KR20070072268A - Novel fret system consisting of a qd donor and a dye accepotor attached to dna - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 QD-염료-표지된 DNA FRET 시스템의 모식도이다.1 is a schematic of a QD-dye-labeled DNA FRET system.
도 2는 Alexa 594 표지된 DNA (1 μM)의 흡수 스펙트럼 (흑색선, 왼쪽 스케일) 및 형광 스펙트럼 (적색선, 오른쪽 스케일), 및 MPA-캡핑된 CdSe/ZnS 코어/쉘 QD의 형광 스펙트럼 (청색선, 오른쪽 스케일)을 도시한 것이다.FIG. 2 shows absorption spectra (black lines, left scale) and fluorescence spectra (red lines, right scale) of Alexa 594 labeled DNA (1 μM), and fluorescence spectra of MPA-capped CdSe / ZnS core / shell QDs (blue lines) , Right scale).
도 3a는 유리 MPA의 제거 후에 상이한 DNA/QD 비에서 DNA-QD 컨쥬게이트의 형광 스펙트럼 (450 nm에서 여기됨)을 도시한 것이다.FIG. 3A shows the fluorescence spectra (excited at 450 nm) of DNA-QD conjugates at different DNA / QD ratios after removal of free MPA.
도 3b는 벌크 (흑색 사각형) 및 단일-분자 연구 (적색 점)으로부터의 명백한 FRET 효율 (I A /(I A + I D )) 대 DNA/QD 비를 도시한 것이다.Figure 3b is a bulk (black squares), and single-shows the apparent FRET efficiency from molecular studies (red dots) (A I / (I A + I D)) for DNA / QD ratio.
도 3c는 1:1에서 QD-DNA 컨쥬게이트의 대표적인 형광 분출 탄도를 도시한 것이다. 녹색 분출은 공여체 (QD)로부터의 분출이고 적색 분출은 수용체 (Alexa 594)로부터의 분출을 나타낸다.3C shows representative fluorescence emission trajectories of QD-DNA conjugates at 1: 1. Green eruptions are eruptions from the donor (QD) and red eruptions represent eruptions from the receptor (Alexa 594).
도 3d 내지 도 3g는 상이한 DNA 대 QD 비에서 QD-DNA 컨쥬게이트의 FRET 히스토그램을 도시한 것이다: DNA 대 QD 비 = 0.25 (도 3d), 0.50 (도 3e), 1.0 (도 3f) 및 2.0 (도 3g).3D-3G depict FRET histograms of QD-DNA conjugates at different DNA to QD ratios: DNA to QD ratio = 0.25 (FIG. 3D), 0.50 (FIG. 3E), 1.0 (FIG. 3F) and 2.0 ( 3g).
도 4는 0.25 (A, 왼쪽 스케일 바) 및 2 (B, 오른쪽 스케일 바)의 DNA:QD 비에서 QD-DNA 의 탭핑 모드 AFM 위상 이미지를 도시한 것이다.4 shows tapping mode AFM phase images of QD-DNA at DNA: QD ratios of 0.25 (A, left scale bar) and 2 (B, right scale bar).
도 5a는 염료-표지된 DNA 대 QD의 상이한 비에서 유리 MPA를 제거함이 없이 제조된 QD-DNA 컨쥬게이트의 형광 스펙트럼을 도시한 것이다. 청색 화살표는 DNA:QD 비가 1:1에서 1:10으로 증가함에 따라 형광의 점진적인 변화를 나타낸다.5A depicts the fluorescence spectra of QD-DNA conjugates prepared without removing free MPA at different ratios of dye-labeled DNA to QD. Blue arrows indicate a gradual change in fluorescence as the DNA: QD ratio increases from 1: 1 to 1:10.
도 5b는 벌크 측정 대 DNA:QD 비로부터 수득된 FRET 효율의 플롯을 도시한 것이다.5B shows a plot of FRET efficiency obtained from bulk measurement to DNA: QD ratio.
도 5c는 1:1의 DNA 대 QD 비에서 QD-DNA 컨쥬게이트로부터 수득된 대표적인 단일-분자 FRET 히스토그램을 도시한 것이다.5C depicts a representative single-molecule FRET histogram obtained from QD-DNA conjugate at a DNA to QD ratio of 1: 1.
도 6은 4의 DNA:QD 비에서 MPA-QD (적색선, 오른쪽 스케일) 및 QD-DNA (청색선, 왼쪽 스케일)의 형광 스펙트럼을 도시한 것이다.6 shows the fluorescence spectra of MPA-QD (red line, right scale) and QD-DNA (blue line, left scale) at a DNA: QD ratio of 4. FIG.
1. P. Alivisatos, Nat. Biotechnol., 2004, 22, 47; X.Michalet, F. F. Pinaud, L. A. Bentolila, J.M. Tsay, S. Doose, J. J. Li,G. Sundaresan, A. W. Wu, S. S. Gambhir and S. Weiss, Science, 2005, 307, 538; M. Han, X. Gao, J. Z. Su and S. Nie, Nat. Biotechnol., 2001, 19, 631.P. Alivisatos, Nat. Biotechnol., 2004, 22, 47; X. Michael, F. F. Pinaud, L. A. Bentolila, J.M. Tsay, S. Doose, J. J. Li, G. Sundaresan, A. W. Wu, S. S. Gambhir and S. Weiss, Science, 2005, 307, 538; M. Han, X. Gao, J. Z. Su and S. Nie, Nat. Biotechnol., 2001, 19, 631.
2. R.Wargnier,A.V.Baranov,V.G.Maslov, V. Stsiapura,M. Artemyev, M. Pluot, A. Sukhanova and I. Nabiev, Nano Lett., 2004, 4, 451.2. R. Warnier, A. V. Baranov, V. G. Maslov, V. Stsiapura, M. Artemyev, M. Pluot, A. Sukhanova and I. Nabiev, Nano Lett., 2004, 4, 451.
3. N. N. Mamedova, N. A. Kotov, A. L. Rogach and J. Studer, Nano Lett., 2001, 1, 281; A. R. Clapp, I. L. Medintz, J. M. Mauro, B. R. Fisher, M. G. Bawendi and H. Mattoussi, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 301; I. L. Medintz, S. A. Trammell, H. Mattoussi and J. M. Mauro, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 30.3. N. N. Mamedova, N. A. Kotov, A. L. Rogach and J. Studer, Nano Lett., 2001, 1, 281; A. R. Clapp, I. L. Medintz, J. M. Mauro, B. R. Fisher, M. G. Bawendi and H. Mattoussi, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 301; I. L. Medintz, S. A. Trammell, H. Mattoussi and J. M. Mauro, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 30.
4. I. L. Medintz, A. R. Clapp, H. Mattoussi, E. R. Goldman, B. Fisher and J. M. Mauro, Nat. Mater., 2003, 2, 630; E. R. Goldman, I. L.Medintz, J. L.Whitley, A. Hayhurst, A. R. Clapp, H. T. Uyeda, J. R. Deschamps, M. E. Lassman and H.Mattoussi, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 6744; E. Oh, M. Y. Hong, D. Lee, S. H. Nam, H. C. Yoon and H. S. Kim, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3270.4. I. L. Medintz, A. R. Clapp, H. Mattoussi, E. R. Goldman, B. Fisher and J. M. Mauro, Nat. Mater., 2003, 2, 630; E. R. Goldman, I. L. Medintz, J. L. Whitley, A. Hayhurst, A. R. Clapp, H. T. Uyeda, J. R. Deschamps, M. E. Lassman and H. Mattoussi, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 6744; E. Oh, M. Y. Hong, D. Lee, S. H. Nam, H. C. Yoon and H. S. Kim, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3270.
