KR20110121070A - Method for the detection of fluorescence resonance energy transfer by measuring fluorescence lifetime and intensity - Google Patents

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KR20110121070A
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김석원
이재란
이순혁
김수용
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A fluorescence resonance energy transfer detecting method using fluorescent lifetime and fluorescence intensity is provided to measure fluorescent lifetime and fluorescence intensity and to detect fluorescence resonance energy transfer. CONSTITUTION: A fluorescence resonance energy transfer detecting method using fluorescent lifetime and fluorescence intensity is as follows. The fluorescent lifetime and magnetic covariance are used. A fluorescence signal extraction for measuring the fluorescent lifetime uses a time correlation single photon count method. The fluorescent lifetime is extracted by consisting histogram. Histogram is constituted in order to measure the fluorescence intensity.

Description

형광 수명과 형광 강도를 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법{Method for the detection of fluorescence resonance energy transfer by measuring fluorescence lifetime and intensity}Method for the detection of fluorescence resonance energy transfer by measuring fluorescence lifetime and intensity

본 발명은 형광 수명과 형광 강도를 측정하여 보다 정확하게 형광 공명 에너지 전이(FRET)를 검출하는 방법의 개발에 관한 것이다.
The present invention relates to the development of a method for detecting fluorescence resonance energy transfer (FRET) more accurately by measuring fluorescence lifetime and fluorescence intensity.

의료, 신약개발, 식품 산업에 있어서의 포스트 게놈(post-genome) 관련 기술로서 단백질의 기능 해석이 중요해지고 있다. 특히, 세포의 작용을 해석하기 위하여 생 세포에 있어서의 생체 물질인 단백질과 다른 단백질이나 저분자 화합물 사이의 상호 작용(결합, 분리)의 연구가 필요하다.As a post-genome-related technology in the medical, drug development, and food industries, the interpretation of protein function is becoming important. In particular, in order to analyze the action of cells, studies on the interaction (binding and separation) between proteins, which are biological substances in living cells, and other proteins and small molecule compounds are necessary.

이와 같은 단백질 사이의 상호 작용에 관하여, 형광 공명 에너지 전이(Fluorescence Resonance Energy Transfer 또는 FResonance Energy, 이하,“FRET”라고 함) 현상을 이용하여 해석하는 방법이 최근 행해지고 있다. 즉, 수 나노미터 영역에서의 분자 간의 작호 작용을 형광을 이용하여 검출하는데, 이와 같은 FRET 현상을 이용한 검출은 주로 현미경 시스템을 이용하여 행해진다.Regarding the interaction between such proteins, a method of analyzing using a fluorescence resonance energy transfer (FResonance Energy, hereinafter referred to as "FRET") phenomenon has been recently performed. In other words, the interaction between molecules in the several nanometer region is detected using fluorescence, and the detection using such FRET phenomenon is mainly performed using a microscope system.

FRET는 공여자(donor)와 수여자(acceptor) 사이의 거리가 일정 이하에 놓여 있을 때, 공여자와 수여자 사이에 에너지 전이가 발생함으로써 수여자에서 여기 광(excitation light)의 파장과는 다른 파장대의 광을 방출함에 따라 공여자와 수여자 사이의 거리를 측정하는 기술이다.In FRET, when the distance between the donor and acceptor lies below a certain level, an energy transfer occurs between the donor and the acceptor, resulting in a wavelength band different from that of the excitation light at the acceptor. The technique of measuring the distance between a donor and a recipient as it emits light.

분자의 에너지 상태가 들뜬 상태에 있다가 바닥상태로 변화할 때는 두 상태의 에너지 차에 해당하는 에너지를 내어놓게 되는데, 형광은 에너지를 광자의 형태로 내어 놓을 때 발생하게 된다. 한편 적당한 조건이 갖추어지면 들뜬 상태에 있는 형광분자의 쌍극자는 주변에 있는 다른 형광 분자의 쌍극자를 진동시키는 것에 의해 에너지를 전달할 수 있다. 즉, 공명현상에 의해 에너지가 전달되는 것이다. 이렇게 에너지를 전달 받은 주변의 형광분자는 들뜬 상태가 되었다가 다시 바닥상태로 변화하면서 자신의 발광 스펙트럼에 해당하는 빛을 내어놓게 된다. 이때, 에너지를 전달하는 형광 분자를 공여자(donor), 전달받는 형광 분자를 수여자(acceptor)라고 하는데, 공여자는 수여자보다 흡수하는 파장이나 방출 파장이 짧다.When the energy state of the molecule is in an excited state and changes to the ground state, it gives energy corresponding to the energy difference between the two states. Fluorescence occurs when energy is released in the form of photons. On the other hand, if proper conditions are provided, the dipoles of the fluorescent molecules in the excited state can transmit energy by vibrating the dipoles of other fluorescent molecules in the surroundings. That is, energy is transferred by resonance phenomenon. The fluorescent molecules around the energy are excited and then change back to the ground to emit light corresponding to their emission spectrum. In this case, a fluorescent molecule that delivers energy is a donor, and a fluorescent molecule that is delivered is called an acceptor. The donor has a shorter wavelength of absorption or emission than the recipient.

