nM).

구체적으로, 상기 실험예 2와 같이 DNA 커튼을 준비하고 연속적인 완충액 흐름 하에서, λ-DNA 분자는 나노-트렌치에서 멈출 때까지 흐름 방향으로 지질 이중층을 따라 이동하였으며, 여기서 비오틴화된 말단은 이중층에 부착된 상태로 유지되고, DNA 분자는 유동 용액에서 신장되었다. 이미징 완충액 (0.1 mg/ml BSA 및 1 mM DTT를 포함하는 1xTE [7.5])에서 DNA 분자를 0.1 nM YOYO-1 또는 0.1 nM FP-DBP로 염색하였다. YOYO-1 염색에서, YOYO-1-유도된 광표백을 억제하기 위해 산소 스캐빈저 시스템 (1.6 % D-글루코오스 및 0.5x 글록시)을 포함시켰다. 이미지는 10 Hz의 프레임 속도로 기록되었다. 광표백을 측정하기 위해, 형광 신호가 거의 검출되지 않을 때까지 연속 레이저 조도 (488 nm, 6.7 W/mm2)에서 이미지를 수집했다. 장벽 및 자가 형광에서 레이저 산란을 정량화하기 위해, 장벽 및 장벽 근처의 슬라이드 표면에서의 형광 강도를 각각 측정하였다. ImageJ에서, 장벽 또는 슬라이드 표면은 고정된 박스에 의해 가두어진 후 박스 내의 평균 형광 강도가 얻어졌다. 광표백을 측정하기 위해, 우리는 ImageJ를 사용하여 단일 DNA에서 형광 신호가 완전히 선택되도록, 고정된 박스 안에 개별 DNA 분자를 가두었다. 이어서, 박스 내의 평균 형광 강도를 추출하고, 실제 형광 강도를 얻기 위해 전체 백그라운드 강도를 뺐다. 광표백 곡선에서, 10 개의 DNA 분자의 평균 실제 강도는 시간의 함수로서 플롯팅되었다. 광표백 곡선은 단일 지수 감쇠 함수에 의해 피팅되었다. Specifically, as in Experimental Example 2, a DNA curtain was prepared and under continuous buffer flow, λ-DNA molecules moved along the lipid bilayer in the flow direction until it stopped in the nano-trench, where the biotinylated end was in the bilayer. Retained attached, the DNA molecules were stretched in flowing solution. DNA molecules were stained with 0.1 nM YOYO-1 or 0.1 nM FP-DBP in imaging buffer (1xTE [7.5] with 0.1 mg/ml BSA and 1 mM DTT). In YOYO-1 staining, an oxygen scavenger system (1.6% D-glucose and 0.5x gloxy) was included to inhibit YOYO-1-induced photobleaching. Images were recorded at a frame rate of 10 Hz. To measure photobleaching, images were collected at continuous laser illumination (488 nm, 6.7 W/mm 2 ) until little fluorescence signal was detected. To quantify laser scattering in the barrier and autofluorescence, the fluorescence intensity at the barrier and the slide surface near the barrier, respectively, was measured. In ImageJ, the barrier or slide surface was confined by a fixed box and then the average fluorescence intensity within the box was obtained. To measure photobleaching, we used ImageJ to trap individual DNA molecules inside fixed boxes so that the fluorescence signal was completely selected from a single DNA. Then, the average fluorescence intensity within the box was extracted and the total background intensity was subtracted to obtain the actual fluorescence intensity. In the photobleaching curve, the average true intensity of 10 DNA molecules was plotted as a function of time. The photobleaching curve was fitted by a single exponential decay function.