5. S. Hohng and T. Ha, ChemPhysChem, 2005, 6, 956.5. S. Hohng and T. Ha, Chem Phys Chem, 2005, 6, 956.
6. Z. Gueroui and A. Libchaber, Phys. Rev. Lett., 2004, 93, 166108; L. Dyadyusha, H. Yin, S. Jaiswal, T. Brown, J. J. Baumberg, F. P. Booy and T. Melvin, Chem. Commun., 2005, 3201.6. Z. Gueroui and A. Libchaber, Phys. Rev. Lett., 2004, 93, 166108; L. Dyadyusha, H. Yin, S. Jaiswal, T. Brown, J. J. Baumberg, F. P. Booy and T. Melvin, Chem. Commun., 2005, 3201.
7. I. Potapova, R. Mruk, C. Hubner, R. Zentel, T. Basche and A.Mews, Angew. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 2437.7.I. Potapova, R. Mruk, C. Hubner, R. Zentel, T. Basche and A. Mews, Angew. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 2437.
8. G. P.Mitchell, C. A.Mirkin and R. L. Letsinger, J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 8122.8. G. P. Mitchell, C. A. Mirkin and R. L. Letsinger, J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 8122.
9. S. F.Wuister, I. Swart,F. vanDriel, S.G.Hickey andC. Donega, Nano Lett., 2003, 3, 503; D. J. Zhou,A. Bruckbauer, C.Abell,D.Klenerman and D.-J. Kang, Adv. Mater., 2005, 17, 1243.9. S. F. Wuister, I. Swart, F. vanDriel, S.G.Hickey and C. Donega, Nano Lett., 2003, 3, 503; D. J. Zhou, A. Bruckbauer, C. Abell, D. Klenerman and D.-J. Kang, Adv. Mater., 2005, 17, 1243.
10. L. M. Ying, J. J. Green, H. T. Li, D. Klenerman and S. Balasubramanian, Proc. Natl. Acda. Sci. U. S. A., 2003, 100, 14629.10. L. M. Ying, J. J. Green, H. T. Li, D. Klenerman and S. Balasubramanian, Proc. Natl. Acda. Sci. U. S. A., 2003, 100, 14629.
11. D. J. Zhou, X. Z.Wang, L. Birch, T. Rayment and C. Abell, Langmuir, 2003, 19, 10557.11.D. J. Zhou, X. Z. Wang, L. Birch, T. Rayment and C. Abell, Langmuir, 2003, 19, 10557.
12. D. Zhou, A. Bruckbauer, L. M. Ying, C. Abell and D. Klenerman, Nano Lett., 2003, 3, 1510.12.D. Zhou, A. Bruckbauer, L. M. Ying, C. Abell and D. Klenerman, Nano Lett., 2003, 3, 1510.
13. Y. Wang, Z. Y. Tang, M. A. Correa-Duarte, L. M. Liz-Marzan and N. A. Kotov, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 2830; W. Guo, J. J. Li, Y. A. Wang and X. Peng, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3901.13. Y. Wang, Z. Y. Tang, M. A. Correa-Duarte, L. M. Liz-Marzan and N. A. Kotov, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 2830; W. Guo, J. J. Li, Y. A. Wang and X. Peng, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3901.
14. A. Fu, C. M. Micheel, J. Cha, H. Chang, H. Yang andA. P.Alivisatos, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 10832.14. A. Fu, C. M. Micheel, J. Cha, H. Chang, H. Yang and A. P. Alivisatos, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 10832.
15. Wuister, S. F.; Swart, I.; van Driel, F.; Hickey, S. G.; Donega, C. D. Nano Lett. 2003, 3, 503.15. Wuister, S. F .; Swart, I .; van Driel, F .; Hickey, S. G .; Donega, C. D. Nano Lett. 2003, 3, 503.
16. Zhou, D. J.; Bruckbauer, A.; Abell, C.; Klenerman, D.; Kang, D.-J. Adv. Mat. 2005, 17, 1243.16. Zhou, D. J .; Bruckbauer, A .; Abell, C .; Klenerman, D .; Kang, D.-J. Adv. Mat. 2005, 17, 1243.
17. Zhou, D. J.; Sinniah, K.; Abell, C.; Rayment, T. Langmuir 2002, 18, 8278.17. Zhou, D. J .; Sinniah, K .; Abell, C .; Rayment, T. Langmuir 2002, 18, 8278.
18. Mitchell, G. P.; Mirkin, C. A.; Letsinger, R. L. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 8122.18. Mitchell, G. P .; Mirkin, C. A .; Letsinger, R. L. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 8122.
19. Zhou, D. J.; Bruckbauer, A.; Ying, L. M.; Abell, C.; Klenerman, D. Nano Lett. 2003, 3, 1510.19. Zhou, D. J .; Bruckbauer, A .; Ying, L. M .; Abell, C .; Klenerman, D. Nano Lett. 2003, 3, 1510.
20. Ying, L. M.; Green, J. J.; Li, H. T.; Klenerman, D.; Balasubramanian, S. Proc. Natl. Acda. Sci. U.S.A. 2003, 100, 14629.20. Ying, L. M .; Green, J. J .; Li, H. T .; Klenerman, D .; Balasubramanian, S. Proc. Natl. Acda. Sci. U.S.A. 2003, 100, 14629.
21. Li, H. T., Zhou, D. J., Browne, H., Balasubramanian, S.; Klenerman, D. Anal. Chem. 2004, 76, 4446.21. Li, H. T., Zhou, D. J., Browne, H., Bala subramanian, S .; Klenerman, D. Anal. Chem. 2004, 76, 4446.
기술분야Field of technology
본 발명은 신규한 FRET (fluorescence resonance energy transfer) 시스템에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 공여체로서 QD (quantum dot)를 사용하고 수용체로서 염료-표지된 DNA를 사용하는 FRET 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a novel fluorescence resonance energy transfer (FRET) system. Specifically, the present invention relates to a FRET system using quantum dots (QDs) as donors and dye-labeled DNA as receptors.
