KR20100015429A

KR20100015429A - 마이크로 규모 ｔ-연결부를 이용한 생물분자의 전기영동 신장을 위한 시스템

Info

Publication number: KR20100015429A
Application number: KR1020097020995A
Authority: KR
Inventors: 패트릭 도일; 지앙 탕
Original assignee: 메사츄세츠 인스티튜트 어브 테크놀로지
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2010-02-12
Also published as: AU2008237428A1; WO2008124423A1; EP2156164A4; EP2156164A1; JP2010523121A; CA2682914A1; US20100072068A1

Abstract

생물분자(biomolecule)를 가두고 신장하기 위한 시스템(system). 마이크로유체 장치(microfluidic device)는 좁은 중심 영역(narrow center region)과 상기 중심 영역 외부에 3개의 넓은 부분(wider portion)에서 T-형 연결부(T-shaped junction)을 형성하는 대칭적 채널(symmetric channel)을 보유한다. 상기 연결부 내에서 정체점(stagnation point)을 보유하는 국소 평면 확장 필드(local planar extensional field)를 산출하기 위하여 T-형 연결부를 가로질러 전위(electric potential)를 발생시키는 최소한 하나의 전원 공급장치(power supply)가 제공되는데, 여기서 마이크로유체 장치 내로 도입된 생물분자는 상기 정체점에서 가둬지고 상기 확장 필드에 의해 신장된다.

생물분자(biomolecule)

Description

마이크로 규모 Ｔ-연결부를 이용한 생물분자의 전기영동 신장을 위한 시스템{System For Electrophoretic Stretching of Biomolecules Using Micro Scale T-junctions}

본 출원은 2007년 4월 5일 제출된 가출원 번호 60/910,335에 우선권을 주장하는데, 이의 내용은 본 명세서에 참조로서 편입된다.

본 발명은 NIEHS 계약 번호 P30 ES002109로부터 결과이다. 미국 정부는 본 발명에서 일정한 권리를 갖는다.

본 발명은 생물분자(biomolecule)를 신장하기 위한 시스템, 더욱 구체적으로, DNA 분자를 가두고 신장하기 위한 시스템에 관계한다.

생물고분자(biopolymer)를 가두고 신장하는 능력은 단일 분자 DNA 지도작성(mapping)⁽¹⁾에서부터 고분자 물리(polymer physics)의 기초 연구⁽²⁾까지 다양한 적용 분야에서 중요하다(위첨자 번호는 본 명세서에 첨부된 참고문헌을 지칭하는데, 이들 전체의 내용은 본 명세서에 참조로서 편입된다). 단일 DNA 분자를 가두고 신장하는데 광학(optical) 또는 자성(magnetic) 집게(tweezer)가 이용될 수 있긴 하지만, 이들은 DNA 말단의 특이적인 변형⁽³⁾에 의존한다. 대안으로, DNA의 한쪽 말단 은 고정된 상태로 유지될 수 있고, 상기 분자는 전기장(electric field)⁽⁴⁾ 또는 유체역학적 유동(hydrodynamic flow)⁽⁵⁾으로 신장될 수 있다. 구속되지 않고 유리 DNA는 분자를 부분적으로 신장하기 위하여 나노채널(nanochannel) 내로 기동될 수 있다^(6,7). 교차-슬롯 결합구조(cross-slot geometry)에서 산출된 유체역학적 평면 연장 흐름(hydrodynamic planar elongational flow)이 유리 DNA⁽⁸⁾을 신장하는데 이용되고 있긴 하지만, 분자를 오랜 기간 동안 정체점에 가두어두는 것은 용이하지 않다⁽⁹⁾. 유체 채널(fluidic channel)⁽¹⁰⁾ 내에 소형 영역에 분자를 제한하거나, 또는 분자를 부분적으로 신장하기 위하여 전기장이 이용되고 있는데, 그 이유는 이들이 장애물^(11-13)을 지나 컨트랙션(contraction)⁽¹⁴⁾ 내로 또는 교차-슬롯 장치(cross-slot device)⁽¹⁵⁾를 통하여 전기영동하기 때문이다. 이들 전기영동 장치(electrophoresis device)에서 부분적인 신장이 발생하는데, 그 이유는 상기 분자가 유한 체류 시간(finite residence time)을 갖기 때문이다⁽¹⁴⁾. 현재, DNA 또는 다른 하전된 생물분자를 가두고 신장하는 간편한 방법은 존재하지 않는다.

