KR20120088202A - Biosensors for Detecting Microbes - Google Patents

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KR20120088202A
KR20120088202A KR1020110009391A KR20110009391A KR20120088202A KR 20120088202 A KR20120088202 A KR 20120088202A KR 1020110009391 A KR1020110009391 A KR 1020110009391A KR 20110009391 A KR20110009391 A KR 20110009391A KR 20120088202 A KR20120088202 A KR 20120088202A
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전상용
성대경
최민석
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광주과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A biosensor containing magnetic nanoparticles and a target-binding moiety for detecting microorganisms is provided to isolate and/or detect various targets with high efficiency. CONSTITUTION: A biosensor for detecting microorganisms contains magnetic nanoparticles and a target-binding moiety conjugated to the mangetic nanoparticles. The magnetic nanoparticles contain an amine group or a carboxylic group on the surface thereof. The target-binding moiety is an antibody to surface protein of the microorganisms. The microorganisms are marine microorganisms. The surface of the magnetic nanoparticles is coated with BSA to suppress non-specific binding of the nanoparticles to a target.

Description

미생물 검출용 바이오센서{Biosensors for Detecting Microbes}Biosensors for Detecting Microbes

본 발명은 자성 나노입자 및 이에 결합된 타겟-결합 모이어티를 포함하는 미생물 검출용 바이오센서 및 이를 이용한 미생물 검출 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a biosensor for detecting microorganisms comprising magnetic nanoparticles and target-binding moieties bound thereto, and a method for detecting microorganisms using the same.

RO막(reverse osmosis membrane) 공정에서 생물학적 막오염을 일으키는 미생물이나 유기 물질을 이해하고 이를 감지 및 모니터링하는 기술의 개발이 필요하다. 바이오필름이 심화되어 운전상의 효율을 떨어뜨리게 되면 바이오파울링(biofouling)이 되는데 플럭스나 압력의 변화와 같은 운전상의 지표만으로 바이오파울링을 진단할 수도 있지만, 바이오파울링이 이미 일어난 시점에서의 진단은 공정 효율 향상에 기여를 할 수 없으므로 조기 경보 시스템이 필요하다. 지금까지 바이오파울링의 감지 및 분석은 막 표면이 아닌 물 샘플을 가지고 수행되어왔다. SDI(Slit Density Index)나 MFI(Modified Fouling Index)가 물 샘플 안에 바이오파울링 포텐셜을 측정하는 지표로 많이 활용되고 있지만 막오염 물질의 바이오매스에 대한 정확한 정보를 주는 데 한계가 있고, ATP(Adenosine Triphosphate) 또한 해수의 높은 염도의 방해 때문에 정밀한 측정이 어렵다. 또한, RO막 유입수 이전 여러 전처리 과정을 거치는 동안 미생물을 사멸시키는 소독(Disinfection)을 하게 되는데 이 때, 미생물은 죽어도 미생물이 먹고 성장할 수 있는 영양분은 증가를 하게 된다. 살균 및 전처리 과정 동안 살아남은 미생물은 이들 영양분을 바탕으로 기하급수적 성장 및 번식을 하게 되고 이론적으로는 불가능하지만 RO막 유입수를 거쳐 RO막 위에서 바이오필름을 형성하게 된다. 플랜트의 운전 성능이나 생산수의 수질을 근거로 공정의 효율성 체크 및 바이오파울링 수준을 간접적으로 평가할 수 있지만, 조기 경보의 효과가 없고, 종종 공정 중 생물에 유해한 화학물질(Biocides)의 주입량을 초과하여 주입하게 되기 때문에 수질 문제를 일으키기도 한다. 따라서, RO 공정 중 역삼투막의 바이오필름 형성 및 바이오파울링 메카니즘에 관한 이해와 막오염 유발 물질의 분석을 바탕으로 센서 개발의 타겟을 제시하는 것이 필수적이다. 또한, 막오염과 관련 있는 미생물의 감지 및 모니터링을 RO막 시스템에 맞게 빠르고 간단하게 측정할 수 있는 방법의 개발도 요구된다.In the reverse osmosis membrane process, there is a need to develop a technology for understanding, detecting, and monitoring microorganisms and organic substances that cause biological membrane contamination. If the biofilm is intensified and the operating efficiency is reduced, biofouling may occur. Biofouling can be diagnosed only by operating indicators such as changes in flux or pressure, but diagnosis at the time of biofouling has already occurred. Early warning systems are necessary because they cannot contribute to process efficiency improvements. To date, detection and analysis of biofouling has been performed with water samples, not membrane surfaces. Although the SDI (Slit Density Index) or Modified Fouling Index (MFI) is widely used as an indicator for measuring biofouling potential in water samples, it has limitations in providing accurate information on the biomass of membrane contaminants and Adenosine. Triphosphate) is also difficult to measure precisely because of the high salinity of seawater. In addition, disinfection to kill microorganisms during various pretreatment processes prior to RO membrane inflow is performed. At this time, even though the microorganisms die, the nutrients that the microorganisms can eat and grow increase. Microorganisms survived during sterilization and pretreatment will grow exponentially based on these nutrients and form biofilms on the RO membrane via RO membrane influent, although theoretically impossible. Process efficiency checks and biofouling levels can be indirectly assessed based on the plant's operating performance or the quality of the water produced, but there is no early warning effect and often exceeds the dose of biocides harmful to the organisms in the process. Because it is injected, it can cause water quality problems. Therefore, it is essential to present the target of sensor development based on understanding of biofilm formation and biofouling mechanism of reverse osmosis membrane during RO process and analysis of membrane fouling agents. There is also a need to develop a method for quickly and simply measuring the detection and monitoring of microorganisms associated with membrane fouling in a RO membrane system.