종래기술Prior art
QDs (quantum dots)는 연장된 관찰 및 멀티플렉싱 (multiplexing)을 가능하도록 해주는 이들의 크기-의존성, 대칭성, 및 협각의 안정한 방출로 인해 현재 지대한 관심을 모으고 있다 (상기 문헌: 1). QDs는 이들의 협각의 방출 및 폭넓은 여기 (excitation) 스펙트럼 (spectrum)으로 인해 폭넓게 적용될 수 있기 때문에 FRET에 있어서 훌륭한 공여체이며, 이것은 공여체 및 수용체 형광의 효과적인 분리 및 백그라운드 (background)를 감소시키기 위한 넓은 범위의 여기 파장을 선택할 수 있도록 해준다 (상기 문헌:2-4). 2개의 상이한 색으로 착색된 QDs 사이의 FRET에 대한 연구 (상기 문헌: 2), 즉 QD 및 염료-표지된 생체분자 (상기 문헌: 3-5), QD 및 금 나노입자 (상기 문헌: 6), 및 QD 및 염료-표지된 중합체 (상기 문헌: 7)는 보고된 바 있다. 선행 연구들 중 대부분은 벌크 (bulk) 용액에서 수행되어 (상기 문헌: 2-4), 단지 전체 평균화된 FRET 정보만을 제공하였다. 또한, 이들 연구는 대부분 QD 및 염료-표지된 단백질에 기초한 것이어서, QD 및 단백질의 거대한 크기로 인하여 낮은 FRET 효율을 초래하였다 (상기 문헌: 3-5). 최근에, 단백질-코팅된 QD와 염료-표지된 DNA 사이의 단일-분자 FRET이 보고된 바 있으나, FRET 효율은 낮았다 (즉, 1-2%) (상기 문헌: 5). 높은 FRET을 달성하기 위해서는, QD-단백질 디자인에서 각각의 QD에 대해 수많은 수용체 (>10)가 필요하다 (상기 문헌: 3, 4). 컨쥬게이션된 단백질에 대한 수많은 결합 이벤트가 FRET 시그널에서 검출될 수 있는 변화를 생성시키는데 필요하기 때문에, 이것은 FRET-기초한 센서로서 이들 컨쥬게이트의 민감도를 현저히 감소시킨다. 이러한 맥락에서, 본 발명자들은 염료-표지된 DNA 수용체를 QD 공여체에 티올 링커를 통해 직접적으로 커플링시켰다. 이러한 커플링은 공여체-수용체 거리를 감소시켜, FRET 효율을 현저하게 증가시켰다. QD와 염료-표지된 DNA 사이의 FRET을 벌크 용액과 단일-분자 수준 둘 모두에서 연구하였다.Quantum dots (QDs) are currently of great interest due to their stable dependence of size-dependentness, symmetry, and narrow angle, which allow for extended observation and multiplexing (see above: 1). QDs are excellent donors for FRET because they can be widely applied due to their narrow emission and broad excitation spectrum, which is a broad donor for effective separation of donor and acceptor fluorescence and to reduce background It allows the selection of excitation wavelengths in the range (see supra: 2-4). Studies on FRET between two different colored pigmented QDs (see above: 2), ie QD and dye-labeled biomolecules (see above 3-5), QD and gold nanoparticles (see above: 6) , And QD and dye-labeled polymers (see above) 7 have been reported. Most of the previous studies were performed in bulk solutions (see Documents 2-4 above), providing only total averaged FRET information. In addition, these studies were mostly based on QD and dye-labeled proteins, resulting in low FRET efficiency due to the large size of the QDs and proteins (see Document 3-5). Recently, single-molecular FRET between protein-coated QD and dye-labeled DNA has been reported, but the FRET efficiency was low (ie 1-2%) (see supra: 5). To achieve high FRET, a number of receptors (> 10) are required for each QD in the QD-protein design (see above, 3, 4). Since numerous binding events for the conjugated protein are needed to produce detectable changes in the FRET signal, this significantly reduces the sensitivity of these conjugates as FRET-based sensors. In this context, we coupled the dye-labeled DNA receptor directly to the QD donor via a thiol linker. This coupling reduced the donor-receptor distance, significantly increasing FRET efficiency. FRET between QD and dye-labeled DNA was studied at both bulk solution and single-molecule levels.
본 발명의 목적은 신규한 FRET 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 FRET 시스템은 공여체로서 QD 및 수용체로서 염료-표지된 DNA로 구성되어 있으며, 상기 공여체와 수용체는 티올 링커로 커플링되어 있다.It is an object of the present invention to provide a novel FRET system. The FRET system of the present invention consists of QD as donor and dye-labeled DNA as acceptor, the donor and acceptor being coupled with a thiol linker.
본 발명에 따른 QD-DNA 컨쥬게이트의 디자인은 도 1과 같이 도식화될 수 있다. 수용체인 Alexa 594 플루오로포어 (fluorophore) 표지된 이중가닥 (ds) DNA는 공여체인 CdSe/ZnS 코어-쉘 (core-shell) QD에 C6-티올 링커를 통해 직접적으로 커플링된다 (상기 문헌: 8). 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 FRET 시스템은 공여체-수용체 거리를 감소시키며, 따라서 FRET 효율을 현저하게 증가시킨다. 문헌상의 방법에 따라 TOPO (trioctyl-phosphine oxide) 캡핑된 (capped) CdSe/ZnS 코어-쉘 QD (피크 방출 ~533 nm, Evident Technologies, New York)를 pH ~10에서 클로로포름/메탄올의 혼합 용매중에서 MPA (3-mercaptopropionic acid)로 처리하여 수용성의 MPA-캡핑된 QD (MPA-QD)를 생성시켰다 (상기 문헌: 9). MPA-QD는 558nm로 다소 적색-변이된 (red-shifted) 피크와 동일한 협각 방출 (FWHM 30nm, 양자 수율 ~15%)을 보였다 (도 2 참조). QD 방출은 염료의 흡수 스펙트럼과 중첩하며, 이는 QD 공여체와 염료 수용체 사이에 효율적인 FRET이 일어날 수 있음을 시사한다. 스펙트럼 중첩, QD의 벌크 양자 수율 및 염료의 흡수 계수에 기초하여, 본 발명자들은 본 발명의 FRET 시스템에서 ~4.2nm의 Forster 거리 R 0 (50% FRET 효율을 보이는 거리)를 추정하였다 (상기 문헌: 4). 공여체와 수용체 형광 사이에 중첩은 거의 없었으며 (도 2 참조), 이로써 수용체의 형광으로부터 공여체 형광의 효과적인 분리가 이루어졌다. 도 2에서 모든 측정은 상온에서 Tris 완충액 (10 mM Tris· HCl, 100mM NaCl, pH 7.6)에서 수행되었다. Alexa 594-표지된 dsDNA (상이한 DNA 대 QD 비 에서)를 문헌상의 방법에 따라 MPA-QD에 컨쥬게이션시켰다 (상기 문헌: 8).The design of the QD-DNA conjugate according to the present invention can be depicted as shown in FIG. The