DNA는 물리적으로, 반굴곡성(semiflexible) 브라운 줄(Brownian string)을 따라서 분포된 일련의 전하로서 간주될 수 있다. 분자는 DNA의 길이 규모(length scale)에 따라 변하는 필드 기울기(field gradient)로 인하여 전기영동 방식으로 신장될 수 있다. DNA의 변형(deformation)은 전기장의 운동학(kinematics)의 상세 에 좌우될 것이다^(12,16). 전기장은 순전히 연장성(elongational)이라는 점에서, 매우 독특하다^(12,15,16).

이런 이유로, 본 발명의 목적은 전기장 기울기(electric field gradient)를 이용하여 생물분자를 가두고 신장할 수 있는 마이크로유체 장치(microfluidic device)를 제시하는 것이다.

본 발명의 요약

한 측면에서, 본 발명은 좁은 중심 영역(narrow center region)과 상기 중심 영역 외부에 3개의 넓은 부분(wider portion)에서 T-형 연결부(T-shaped junction)를 형성하는 대칭적 채널(symmetric channel)을 보유하는 마이크로유체 장치(microfluidic device)를 내포하는, 생물분자(biomolecule)를 가두고 신장하기 위한 시스템(system)이다. 최소한 하나의 전원 공급장치(power supply)는 상기 연결부 내에서 정체점(stagnation point)을 보유하는 국소 평면 확장 필드(local planar extensional field)를 산출하기 위하여 T-형 연결부를 가로질러 전위(electric potential)를 발생시킨다. 마이크로유체 장치 내로 도입된 생물분자, 예를 들면, DNA는 상기 정체점에서 가둬지고 상기 확장 필드에 의해 신장된다. 바람직한 구체예에서, 대칭적 연결부(symmetric junction)는 1개의 수직 지부(vertical arm)와 2개의 수평 지부(horizontal arm)를 보유하고, 이들 3개의 지부는 실질적으로 동일한 길이를 갖고, 수직 지부의 너비는 수평 지부의 너비의 대략 2배이다.

바람직한 구체예에서, 본 발명의 시스템은 정체점의 위치를 조정하기 위한 2개의 독립된 DC 전원 공급장치를 보유한다. 또한, 바람직하게는, 마이크로유체 장치의 중심 영역에서 모퉁이(corner)는 둥글게 만들어진다. 1개의 수직 지부와 2개의 수평 지부는 바람직하게는, 실질적으로 균일한 전기장(electric field)을 내포한다. 다른 바람직한 구체예에서, 확장 필드는 실질적으로 균질하다. 바람직한 구체예에서, 생물분자는 DNA, 예를 들면, T4 DNA이다. 또한, 바람직하게는, 전위는 0.5를 초과하는 데보라 수(Deborah number)를 갖는다.

도 1a는 본 발명의 구체예의 채널 결합구조(channel geometry)를 보여주는 골격도(schematic diagram)이다.

도 1b는 균일/연장 필드(uniform/elongational field)와 정체점의 위치를 보여주는, 본 발명의 구체예의 골격도이다.

도 1c는 T-연결부의 확대 보기(expanded view)를 보여주는 골격도이다.

도 1d는 본 발명의 구체예의 채널의 유사체로서 기능하는 회로도(circuit diagram)이다.

도 2a는 유한 요소 계산(finite element calculation)으로부터 유래된 T-연결부 영역 내에서 무한 전기장 강도(dimensionless electric field strength)를 보여주는 그래프이다.

도 2b는 궤도(trajectory)에 대한 무한 전기장 강도와 변형 속도(strain rate)를 보여주는 그래프이다.

도 3a는 정체점에 갇힌 T4 DNA 분자의 신장을 보여주는 현미경 사진(photomicrograph)이다.

도 3b는 T4 DNA 분자의 항정 상태 행태(steady state behavior)를 보여주는 현미경 사진이다.