그 결과, YOYO-1은 처음 80 초 내에 많은 DNA 분자를 절단하여 심각하게 파손시켰으며, 160 초에는 거의 모든 DNA 분자가 절단되었다 (도 1C). 대조적으로, FP-DBP로 염색되었을 때 연속 레이저 조도 하에서 커튼에서의 DNA 밀도는 감소되지 않았으며, 이는 FP-DBP가 광 활성화된 경우에도 DNA를 절단하지 않음을 나타낸다 (도 4E).As a result, YOYO-1 severely damaged many DNA molecules within the first 80 seconds, and almost all DNA molecules were cleaved at 160 seconds (Fig. 1C). In contrast, DNA density in the curtain was not reduced under continuous laser illumination when stained with FP-DBP, indicating that FP-DBP did not cleave DNA even when photoactivated (Fig. 4E).

또한, FP-DBP가 광표백되어 형광의 점진적인 감소로 나타남을 관찰했다. 연속 레이저 조도 하에서 FP-DBP 및 YOYO-1의 상대적인 광표백을 측정했다. 이 비교를 위해, YOYO-1에 의한 DNA 광 절단 때문에, 손상되지 않은 DNA 분자만이 비교에 포함되었다. 동일한 조도 조건에서, FP-DBP는 YOYO-1보다 훨씬 느리게 광표백되었다 (도 4F). FP-DBP (τ_FP-DBP)의 측정된 광표백 시간은 42.4 초로 4.3 초인 YOYO-1 (τ_YOYO-1) 보다 10 배 길었다 (도 4F). 일반적으로, 형광단 부분이 단백질 내부에 매장될 때 형광 단백질은 더 긴 형광 수명을 갖는다. 따라서 이러한 결과는 FP-DBP가 YOYO-1보다 DNA 커튼에 DNA 분자의 형광 이미징에 대한 더 효과가 좋은 광화학 특성을 가지고, 더 오랜 시간 동안 DNA를 관찰할 수 있게 함을 나타낸다.It was also observed that FP-DBP was photobleached, resulting in a gradual decrease in fluorescence. The relative photobleaching of FP-DBP and YOYO-1 was measured under continuous laser illumination. For this comparison, only intact DNA molecules were included in the comparison because of DNA photocleavage by YOYO-1. Under the same illuminance conditions, FP-DBP photobleached much slower than YOYO-1 (Fig. 4F). The measured photobleaching time of FP-DBP (τ_FP-DBP) was 42.4 seconds, which was 10 times longer than that of YOYO-1 (τ_YOYO-1), which was 4.3 seconds (Fig. 4F). In general, a fluorescent protein has a longer fluorescence lifetime when the fluorophore moiety is embedded inside the protein. Therefore, these results indicate that FP-DBP has better photochemical properties for fluorescence imaging of DNA molecules on the DNA curtain than YOYO-1, and enables DNA observation for a longer period of time.

도 1C는 YOYO-1을 사용한 경우, 연속 레이저 조도 하에서 YOYO-1에 의한 DNA 분자의 광절단을 나타낸 이미지이다.1C is an image showing photocleavage of DNA molecules by YOYO-1 under continuous laser illumination when YOYO-1 is used.

도 4E는 연속 조도하의 FP-DBP로 염색된 DNA 분자의 TIRFM 이미지이고; 도 4F는 FP-DBP 또는 YOYO-1으로 염색한 경우의 DNA 커튼의 광표백 곡선을 나타낸 그래프이다.4E is a TIRFM image of DNA molecules stained with FP-DBP under continuous illumination; 4F is a graph showing the photobleaching curve of the DNA curtain when stained with FP-DBP or YOYO-1.

실험예 4. DNA로부터 FP-DBP의 제거 용이성 분석Experimental Example 4. Analysis of Ease of Removal of FP-DBP from DNA

YOYO-1은 DNA에 삽입되어 단백질-DNA 상호 작용을 방해하고, 염 농도가 높더라도 DNA에서 YOYO-1을 제거하기가 어렵다. 이와 달리 본 발명에서 DNA로부터 FP-DBP를 쉽게 제거할 수 있는지 테스트하였다.YOYO-1 is inserted into DNA and interferes with protein-DNA interactions, and even at high salt concentrations, it is difficult to remove YOYO-1 from DNA. In contrast, in the present invention, it was tested whether FP-DBP can be easily removed from DNA.