QD와 염료-표지된 DNA 사이의 높은 컨쥬게이션 (FRET) 효율을 달성하기 위하여, QD 수용성으로 만들기 위해 사용되었던 과잉의 결합되지 않은 MPA를 제거할 필요가 있다. 과잉의 MPA의 제거는 에탄올을 사용하여 침전시킨 다음 14,000 rpm에서 20분 동안 원심분리함으로써 달성된다. 결합되지 않은 MPA는 에탄올에서 가용성이지만 MPA-QD는 원심분리 조건하에서 그렇지 않다. 과잉의 MPA의 제거는 MPA로부터 QD 결합에 대한 경쟁을 제거하였으며, QD에 대한 DNA의 컨쥬게이션 효율을 고도로 증가시켰다. DNA 대 QD의 상이한 비에서 QD-DNA 컨쥬게이트의 형광 스펙트럼을 도 3a에 도시하였다. QD에 대한 염료-표지된 DNA의 컨쥬게이션은 560nm에서 공여체 (QD) 형광을 소멸시킨 반면, 동일 시간대에 FRET을 통해 618nm에서 수용체 (염료) 형광을 증진시켰다. I A /(I A + I D )로서 정의된 (여기서, I A 및 I D 는 수용체 및 공여체 강도) 추정된 FRET 효율은 초기 DNA 대 QD의 비와 더불어 증가하였으나, 0.5의 DNA : QD 비에서 신속하게 안정되었으며, 여기서 ~50% FRET 효율이 수득되었다 (도 3b 참조). FRET 효율은 단일 공여체와 상호작용하는 n 동일한 수용체를 가진 FRET에 대한 방정식 E = nR 0 6 /(nR 0 6 + r 6 )으로부터 예상된 것 보다 높았다 (상기 문헌: 4). FRET 효율과 상기 방정식을 사용함으로써, 본 발명자들은 0.25, 0.50, 1.0 및 2.0의 DNA : QD 비에 대한 평균 공여체-수용체 거리 r을 각각 4.10, 3.80, 4.33 및 4.60nm로 추정하였다. QD의 크기를 고려하고 DNA가 연장되어 있는 것으로 추정하여 염료로부터 QD 중앙까지의 예측된 거리는 4.60nm였다. 따라서, 상기 실험 값은 2의 DNA : QD 비에서만 예측과 일치하였고, 그 밖의 다른 비에서는 수득된 거리가 예측치 보다 훨씬 작았다.To achieve high conjugation (FRET) efficiency between QD and dye-labeled DNA, it is necessary to remove the excess unbound MPA that was used to make QD water soluble. Removal of excess MPA is accomplished by precipitation with ethanol and then centrifugation for 20 minutes at 14,000 rpm. Unbound MPA is soluble in ethanol but MPA-QD is not under centrifugation conditions. Removal of excess MPA eliminated competition for QD binding from MPA and greatly increased the conjugation efficiency of DNA to QD. Fluorescence spectra of QD-DNA conjugates at different ratios of DNA to QD are shown in FIG. 3A. Conjugation of dye-labeled DNA to QD dissipated donor (QD) fluorescence at 560 nm, while enhancing receptor (dye) fluorescence at 618 nm via FRET at the same time. The estimated FRET efficiency, defined as I A / ( I A + I D ), where I A and I D are receptor and donor intensities, increased with the ratio of initial DNA to QD, but at a DNA: QD ratio of 0.5. It stabilized quickly, where ˜50% FRET efficiency was obtained (see FIG. 3B). FRET efficiency was higher than expected from the equation E = nR 0 6 / ( nR 0 6 + r 6 ) for FRET with n identical receptors interacting with a single donor (see supra: 4). By using the FRET efficiency and the above equation, we estimated the average donor-receptor distance r for DNA: QD ratios of 0.25, 0.50, 1.0 and 2.0 to 4.10, 3.80, 4.33 and 4.60 nm, respectively. The estimated distance from the dye to the center of the QD was 4.60 nm, taking into account the size of the QD and assuming the DNA was extended. Therefore, the experimental values were in agreement with the prediction only at the DNA: QD ratio of 2, and at other ratios the distance obtained was much smaller than the prediction.
레이져 초점 (프로브 부피)을 통해 각각의 DNA-QD 컨쥬게이트가 확산함에 따라 QD (공여체) 및 염료 (수용체) 형광 분출을 동시에 기록하는 단일-분자 연구를 통해 (상기 문헌: 10), 낮은 DNA 대 QD 비에서 매우 밝은 수용체 형광 분출이 밝혀졌다 (ms 당 수백 카운트 이하) (도 3c 참조). 이들은 동일한 조건 하에서 단일 플루오로포어로부터의 전형적인 분출 (ms 당 ~10 카운트) 보다 훨씬 밝았다. DNA : QD 비 ≤ 1에서 수용체 분출은 더 높은 비 (즉, 2)에서의 분출 보다 더 강했으며, 이는 더 높은 DNA : QD 비가 더욱 강한 수용체 분출을 유도해야 한다는 개념과 모순된다. 이것은 또한 DNA : QD 비 ≤ 1에서 형광 분출의 수집 동안 피펫을 사용하여 용액을 교반시킬 필요가 있지만, 더 높은 비 (즉, 2.0)에서는 불필요함을 의미한다. 이것은 QD-DNA 컨쥬게이트가 낮은 비 (즉, ≤ 1)에서 응집되지만, 더 높은 비 (즉, 2.0)에서는 그렇지 않거나 단지 조금 응집됨을 시사한다. 이를 입증하기 위해, 본 발명자들은 6-메르캅토-N-헥실피리디니움 브로마이드 (6-mercapto-N-hexylpyridinium bromide), 양전하화된 티올 (thiol)의 자기-조립 단분자막으로 개질된 평면 TSG (template stripped gold, 전형적인 거칠기 (roughness) < 0.2 nm) 표면 상에 QD-DNA 컨쥬게이트를 고정시켰다 (상기 문헌: 11). 태핑 모드 (tapping mode) AFM 위상 이미지 (상기 문헌: 12)는 0.25의 DNA : QD 비에서 QD-DNA 컨쥬게 이트가 많이 응집되었지만 (도 4에서 좌측 A 참조), 이들은 2의 DNA : QD 비에서 대부분 분리되었으며 (도 4에서 우측 B 참조), 이는 2의 DNA : QD 비에서 측정된 단일-분자 FRET이 실제로 개별적인 단일 QD-DNA 컨쥬게이트로부터 기인했음을 시사한다. 도 4에서 좌측 A의 이미지 크기는 5 x 5 ㎛2이고 B는 2 x 2 ㎛2이다. 또한, 샘플들은 자기-조립된 단분자막 6-메르캅토헥실-N-피리니디움으로 개질된 새롭게 제작된 울트라-평면 TSG 표면상에 증착되었다.Through a single-molecular study that simultaneously records QD (donor) and dye (receptor) fluorescence emission as each DNA-QD conjugate diffuses through the laser focal point (probe volume), low DNA versus Very bright receptor fluorescence eruptions were found at the QD ratio (up to several hundred counts per ms) (see FIG. 3C). They were much brighter than typical ejection (˜10 counts per ms) from a single fluoropor under the same conditions. Receptor ejection at the DNA: QD ratio ≦ 1 was stronger than the ejection at the higher ratio (ie 2), which contradicts the notion that a higher DNA: QD ratio should lead to stronger receptor ejection. This also means that the solution needs to be agitated using a pipette during the collection of fluorescence eruptions at the DNA: QD ratio ≦ 1, but is unnecessary at higher ratios (ie 2.0). This suggests that the QD-DNA conjugates aggregate at low ratios (ie ≦ 1), but not at higher ratios (ie 2.0) or only slightly aggregated. To demonstrate this, we present a planar TSG (template) modified with 6-mercapto-N-hexylpyridinium bromide, a self-assembled monolayer of positively charged thiols. The QD-DNA conjugate was immobilized on a stripped gold, typical roughness <0.2 nm surface (see supra: 11). Tapping mode AFM topological images (see above: 12) showed that the QD-DNA conjugates aggregated a lot at a DNA: QD ratio of 0.25 (see left A in FIG. 4), but they were at a DNA: QD ratio of 2: Most were isolated (see right B in FIG. 4), suggesting that the single-molecule FRET measured at the DNA: QD ratio of 2 actually originated from individual single QD-DNA conjugates. In FIG. 4 the image size of left A is 5 × 5 μm 2 and B is 2 × 2 μm 2 . In addition, samples were deposited on a newly fabricated ultra-planar TSG surface modified with self-assembled monolayer 6-mercaptohexyl- N -pyridinium.