한편, 기존에 FRET 현상을 검출하는 방식으로는 광 강도를 단순히 측정하는 방법이 있는데, 광 강도를 이용한 FRET 검출 방식은 배경 잡음과 형광 물질의 농도에 따라서 그 정확도가 떨어지는 단점이 있다. On the other hand, there is a conventional method for detecting the FRET phenomenon, a method of simply measuring the light intensity, FRET detection method using the light intensity has a disadvantage that the accuracy is lower depending on the background noise and the concentration of the fluorescent material.

또한, 최근에는 형광 물질의 수명을 측정하여 검출하는 방식도 도입되고 있다. 하지만 FRET 효율을 계산하는데 있어서는 FRET에 참여하는 형광 물질의 수명과 FRET에 참여하지 않는 물질의 수명을 알아야 하는데, 실제로 형광 물질의 수명은 단 하나의 성분만 갖는 경우는 거의 없고 대부분 두 개 또는 그 이상의 성분을 갖기 때문에 여러 개의 형광 수명들의 평균을 취한 평균 수명을 사용하여 그 대표값으로 삼는 경우가 많다. 그러나, 형광 물질의 수명 성분 중에는 FRET에 참여하는 성분도 있고 참여하지 않는 성분도 있으므로, 단순히 평균 수명을 가지고 그 평균 수명이 변했다 변하지 않았다고 FRET의 여부를 판별하기는 쉽지 않다. 또한, 형광 수명은 다른 환경적 요인에 의해서도 변하기 때문에 수여자와의 에너지 교환이 아니더라도 변할 수 있다는 문제점이 있다.
Recently, a method of measuring and detecting the lifetime of fluorescent materials has also been introduced. However, in calculating FRET efficiency, we need to know the lifetime of the fluorescent material that participates in FRET and the lifetime of the material that does not participate in FRET. Actually, the lifetime of the fluorescent material rarely has only one component, and most of them are two or more. Because of its composition, it is often used as the representative value using the average lifetime, which is the average of several fluorescence lifetimes. However, some components of the lifetime of the fluorescent material participate in the FRET, and some components do not participate, so it is not easy to determine whether the FRET has a simple life expectancy and the average life has not changed. In addition, there is a problem that the fluorescence lifetime may be changed even if it is not exchanged with the recipient because the fluorescence lifetime is also changed by other environmental factors.

이에 본 발명자들은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하고자 형광 수명 이외에 광 강도를 또 다른 파라미터로 사용함으로써 FRET를 좀 더 효율적으로 검출할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.In order to solve the problems of the prior art, the present inventors came to complete the present invention by using the light intensity as another parameter in addition to the fluorescence lifetime to detect the FRET more efficiently.

따라서 본 발명의 목적은 형광 수명과 형광 강도를 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법을 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and fluorescence intensity.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 형광 수명과 자기 공분산(auto covariance)을 이용하는 것을 특징으로 하는 형광 수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention provides a fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized in that using the fluorescence lifetime and auto covariance.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광 수명을 측정하기 위한 형광 신호 추출은 시간 상관 단일 광자 계수법(TCSPC)을 이용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence signal extraction for measuring the fluorescence lifetime may use time correlated single photon counting (TCSPC).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광 수명은 히스토그램을 구성하여 추출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence lifetime can be extracted by constructing a histogram.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 히스토그램을 구성한 이후에 지수(exponential) 모델, 최대우도법 및 최대엔트로피법 중 어느 하나의 방법을 사용하여 형광 수명을 추출할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after constructing the histogram, the fluorescence lifetime may be extracted using any one of an exponential model, a maximum likelihood method, and a maximum entropy method.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 히스토그램을 구성하여 적분을 취함으로써 형광 강도를 측정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence intensity may be measured by constructing the histogram and integrating.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 자기 공분산은 시간 상관 단일 광자 계수법으로 측정된 데이터에서 바로 계산하거나 또는 부분적 형광 강도(intensity)를 구해서 계산할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the magnetic covariance can be calculated directly from the data measured by time-correlated single photon counting or by obtaining partial fluorescence intensity.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광 수명은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence lifetime can be calculated by the following equation (1).

(수학식 1)(Equation 1)

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 수학식 1에서, α는 단편적 진폭(fractional amplitude), k는 형광 수명의 성분 개수를 나타낸다.In Equation 1, α i represents a fractional amplitude and k represents the number of components of the fluorescence lifetime.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 자기 공분산은 하기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the magnetic covariance can be calculated by the following equation (2).