구체적으로, 먼저 DNA 분자를 이미징 완충액에서 0.1 nM FP-DBP로 염색하였다. 그런 다음 형광이 사라질 때까지 FP-DBP 없이 기본 완충액 (0.1 mg/ml BSA 및 1mM DTT를 포함하는 1xTE [11.0])만 주입한 다음, 완충액을 0.1nM FP-DBP과 이미징 완충액 (pH 7.5)으로 다시 교환했다. Specifically, DNA molecules were first stained with 0.1 nM FP-DBP in imaging buffer. Then, only basal buffer (1xTE [11.0] with 0.1 mg/ml BSA and 1 mM DTT) without FP-DBP was injected until the fluorescence disappeared, then the buffer was added with 0.1 nM FP-DBP and imaging buffer (pH 7.5). exchanged again.

그 결과, FP-DBP를 포함하지 않은 높은 pH 완충액 (1xTE [11.0])이 유입됨에 따라 형광이 일시적으로 증가한 다음 점차 감소했다 (도 4G). 형광 증가는 용액이 염기성이 됨에 따라 eGFP의 고유 형광이 증가한다는 사실에 기인하고, 이는 DNA가 없는 상태에서 발생하는 백그라운드 형광에서 비슷한 일시적인 pH 의존적 증가로 나타난다 (도 4G). 높은 pH에서 형광의 점진적인 소실은 DNA로부터 FP-DBP의 해리로 인한 것이고, 그 후, pH 7.5에서 FP-DBP의 재주입은 FP-DBP와 DNA의 재결합시 형광의 회복을 가져왔으며, 이는 pH 교환에 의해 DNA에 대한 결합의 가역성을 나타낸다 (도 4G). 이러한 결과는 FP-DBP가 높은 pH에 의해 DNA로부터 제거될 수 있음을 나타낸다.As a result, as a high pH buffer (1xTE [11.0]) without FP-DBP was introduced, the fluorescence temporarily increased and then gradually decreased (Fig. 4G). The increase in fluorescence is due to the fact that the intrinsic fluorescence of eGFP increases as the solution becomes basic, which appears as a similar transient pH-dependent increase in background fluorescence that occurs in the absence of DNA (Fig. 4G). The gradual loss of fluorescence at high pH was due to the dissociation of FP-DBP from DNA, and then reinjection of FP-DBP at pH 7.5 resulted in the recovery of fluorescence upon recombination of FP-DBP with DNA, which was responsible for the pH exchange. shows the reversibility of binding to DNA ( FIG. 4G ). These results indicate that FP-DBP can be removed from DNA by high pH.

도 4G는 pH 변화에 따른 FP-DBP의 키모그래프를 나타낸 이미지이다.4G is an image showing the chymograph of FP-DBP according to pH change.

실험예 5. 나노 트렌치로 형성된 DNA 커튼을 이용한, 형광 표지된 단백질의 DNA 결합 부위 맵핑 분석Experimental Example 5. Analysis of DNA binding site mapping of fluorescently labeled proteins using a DNA curtain formed of nano trenches

나노 트렌치에서 형성된 DNA 커튼이 단백질-DNA 상호 작용을 조사하는데 적용될 수 있는지를 테스트했다.We tested whether the DNA curtain formed in the nanotrench could be applied to investigate protein-DNA interactions.

이를 위해, 상기 실시예 4에서 나타낸 바와 같이 촉매적으로 불활성이지만 동족 서열 (Kd ~ fM)에 대한 매우 높은 친화도 결합을 유지하는 EcoRIE111Q를 정제하였다.To this end, EcoRI E111Q , which is catalytically inactive as shown in Example 4, but retains very high affinity binding to its cognate sequence (K d ~ fM), was purified.