도 3c 내지 도 3g는 상이한 DNA : QD 비에서 FRET 히스토그램을 도시한 것이다. 모든 히스토그램은 DNA : QD 비가 0.25에서 2.0까지 증가함에 따라 0.40에서 0.88까지 증가하는 평균 FRET을 갖는 FRET 효율의 단일 분포를 보여준다 (도 3b). 단일-분자 연구로부터 수득된 FRET 효율은 벌크의 효율보다 높았으며 이는 단일 분자 방법이 밝은 QD-DNA 컨쥬게이트를 단지 검출하기만 한 반면 (공여체 및 수용체 형광 시그널의 합계에 대해 ms 당 50 카운트의 임계치가 백그라운드로부터 단일 분자 분출을 차별화하기 위해 사용되었음), 벌크 방법은 모든 QD-DNA 컨쥬게이트로부터의 시그널, 즉 밝고 희미한 시그널들을 측정하기 때문인 것으로 추정된다. 만일 본 발명자들이 밝은 QD에 대해 0.9의 양자 수율을 추정했었다면 약 5.6 nm의 Forster 거리를 얻었을 것이고 따라서 FRET 효율은 1:1 DNA/QD 컨쥬게이트에 대해 0.77이었을 것이며, 이것은 도 3f에 도시된 본 발명자들의 단일-분자 결과와 매우 일치한다. 이와 같이 본 발명자들은 2.0의 DNA : QD 비에서 단일-분자 (QD) 수준에서 거의 교반없이 QD와 염료-표지된 DNA 사이의 높은 FRET 효율을 달성하는 것이 가능함을 입증하였다.3C-3G depict FRET histograms at different DNA: QD ratios. All histograms show a single distribution of FRET efficiency with mean FRET increasing from 0.40 to 0.88 as the DNA: QD ratio increased from 0.25 to 2.0 (FIG. 3B). FRET efficiencies obtained from single-molecular studies were higher than bulk efficiencies, which means that the single molecule method only detects bright QD-DNA conjugates (threshold of 50 counts per ms for the sum of donor and acceptor fluorescence signals). Was used to differentiate single molecule ejections from the background), the bulk method is presumably because it measures signals from all QD-DNA conjugates, ie bright and faint signals. If we had estimated a quantum yield of 0.9 for bright QDs we would have obtained a Forster distance of about 5.6 nm and therefore the FRET efficiency would be 0.77 for 1: 1 DNA / QD conjugates, which is shown in FIG. 3F. Very consistent with our single-molecule results. Thus we demonstrated that it is possible to achieve high FRET efficiency between QD and dye-labeled DNA with little agitation at single-molecule (QD) level at a DNA: QD ratio of 2.0.
낮은 DNA : QD 비에서 관찰된 QD-DNA 컨쥬게이트의 응집은 QD 및 DNA 골격 사이의 상호작용에 기인하는 것일 수 있으며, FRET 연구에서 사용된 QD-생체분자 컨쥬게이트의 공통된 특징일 수도 있다 (상기 문헌: 2-4). 그러나, 단일-분자 방법에 의한 독립적인 분석 없이, 이러한 정보는 벌크 방법에 의해 제공된 전체-평균에 의해 사장될 것이다. 따라서, 단일-분자 방법은 샘플의 교반 상태를 검사하고 샘플 제조의 최적화를 안내하기 위한 손쉬운 방법을 제공한다.Aggregation of QD-DNA conjugates observed at low DNA: QD ratios may be due to interactions between the QD and DNA backbones, and may be a common feature of the QD-biomolecule conjugates used in FRET studies (see Literature: 2-4). However, without independent analysis by the single-molecular method, this information will be eliminated by the total-average provided by the bulk method. Thus, the single-molecule method provides an easy way to examine the agitation of the sample and to guide the optimization of sample preparation.
과잉의 MPA 제거 및 DNA : QD 비의 제어가 현저한 응집 없이 높은 FRET을 달성하기 위한 핵심임을 알아야 한다. 과잉의 결합되지 않은 MPA의 제거 이전에 MPA-QD에 DNA의 컨쥬게이션은 단지 수용체 당 약 2.6%의 낮은 FRET 효율을 생성하며, 여기서 명확한 전체 FRET은 DNA : QD 비와 더불어 선형으로 증가하며 (도 5a 내지 도 5c), 이는 결합되지 않은 MPA로부터 QD 결합에 대한 경쟁으로 인해 모든 DNA가 QD와 컨쥬게이션되지는 않기 때문인 것으로 추정된다. 단일-분자 연구를 통해 FRET 효율의 폭넓은 분포가 밝혀졌으며 (도 5c 참조), 가변수의 표지된 DNA 단일 QD에 부착할 수 있기 때문에 이는 샘플의 이질성을 반영한다 (상기 문헌: 5). 과잉의 결합되지 않은 MPA의 제거 후에, 더 높은 DNA : QD 비의 사용은 QD-DNA 컨쥬게이트 응집을 감소시키지만, 이것은 한계를 가지는 것으로 밝혀졌다. DNA : QD 비 (비표지된, 동일 서열)가 추가로 4로 증가하면, 현저한 표면 결함 방출에 의해 QD 형광의 극심한 감소가 수반되며 (도 6), 이는 QD 형광이 환경 및 이의 표면 리간드 코팅에 매우 민감하기 때문인 것으로 추정된다 (상기 문헌: 13). 도 6에서는 FRET 연구들에 사용되고 있는 표지된 것과 동일한 서열이지만 비-표지된 DNA를 사용하였으며, 두 스펙트럼 모두를 450 nm에서 여기된 1μM의 QD 농도에서 동일한 실험 조건하에서 기록하였다. 도 6을 통해 QD 형광이 4개의 DNA 분자와 컨쥬게이션되었을 때 현저하게 감소하였음이 명백하고, 표면 결점 방출 또한 명백히 관찰되었다.It should be understood that excess MPA removal and control of the DNA: QD ratio are key to achieving high FRET without significant aggregation. Conjugation of DNA to MPA-QD prior to removal of excess unbound MPA yields a low FRET efficiency of only about 2.6% per receptor, where the apparent overall FRET increases linearly with the DNA: QD ratio (FIG. 5a to 5c), presumably because not all DNA is conjugated with QD due to competition for QD binding from unbound MPA. Single-molecule studies have revealed a broad distribution of FRET efficiencies (see FIG. 5C) and reflect the heterogeneity of the sample because it can attach to variable labeled DNA single QDs (see above). After removal of excess unbound MPA, the use of higher DNA: QD ratios reduced QD-DNA conjugate aggregation, but this was found to be limited. If the DNA: QD ratio (unlabeled, identical sequence) is further increased to 4, significant surface defect emission is accompanied by a dramatic decrease in QD fluorescence (FIG. 6), which indicates that QD fluorescence is dependent upon the environment and its surface ligand coating. Presumably because it is very sensitive (see above). In FIG. 6 the same sequence as labeled but non-labeled DNA used in FRET studies was used and both spectra were recorded under the same experimental conditions at a QD concentration of 1 μM excited at 450 nm. 6 clearly shows that QD fluorescence is significantly reduced when conjugated with four DNA molecules, and surface defect emission is also clearly observed.