(수학식 2)(Equation 2)

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 수학식 2에서, N은 데이터의 개수, x(n)은 TCSPC 데이터를 나타낸다.In Equation 2, N represents the number of data, x (n) represents TCSPC data.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광 수명과 자기 공분산을 이용하여 하기 수학식 3과 같은 함수 F를 구함으로써 형광 공명 에너지 전이를 검출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence resonance energy transition can be detected by obtaining a function F as shown in Equation 3 using the fluorescence lifetime and magnetic covariance.

(수학식 3)(Equation 3)

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 수학식 3에서, 형광 수명은 상기 수학식 1로 나타나고, 자기 공분산(auto covariance)은 상기 수학식 2로 나타낸다.In Equation 3, the fluorescence lifetime is represented by Equation 1, and auto covariance is represented by Equation 2.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 FRET가 일어나기 전과 일어난 후의 비율을 가지고 검출하며, FRET의 효율은 하기 수학식 4와 같은 식으로 표현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence resonance energy transfer detection method using the fluorescence intensity measurement is detected with a ratio before and after FRET occurs, the efficiency of the FRET can be expressed by the following equation (4). .

(수학식 4)(Equation 4)

Figure pat00004
Figure pat00004

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광 수명 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 FRET가 일어나기 전과 일어난 후의 형광 수명의 비율을 가지고 검출하며, FRET의 효율은 하기 수학식 5와 같은 식으로 표현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence resonance energy transfer detection method using the fluorescence lifetime measurement is detected with a ratio of the fluorescence lifetime before and after FRET occurs, the efficiency of the FRET is expressed by the equation Can be.

(수학식 5)(5)

Figure pat00005
Figure pat00005

본 발명에 따른 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 형광 강도와 형광 수명을 동시에 이용함으로써 배경 잡음이나 공통 잡음에 대한 영향력을 줄여서 신호대 잡음비를 높일 수 있으며, 잘못된 검출을 줄임으로써 보다 더 정확하게 FRET를 검출할 수 있는 효과가 있다.
The fluorescence resonance energy transfer detection method according to the present invention can increase the signal-to-noise ratio by reducing the influence on the background noise or the common noise by simultaneously using the fluorescence intensity and the fluorescence lifetime, and can detect FRET more accurately by reducing the false detection. It has an effect.

본 발명은 형광 수명과 형광 강도를 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형광 수명과 자기 공분산(auto covariance)을 이용하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법을 제공함에 그 특징이 있다.The present invention relates to a method for detecting fluorescence resonance energy transfer using fluorescence lifetime and fluorescence intensity, and more particularly, fluorescence resonance energy transfer using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized by using fluorescence lifetime and auto covariance. It is characterized by providing a detection method.

본 발명에서 용어, "형광 공명 에너지 전이(FRET)"란, 단파장 형광 단백질(shorter wavelength dye)인 에너지 공여체(donor)가 외부에서 에너지를 흡수하면 공여체의 여기에너지가 빛 에너지로 방출되는 대신, 장파장 형광 단백질(longer wavelength excitation dye)인 에너지 수용체(acceptor)로 발광없이(radiationless) 전달되어, 수용체의 장파장 형광만이 방출되는 현상을 말한다. FRET에 의한 수여체 형광의 발생 또는 공여체 방출광의 소멸현상(photobleaching)이 나타나려면 에너지 공여체와 수용체가 매우 짧은 거리 이내(<10 nm)에 위치해야한다. 특정 파장의 빛을 내는 형광 단백질인 공여체와 이 발광에너지와 공명을 일으켜 에너지를 흡수할 수 있는 형광 단백질인 수용체가 소정의 거리 이내로 가까워지면, 외부에서 공여체를 여기시키기 위해 조사된 빛에너지가 공여체로부터 수용체로 발광없이(radiationless) 전달되어 공여체의 고유한 파장의 발광이 감소하고, 공여체로부터 에너지를 전달받은 수용체가 자신의 고유한 파장대의 빛을 발광하는 FRET 현상이 일어나는 것이다.As used herein, the term "fluorescence resonance energy transfer (FRET)" means that when an energy donor, which is a shorter wavelength dye, absorbs energy from the outside, the excitation energy of the donor is released as light energy. It refers to a phenomenon in which only the long-wavelength fluorescence of the receptor is emitted by radiationless delivery to an energy receptor, a fluorescent protein (longer wavelength excitation dye). For the generation of acceptor fluorescence by FRET or photobleaching of donor emission light, the energy donor and acceptor must be located within a very short distance (<10 nm). When the donor, which is a fluorescent protein that emits light of a certain wavelength, and the receptor, which is a fluorescent protein that can absorb energy by resonating with the luminescence energy, is brought within a predetermined distance, the light energy irradiated from the donor to excite the donor from the outside comes from the donor. Radiationless transmission to the receptor reduces emission of the intrinsic wavelength of the donor, and FRET phenomenon occurs in which the receptor receiving energy from the donor emits light in its own wavelength range.