그 다음 구체적으로, 퀀텀닷 (Qdot)에 항-FLAG 항체 (Q10161 MP, Invitrogen)를 태그시켰다. 3xFLAG-태깅된 EcoRIE111Q를 1:10 몰비로 Qdot와 접합시켜 하나의 Qdot가 최대 하나의 EcoRIE111Q를 갖도록 하였다. FP-DBP를 고 pH 용액으로 DNA로부터 세척하였다. QDot-표지된 EcoRIE111Q의 1 nM 용액을 EcoRI 완충액 (40 mM Tris-HCl [8.0], 100 mM NaCl, 2 mM MgCl2, 1.6 % 글루코오스 및 1 mM DTT)에서 DNA 커튼에 주입하였다 (도 5A). 플로우셀에서 15 분 동안 인큐베이션 한 후, 결합되지 않은 EcoRIE111Q를 세척하고 DNA에 결합된 표지된 EcoRIE111Q 분자를 관찰하였다. 그런 다음 EcoRIE111Q-Qdot를 DNA 커튼에 주입하여 DNA 분자가 0.1 nM FP-DBP로 사전 염색된 DNA에 단백질 결합에 대한 FP-DBP의 영향을 테스트했다.Then, specifically, Qdot was tagged with an anti-FLAG antibody (Q10161 MP, Invitrogen). 3xFLAG-tagged EcoRI E111Q was conjugated with Qdot in a molar ratio of 1:10 so that one Qdot had at most one EcoRI E111Q . FP-DBP was washed from DNA with a high pH solution. A 1 nM solution of QDot-labeled EcoRI E111Q was injected into the DNA curtain in EcoRI buffer (40 mM Tris-HCl [8.0], 100 mM NaCl, 2 mM MgCl 2 , 1.6% glucose and 1 mM DTT) (Fig. 5A) . After incubation in the flow cell for 15 minutes, unbound EcoRI E111Q was washed and labeled EcoRI E111Q molecules bound to DNA were observed. Then, EcoRI E111Q -Qdot was injected into the DNA curtain to test the effect of FP-DBP on protein binding to DNA in which DNA molecules were pre-stained with 0.1 nM FP-DBP.

그 결과 EcoRIE111Q 분자는 커튼에서 λ-DNA에 잘 결합되어, 수직으로 정렬된 형광성 반점을 나타냈다 (도 5B). 개별 DNA 분자에 대한 EcoRIE111Q 결합에 대한 키모그래프는 λ-DNA의 EcoRI 결합 부위에 상응하는 형광성 반점의 몇 가지 뚜렷한 선을 보여주었다 (도 5C). DNA의 단백질에 대한 결합은, 소멸 장에서 결합된 EcoRIE111Q 분자와 함께 DNA의 되감아짐으로 인해, 흐름이 꺼졌을 때 형광 반점이 사라짐으로써 표면에 대한 비특이적 결합과 구별되었다 (도 5C). λ-DNA에서 EcoRIE111Q의 결합 위치를 추가로 분석하기 위해, 개별 형광 반점을 2 차원 가우스 함수로 피팅하고 중심 좌표를 사용하여 EcoRIE111Q 결합 위치에 대한 히스토그램을 구성했다 (그림 5D). 결합 위치 분포에 대한 히스토그램은 Origin 2017 (Origin Lab)에서 구축되었으며 Matlab (Mathworks)을 사용하여 70 % 신뢰 구간을 부트스트래핑하여 분포 오류를 얻었다. 히스토그램은 4.4 kbp, 9.8 kbp, 17.9 kbp, 23.9 kbp, 및 29.5 kbp의 5 개의 별개의 피크를 나타내었고, 이는 3.53 kbp, 9.334 kbp, 16.755 kbp, 22.398 kbp, 및 27.276 kbp로 알려진 λ-DNA의 EcoRI 결합 부위와 일치하였다. 이러한 결과는 나노 트렌치에 의해 형성된 DNA 커튼을 사용하여 단백질 결합 부위를 맵핑할 수 있음을 나타낸다. As a result, EcoRI E111Q molecules were well bound to λ-DNA in the curtain, displaying vertically aligned fluorescent spots ( FIG. 5B ). Chemographs of EcoRI E111Q binding to individual DNA molecules showed several distinct lines of fluorescent spots corresponding to EcoRI binding sites of λ-DNA (Fig. 5C). Binding of DNA to proteins was distinguished from nonspecific binding to surfaces by the disappearance of fluorescence spots when flow was turned off due to DNA rewinding with EcoRI E111Q molecules bound in the evanescent field (Fig. 5C). To further analyze the binding sites of EcoRI E111Q in λ-DNA, individual fluorescence spots were fitted with a two-dimensional Gaussian function and histograms for EcoRI E111Q binding sites were constructed using centroid coordinates (Fig. 5D). Histograms for joint position distributions were built in Origin 2017 (Origin Lab) and the distribution errors were obtained by bootstrapping 70% confidence intervals using Matlab (Mathworks). The histogram showed five distinct peaks of 4.4 kbp, 9.8 kbp, 17.9 kbp, 23.9 kbp, and 29.5 kbp, which are known as 3.53 kbp, 9.334 kbp, 16.755 kbp, 22.398 kbp, and 27.276 kbp of EcoRI of λ-DNA. coincided with the binding site. These results indicate that protein binding sites can be mapped using the DNA curtain formed by the nanotrench.