도 3c는 T4 DNA의 평균 항정 상태 분수 확장(mean steady state fractional extension) vs. 데보라 수(Deborah number)를 예시하는 그래프이다.

도 4는 T-채널에서 λ-DNA 10-MER의 신장을 보여주는 현미경 사진이다.

도 5a는 필드 특성화(field characterization)를 위한 34 λ-DNA 전기영동의 궤도의 그래프이다.

도 5b는 균질한 확장 영역(extensional region)을 교차하는, 도 5a에 도시된 15개의 궤도에 대한 세미-로그(semi-log)

(t) 이력(trace)을 보여주는 그래프이다.

도 5c는 동일한 15개 궤도에 대한 세미-로그

(t) 이력을 보여주는 그래프이다.

도 6은 2 ㎛-높이 PDMS 채널에서 T4 DNA에 대한 제곱 평균 분수 확장(mean square fractional extension)을 보여주는 그래프이다.

도 7은 상이한 모퉁이-라운딩 방법(corner-rounding method)을 이용한 채널 결합구조를 보여주는 골격도이다.

도 8은 본 발명의 다른 구체예에 따른 완전 교차-슬롯 채널(full cross-slot channel)의 골격도이다.

도 9는 여분의 측면 주입부(side injection part)를 보유하는 본 발명의 구체예의 골격도이다.

도 10은 동전기 집중부(electrokinetic focusing part)를 보유하는 본 발명의 다른 구체예의 골격도이다.

바람직한 구체예의 설명

본 발명에서는 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 중심 부분과 그 외부에 3개의 동일한 넓은 부분(14, 16과 18)에서 좁은 T-형 부분(12)을 포함하는 대칭적 채널(10) 내에서 DNA 분자의 신장(stretching)을 조사하였다. T-연결부의 수직 부분과 수평 부분은 동일한 길이(l2)를 갖는 반면, 수직 부분의 너비는 수평 부분의 너비의 2배이다: w ₂ = 2w ₃. 따라서 T-연결부는 교차-슬롯 채널의 절반에 해당한다. 이러한 조사에 이용된 치수는 l ₁ = 1 ㎜, l ₂ = 3 ㎜, w ₁ = 80 ㎛, w ₂ = 40 ㎛, 그리고 w ₃ = 20 ㎛이었다. 국소 전기장 강도 극대를 억제하기 위하여, T-연결부(12)의 2개의 모퉁이(20과 22)는 반지름(radius) R = 5 ㎛를 갖는 아크(arc)를 이용하여 둥글게 만들었다(도 1(c)). 대칭적 전위(symmetric potential)가 도 1(b)에 도시된 바와 동일한 방식으로 채널(10)에 적용되면, 정체점(24)을 보유하는 국소 평면 연장 전기장(local planar elongational electric field)이 3개의 일직선 지부(straight arm) 내에 T-연결부(12)와 균일 필드(uniform field) 내에서 획득될 수 있다. 본 발명에서는 균일 영역 1과 균일 영역 2에서 각각 획득된 균일한 전기장을 나타내기 위하여 E1과 E2를 이용한다.

l ₁, l ₂>> w ₃이기 때문에, 이러한 채널을 유사하는데 도 1(d)에 도시된 바와 같은 간단한 회로(26)가 이용될 수 있다. 중심 T-연결부 영역(12)은 무시되고, 상기 채널의 각 일직선 부분(straight part)은 l/w에 비례하는 저항력(resistance)을 갖는 저항기(resistor)로 대표된다. 도 1(d)에 표시된 각 지점에서 전위는 분석적으로 해결될 수 있다. 균일 영역 1과 2에서 결과의 필드 강도(field strength)는

에 의해 제공된다.