FRET 과정에서 중요한 것은 공여자의 방출 파장이 수여자의 흡수 파장과 얼마나 비슷한가 하는 점인데, 이 둘의 파장이 비슷할수록 에너지 전달이 더 잘 일어나게 된다. 단, 실제로 공여자는 수여자가 방출하거나 흡수하는 빛이 단일 파장이 아닌 스펙트럼 형태로 나타나기 때문에 공여자의 방출 스펙트럼과 수여자의 흡수 스펙트럼이 얼마나 많이 겹치는가에 따라서 FRET이 잘 일어나는 형광물질 쌍을 결정할 수 있다. 공여자와 수여자의 겹침 정도를 나타내는 식은 다음과 같다.
What is important in the FRET process is how closely the emission wavelength of the donor matches the absorption wavelength of the recipient. The more similar the wavelengths, the better the energy transfer. However, in practice, the donor can determine the pair of phosphors that FRET occurs well, depending on how much the donor's emission spectrum overlaps with the recipient's absorption spectrum because the light emitted or absorbed by the donor appears in the form of a spectrum rather than a single wavelength. . The equation for the degree of overlap between the donor and the recipient is as follows.

(식 1)(Equation 1)

Figure pat00006

Figure pat00006

상기 식 1에서, 파장이 λ와 λ+Δλ 범위에 있을 때 (λ)는 공여자의 형광세기, (λ)는 정규화된 공여자의 형광 세기, ∈(λ)는 수여자의 흡수율을 나타낸다.In the formula 1, when the wavelength is in the range of λ and λ + Δλ F D (λ) is the fluorescence intensity of the donor, f D (λ) is the fluorescence intensity of the normalized donor, ∈ A (λ) represents the absorption rate of the grantor .

FRET 현상에서 공여자와 수여자의 전이쌍극자(transition dipole)의 배열이 서로 어떻게 되어있는가 하는 것은 매우 중요한 요소이다. 공여자와 수여자의 전이쌍극자 방향의 상대적인 배열을 κ2로 나타내는데, 일반적으로 공여자와 수여자의 방향을 무작위 평균화(random averaging) 할 수 있는 경우에는 2/3로 근사하여 계산을 한다.In the FRET phenomenon, the arrangement of the donor and donor transition dipoles is very important. The relative arrangement of donor and donor transition dipole directions is denoted by κ 2. In general, if random averaging of donor and donor directions is possible, the approximation is 2/3.

스펙트럼의 겹칩 정도와 전이 쌍극자 배열을 방향을 고려하여 공여자에서 수여자로 에너지를 전달하는 비율인 κ는 다음과 같이 얻을 수 있다.
Considering the overlapping degree of the spectrum and the direction of the transition dipole arrangement, κ T , the ratio of energy transfer from donor to recipient, can be obtained as follows.

(식 2)(Equation 2)

Figure pat00007

Figure pat00007

상기 식 2에서, Q는 수여자가 없을 때 공여자의 양자 효율, τ는 수여자가 없을 때 공여자의 수명(life time), N은 아보가드로 수, n은 굴절률을 나타낸다. 일반적으로 수용액 내의 생체분자의 굴절률은 1.4로 둔다. In Equation 2, D D is the quantum efficiency of the donor in the absence of the donor, τ D is the life time of the donor in the absence of the donor, N is the number of avogadro, n is the refractive index. In general, the refractive index of the biomolecule in the aqueous solution is set to 1.4.

여기서, 에너지 전달 효율(κ)은 거리 r과 관계가 있다.
Here, the energy transfer efficiency κ T is related to the distance r.

(식 3)(Equation 3)

Figure pat00008

Figure pat00008

상기 식 3에서, R는 에너지 전달 효율이 50%일 때 공여자와 수여자 사이의 거리를 나타낸다.In Equation 3, R O represents the distance between the donor and the donor when the energy transfer efficiency is 50%.

FRET의 효율 E는 다음과 같이 공여자에 의해 흡수되는 광자들 중 수여자로 전달되는 광자의 비율이 얼마나 되는지로 표시할 수 있다.
The efficiency E of FRET can be expressed as the ratio of photons transmitted to the recipient among photons absorbed by the donor as follows.

(식 4)(Equation 4)

Figure pat00009

Figure pat00009

FRET은 거리에 강한 의존성을 가지기 때문에 관찰하고 싶은 대상에 두 종류의 형광물질을 달아서 파장의 변화에 따른 스펙트럼의 세기 변화를 관찰하면 수십 나노미터 단위에서 일어나는 거리 변화를 알아낼 수 있다. 이러한 성질을 이용하면 세포의 안과 밖에서 일어나는 다양한 현상들을 눈으로 관찰할 수 있다.Since FRET has a strong dependence on distance, two kinds of fluorescent materials can be attached to an object to be observed to observe the change in the intensity of the spectrum as the wavelength changes. Using this property, one can observe various phenomena occurring inside and outside the cell.