실시예Example
실시예 1: MPA-QD와 DNA의 커플링Example 1: Coupling of MPA-QD and DNA
3-메르캅토프로피온산 (99%, MPA), 테트라메틸알모늄 하이드록시드, 1M Tris·HCl 완충액 (pH 7.6), 고순도 NaCl (DNAnase 및 RNAnase 비함유), 메탄올, 클로로포름 및 다른 화학물질 및 시약들을 시그마-알드리치 (Sigma-Aldrich, Dorset, UK)에서 구입하였고 달리 기재하지 않는 한 본 발명에 이들을 사용하였다. 트리옥틸포스핀 옥시드 (TOPO) 캡핑된 (capped) CdSe/ZnS 코어/쉘 QD (TOPO-QD, 피크 방출 ~553 nm)의 톨루엔 용액을 에비던트 테크놀로지스 (Evident Technologies, New York, USA)에서 구입하였고 이것은 비극성 용매에서 가용성이고, 문헌상의 방법에 따라 MPA와 리간드 교환에 의해 수용성으로 만들었다 (상기 문헌: 15-16). 요약하면, TOPO-QD (5 mg/mL)의 톨루엔 용액 0.5 mL에 클로로포름 2 mL을 첨가하고, 여기에 메탄올 (30 mM, 테트라메틸알모늄 하이드록시드에 의해 ~10으로 pH 조정됨) 중의 MPA 2 mL을 적가하였다. 이 혼합물을 상온에서 30분 동안 교반시킨 다음, 물 5 mL을 첨가하였다. 흔들어 혼합한 후에, 대부분의 QD는 수성층으로 이동되며, 이는 MPA 캡핑된 QD (MPA-QD)가 성공적으로 형성되었음을 말한다. 수성층을 유기층으로 부터 분리하였다. 수득된 MPA-QD를 티올화된 DNA에 직접적으로 커플링시키거나 유리 MPA 리간드를 제거한 후에 DNA에 커플링시켰다.3-mercaptopropionic acid (99%, MPA), tetramethylalmonium hydroxide, 1M TrisHCl buffer (pH 7.6), high purity NaCl (without DNAnase and RNAnase), methanol, chloroform and other chemicals and reagents Purchased from Sigma-Aldrich, Dorset, UK and used in the present invention unless otherwise noted. Toluene solution of trioctylphosphine oxide (TOPO) capped CdSe / ZnS core / shell QD (TOPO-QD, peak emission ˜553 nm) is purchased from Evident Technologies, New York, USA It was soluble in nonpolar solvents and made water soluble by ligand exchange with MPA according to literature methods (see supra: 15-16). In summary, 2 mL of chloroform is added to 0.5 mL of toluene solution of TOPO-QD (5 mg / mL), which is MPA in methanol (30 mM, pH adjusted to ˜10 by tetramethylalmonium hydroxide). 2 mL was added dropwise. The mixture was stirred at room temperature for 30 minutes and then 5 mL of water was added. After shaking and mixing, most of the QD is transferred to the aqueous layer, which indicates that MPA capped QD (MPA-QD) has been successfully formed. The aqueous layer was separated from the organic layer. The obtained MPA-QD was directly coupled to thiolated DNA or coupled to DNA after removal of the free MPA ligand.
실시예 2: MPA-QD로부터 유리 MPA의 제거Example 2: Removal of Free MPA from MPA-QD
상기 실시예 1에서 수득한 수상 (aqueous phase)의 부피를 회전식 증발기에서 감압하에 ~0.2 mL로 감소시킨 다음, 5 mL 에탄올을 가하여 MPA-QD를 침전시켰다. 수득된 용액을 14,000 rpm에서 20분 동안 원심분리하였다. 원심분리 튜브 상단의 맑은 용액 (UV 조사시 비-형광)을 버리고, 튜브 바닥의 적색 펠렛 (pellet)을 수집하였다. 펠렛을 세척하고, 초음파처리하고, 14,000 rpm에서 20분 동안 2회 원심분리하여 과잉의 결합되지 않은 MPA를 제거하였다 (MPA는 에탄올에 가용성임). 수득한 MPA-QD 펠렛을 최종적으로 MilliQ 워터에 용해시키고, 초음파처리한 다음, 4℃에 보관하였다. MPA-QD는 이러한 저장 조건하에서 매우 안정적이며 3개월 동안 형광 성질에서 변화가 관찰되지 않았다.The volume of the aqueous phase obtained in Example 1 was reduced to -0.2 mL under reduced pressure in a rotary evaporator, and then 5 mL ethanol was added to precipitate MPA-QD. The resulting solution was centrifuged at 14,000 rpm for 20 minutes. The clear solution on top of the centrifuge tube (non-fluorescent upon UV irradiation) was discarded and the red pellet at the bottom of the tube was collected. The pellet was washed, sonicated and centrifuged twice at 14,000 rpm for 20 minutes to remove excess unbound MPA (MPA is soluble in ethanol). The obtained MPA-QD pellets were finally dissolved in MilliQ water, sonicated and stored at 4 ° C. MPA-QD is very stable under these storage conditions and no change in fluorescence properties was observed for 3 months.
이중으로 HPLC 정제된 단일-나선 (ss) DNA를 IBA GmbH (Gottingen, Germany)로부터 구입하였다. Tris 완충액 (10 mM Tris.HCl, 100 mM NaCl, pH 7.6)중에 1:1 몰 비 (molar ratio)로 2개의 상보적 가닥의 혼합 용액을 90°로 가열함으로써 혼성화된 이중-나선 (ds) DNA를 제조한 다음, 2시간에 걸쳐 실온으로 서서히 냉각시켰다 (상기 문헌: 17). 듀플렉스 (duplex) DNA의 서열은 다음과 같다:Dual HPLC purified single-helix (ss) DNA was purchased from IBA GmbH (Gottingen, Germany). Hybridized double-helix (ds) DNA by heating a mixed solution of two complementary strands at 90 ° in a 1: 1 molar ratio in Tris buffer (10 mM Tris.HCl, 100 mM NaCl, pH 7.6) Was prepared and then slowly cooled to room temperature over 2 hours (see supra: 17). The sequence of duplex DNA is as follows:
HSC6H12-5'-CAT AAA AGA GCT CCA TAT CCA ACC TGC ACG-3'HSC 6 H 12 -5'-CAT AAA AGA GCT CCA TAT CCA ACC TGC ACG-3 '
3'-GTA TTT T CT CGA GGT ATA GGT TGG ACG TGC-5'3'-GTA TTT T CT CGA GGT ATA GGT TGG ACG TGC-5 '
여기서, 염기 T 는 Alexa 594 플루오로포어 (fluorophore)로 표지됨.Wherein the base T is labeled with
실시예 3: QD-DNA 컨쥬게이트의 제조Example 3: Preparation of QD-DNA Conjugate