2003년은 국내 시장에 바이오센서 제품이 등장하기 시작한 시기로 한국과학기술원 연구원들이 설립한 한국 바이오 시스템은 독창적인 바이오센서 기술을 응용하여 BOD 계측기, 독극물 감지 장치 등을 개발했다. 또한, 광운대 화학과 교수들이 설립한 아이센스는 매우 적은 양의 혈액으로 혈당 측정이 가능한 휴대용 자가 혈당 측정기를 출시했다. 2005년 5월 한국과학기술원 바이오시스템학과 박제균 교수팀은 나노그램 수준의 극 미세량 물질도 검출할 수 있는 고감도의 나노바이오센서 원천기술을 개발했다. 같은 해 6월 바이오칩 전문 벤처 제노프라는 먹는 물속에 포함된 대장균을 현장에서 바로 검사할 수 있는 바이오센서 기술을 개발하고, 7월 바이오센서 전문 업체인 올메디쿠스는 피 한 방울로 혈당 및 콜레스테롤을 체크할 수 있는 ‘혈액분석 칩’을 개발했다. 2006년 농촌진흥청 농업공학연구소는 “잔류농약 검출 SPR 바이오센서”의 실용화 촉진을 위하여 바이오센서 전문 생산업체인 케이맥(주)과 기술이전 조인식을 가졌다. 개발한 잔류농약 검출 SPR 바이오센서는 국내에서 검출빈도가 높은 카보후란, 카바릴, 벤프라카브, 치오디카브, 등 카바메이트계 4가진와 다이아지논, 카두사포스, 에토프로포스, 파라치온메칠, 클로르피리포스 등 유기인계 5가지로 모두 9가지 농약 성분을 검출할 수 있다. 2007년 KAIST 전자전산학과 최양규 교수팀이 반도체 트랜지스터를 이용, 생체 분자를 검출하는 바이오센서를 개발했는데, 이 바이오센서는 일반적인 트랜지스터 구조에 나노미터 크기의 나노갭(nanogap)을 형성한 후, 그 내부의 유전율 변화를 이용, 생체 분자를 검출하는 원천기술이다.In 2003, when biosensor products began to appear in the domestic market, the Korea Biosystems, established by the Korea Institute of Science and Technology, developed BOD measuring instruments and poison detection devices by applying unique biosensor technology. In addition, iSense, founded by professors in the department of chemistry at Kwangwoon University, has introduced a portable self-glucometer that can measure blood glucose with a very small amount of blood. In May 2005, Professor Park Je-kyun of the Korea Advanced Institute of Science and Technology developed a high-sensitivity nanobiosensor source technology that can detect extremely small amounts of nanograms. In June of the same year, biochip venture venture Genopra developed a biosensor technology that can directly check E. coli contained in drinking water.In July, biosensor company Olmedikus can check blood sugar and cholesterol with a drop of blood. Developed a blood analysis chip. In 2006, the Rural Agricultural Research Institute held a technology transfer signing ceremony with Kmac, a biosensor manufacturer, to promote the commercialization of “residual pesticide detection SPR biosensor”. The developed residual pesticide detection SPR biosensors are carbamate, cabaryl, benpracarb, chiodicarb, etc., which have high detection frequency in Korea, and carbamate-based tetraazines, diazinon, cardusasa, etoproforce, parathion methyl, chlor Nine pesticides can be detected in all five kinds of organophosphates such as pyriphos. In 2007, Professor Yang-Kyu Choi of KAIST developed a biosensor that detects biomolecules using semiconductor transistors. The biosensors form nanometer-sized nanogaps in general transistor structures, It is a source technology for detecting biomolecules using the change of dielectric constant.