결과적으로, T-연결부(12)에서 확장 필드는 거의 균질하다. 전기영동 변형 속도(electrophoretic strain rate)는 대략,

≒ μ|E ₁|w ₃에 의해 제공되는데, 여기서 μ는 전기영동 이동성(electrophoretic mobility)이다. 나머지 분석을 위하여, 이들 변수는 무-차원화(non-dimensionalization)된다:

도 2(a)에서는 T-연결부(12)의 주변 영역에서 무한 전기장 강도

의 유한 요소 계산을 도시한다. 채널 벽(channel wall)에 대하여 절연 경계 조 건(insulating boundary condition)이 가정된다. 흰색 선은 전기장 선이다. 모퉁이가 둥글게 되긴 했지만, 이들 모퉁이에서 필드 강도(field strength)의 소형 국소 극대가 여전히 존재한다. 도 2(b)에서는 연결부(12)에서 무한 전기장 강도와 변형 속도를 도시한다. 대칭성(symmetry)으로 인하여,

= 0과

= 0 상에서 데이터는 부분적으로 겹친다. 단부 효과(end effect)가 전혀 없는 이상적인 T 채널에 대한 전기장과 변형 속도는 점선(dotted line)으로 표시된다. 입구(또는 출구) 영역은 T-연결부의 입구(또는 출구)에 앞서 길이 w ₃의 대략 30%에서 시작하고, 균일한 일직선 영역(straight region) 내로 w ₃의 전장(full length)을 확장한다. T-연결부(12) 내에, 균질한 연장 필드가 존재하지만, 변형 속도는 입구/출구 효과(entrance/exit effect)로 인하여 ≒ 0.74μ|E ₁|/w ₃이다. 이러한 필드 운동학(field kinematics)은 입자 트래킹(particle tracking)⁽¹⁷⁾을 이용하여 실험적으로 검증하였다.

본 발명에서는 2 ㎛-높이 PDMS(polydimethylsiloxane) 마이크로채널을 구성하기 위하여 소프트 식각(soft lithography)⁽¹⁸⁾을 이용한다. T4 DNA(165.6 킬로염기쌍(kilobasepair), Nippon Gene)와 λ-DNA 콘카터머(concatemer)(말단-말단 결찰(end-to-end ligation)로부터 48.5 킬로염기쌍의 정수 배(integer multiple), New England Biolabs)가 본 연구에 이용되었다. DNA는 4:1 bp:염료 분자에서 YOYO-1(Molecular Probes)로 염색하고, 4 vol % β-머캡토에탄올(mercaptoethanol)을 내포하는 5 x TBE(0.45 M Tris-붕산염, 10 mM EDTA)에서 희석하였다. 염색된 윤곽 길 이(contour length)는 T4 DNA의 경우에 70 ㎛이고, λ-DNA 콘카터머의 경우에 21 ㎛의 정수 배(integer multiple)이었다. 2개의 바닥 전극(bottom electrode)은 2개의 독립된 DC 전원 공급장치에 연결하고, 톱 전극(top electrode)은 지면에 위치시켰다. 분자는 형광 비디오 검경(fluorescent video microscopy)⁽¹³⁾을 이용하여 관찰하였다.

전형적인 실험에서, 먼저, 대칭적 전위(symmetric potential)를 가하여 DNA 분자를 T-연결부 영역 내로 전기영동 방식으로 몰아넣고, 이후 국소 확장 필드의 정체점에서 목적 분자를 가두었다(도 3(a)). 2개의 전원 공급장치의 적용으로, 2개의 전위를 개별적으로 조정하고, 따라서 정체점의 위치를 자유롭게 이동시킬 수 있었다. 이와 같은 정체점 제어 능력으로 인하여, 초기에 정체점을 향하여 이동하지 않았음에도 불구하고 임의의 DNA 분자를 시야각(field of view) 내에 가둘 수 있었다. 게다가, 갇힌 분자의 동요(fluctuation)를 극복할 수 있었다. 가령, 갇힌 DNA가 오른쪽 저장소(reservoir)를 향하여 표류하기 시작하면, 왼쪽 저장소에 가해지는 전위가 증가될 수 있고, 따라서 정체점의 위치가 표류 분자의 방향을 반전시킬 것이다(도 3(b)).

도 3에서 T4-DNA는 ≒ 50 ㎛의 극대 신장(maximum stretch)을 갖고, 균질한 전기영동 연장(electrophoretic elongation)이 산출되는 T-연결부 내에 영역을 약간 초과하여 확장한다. 이러한 영역 내에서 신장의 정도를 결정하는 무한 그룹(dimensionless group)은 데보라 수 De =

인데, 여기서

는 DNA의 최장 이완 시간(relaxation time)(1.3 ± 0.2s인 것으로 측정됨⁽¹⁷⁾)이다. 도 3(c)에서, 유체역학적 유동⁽⁸⁾에서 관찰된 것과 유사하게, De > 0.5이면 강한 신장이 발생함을 확인할 수 있다. 도 3(c)에서 각 포인트는 15개 내지 30개 분자의 평균을 나타낸다.