문헌상의 방법에 따라 DNA를 QD에 컨쥬게이션시켰다 (상기 문헌: 18). 요약하면, MPA-캡핑된 QD 용액 (50 ㎕, 6.8 μM)에 일정량의 듀플렉스 DNA를 첨가하여 미리 조절한 DNA 대 QD 몰 비를 수득하였다. 혼합한 후에, 용액을 4℃ 냉장고에 2일 동안 보관하였다. 그런 다음 계산된 양의 10x Tris 완충액 (0.1 M Tris·HCl, 1 M NaCl, pH 7.6)을 첨가하여 1x Tris 완충액 (10 mM Tris·HCl, 0.1 M NaCl, pH 7.6)의 최종 완충액 농도를 수득하였다. 이 용액을 혼합하고 4℃에서 추가 2일 동안 보관하여 DNA와 QD의 효율적인 컨쥬게이션이 가능하도록 했다. 그런 다음 1 mL 에탄올을 각 샘플에 첨가하여 QD-DNA 컨쥬게이트를 침전시켰다. 수득된 용액을 14,000 rpm에서 20분 동안 원심분리하고, 무색이고 UV 램프 조사시 비-형광인 맑은 용액을 제거하였다. 이는 DNA 뿐만 아니라 QD가 샘플로부터 제거되지 않았으며, DNA와 QD의 컨쥬게이션 효율이 거의 단일함을 의미한다. 그런 다음 50 ㎕ 1x Tris 완충액을 각 샘플에 첨가하여 펠렛을 용해시켰다. 초음파 처리 후, 1 mL의 에탄올을 첨가하였고, 이 용액을 14,000 rpm에서 20분 동안 추가로 원심분리하였다. 수득된 펠렛을 1x Tris 완충액에 용해시켜 측정을 위해 바람직한 농도로 만들었다.DNA was conjugated to QD according to literature methods (see above: 18). In summary, an amount of duplex DNA was added to the MPA-capped QD solution (50 μl, 6.8 μM) to obtain a pre-controlled DNA to QD molar ratio. After mixing, the solution was stored for 2 days in a 4 ° C. refrigerator. A calculated amount of 10 × Tris buffer (0.1 M Tris.HCl, 1 M NaCl, pH 7.6) was then added to give a final buffer concentration of 1 × Tris buffer (10 mM Tris.HCl, 0.1 M NaCl, pH 7.6). . The solution was mixed and stored at 4 ° C. for an additional 2 days to allow efficient conjugation of DNA and QD. 1 mL ethanol was then added to each sample to precipitate the QD-DNA conjugate. The resulting solution was centrifuged at 14,000 rpm for 20 minutes and the clear solution was colorless and non-fluorescent upon UV lamp irradiation. This means that not only DNA but also QDs were not removed from the sample, and the conjugation efficiency of DNA and QDs was nearly single. Then 50
실시예 4: UV-Vis 스펙트럼Example 4: UV-Vis Spectrum
QD-DNA 컨쥬게이트의 흡수 스펙트럼을 Cary 300 Bio UV-vis 스펙트로포토미터 (Varian Inc., CA, USA)에서 측정하였다. 2 nm의 슬릿 (slit) 폭으로 스캔 속도 600 nm/분으로 360-800 nm의 스펙트럼 범위를 기록하였다. 스펙트럼 백그라운 드 (background)를 동일한 큐벳을 이용한 블랭크 (blank) 1x Tris 완충액을 사용하여 보정하였다.Absorption spectra of the QD-DNA conjugates were measured on a
실시예 5: 형광 스펙트럼Example 5: Fluorescence Spectrum
모든 형광 스펙트럼을 Aminco-Bowman Series 2 Luminescence 스펙트로미터 (Sim-Aminco Spectronic Instruments Inc, Rochester, NY)에서 기록하였다. 방출 스펙트럼 (500-800 nm 범위)을 2 nm/s의 스캔 속도로 450 nm의 고정된 여기 파장하에서 기록하였다. 4 nm의 여기 및 방출 대역폭을 사용하였다. DNA가 Alexa 594 플루오로포어로 표지된 QD-DNA 컨쥬게이트에 대해, 형광 스펙트럼을 참조로서 염료-표지된 DNA를 사용함으로써 염료의 직접적인 여기로부터 보정하였다. QD의 양자 수율을 참조로서 에탄올 중의 로다민-6G (Rhodamine-6G) (480 nm 여기 하에서 95%)를 사용함으로써 측정하였다. 사용된 QD 및 로다민-6G 용액의 광학 밀도는 480 nm에서 0.05였다. QD-DNA 컨쥬게이트에서 QD의 형광 양자 수율이 DNA 대 QD 비에 의존적이기 때문에, 대략적인 FRET 효율을 공여체 소멸 방법을 사용하기 보다는 E = I A /(I A + I D )를 사용하여 추정하였으며, 여기서 I D 및 I A 는 각각 공여체 및 수용체 형광 강도이다.All fluorescence spectra were recorded on an Aminco-
실시예 6: AFM (Atomic force microscopy)Example 6: Atomic force microscopy
새롭게 제조된 울트라-평면 TSG (template stripped gold) 표면을 기판으로서 사용하였다 (상기 문헌: 19). 먼저, 6-메르캅토헥실-N-피리디니움 브로마이드 (MHP·Br)의 양전하화된 자기-조립 단분자막을 TSG 표면 상에 코팅하여 음전하화된 QD-DNA 컨쥬게이트의 효과적인 고정화가 가능하도록 했다. 그런 다음 5 ㎕의 QD-DNA 컨쥬게이트를 TSG 표면에 적용하고 1시간 동안 방치하였다. 표면을 MilliQ 워터로 전체적으로 린싱 (rinsing)하고 이미지가 찍히기 전에 N2를 사용하여 바람으로 건조시켰다.Freshly prepared ultra-planar template stripped gold (TSG) surfaces were used as substrates (19 supra). First, a positively charged self-assembled monolayer of 6-mercaptohexyl- N -pyridinium bromide (MHP.Br) was coated on the TSG surface to enable effective immobilization of negatively charged QD-DNA conjugates. 5 μl of QD-DNA conjugate was then applied to the TSG surface and left for 1 hour. The surface was rinsed entirely with MilliQ water and air dried using N 2 before the image was taken.
모든 AFM 실험을 디지털 장비, 즉 0.8-1 Hz의 스캔 속도로 24 ± 1 ℃에서 탭핑 모드 (tapping mode)로 Nanoscope IV 컨트롤러를 갖춘 Dimension 3100 AFM (Veeco, Santa Babara, CA) 상에서 수행하였다. 울트라-샤프 MikroMasch 실리콘 컨틸레버 (cantilever) (NSC15 시리즈, 125 ㎛ 길이, 팁 (tip) 반지름 < 10 nm, 스프링 상수 ~40 N/m, 공진 주파수 ~300 KHz)를 사용하였다. 위상 이미지 (topographic images)는 형상의 팁 압축의 효과를 최소화시키기 위해 안정한 이미지를 수득하기에 충분한 광 탭핑 하에 찍었다. 모든 이미지들을 이미지 당 512 x 512 픽셀로 캡춰하였고 일 순위 평판화를 사용하여 Nanoscope 이미지 분석 소프트웨어 (version 5.12r3)를 사용하여 분석하였다 (상기 문헌: 19)All AFM experiments were performed on a digital instrument, Dimension 3100 AFM (Veeco, Santa Babara, CA) with Nanoscope IV controller in tapping mode at 24 ± 1 ° C. with a scan rate of 0.8-1 Hz. Ultra-Sharp MikroMasch silicon cantilever (NSC15 series, 125 μm length, tip radius <10 nm, spring constant ˜40 N / m, resonant frequency ˜300 KHz) was used. Topographic images were taken under light tapping sufficient to obtain a stable image to minimize the effect of tip compression of the shape. All images were captured at 512 x 512 pixels per image and analyzed using Nanoscope image analysis software (version 5.12r3) using first-class flattening (see above, 19).