도 5A는 퀀텀닷과 결합된 EcoRIE111Q가 DNA 분자에 결합되어 있는 것을 도식화한 그림이고; 도 5B는 FP-DBP로 염색된 DNA 분자의 TIRFM 이미지(위), 퀀텀닷이 태깅된 EcoRIE111Q을 나타낸 형광성 반점 이미지(중간) 및 DNA와 EcoRIE111Q 이미지를 겹친 이미지(아래)이며; 도 5C는 EcoRIE111Q이 결합되어 있는 단일 DNA 분자의 키모그래프를 나타낸 이미지이고; 및 도 5D는 λ-DNA에 결합되 어 있는 EcoRIE111Q의 결합 부위를 나타낸 히스토그램이다.Figure 5A is a diagram schematically showing that EcoRI E111Q bound to quantum dots is bound to a DNA molecule; 5B is a TIRFM image of DNA molecules stained with FP-DBP (top), a fluorescent speckle image showing a quantum dot-tagged EcoRI E111Q (middle), and an image of DNA and EcoRI E111Q superimposed (bottom); Figure 5C is an image showing the chymograph of a single DNA molecule to which EcoRI E111Q is bound; and FIG. 5D is a histogram showing the binding site of EcoRI E111Q bound to λ-DNA.

Claims (14)