한편, 두 물질 A와 B가 결합하여 결합체 AB를 만드는 반응비율을 k1, AB가 해리되어 A와 B로 나뉘는 반응을 k2라 할 때 반응식은 다음의 식 5와 같이 나타낼 수 있다.
On the other hand, when the reaction ratio k 1 , AB is dissociated and divided into A and B by k 2 is the reaction rate for combining the two substances A and B to form a binder AB can be expressed by the following equation 5.

(식 5)(Eq. 5)

Figure pat00010

Figure pat00010

P(t)를 시각 t에서 AB의 개수가 n일 확률이라고 정의하면 시간에 따른 P(t)의 변화율은 다음의 식 6과 같다.
If P n (t) is defined as the probability that the number of ABs is n at time t, the rate of change of P n (t) with time is given by Equation 6 below.

(식 6)(Equation 6)

Figure pat00011
Figure pat00011

확률 평균 M(t)와 편차 V(t)는 아래 식 7과 같이 정의된다.
The probability mean M (t) and the deviation V (t) are defined as in Equation 7 below.

(식 7)(Eq. 7)

Figure pat00012
Figure pat00012

M(t)와 V(t)를 시간에 대해 미분한 후 dpn/dt에 관한 바로 위의 식을 넣어 정리하면 아래 식 8과 같은 두 개의 식을 얻을 수 있다.
After deriving M (t) and V (t) with respect to time and putting together the above equation for dp n / dt, two equations can be obtained:

(식 8)(Eq. 8)

Figure pat00013

Figure pat00013

이러한 두 식을 통해 확률적인 화학 반응 때문에 입자의 개수에 변화가 있을 때, 그 변동을 일일이 고려하지 않고 확률 평균과 편차만을 고려하여도 반응비율 상수값을 구할 수 있다.Through these two equations, when there is a change in the number of particles due to stochastic chemical reactions, the reaction rate constant value can be obtained by considering only the probability average and the deviation without considering the variation.

한편, 공여자와 수여자를 섞은 샘플에 공여자의 흡수 파장에 해당하는 광원을 조사하는 경우 FRET이 일어났는지 여부를 확인하기 위해서는 파장에 따른 발광 스펙트럼을 관찰해야한다. 공여자와 수여자 사이의 거리가 멀어서 FRET에 거의 일어나지 않는다면 공여자는 입사광이 자신의 흡수 파장이므로 대부분이 들뜬 상태로 갔다가 형광을 내어 놓게 되지만 수여자는 입사광이 자신의 흡수 파장 최고값과는 차이가 커서 극히 일부만이 형광을 내어 놓게 된다. 따라서 발광 스펙트럼에서는 공여자의 형광 스펙트럼만 강하게 나타나게 된다. On the other hand, when irradiating a light source corresponding to the absorption wavelength of the donor to the sample mixed with the donor and the receiver, it is necessary to observe the emission spectrum according to the wavelength to determine whether FRET occurred. If the distance between the donor and the donor is so large that it rarely occurs in the FRET, the donor goes to an excited state because the incident light is its absorption wavelength, and emits fluorescence. Only a few will fluoresce. Therefore, only the fluorescence spectrum of the donor appears strongly in the emission spectrum.

반면에, 공여자와 수여자 사이의 거리가 가까워서 FRET이 잘 일어나면 공여자의 형광 에너지는 수여자 쪽으로 전달되는 비율이 많아지므로 수여자는 공여자의 에너지를 받아 들뜬 상태로 가는 분자들이 많아지고, 수여자는 공여자의 에너지를 받아 들뜬 상태로 가는 분자들이 많아짐으로 인해 형광을 내어놓는 경우도 많아지게 된다. 따라서 공여자와 수여자 사이의 거리가 멀 때와 비교해서 공여자의 형광 스펙트럼은 낮아지고 수여자의 형광 스펙트럼은 많이 커지게 된다.On the other hand, if FRET occurs well because the distance between the donor and the donor is close, the donor's fluorescence energy is transferred to the recipient, so the donor receives more energy from the donor, More molecules are going to be excited by the donor's energy, which in turn causes more fluorescence. Therefore, the fluorescence spectrum of the donor is lowered and the fluorescence spectrum of the donor is much larger than when the distance between the donor and the recipient is far.