실시예 7: 단일-분자 FRET 측정Example 7: Single-molecule FRET Measurement
홈-빌트 (home-built) 듀얼-채널 공초점 형광 현미경을 사용하여 자유-확산하는 단일 분자들을 검출하였다 (상기 문헌: 20, 21). QD 공여체를 488 nm에서 20 ㎼를 사용하여 아르곤 이온 레이져 (Model 35LAP321-230, Melles Griot)에 의해 여기시켰다. QD-DNA 컨쥬게이트가 레이져 초점을 통해 확산함에 따라 공여체 및 수용체 형광을 동시에 수집하였다. 여기서, 녹색 및 적색 형광 분출이 동시에 일어 났으며, 유침 대물렌즈 (Apochromat x60, NA1.45, Nikon)을 사용하였고, 이색성 거울 (585DRLP, Omega Optical)에 의해 분리되었고, 장파통과 필터 및 대역 필터 (공여체 채널에 대해 510ALP 및 545AF75, 및 수용체 채널에 대해 560ALP 및 645AF75, 모든 필터는 Omega Optical에서 구입함)로 필터링하였으며, 2개의 광자-카운팅 모듈 (SPCM-AQR14, Perkin Elmer)에 의해 개별적으로 검출하였다. 2개의 검출기의 결과를 2개의 컴퓨터-수행 다-채널 스칼라 카드 (MCS-PCI, EG&G)에 의해 기록하였다. DNA/QD 컨쥬게이트에서 1 nM QDs의 샘플 용액을 사용하여 단일-분자 검출을 달성하였다. 이 농도는 전형적으로 필요한 농도보다 훨씬 높았는데 그 이유는 DNA/QD 컨쥬게이트에서 대부분의 QDs가 어두운 상태이기 때문이다 (MPA-QD의 양자 수율은 ~15%). 모든 샘플을 0.01% Tween 20을 함유하는 Tris 완충액 (10 mM Tris, 100 mM NaCl, pH 7.6)중에 희석하여 표면 흡수를 감소시켰다. 공여체 및 수용체 형광 시그널의 합에 대한 ms 당 50 카운트의 임계값을 사용하여 백그라운드로부터 단일 분자 분출을 차별화하였다. 완충 용액으로부터의 백그라운드, 직접적인 여기 및 공여체로부터 수용체로의 시그널 혼선을 적당한 상응하는 대조 샘플을 사용하여 측정하고 이들을 형광 분출로부터 감하였다. 각 분출의 FRET 효율, E, 를 E = n A /(n A + γn D )에 따라 계산하였다. 여기서, n A 및 n D 는 각각 수용체 및 공여체 카운트이다. γ = (φAηA)/(φDηD)는 공여체 및 수용체의 양자 수율, φA 및 φD, 및 수용체 및 공여체에 대한 검출 효율, ηA 및 ηD에서의 차이를 각각 나타내는 인자이다. 벌크 측정에서 검출 효율의 비 ηA/ηD = 1 이고 양자점 (quantum dot) φD의 양자 수율은 DNA/QD 비와 더불어 변하는 것이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명자들은 γ = 1이고 단지 대략적인 FRET 효율이 수득될 수 있다고 추정하였다.Home-built dual-channel confocal fluorescence microscopy was used to detect single-diffusing molecules (20, 21, supra). QD donors were excited by argon ion laser (Model 35LAP321-230, Melles Griot) using 20 Hz at 488 nm. Donor and receptor fluorescence was collected simultaneously as the QD-DNA conjugate diffused through the laser focal point. Here, green and red fluorescence eruptions occurred simultaneously, using an immersion objective lens (Apochromat x60, NA1.45, Nikon), separated by a dichroic mirror (585DRLP, Omega Optical), long pass filter and band pass filter (510ALP and 545AF75 for donor channels and 560ALP and 645AF75 for acceptor channels, all filters purchased from Omega Optical) and individually detected by two photon-counting modules (SPCM-AQR14, Perkin Elmer) It was. The results of the two detectors were recorded by two computer- performed multi-channel scalar cards (MCS-PCI, EG & G). Single-molecule detection was achieved using a sample solution of 1 nM QDs in the DNA / QD conjugate. This concentration is typically much higher than the required concentration because most of the QDs in the DNA / QD conjugate are dark (quantum yield of MPA-QD is ˜15%). All samples were diluted in Tris buffer (10 mM Tris, 100 mM NaCl, pH 7.6) containing 0.01% Tween 20 to reduce surface uptake. Thresholds of 50 counts per ms for the sum of donor and acceptor fluorescent signals were used to differentiate single molecule ejections from the background. Background, direct excitation from the buffer solution and signal crosstalk from the donor to the receptor were measured using appropriate corresponding control samples and subtracted from the fluorescence emission. The FRET efficiency, E , of each jet was calculated according to E = n A / ( n A + γ n D ). Where n A and n D are the acceptor and donor counts, respectively. γ = (φ A η A ) / (φ D η D ) is a factor indicating the quantum yield of donor and acceptor, φ A and φ D , and the detection efficiency for acceptor and donor, difference in η A and η D , respectively to be. In the bulk measurement it was found that the ratio η A / η D = 1 of the detection efficiency and the quantum yield of the quantum dot φ D change with the DNA / QD ratio. Thus, we estimated that γ = 1 and only approximate FRET efficiency could be obtained.
요약하면, 본 발명자들은 QD (공여체)에 염료-표지된 티올화된 DNA (수용체)의 직접적인 커플링이 공여체-수용체 거리를 감소시켜 고도의 향상된 FRET 효율을 유도함을 입증하였다. 적당한 FRET을 달성하기 위해 각각의 QD에 대해 수많은 수용체들이 필요한 QD-단백질 컨쥬게이트와는 달리, 본 발명자들은 고도로 효율적인 FRET (~88%)이 거의 응집 없이 단일-분자 수준에서 낮은 수용체 대 공여체 비 (즉, 2)에서 수득될 수 있음을 입증하였다. 이것은 민감한 FRET-기초한 센서를 제작하는데 특히 유용할 수 있으며, 여기서 수용체와의 단일 상호작용은 FRET 시그널에서 큰 변화를 생성할 수 있다. 이들 QD-DNA 컨쥬게이트는 또한 신규한 기능적 나노구조의 조립을 위해 유용한 제작 재료가 될 수 있으며 (상기 문헌: 14), 이러한 측면에서의 연구는 현재 진행중에 있다.In summary, the inventors have demonstrated that direct coupling of dye-labeled thiolated DNA (receptor) to QD (donor) reduces donor-receptor distance, leading to highly improved FRET efficiency. Unlike QD-protein conjugates, which require numerous receptors for each QD to achieve adequate FRET, we found that highly efficient FRET (~ 88%) had low receptor-to-donor ratios at the single-molecule level with little aggregation. That is, it can be obtained in 2). This can be particularly useful for making sensitive FRET-based sensors, where a single interaction with the receptor can produce large changes in the FRET signal. These QD-DNA conjugates can also be useful fabrication materials for the assembly of novel functional nanostructures (14, supra), and research in this respect is currently underway.
이상과 같이, 본 발명에 따른 신규한 FRET 시스템은 전체 평균화된 FRET 정보만을 제공하는 선행 기술들과 달리 매우 민감하고 고도로 효율적인 FRET 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 FRET 시스템은 단일-분자 수준에서 낮은 수용체 대 공여체 비에서도 효율이 뛰어나기 때문에 민감한 FRET-기초한 센서의 제작 뿐만 아니라 신규한 기능적 나노구조의 조립을 위한 유용한 제작 재료로서 사용될 수 있다.As described above, the novel FRET system according to the present invention provides a very sensitive and highly efficient FRET system, unlike the prior art which provides only the total averaged FRET information. The FRET system according to the present invention can be used as a useful fabrication material for the fabrication of novel functional nanostructures as well as for the fabrication of sensitive FRET-based sensors because of its high efficiency at low receptor-to-donor ratios at the single-molecule level.
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2005
- 2005-12-31 KR KR1020050136330A patent/KR100878980B1/en not_active IP Right Cessation
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