고체 지지체; 상기 고체 지지체 상에 에칭된, 100 nm 내지 5 ㎛의 깊이 및 50 nm 내지 1 ㎛의 폭을 가지는 비직선 나노 트렌치; 지방 이중층; 및 상기 지방 이중층에 링커에 의해 결합되어 있는 하나 이상의 단일 분자를 포함하는, 이미징용 단일 분자 어레이. solid support; a non-straight nanotrench having a depth of 100 nm to 5 μm and a width of 50 nm to 1 μm etched on the solid support; fat bilayer; and one or more single molecules bound to the fat bilayer by a linker. 청구항 1에 있어서, 상기 고체 지지체는 용융 실리카로 만들어진 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging according to claim 1, wherein the solid support is made of fused silica. 청구항 1에 있어서, 상기 고체 지지체는 플로우셀(flow cell)을 형성하는 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging of claim 1 , wherein the solid support forms a flow cell. 청구항 1에 있어서, 상기 단일 분자는 핵산 분자인 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging according to claim 1, wherein the single molecule is a nucleic acid molecule. 청구항 1에 있어서, 상기 나노 트렌치는 건식 에칭 (dry etching) 방법으로 에칭된 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging according to claim 1, wherein the nano trenches are etched by a dry etching method. 청구항 1에 있어서, 상기 링커는 하나 이상의 단백질을 포함하는 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging according to claim 1, wherein the linker comprises one or more proteins. 청구항 1에 있어서, 상기 단일 분자에 형광 단백질이 결합하는 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging according to claim 1, wherein the fluorescent protein is bound to the single molecule. 청구항 7에 있어서, 상기 형광 단백질은 DNA 결합 모티프와 형광 단백질로 이루어진 FP-DBP(Fluorescent Protein-DNA Binding Peptide)인 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging according to claim 7, wherein the fluorescent protein is a Fluorescent Protein-DNA Binding Peptide (FP-DBP) comprising a DNA binding motif and a fluorescent protein. 청구항 1에 있어서, 상기 단일 분자는 상기 나노 트렌치를 따라 정렬되는 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging of claim 1 , wherein the single molecules are aligned along the nano trenches. 청구항 1에 있어서, 상기 단일 분자는 유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging of claim 1 , wherein the single molecule is stretched on the fat bilayer under the flow of hydrodynamic force, electrophoretic force, or a combination thereof. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 단일 분자는 각각 별개의 링커에 의해 지방 이중층에 결합되어 있는 것인, 이미징용 단일 분자 어레이.The single molecule array for imaging of claim 1, wherein the one or more single molecules are each bound to the fat bilayer by a separate linker. 고체 지지체 상에 100 nm 내지 5 ㎛의 깊이 및 50 nm 내지 1 ㎛의 폭을 가지는 비직선 나노 트렌치를 에칭하는 단계;
상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계;
상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계;
유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계; 및
상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 이미징용 단일 분자 어레이 제조방법.
etching non-straight nano trenches having a depth of 100 nm to 5 μm and a width of 50 nm to 1 μm on a solid support;
forming a fat bilayer on the solid support;
attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker;
elongating the single molecule on the fat bilayer under the flow of a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof; and
A method for producing a single molecule array for imaging, comprising the step of binding a fluorescent protein to the single molecule.
고체 지지체 상에 100 nm 내지 5 ㎛의 깊이 및 50 nm 내지 1 ㎛의 폭을 가지는 비직선 나노 트렌치를 에칭하는 단계;
상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계;
상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계;
유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계;
상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계; 및
상기 단일 분자에 분석하고자 하는 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 단일 분자와 분석 단백질의 상호작용 분석 방법.
etching non-straight nano trenches having a depth of 100 nm to 5 μm and a width of 50 nm to 1 μm on a solid support;
forming a fat bilayer on the solid support;
attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker;
elongating the single molecule on the fat bilayer under the flow of a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof;
binding a fluorescent protein to the single molecule; and
A method for analyzing the interaction of a single molecule with a protein to be analyzed, comprising the step of binding the protein to be analyzed to the single molecule.
고체 지지체 상에 100 nm 내지 5 ㎛의 깊이 및 50 nm 내지 1 ㎛의 폭을 가지는 비직선 나노 트렌치를 에칭하는 단계;
상기 고체 지지체 상에 지방 이중층을 형성하는 단계;
상기 지방 이중층에 단일 분자를 링커에 의해 결합시키는 단계;
유체 역학 힘, 전기 이동력 또는 이의 조합의 흐름에 따라 상기 단일 분자가 상기 지방 이중층 상에서 신장되는 단계;
상기 단일 분자에 형광 단백질을 결합시키는 단계; 및
상기 단일 분자에 분석하고자 하는 단백질을 결합시키는 단계를 포함하는, 단백질 결합 부위 맵핑 방법.
etching non-straight nano trenches having a depth of 100 nm to 5 μm and a width of 50 nm to 1 μm on a solid support;
forming a fat bilayer on the solid support;
attaching a single molecule to the fat bilayer by a linker;
elongating the single molecule on the fat bilayer under the flow of a hydrodynamic force, an electrophoretic force, or a combination thereof;
binding a fluorescent protein to the single molecule; and
A protein binding site mapping method comprising the step of binding a protein to be analyzed to the single molecule.
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