바이오센서/바이오칩은 측정의 간편화, 실시간 측정 감도 향상, 신뢰성 향상, 장수명화 등에 더 많은 관심이 기울어지고 있다. 또한, 얇은 막의 약한 접착력, 감도의 심한변화, 구성품의 결여, 잡음간섭, 분석물 탐지의 특이성, 소형화의 어려움 등의 문제점이 타계되어야 한다. 따라서, 시험 안정성이 높고, 데이터 프로세싱 능력이 우수하고, 다양한 분석능력을 갖으며, 소형이면서 사용이 간편하고 가격이 낮으며 수명이 긴 바이오센서의 개발이 요구되고 있다. 국내의 경우 바이오센서가 지니고 있는 엄청난 성장 잠재력에도 불구하고 아직까지 사회적인 인식과 지원이 매우 부족한 상태이고, 아직도 많은 부분이 수입ㆍ공급되고 있어, 수입대체를 위한 기술개발 및 국내 업체의 지원육성이 필요한 것으로 파악되고 있다. 특히, 바이오칩 기술은 그 자체로도 중요하지만, 이 기술을 사용할 연구 대상, 즉 생물학적 정보가 융합되어야 시너지 효과를 발휘할 수 있다. 이미 바이오칩 기술의 선진국들은 많은 양의 생물학적 정보를 축적하고 있는 상태여서 이 축적된 정보에 바이오칩 기술을 적용하여 바이오 산업이나 연구에 빠른 성장을 보이고 있다. 따라서, 지금까지의 바이오칩 개발의 기술의 초점이 주로 마이크로어레이 제작 기술에 맞추어진 것에 비해, 향후에는 MEMS, 로보틱스, CAD, 데이터마이닝, 그리고 프린팅 기술과 같은 주변 기술의 발전에 더욱 영향을 받을 것으로 예상된다. 이에 기술간 활발한 상호 교류도 요구되고 있다.
Biosensors / biochips are paying more attention to simplify measurement, improve real-time measurement sensitivity, improve reliability, and prolong life. In addition, problems such as weak adhesion of the thin film, severe change in sensitivity, lack of components, noise interference, specificity of analyte detection, and difficulty in miniaturization should be calculated. Therefore, there is a demand for the development of biosensors with high test stability, excellent data processing capability, various analysis capabilities, small size, easy to use, low cost, and long life. In Korea, despite the enormous growth potential of biosensors, social awareness and support are still lacking, and many parts are still imported and supplied. Therefore, it is necessary to develop technology for import substitution and foster support of domestic companies. It is understood. In particular, biochip technology is important on its own, but synergies can only be achieved when the research subjects using it, ie biological information, are fused. Already, advanced countries of biochip technology are accumulating large amount of biological information, and applying biochip technology to this accumulated information is showing rapid growth in bio industry and research. Therefore, the focus of the biochip development technology so far is mainly focused on the microarray manufacturing technology, but in the future, it is expected to be further affected by the development of peripheral technologies such as MEMS, robotics, CAD, data mining, and printing technology. do. Accordingly, active mutual exchanges between technologies are also required.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety, and the level of the technical field to which the present invention belongs and the contents of the present invention are more clearly explained.

본 발명자들은 시료 내 미생물을 보다 높은 정확도로 비교적 간편한 방식으로 검출할 수 있는 방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 자성 나노입자 및 이에 결합된 타겟-결합 모이어티(target-binding moiety), 특히 박테리아 항체와 결합된 자성 나노입자를 이용하면 미생물(바람직하게는, 해양미생물)의 검출을 보다 특이적으로 실시할 수 있으며 입자수 측정기를 이용하여 상기 자성 나노입자의 수를 정량적으로 측정함으로써, 미생물을 보다 더 빠르고 간단하게 검출할 수 있는 방법을 발견함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The inventors have sought to develop a method that can detect microorganisms in a sample in a relatively simple manner with higher accuracy. As a result, the inventors have found that the use of magnetic nanoparticles and target-binding moieties bound thereto, in particular magnetic nanoparticles bound to bacterial antibodies, allows detection of microorganisms (preferably marine microorganisms). By quantitatively measuring the number of the magnetic nanoparticles using a particle number measuring device, the present invention has been completed by discovering a method for detecting microorganisms more quickly and simply.

따라서, 본 발명의 목적은 미생물 검출용 바이오센서를 제공한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a biosensor for detecting microorganisms.

본 발명의 다른 목적은 시료 내 미생물 검출 방법을 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for detecting microorganisms in a sample.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 자성 나노입자 및 상기 자성 나노입자에 결합된 타겟-결합 모이어티(target-binding moiety)를 포함하는 미생물 검출용 바이오센서를 제공한다.
According to an aspect of the present invention, the present invention provides a biosensor for detecting microorganisms comprising magnetic nanoparticles and a target-binding moiety coupled to the magnetic nanoparticles.

본 발명자들은 시료 내 미생물을 보다 높은 정확도로 비교적 간편한 방식으로 검출할 수 있는 방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 자성 나노입자 및 이에 결합된 타겟-결합 모이어티(target-binding moiety), 특히 박테리아 항체와 결합된 자성 나노입자를 이용하면 미생물(바람직하게는, 해양미생물)의 검출을 보다 특이적으로 실시할 수 있으며 입자수 측정기를 이용하여 상기 자성 나노입자의 수를 정량적으로 측정함으로써, 미생물을 보다 더 빠르고 간단하게 검출할 수 있는 방법을 발견하였다.The inventors have sought to develop a method for detecting microorganisms in a sample in a relatively simple manner with higher accuracy. As a result, the inventors have found that the use of magnetic nanoparticles and target-binding moieties bound thereto, in particular magnetic nanoparticles bound to bacterial antibodies, allows detection of microorganisms (preferably marine microorganisms). It has been found that the method can be carried out specifically and by detecting the microorganisms more quickly and simply by quantitatively measuring the number of the magnetic nanoparticles using a particle number measuring device.

바이오파울링 또는 생물학적 파울링은 습도가 높은 구조물 상에 미생물, 식물, 조류 및/또는 동물의 바람직하지 않은 축적 현상을 의미한다. 특히, 미생물에 의한 바이오파울링은 산업적으로 큰 문제를 야기한다. 따라서, 바이오파울링을 야기하는 미생물(예컨대, 해양미생물)을 검출하는 효율적이고 경제적인 방법을 개발하는 것이 시급히 요구되고 있다.Biofouling or biological fouling means undesirable accumulation of microorganisms, plants, algae and / or animals on highly humid structures. In particular, biofouling by microorganisms causes a great industrial problem. Therefore, there is an urgent need to develop an efficient and economical method for detecting microorganisms (eg, marine microorganisms) that cause biofouling.