이와 같이, 형광의 세기 변화를 이용하여 FRET의 효율을 계산해 낼 수 있다. 공여자만 있을 때의 형광 세기를 F, 공여자와 수여자가 같이 있을 때의 형광 세기를 FDA라 하면 FRET이 일어난 만큼 공여자의 형광 세기가 감소했다는 것이므로 FRET의 효율 E는 하기 식 9 또는 식 10과 같이 쓸 수 있다.
In this way, the efficiency of FRET can be calculated using the change in intensity of fluorescence. The fluorescence intensity of when the only donor F D, donor and grantor is the fluorescence intensity of F DA la When FRET is the FRET efficiency E because that as donor fluorescence intensity is reduced in takes place is the following formula 9 or formula 10, when such Can be written as:

(식 9)(Eq. 9)

Figure pat00014

Figure pat00014

(식 10)(Eq. 10)

Figure pat00015

Figure pat00015

상기 식 10에서, τ0는 FRET에 참여하지 않는 공여자의 형광수명, τfret는 FRET에 참여하는 공여자의 형광수명을 나타낸다.In Equation 10, τ 0 represents the fluorescence life of a donor not participating in FRET, τ fret represents the fluorescence life of a donor participating in FRET.

즉, 본 발명에서 형광 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 FRET가 일어나기 전과 일어난 후의 비율을 가지고 검출하며, FRET의 효율은 상기 식 9와 같은 식으로 표현되며, 형광 수명 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 FRET가 일어나기 전과 일어난 후의 형광 수명의 비율을 가지고 검출하며, FRET의 효율은 하기 수학식 5와 같은 식으로 표현된다.That is, in the present invention, the fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence intensity measurement is detected with a ratio before and after FRET occurs, and the efficiency of FRET is expressed by Equation 9, and fluorescence resonance using fluorescence lifetime measurement The energy transfer detection method detects with a ratio of fluorescence lifetime before and after FRET occurs, and the efficiency of FRET is expressed by the following equation.

본 발명에서 형광 물질의 형광 수명이란, 형광 물질이 광원 소스로부터 자극을 받으면 여기(excitation) 상태로 올라갔다가 다시 바닥상태로 떨어질 때 여기 상태에서 바닥상태로 떨어지는데 걸리는 시간을 말한다. 이러한 형광 수명은 각 형광 물질의 고유한 특성이 된다. 형광 수명은 그 물질의 주변 환경에 의해서도 변하고 두 형광 물질들 사이에 에너지 교환에 의한 FRET 현상이 일어날 때도 변하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 형광 수명을 이용하여 FRET를 검출할 수 있다.In the present invention, the fluorescence lifetime of the fluorescent material refers to the time taken for the fluorescent material to fall from the excited state to the ground state when it is excited by the light source and then goes up to the excitation state and falls back to the ground state. This fluorescence lifetime becomes a unique characteristic of each fluorescent material. The fluorescence lifetime is also changed by the environment of the material and also when the FRET phenomenon occurs by energy exchange between the two fluorescent materials. Therefore, in the present invention, the FRET can be detected using the fluorescence lifetime.

형광 수명을 측정하는 방법에는 시간 영역에서 측정하는 방법과 주파수 영역에서 측정하는 방법이 있으며, 최근에는 시간 상관 단일 광자 계수법(time-correlated single photon counting, TCSPC)을 이용하여 시간 영역에서 형광 수명을 측정하는 방법이 많이 사용되고 있다.There are two methods of measuring fluorescence lifetime in the time domain and the other in the frequency domain. Recently, fluorescence lifetime is measured in the time domain using time-correlated single photon counting (TCSPC). Many methods are used.

본 발명에서는 시간 상관 단일 광자 계수법(TCSPC)을 이용하여 형광 신호를 추출하여 형광 수명을 측정하는 것이 바람직하다. TCSPC 방법으로 일정시간 동안의 공여자 형광 물질의 포톤을 측정하여 히스토그램을 구성하고, 히스토그램에서 일정한 방법을 이용하여 형광 수명을 추출하여, 그 평균을 취한다.
In the present invention, it is preferable to extract the fluorescent signal using time correlation single photon counting (TCSPC) to measure the fluorescence lifetime. The histogram is constructed by measuring the photons of the donor fluorescent substance for a certain time by the TCSPC method, and the fluorescence lifetime is extracted from the histogram by using the constant method, and the average thereof is obtained.

(식 11)(Eq. 11)

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 식 11에서, α는 단편적 진폭(fractional amplitude), k는 형광 수명의 성분 개수를 나타낸다.In Equation 11, α i represents a fractional amplitude and k represents the number of components of the fluorescence lifetime.

본 발명에서 형광 수명을 추출하는 방법으로는 지수(exponential) 모델, 최대우도법, 최대엔트로피법 중에서 어느 하나의 방법을 사용하는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable to use any one of an exponential model, a maximum likelihood method, and a maximum entropy method to extract the fluorescence lifetime.

상기에서 얻은 히스토그램 데이터를 적분하여 형광 강도(intensity)를 계산하고 이러한 강도의 시간에 대한 평균을 구한다. 이후에, TCSPC 데이터와 형과 강도의 평균을 이용하여 정상 자기 공분산(normalized auto covariance)을 구한다. TCSPC 데이터는 형광 수명과 강도를 동시에 측정할 수 있는 장점이 있다.
The histogram data obtained above are integrated to calculate fluorescence intensities and average over time of these intensities. Then, the normalized auto covariance is obtained using the TCSPC data and the mean of the shape and intensity. TCSPC data has the advantage of allowing simultaneous measurement of fluorescence lifetime and intensity.