그 다음, 2 x w ₃(40 ㎛)보다 훨씬 높은 윤곽 길이를 갖는 분자의 신장을 시도하였다. 도 4에서는 210 ㎛의 윤곽 길이를 갖는 λ-DNA의 콘카터머(10-mer, 485 킬로염기쌍)의 신장을 도시한다. 상기 분자는 T-연결부로 들어갈 때, 나선(gyration)의 평균 반지름(mean radius) ≒ 2.7 ㎛⁽¹⁹⁾을 갖는 꼬인 상태(coiled state)로 존재한다. 초기에, 신장은 작은 코일 크기로 인하여 De에 의해 지배된다. 하지만, DNA의 지부가 불변 전기장(constant electric field)의 영역 내로 확장하기 시작함에 따라서, 상이한 기전에 기인한 신장이 발생한다. 신장 길이(stretched length) >> 2 × w ₃인 경우에, 사슬은 균질한 전기장 내에서 일단의 대칭적으로 구속된 사슬(tethered chain)(윤곽 길이가 본래 사슬의 윤곽 길이의 절반이다)과 유사하다. 신장이 여전히 발생하긴 하지만, 이 경우에 Pe = μEl _p /D_1/2에 의해 지배되는데, 여기서 μ는 전기영동 이동성(1.35 ± 0.14 x 10^-4 ㎠/(sV))이고, l _p는 지속성 길이(persistence length)(≒ 53 nm)이고, D_1/2은 윤곽 길이가 본래 사슬의 윤곽 길이의 절반인 사슬의 확산(diffusivity)(상기 10-mer의 경우에 ≒ 0.062 ㎛²/s⁽¹⁹⁾) 이다. 도 4에서 분자는 전체 윤곽 길이의 94%인 최종 항정 상태 확장에 도달한다.

T-연결부에서 산출된 전기장은 DNA가 확연하게 변형되지 않는 조건 하에 DNA 집단의 중심을 추적함으로써 검증하였다. λ-DNA(48.5 kbp)가 선택되었는데, 그 이유는 상기 DNA가 추적이 용이할 만큼 충분히 크지만, 하기에 이용된 조건에서 확연하게 변형되지 않을 만큼 충분히 작기 때문이다. 추적은 가해진 전기장 |E ₁| = |E ₂| = 30 V/㎝에서 수행되었다. 34개의 λ-DNA 분자의 집단 위치(mass position)의 중심은 NIH 소프트웨어를 이용하여 추적하였다. 도 5(a)에서는 T-연결부 부근에서 이들 분자의 궤도를 도시한다. 먼저, 이들 2개의 균일 영역에서 전체 평균 전기영동 속도(ensemble average electrophoretic velocity)는

μ|E ₁|

= 40 ± 4 ㎛/s인 것으로 결정되었다. 이후, λ-DNA의 전기영동 이동성은 μ = 1.35 ± 0.14 x 10^-4 ㎠/(sV)인 것으로 결정될 수 있다. 이러한 유한 요소 계산의 결과에 따르면, 확장 영역에서 변형 속도는

≒ 0.74

μ|E ₁|

/w ₃ = 1.48 ± 0.15s^-1이다. 실험 완충액(experimental buffer)(4 vol % β-머캡토에탄올을 내포하는 5 x TBE, 점성도(viscosity) η = 1.3 cP) 내에서 λ-DNA의 이완 시간은

= 0.19s인 것으로 이미 측정되었다⁽²⁰⁾. 이런 이유로, λ-DNA에 대한 데보라 수는 0.5보다 작은 De =

= 0.3이다. 따라서 λ-DNA는 확장 필드에서 현저하게 변형되지 않고, 추적자(tracer)로서 기능하는데 충분하였다.