본 발명에 따르면, 본 발명의 미생물 검출용 바이오센서는 자성 나노입자 및 상기 자성 나노입자에 결합된 타겟-결합 모이어티(target-binding moiety)를 포함한다.According to the present invention, the biosensor for detecting a microorganism of the present invention includes magnetic nanoparticles and a target-binding moiety coupled to the magnetic nanoparticles.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 자성 나노입자의 표면에는 타겟에 대해 결합 친화도(affinity)를 가지는 타겟-결합 모이어티가 결합되어 있다. 상기 타겟-결합 모이어티는 자성 나노입자의 표면에 직접 또는 간접적으로, 공유 또는 비공유 방식으로 결합된다.According to a preferred embodiment of the present invention, a target-binding moiety having a binding affinity to a target is bound to the surface of the magnetic nanoparticles used in the present invention. The target-binding moiety is bound to the surface of the magnetic nanoparticles directly or indirectly, in a covalent or non-covalent manner.

예를 들어, 상기 타겟-결합 모이어티는 자성 나노입자의 표면에 직접적인 공유 또는 비공유 방식, 예컨대 이온결합, 정전기적 결합, 소수성 결합, 수소 결합, 공유결합, 친수성 결합, 또는 반데르 발스 결합에 의해 결합될 수 있다. 또한, 상기 타겟-결합 모이어티는 중간 매개체(intervening agent)를 통하여 간접적으로 자성 나노입자의 표면에 결합될 수 있다.For example, the target-binding moiety may be covalently or non-covalently directly to the surface of the magnetic nanoparticles such as ionic bonds, electrostatic bonds, hydrophobic bonds, hydrogen bonds, covalent bonds, hydrophilic bonds, or van der Waals bonds. Can be combined. In addition, the target-binding moiety may be bound to the surface of the magnetic nanoparticles indirectly through an intervening agent.

본 명세서에서 “타겟(target)”은 분리(또는 분리와 검출, 또는 분리, 검출 및 정량)하고자 하는 시료 내 물질로, 박테리아, 바이러스, 세포, 핵산분자(DNA 또는 RNA), 단백질, 펩타이드, 항원, 당, 지질, 유기 화합물, 무기화합물, 금속 및 무기이온을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 시료는 생물학적 시료, 화학적 시료 및 환경 시료를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 생물학적 시료는 예컨대 혈액, 혈장, 혈청, 바이러스, 세균, 조직, 세포, 림프, 골수액, 타액, 우유, 소변, 분변, 안구액, 정액, 뇌 추출물, 척수액, 관절액, 흉선액, 복수, 양막액, 세포 조직액 및 세포 배양액을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.As used herein, a "target" is a substance in a sample to be separated (or separated and detected, or separated, detected and quantified), and is a bacterium, virus, cell, nucleic acid molecule (DNA or RNA), protein, peptide, antigen. , Sugars, lipids, organic compounds, inorganic compounds, metals and inorganic ions, but are not limited thereto. In addition, the sample includes, but is not limited to, biological samples, chemical samples and environmental samples. The biological sample is for example blood, plasma, serum, virus, bacteria, tissue, cells, lymph, bone marrow, saliva, milk, urine, feces, ocular fluid, semen, brain extract, spinal fluid, joint fluid, thymus, ascites, amniotic membrane Fluids, cell tissue fluids, and cell culture fluids, including but not limited to.

본 명세서에서 사용되는 용어 “타겟-결합 모이어티(target-binding moiety)”는 분리하고자 하는 타겟물질에 대하여 특이적 결합능을 가지는 물질로, 분리하고자 하는 물질에 대하여 결합 친화도를 가지는 물질이면 어떠한 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 타겟-결합 모이어티는 항체, 항체 단편, 항원, 펩타이드, 앱타머(RNA, DNA 및 펩타이드 앱타머), 단백질, 수용체, 약물, 뉴트라세티컬, 스트렙타비딘, 아비딘, 바이오틴, 렉틴, 리간드, 아고니스트, 안타고니스트, 효소, 조효소, 무기이온, 효소보조인자, 탄수화물, 당, 지질, 효소기질, 합텐(hapten), 뉴트라비딘(neutravidin), 프로테인 A, 프로테인 G, 셀렉틴 (selectin) 또는 칼슘 설페이트, 기체 결합제(예: Pt, Pd, Au, Ag, Nb, Ir, Rh 및 Ru)를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 본 발명의 타겟-결합 모이어티는 상기 자성 나노입자 표면에 상기 모이어티가 직접적(예컨대, 공유결합) 또는 간접적(예컨대, 이온결합, 배위결합 및 비공유결합)으로 결합되어 타겟(바람직하게는, 미생물)의 표면 단백질에 대한 특이적 친화성(specific affinity)을 가지는 물질을 포함한다.As used herein, the term "target-binding moiety" is a material having a specific binding ability to the target material to be separated, any material having a binding affinity to the material to be separated. It is possible. For example, the target-binding moiety may comprise antibodies, antibody fragments, antigens, peptides, aptamers (RNA, DNA and peptide aptamers), proteins, receptors, drugs, nutraceuticals, streptavidin, avidin, biotin, Lectins, ligands, agonists, antagonists, enzymes, coenzymes, inorganic ions, enzyme cofactors, carbohydrates, sugars, lipids, enzyme substrates, hapten, neutravidin, protein A, protein G, selectin Or calcium sulfate, gas binders (eg, Pt, Pd, Au, Ag, Nb, Ir, Rh and Ru). Preferably, the target-binding moiety of the present invention may be bonded to the surface of the magnetic nanoparticles directly (eg, covalently) or indirectly (eg, ionic, coordinating, and non-covalently) to the target (preferably). Preferably, a substance having a specific affinity for the surface protein of the microorganism).