(식 12)(Eq. 12)

Figure pat00017
Figure pat00017

상기 식 12에서, N은 데이터의 개수, x(n)은 TCSPC 데이터를 나타낸다.In Equation 12, N represents the number of data, x (n) represents TCSPC data.

본 발명에서 상기 자기 공분산은 시간 상관 단일 광자 계수법으로 측정된 데이터에서 바로 계산하거나 부분적 강도(intensity)를 구해서 계산하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to calculate the magnetic covariance directly from the data measured by the time-correlated single photon counting method or to obtain a partial intensity.

다음으로, 상기 식 11과 식 12를 이용하여 새로운 함수 F를 도출하면 다음의 식 13과 같다.
Next, a new function F is derived by using Equations 11 and 12 as shown in Equation 13.

(식 13)(Eq. 13)

Figure pat00018
Figure pat00018

본 발명에 따른 함수 F는 FRET이 발생하게 되면 값이 커지게 되며, 형광 물질의 농도나 배경잡음 그리고 주변 환경의 영향에서 기존의 방법보다 적어지게 되어 보다 효율적으로 FRET를 검출할 수 있다.The function F according to the present invention increases in value when the FRET is generated, and less than the conventional method due to the concentration of the fluorescent material, the background noise and the surrounding environment, it is possible to detect the FRET more efficiently.

한편, 항원과 항체에 각각 다른 형광 물질을 부착하고 항원-항체 반응을 관찰하거나, 효소와 단백질에 형광 물질을 부착하여 단백질과 효소의 반응 여부를 확인할 수 있다. 그리고 관찰하고자 하는 물질의 이동 예상 경로에 형광 물질을 달아 FRET 반응을 보면 물질의 이동경로를 추적할 수도 있다. 또한 단백질의 특정 위치에 형광물질을 달아 FRET이 일어나는 정도를 정밀하게 추정하면 두 형광물질 사이의 거리를 알 수 있는데, 이런 방식으로 단백질의 여러 위치에서의 거리를 재면 그 단백질의 모양을 알 수 있다. 유전자의 특정 부분이 발현되면 녹색형광단백질(GFP)나 빨간색형광단백질(RFP)처럼 형광을 내는 단백질도 함께 발현이 되도록 DNA의 시퀀스를 조작하는 기술을 이용하면 형광을 관찰하는 것만으로도 어떤 환경에서 유전자가 발현되는지 쉽게 알 수 있다. 게다가 FRET이 이의 농도에 따라 발현되는 정도가 다른 성질을 이용하여 이온 농도의 변화도 관찰할 수 있다.Meanwhile, different fluorescent substances may be attached to antigens and antibodies, and antigen-antibody reactions may be observed, or fluorescent substances may be attached to enzymes and proteins to determine whether proteins react with enzymes. In addition, the FRET reaction can be traced through the FRET reaction by attaching a fluorescent material to the expected path of the material to be observed. In addition, by precisely estimating the FRET occurrence by attaching a fluorescent material at a specific position of a protein, the distance between two fluorescent materials can be determined. In this way, the distance between various positions of the protein can be determined. . When a specific part of a gene is expressed, the technique of manipulating the sequence of DNA so that the fluorescent protein is expressed together, such as green fluorescent protein (GFP) or red fluorescent protein (RFP), can be observed in any environment. It is easy to see if the gene is expressed. In addition, the change in ion concentration can be observed by using the property that FRET is expressed according to its concentration.

따라서, 본 발명의 방법을 이용하면 형광 수명과 형광 강도(intensity)를 동시에 측정하여 배경 잡음이나 공통 잡음에 대한 영향력을 줄여서 신호대 잡음비를 높일 수 있으며, 잘못된 검출을 줄임으로써 보다 더 정확하게 형광 공명 에너지 전이(FRET)을 효과적으로 검출할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이러한 FRET 검출방법은 생명공학, 의학 분야, 식품 산업 등에서 단백질이나 화합물들에서 분자 간의 상호 작용을 밝혀내는데 유용하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라 중금속 물질 검출 등의 목적으로 하는 다양한 물질을 검출하거나 스크리닝 하는데 사용될 수 있다.
Therefore, the method of the present invention can increase the signal-to-noise ratio by simultaneously measuring the fluorescence lifetime and the fluorescence intensity, thereby reducing the influence on the background noise or the common noise, and more accurately the fluorescence resonance energy transfer by reducing the false detection. (FRET) has the advantage of being able to detect effectively. In addition, the FRET detection method can be useful for discovering the interaction between molecules in proteins or compounds in biotechnology, medical field, food industry, etc., as well as for detecting or screening various substances for the purpose of heavy metal detection. Can be used.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (11)