실험적으로 관찰가능한 변형 속도는 상기 데이터로부터 독립적으로 도출되었다. 확장 필드를 경험한 15개의 분자를 선택하고, 균질한 확장 영역 내에 위치하는 이들의 궤도 부분을 잘라내고,

(t)와

(t) 데이터를 각각, 지수 함수(exponential function)

(t) =

(0) exp(

_obs t)와

(t) =

(0) exp(-

_obs t)에 맞추었다. 이러한 유한 요소 계산의 결과에 기초하여, |

|와

둘 모두 맞춤(fitting)을 위하여 [0, 0.8] 범위 내에 있는 궤도 부분만을 선택하였다. 도 5에서는 유자격 DNA 궤도를 표시하는 열린 원(open circle)과 맞춤에 이용되는 부분을 표시하는 닫힌 원(filled circle)을 이용한 맞춤의 실례를 도시하였다. 맞춤된 전체 평균 변형 속도는 1.48 ± 0.4s^-1의 예측된 수치에 필적하는,

_obs

= 1.49 ± 0.4s^-1이었다. 이러한 결과는 T-연결부 내에서 필드가 거의 균질하고, 크기(magnitude)가 예측과 정량적으로 일치한다는 것을 증명한다. 도 5(b)와 (c)는 15개 궤도의

와

데이터의 세미-로그 플롯(semi-log plot)을 도시한다. 짙은 흑색 선은

= 1.49s^-1을 이용한 어파인 스케일링(affine scaling)이다.

실험 완충액과 2 ㎛-높이 T 채널 내에서 T4 DNA의 이완 시간은 정체점에서 상기 DNA를 전기영동 방식으로 신장하고, 필드를 턴 오프(turn off)하고, 이들 이완 분자에 대한 확장 x _ex(t)를 추적함으로써 실험적으로 결정하였다. 이러한 확장 데이터는 선형력 체제(linear force regime)에서 함수

에 맞추었는데, 여기서 x _i 는 최초 신장(선형 체제(linear regime)의 경우에 대략 30% 확장됨)이고,

는 2 ㎛-높이 채널에서 21 ㎛²인 것으로 측정된 평형(equilibrium)에서 제곱 평균 코일 크기에 해당한다. 도 6에서는 16개의 T4 DNA 분자에 대한 제곱 평균 분수 확장

데이터(선)와 전체 평균(기호)을 도시한다. 결과의 이완 시간은

= 1.3 ± 0.2s이다.

본 발명의 다른 구체예는 도 7-10에 관련하여 기술될 것이다. 먼저, 도 7을 참조하면, 채널(10)은 연장 필드에서 균일한 필드로 상이한 유형의 전이(transition)를 결과하는 다양한 만곡(curve)을 이용하여 둥글게 만들어진 모퉁이(20과 22)를 보유한다. 가령, 결과의 채널이 영역 -l ≤ x ≤ l과 0 ≤ y ≤ l 내에서 균질한 연장 전기장(elongational electric field) 제공하도록 하기 위하여, 쌍곡선 함수(hyperbolic function) xy = lw/2(w와 l은 상기 도면에 도시된다)가 모퉁이를 둥글게 만드는데 이용될 수 있다. 이러한 필드 전이(field transition)는 즉각적이고, 이러한 유형의 T 채널에서 입구 효과(entrance effect) 가 거의 완전하게 억제된다. 2l 이하의 윤곽 길이를 갖는 DNA의 신장은 순전히, 데보라 수 De에 의해 지배된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 완전 교차-슬롯 채널(10)(앞서 언급된 T 채널은 교차-슬롯 채널의 절반으로 가정될 수 있다) 역시 생물분자 가둠(trapping)과 조작(manipulation)에 이용될 수 있다. 4개의 일직선 지부(straight arm)는 동일한 너비(width)와 길이(length)를 갖고, 모퉁이는 T 채널에서와 동일한 방식으로 둥글게 만들 수 있다. 가둠은 정체점이 연결부 영역(junction region)의 중심에 위치하는 국소 평면 연장 전기장에 여전히 의존한다. 이러한 교차-슬롯 장치(cross-slot device)의 작동 원리(operating principle)는 앞서 기술된 T 채널 구체예의 작동 원리와 동일하다.