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 타겟-결합 모이어티는 항체 분자이며, 보다 바람직하게는 박테리아 항체이고, 보다 더 바람직하게는 E. coli 항체이며, 가장 바람직하게는 E. coli 표면 단백질에 대한 항체이다.According to a preferred embodiment of the invention, the target-binding moiety of the invention is an antibody molecule, more preferably a bacterial antibody, even more preferably an E. coli antibody, most preferably an E. coli surface protein. Is an antibody against.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 타겟-결합 모이어티에 의해 결합될 수 있는 미생물의 표면 단백질은 OmpA, OmpC, OmpF, OmpG, OmpN, OmpR, OmpW, OmpX, FecA, FhuA, FhuE, HlpA, HtrE, InvE, LamB, MltA, MltB, MltC, MltD, PgpB, PhoE, PhoP, RfaY, YbfM, YbiL 또는 YeaF 단백질을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the present invention, the surface protein of the microorganism that can be bound by the target-binding moiety of the present invention is OmpA, OmpC, OmpF, OmpG, OmpN, OmpR, OmpW, OmpX, FecA, FhuA, FhuE, HlpA , HtrE, InvE, LamB, MltA, MltB, MltC, MltD, PgpB, PhoE, PhoP, RfaY, YbfM, YbiL or YeaF proteins.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 자성 나노입자는 그 표면에 아민기 또는 카르복실기를 포함하고, 보다 바람직하게는 카르복실기를 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles used in the present invention include an amine group or a carboxyl group on the surface thereof, and more preferably include a carboxyl group.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 자성 나노입자는 그 표면에 상기 타겟-결합 모이어티에 대한 친화성 물질이 직접적으로 결합되어 있다. 상기 친화성 물질은 당업계에서 이용되는 다양한 링커 및 나노 입자 표면 코팅 물질을 포함하며, 바람직하게는 항체에 대한 친화성 물질이고, 보다 바람직하게는 단백질 G이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles used in the present invention are directly bonded to an affinity material for the target-binding moiety on its surface. The affinity material includes various linkers and nanoparticle surface coating materials used in the art, preferably an affinity material for antibodies, more preferably protein G.

또한, 상기 타겟-결합 모이어티가 직접적으로 나노입자 표면에 결합하기 위해서 단백질의 말단 부위에 적합한 반응기로 변형될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 자성 나노입자는 활성화된 카르복실기를 포함하며 이를 통해 E. coli 항체와 직접적으로 결합할 수 있다.In addition, the target-binding moiety can be modified with a reactor suitable for the terminal portion of the protein to directly bind to the nanoparticle surface. For example, the magnetic nanoparticles of the present invention include an activated carboxyl group through which the direct binding to the E. coli antibody is possible.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 자성 나노입자의 표면은 타겟에 대한 나노입자의 비특이적 결합을 억제하기 위해 우혈청 알부민(bovine serum albumin, BSA)으로 코팅되어 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the surface of the magnetic nanoparticles used in the present invention is coated with bovine serum albumin (BSA) to inhibit nonspecific binding of the nanoparticles to the target.

본 발명의 바이오센서에서, 자성 나노입자와 결합된 타겟-결합 모이어티는 미생물에 대한 결합 특이성을 가지며, 이러한 결합을 통해 형성된 자성 나노입자-미생물 복합체(magnetic nanoparticle-microbe complex)는 미생물의 크기 변화를 유발하여 미세유체채널 안에서 전기적 신호에 변화를 야기하고 이를 통해 타겟 미생물의 존재를 감지할 수 있다. 이와 더불어, 미생물에 결합된 자성 나노입자의 분리 및 정량을 통해 시료 내 미생물의 수(또는 양)를 정량적으로 분석할 수 있다.In the biosensor of the present invention, the target-binding moiety bound to the magnetic nanoparticles has a specificity for binding to microorganisms, and the magnetic nanoparticle-microbe complex formed through the binding has a change in the size of the microorganism. Induces a change in the electrical signal in the microfluidic channel through which the presence of the target microorganism can be detected. In addition, the number (or amount) of microorganisms in the sample may be quantitatively analyzed by separating and quantifying the magnetic nanoparticles bound to the microorganisms.