형광 수명과 자기 공분산(auto covariance)을 이용하는 것을 특징으로 하는 형광 수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법.A fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized by using fluorescence lifetime and auto covariance. 제1항에 있어서,
상기 형광 수명을 측정하기 위한 형광 신호 추출은 시간 상관 단일 광자 계수법(TCSPC)을 이용하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법.
The method of claim 1,
The fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized in that the fluorescence signal extraction for measuring the fluorescence lifetime using time-correlated single photon counting (TCSPC).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 형광 수명은 히스토그램을 구성하여 추출하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법.
The method according to claim 1 or 2,
The fluorescence lifetime is a fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized in that by extracting the histogram.
제3항에 있어서,
상기 히스토그램을 구성한 이후에 지수(exponential) 모델, 최대우도법 및 최대엔트로피법 중 어느 하나의 방법을 사용하여 형광 수명을 추출하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법.
The method of claim 3,
After constituting the histogram, a fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized in that to extract the fluorescence lifetime using any one of an exponential model, the maximum likelihood method and the maximum entropy method.
제3항에 있어서,
상기 히스토그램을 구성하여 적분을 취함으로써 형광 강도를 측정하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법.
The method of claim 3,
Fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized in that for measuring the fluorescence intensity by constructing the histogram and taking the integral.
제1항에 있어서,
상기 자기 공분산은 시간 상관 단일 광자 계수법으로 측정된 데이터에서 바로 계산하거나 또는 형광 강도(intensity)를 구해서 계산하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법.
The method of claim 1,
The magnetic covariance is calculated directly from the data measured by time-correlated single photon counting method or by calculating the fluorescence intensity (intensity), characterized in that fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement.
제1항에 있어서,
상기 형광 수명은 하기 수학식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법:
[수학식 1]
Figure pat00019

상기에서, α는 단편적 진폭(fractional amplitude), k는 형광 수명의 성분 개수를 나타낸다.
The method of claim 1,
The fluorescence lifetime detection method using the fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized in that the fluorescence lifetime is calculated by the following equation:
[Equation 1]
Figure pat00019

In the above, α i represents the fractional amplitude, k represents the number of components of the fluorescence lifetime.
제1항에 있어서,
상기 자기 공분산은 하기 수학식 2에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법:
[수학식 2]
Figure pat00020

상기에서, N은 데이터의 개수, x(n)은 TCSPC 데이터를 나타낸다.
The method of claim 1,
The magnetic covariance is calculated by the following Equation 2 fluorescence resonance energy transfer detection method using the fluorescence lifetime and intensity measurement:
[Equation 2]
Figure pat00020

In the above, N represents the number of data, x (n) represents TCSPC data.
제1항에 있어서,
상기 형광 수명과 자기 공분산을 이용하여 하기 수학식 3과 같은 함수 F를 구함으로써 형광 공명 에너지 전이를 검출하는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법:
[수학식 3]
Figure pat00021

상기에서, 형광 수명은 상기 수학식 1로 나타나고, 자기 공분산(auto covariance)은 상기 수학식 2로 나타낸다.
The method of claim 1,
A fluorescence resonance energy transfer detection method using fluorescence lifetime and intensity measurement, characterized by detecting the fluorescence resonance energy transition by obtaining a function F as shown in Equation 3 using the fluorescence lifetime and magnetic covariance:
[Equation 3]
Figure pat00021

In the above, fluorescence lifetime is represented by Equation 1, and auto covariance is represented by Equation 2.
제1항에 있어서,
상기 형광 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 FRET가 일어나기 전과 일어난 후의 비율을 가지고 검출하며, FRET의 효율은 하기 수학식 4와 같은 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법:
[수학식 4]
Figure pat00022
.
The method of claim 1,
The fluorescence resonance energy transfer detection method using the fluorescence intensity measurement is detected using a ratio before and after the occurrence of FRET, the efficiency of the FRET is expressed by the following equation using the fluorescence lifetime and intensity measurement Fluorescence Resonance Energy Transfer Detection Method:
[Equation 4]
Figure pat00022
.
제1항에 있어서,
상기 형광 수명 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법은 FRET가 일어나기 전과 일어난 후의 형광 수명의 비율을 가지고 검출하며, FRET의 효율은 하기 수학식 5와 같은 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 형광수명과 강도 측정을 이용한 형광 공명 에너지 전이 검출방법:
[수학식 5]
Figure pat00023
.
The method of claim 1,
The fluorescence resonance energy transfer detection method using the fluorescence lifetime measurement detects with a ratio of fluorescence lifetime before and after FRET occurs, and the efficiency of FRET is expressed by the following equation (5). Method for detecting fluorescence resonance energy transfer using measurement:
&Quot; (5) &quot;
Figure pat00023
.
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