도 9에서는 T 채널이 여분의 측면 주입부를 보유하는 본 발명의 구체예를 예시한다. T 채널의 톱 지부(top arm)에서 이런 변형은 더욱 잠재적인 생물학적 적용을 가능하게 할 것이다. DNA 분자(또는 다른 생물분자)가 정체점에서 가둬질 때, 다른 생물학적 분자(가령, 단백질)가 이들 주입 채널을 통하여 연결부 내로 보내질 수 있도록 하기 위하여, 1개(또는 그 이상)의 측면 주입 채널(side injection channel)이 추가될 수 있다. 결과적으로, 복수 분자 사이에 상호작용이 가시화되고 조사될 수 있다. 도 9에서는 1개의 주입 채널이 추가된 T 채널을 도시한다. DNA 분자는 말단 A로부터 적하되고, 연결부 내로 전기영동 방식으로 하향 기동되고, 신장된다. 이후, 다른 목적 분자가 말단 B로부터 주입될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예는 도 10에 도시된다. 동일한 길이와 너비를 갖는 2개의 집중 채널(40과 42)이 T 연결부의 상류에 추가된다. 대칭적 전위가 가해질 때, 이들 2개의 채널(40과 42)은 DNA를 톱 지부의 중심선 내로 집중시키는데 도움을 준다. 결과적으로, 연결부로 들어가는 대부분의 DNA 분자는 정체점을 향하여 일직선으로 이동하고, 따라서 용이하게 가둬지고 신장될 수 있다. 이들 2개의 집중 채널(40과 42)은 이러한 가둠 공정에 요구되는 통제량(amount of controlling)을 감소시킨다. 이러한 유형의 T 채널은 도 10에 도시된 바와 같이, 분자가 연결부 내로 공급되고, 가둬지고, 신장되고, 하나씩 방출되는 연속 공정(continuous process)을 수행하는 잠재력을 갖는다.

본 발명의 DNA 가둠과 신장 장치는 다른 방법에 비하여 여러 이점을 갖는다. 전기장을 훨씬 용이하게 가하고 통제할 수 있으며, 이들의 연결이 마이크로/나노 채널 내에서 유체역학적 필드(hydrodynamic field)보다 작은 지연 시간(lag time)을 갖는다. 더 나아가, 전기장의 순전한 연장 운동학(elongational kinematics)은 분자 신장(molecular stretching)에 유리하다. 이들 필드 경계 조건(field boundary condition)은 또한, 정체점을 조정함으로써 균질한 연장 영역을 산출하기 위한 단지 3개의 연결 채널(connecting channel)의 이용과 분자의 간단한 포획(capture)을 가능하게 한다. 신장은 T-연결부에 걸쳐있고 마주보는 필드(opposing field)에 의한 지부 상에서 줄다리기(tug-of-war)에 반응을 보이는 분자로 인하여, 연장 영역을 초과하여 발생할 수도 있다. 이러한 설계는 나노채널(nanochannel)과 비교하여 매우 간편하고, 원하는 분자의 용이한 포획, 신장과 방출을 가능하게 한다.

참고문헌

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6. J. O. Tegenfeldt, C. Prinz, H. Cao, S. Chou, W. W. Reisner, R. Riehn, Y. M. Wang, E. C. Cox, J. C. Sturm, P. Silberzan, et al., P.N.A.S. 101, 10979 (2004).

7. K. Jo, D. Dhingra, T. Odijk, J. de Pablo, M. Graham, R. Runnheim, D. Forrest, and D. Schwartz, P.N.A.S. 104, 2673 (2007).