본 발명에 따르면, 본 발명의 바이오센서는 시료 내에 존재하는 미생물의 수(또는 양)에 선형적으로 비례하는 결합능 및 입자수를 나타냈으며(참고: 도 6), 이의 미생물 검출 한계는 105 CFU(colony forming unit)/mL 이상의 미생물 수를 나타냈다(참고: 도 7). 즉, 본 발명의 바이오센서는 타겟-결합 모이어티를 통해 타겟, 바람직하게는 미생물(보다 바람직하게는, 해양미생물)에 대한 특이성을 가지고, 자성 나노입자의 수를 카운팅함으로써 미생물의 수(또는 양)을 정량적으로 분석할 수 있다는 것을 나타낸다.According to the present invention, the biosensor of the present invention exhibited a binding capacity and particle number linearly proportional to the number (or amount) of microorganisms present in the sample (see FIG. 6), and its microbial detection limit was 10 5 CFU. (colony forming unit) / number of microorganisms more than mL was shown (see Fig. 7). That is, the biosensor of the present invention has specificity for a target, preferably a microorganism (more preferably a marine microorganism) via a target-binding moiety, and counts the number (or amount) of the microorganism by counting the number of magnetic nanoparticles. ) Can be analyzed quantitatively.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 자성 나노입자는 미생물과의 결합을 통해 나노입자의 응집(aggregation)을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 자성 나노입자와 미생물 간의 복합체 형성은 미세유체채널 내의 전기적 신호의 변화를 야기하며, 이를 통해 시료 내 미생물의 존재를 탐지할 수 있다(참고: 도 7). 따라서, 본 발명의 바이오센서는 미생물의 검출에 매우 우수하고 효과적인 바이오센서이다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles of the present invention exhibit aggregation of the nanoparticles through binding to microorganisms. Accordingly, the complex formation between the magnetic nanoparticles and the microorganism of the present invention causes a change in the electrical signal in the microfluidic channel, thereby detecting the presence of the microorganism in the sample (see FIG. 7). Therefore, the biosensor of the present invention is a very good and effective biosensor for the detection of microorganisms.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 시료 내 미생물 검출 방법을 제공한다:According to another aspect of the invention, the invention provides a method for detecting microorganisms in a sample comprising the following steps:

(a) 상술한 바이오센서를 시료에 접촉하는 단계; (a) contacting the sample with the biosensor described above;

(b) 자성을 이용하여 상기 시료 내 자성 나노입자-미생물 복합체를 분리하는 단계; 및(b) separating the magnetic nanoparticle-microbial complex in the sample using magnetic; And

(c) 자성 나노입자의 수를 측정하는 단계.(c) measuring the number of magnetic nanoparticles.

본 발명의 방법은 기본적으로 상술한 본 발명의 바이오센서를 이용하여 실시되는 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.The method of the present invention is basically carried out using the biosensor of the present invention described above, and the common content between the two is omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification.

시료에 자기장을 인가하면 자성 나노입자-타겟(바람직하게는, 미생물) 복합체가 시료 내의 다른 성분으로부터 분리된다. 이렇게 분리된 상기 복합체는 다양한 방식(예컨대, 파이펫팅, 드레이닝, 스키밍, 푸어링 등)으로 시료 내의 다른 성분으로부터 제거될 수 있으며, 이에 의해 자성 나노입자-타겟 복합체만으로 이루어진 시료 농축액을 얻을 수 있다. 예를 들어, 시료가 있는 반응용기에 자성 나노입자를 첨가 및 혼합하여 반응시키고 반응용기의 한 부분에 자기장을 인가하면 자성 나노입자-타겟 물질 복합체가 반응용기의 한 부분으로 분리된다. 이어, 자기장의 인가된 상태에서 상기 시료를 파이펫팅으로 용액을 제거하면 반응용기에는 자성 나노입자-타겟 물질 복합체만 잔존하게 된다. 그런 다음, 자성 나노입자-타겟 복합체를 세척하고 적합한 용매로 현탁하면 자성 나노입자-타겟 복합체만으로 이루어진 시료 농축액을 얻을 수 있다.Applying a magnetic field to the sample separates the magnetic nanoparticle-target (preferably microorganism) complex from other components in the sample. The complex thus separated can be removed from other components in the sample in a variety of ways (e.g., pipetting, draining, skimming, pouring, etc.), thereby obtaining a sample concentrate consisting solely of magnetic nanoparticle-target complexes. . For example, the magnetic nanoparticles-target material complex is separated into one portion of the reaction vessel by adding and mixing the magnetic nanoparticles to the reaction vessel containing the sample and reacting the magnetic field. Subsequently, when the solution is removed by pipetting the sample while the magnetic field is applied, only the magnetic nanoparticle-target material complex remains in the reaction vessel. Then, the magnetic nanoparticle-target complex is washed and suspended in a suitable solvent to obtain a sample concentrate consisting only of the magnetic nanoparticle-target complex.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 분리 방법은 검출 또는 정량 과정과 조합된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the separation method of the present invention is combined with a detection or quantification process.

시료 내 자성 나노입자-타겟 복합체의 형성을 검출하는 것은 당업계에 공지된 통상의 방법에 따라 실시할 수 있다.Detecting the formation of magnetic nanoparticle-target complexes in a sample can be carried out according to conventional methods known in the art.

예를 들어, 자성 나노입자-타겟 복합체가 있는 시료에서 자성 나노입자의 수를 입자수 측정기(particle counter)로 측정하여 타겟(바람직하게는, 미생물)의 수(또는 양)을 정량적으로 측정할 수 있다.For example, in a sample with magnetic nanoparticle-target complexes, the number of magnetic nanoparticles can be measured with a particle counter to quantitatively determine the number (or quantity) of the target (preferably, microorganism). have.