8. T. T. Perkins, D. E. Smith, and S. Chu, Science 276, 2016 (1997).

9. C. M. Schroeder, H. P. Babcock, E. S. G. Shaqfeh, and S. Chu, Science 301, 1515 (2003).

10. A. E. Cohen and W. Moerner, App. Phys. Lett. 86, 093109 (2005).

11. O. B. Bakajin, T. A. J. Duke, C. F. Chou, S. S. Chan, R. H. Austin, and E. C. Cox, Phys. Rev. Lett. 80, 2737 (1998).

12. G. C. Randall and P. S. Doyle, Phys. Rev. Lett. 93, 058102 (2004).

13. G. C. Randall and P. S. Doyle, Macromolecules 38, 2410 (2005).

14. G. C. Randall, K. M. Schultz, and P. S. Doyle, Lab Chip 6, 516 (2006).

15. Y. J. Juang, S. Wang, X. Hu, and L. J. Lee, Phys. rev. Lett. 93, 268105 (2004).

16. G. C. Randall and P. S. Doyle, Mat. Res. Soc. Proceedings 790, 3.3.1 (2003).

17. 보충 정보를 위하여 EPAPS Document No. XXX를 참조한다. 본 문서는 상기 온라인 논문의 HTML 참고 섹션에서 직접적인 링크를 통하여, 또는 EPAPS 홈페이지(http://www.aip.org/pubservs/epaps.html)를 통하여 입수될 수 있다.

18. Y. Xia and G. M. Whitesides, Angew. Chem., Int. Ed. 37, 550 (1998).

19. A. Balducci, P. Mao, J. Han, and P. S. Doyle, Macromolecules 39, 6273 (2006).

20. G. C. Randall and P. S. Doyle, Macromolecules 38, 2410 (2005).

본 명세서에 개시된 발명의 개변은 당업자에게 명백할 것이고, 이와 같은 모든 개변은 하기 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.

Claims

아래의 구성요소를 포함하는, 생물분자(biomolecule)를 가두고 신장하기 위한 시스템(system):

좁은 중심 영역(narrow center region)과 상기 중심 영역 외부에 3개의 넓은 부분(wider portion)에서 T-형 연결부(T-shaped junction)을 형성하는 대칭적 채널(symmetric channel)을 보유하는 마이크로유체 장치(microfluidic device);

상기 연결부 내에서 정체점(stagnation point)을 보유하는 국소 평면 확장 필드(local planar extensional field)를 산출하기 위하여 T-형 연결부를 가로질러 전위(electric potential)를 발생시키는 최소한 하나의 전원 공급장치(power supply), 여기서 마이크로유체 장치 내로 도입된 생물분자는 상기 정체점에서 가둬지고 상기 확장 필드에 의해 신장된다.
청구항 1에 있어서, 대칭적 연결부(symmetric junction)은 1개의 수직 지부(vertical arm)와 2개의 수평 지부(horizontal arm)를 보유하고, 이들 3개의 지부는 실질적으로 동일한 길이를 갖고, 수직 지부의 너비는 수평 지부의 너비의 대략 2배인 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 1에 있어서, 정체점의 위치를 조정하기 위한 2개의 독립된 DC 전원 공급장치를 보유하는 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스 템.
청구항 1에 있어서, 중심 영역에서 모퉁이(corner)는 둥근 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 2에 있어서, 1개의 수직 지부와 2개의 수평 지부는 균일한 전기장(electric field)을 내포하는 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 1에 있어서, 확장 필드는 실질적으로 균질한 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 1에 있어서, 생물분자는 DNA인 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 7에 있어서, DNA는 T4 DNA인 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 7에 있어서, DNA 분자는 0.5를 초과하는 전기 데보라 수(electrical Deborah number)를 갖는 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시 스템.
청구항 1에 있어서, 생물분자는 DNA, 세포, 단백질, 바이러스와 생물고분자(biopolymer)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 10에 있어서, 생물고분자는 악틴(actin)인 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 2에 있어서, 수직 지부는 측면 주입부(side injection part)를 보유하는 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
청구항 2에 있어서, 수직 지부는 그와 함께 소통하는 2개의 집중 채널을 보유하는 것을 특징으로 하는, 생물분자를 가두고 신장하기 위한 시스템.
아래의 구성요소를 포함하는, 생물분자(biomolecule)를 가두고 신장하기 위한 시스템(system):

연결부(junction)을 보유하는 완전 교차-슬롯 채널(full cross-slot channel)을 보유하는 마이크로유체 장치(microfluidic device);

상기 연결부 내에서 정체점(stagnation point)을 보유하는 국소 평면 확장 필드(local planar extensional field)를 산출하기 위하여 상기 연결부를 가로질러 전위(electric potential)를 발생시키는 최소한 하나의 전원 공급장치(power supply), 여기서 마이크로유체 장치 내로 도입된 생물분자는 상기 정체점에서 가둬지고 상기 확장 필드에 의해 신장된다.