또한, 자성 나노입자에 시그널 생성 표지가 결합되어 있는 경우에는 이로부터 나오는 시그널을 검출함으로써 복합체 형성을 정량적으로 검출할 수 있다.In addition, when a signal generating label is bound to the magnetic nanoparticles, complex formation can be quantitatively detected by detecting a signal from the magnetic nanoparticle.

상기 시그널 생성 표지는 화학적 표지(예컨대, 바이오틴), 효소 표지(예컨대, 알칼린 포스파타아제, 퍼옥시다아제, β-갈락토시다아제 및 β-글루코시다아제), 방사능 표지(예컨대, I125 및 C14), 형광 표지, 발광 표지, 화학발광(chemiluminescent) 표지, FRET(fluorescence resonance energy transfer) 표지 및 중금속 표지(예컨대, 금)를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The signal generating label may be a chemical label (eg biotin), an enzyme label (eg alkaline phosphatase, peroxidase, β-galactosidase and β-glucosidase), radiolabels (eg I 125 and C). 14 ), but not limited to fluorescent labels, luminescent labels, chemiluminescent labels, fluorescence resonance energy transfer (FRET) labels and heavy metal labels (eg, gold).

상기 형광 표지의 비제한적인 예는 플루오로세인, 로다민, 루시퍼 엘로우, B-파이토에리쓰린, 9-아크리딘이소티오시아네이트, 루시퍼 엘로우 VS, 4-아세트아미도-4'-이소티오-시아나토스틸벤-2,2'-다이설폰산, 7-다이에틸아미노-3-(4'-이소티오시아토페닐)-4-메틸쿠마린, 석시니미딜-파이렌부티레이트, 4-아세트아미도-4'-이소티오시아나토스틸벤-2,2'-다이설폰산 유도체, LC™-Red 640, LC™-Red 705, Cy5, Cy5.5, 리사민, 이소티오시아네이트, 에리쓰로신 이소티오시아네이트, 다이에틸렌트리아민 펜타아세테이트, 1-다이메틸아미노나프틸-5-설포네이트, 1-아닐리노-8-나프탈렌 설포네이트, 2-p-토우이디닐-6-나프탈렌 설포네이트, 3-페닐-7-이소시아나토쿠마린, 9-이소티오시아나토아크리딘, 아크리딘 오렌지, N-(p-(2-벤족사조일릴)페닐)멜레이미드, 벤족사디아졸, 스틸벤, 파이렌 및 이들의 유도체를 포함한다.Non-limiting examples of such fluorescent labels are fluorosane, rhodamine, lucifer yellow, B-phytoerythrin, 9-acridine isothiocyanate, lucifer yellow VS, 4-acetamido-4'-isothio -Cyanatostilben-2,2'-disulfonic acid, 7-diethylamino-3- (4'-isothiocyatophenyl) -4-methylcoumarin, succinimidyl-pyrenebutyrate, 4-acet Amido-4'-isothiocyanatostilbene-2,2'-disulfonic acid derivatives, LC ™ -Red 640, LC ™ -Red 705, Cy5, Cy5.5, lysamine, isothiocyanate, ery Throcin isothiocyanate, diethylenetriamine pentaacetate, 1-dimethylaminonaphthyl-5-sulfonate, 1-anilino-8-naphthalene sulfonate, 2-p-touidiyl-6-naphthalene Sulfonate, 3-phenyl-7-isocyanatocoumarin, 9-isothiocyanatoacridine, acridine orange, N- (p- (2-benzoxazoylyl) phenyl) melimide, benzoxa Diazole, stilbene, wave Ylenes and their derivatives.

상기 표지가 결합된 자성 나노입자-타겟 복합체의 형성의 검출은 형광측정기, 스펙트로포토미터, 색상 검출(colorimetric detection) 또는 방사능 검출 등의 방식으로 실시할 수 있다.Detection of the formation of the label-bound magnetic nanoparticle-target complex may be performed by a fluorometer, spectrophotometer, colorimetric detection, or radioactivity detection.

본 발명은 시료 내의 특정 타겟물질의 분리, 농축 및 검출에 이용될 수 있다. 본 발명에서 타겟물질에 결합하는 타겟-결합 모이어티의 종류를 달리하여 자성 나노입자를 제조하면 다양한 타겟을 높은 효율로 분리 및/또는 검출할 수 있는 경제적인 시스템을 디자인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 일반적인 검출 과정에서 요구되는 복잡한 pre-인리치먼트, 정제 또는 처리 과정 등이 필요 없다.The present invention can be used for the separation, concentration and detection of specific target substances in a sample. In the present invention, by manufacturing the magnetic nanoparticles by varying the kind of target-binding moiety that binds to the target material, it is possible to design an economical system capable of separating and / or detecting various targets with high efficiency. In addition, according to the present invention, there is no need for complicated pre-enrichment, purification or processing required in the general detection process.

본 발명의 나노입자는 크기가 작고 포화 자화율이 매우 크기 때문에, 생물학적 시료(일반적으로, 수용액 시료)에 빨리 분포되며(브라운 확산에 의해 수용액 시료에 있는 타겟물질과 컨택할 수 있는 기회가 많아짐) 반면 자기장을 인가한 경우에는 빠르게 수집/분리되는 장점이 있다.Because the nanoparticles of the present invention are small in size and have a very high saturation susceptibility, they are rapidly distributed in biological samples (generally aqueous solution samples) (brown diffusion increases the chance of contact with the target material in the aqueous sample). In the case of applying a magnetic field, there is an advantage of being quickly collected and separated.

이에, 본 발명은 다양한 응용분야를 갖는다: 첫 번째, 본 발명은 진단에 이용될 수 있다. 본 발명의 자성 나노입자를 생물학적 시료에 적용하여 시료 내의 질병-관련 물질(예컨대, 박테리아, 바이러스, 단백질, 항원, 핵산분자, 탄수화물 및 지질)을 분리/검출할 수 있다. 두 번째, 본 발명은 화합물 생산 공정에 적용되어 최종 산물의 분리에 이용될 수 있다. 세 번째, 본 발명은 수 탈염(water desalination)에 이용될 수 있다. 예컨대, 특정 염 또는 이온 또는 금속을 선택적으로 제거할 수 있도록 킬레이트제/컴플렉싱제로 변형된 자성 나노입자를 이용하는 경우에는 수 탈염 또는 담수화 공정에 이용될 수 있다.
Thus, the present invention has a variety of applications: First, the present invention can be used for diagnosis. Magnetic nanoparticles of the invention can be applied to biological samples to isolate / detect disease-related substances (eg, bacteria, viruses, proteins, antigens, nucleic acid molecules, carbohydrates, and lipids) in the sample. Second, the present invention can be applied to the compound production process and used for the separation of the final product. Third, the present invention can be used for water desalination. For example, magnetic nanoparticles modified with a chelating agent / complexing agent to selectively remove specific salts or ions or metals can be used in water desalination or desalination processes.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 자성 나노입자 및 이에 결합된 타겟-결합 모이어티를 포함하는 미생물 검출용 바이오센서 및 이를 이용한 미생물 검출 방법에 관한 것이다.(a) The present invention relates to a biosensor for detecting a microorganism comprising magnetic nanoparticles and a target-binding moiety bound thereto, and a method for detecting microorganisms using the same.

(b) 본 발명의 바이오센서에서, 타겟에 결합하는 타겟-결합 모이어티의 종류를 달리하여 자성 나노입자를 제조하면 다양한 타겟을 높은 효율로 분리 및/또는 검출할 수 있는 경제적인 시스템을 디자인할 수 있다.(b) In the biosensor of the present invention, the production of magnetic nanoparticles with different types of target-binding moieties that bind to a target may design an economical system capable of separating and / or detecting various targets with high efficiency. Can be.

(c) 또한, 본 발명에 따르면, 일반적인 검출 과정에서 요구되는 복잡한 pre-인리치먼트, 정제 또는 처리 과정 등이 필요 없다.(c) In addition, according to the present invention, there is no need for complicated pre-enrichment, purification or processing procedures required for general detection procedures.

(d) 따라서, 본 발명의 바이오센서는 다양한 응용분야, 예컨대 미생물-유발된 질병의 진단, 최종 산물의 분리, 또는 수 탈염 또는 담수화 공정에 효과적으로 적용될 수 있다.
(d) Thus, the biosensors of the present invention can be effectively applied to a variety of applications, such as diagnosis of microbial-induced diseases, separation of final products, or water desalination or desalination processes.

도 1은 카르복실기 자성입자 표면 위로 E. coli 항체의 고정화 및 E. coli 박테리아 존재 시 자성입자의 응집(aggregation) 과정을 보여주는 모식도이다.
도 2는 광학 현미경(배율: 400X)을 이용한 각각의 스텝에 따른 자성입자 상태를 분석한 결과이다. 왼쪽 첫 번째부터 자성입자에 항체 처리 전 그룹(도 2a; only MBs), 항체 처리 후 소니케이션하지 않은 그룹(도 2b; MB-Ab conjugation, No sonic), 항체 처리 후 소니케이션 처리 그룹(도 2c; MB-Ab conjugation, sonic) 및 항체 처리 후 BSA 블랏킹 처리 그룹(도 2d; BSA blocking)을 나타낸다.
도 3은 박테리아 종류에 따른 선택성을 광학현미경(배율: 400X)을 이용하여 조사한 결과이다. 왼쪽 첫 번째 사진부터 박테리아를 처리하지 않은 그룹(도 3a; No bacteria), BL21를 처리한 그룹(도 3b; BL21_1×105/ml), DH5A를 처리한 그룹(도 3c; DH5A_1×105/ml) 및 S.A.를 처리한 그룹(도 3d; S.A._1×105/ml)을 나타낸다.
도 4는 박테리아 종류에 따른 선택성을 공초점 현미경(배율: 600X)을 이용한 형광을 통해 관찰한 결과이다. DH5A를 처리한 그룹(도 4a; DH5A_1×105/ml) 및 S.A.를 처리한 그룹(도 4b; S.A._1×105/ml)에서 공초점 현미경에 의한 형광 사진(왼쪽 패널) 및 광학현미경 사진(오른쪽 패널)을 각각 나타낸다. 비특이적 반응을 최소화하고 효과적인 컨쥬게이트-박테리아 반응을 유도할 수 있는 자성 나노입자의 표면 개질 기술을 개발하였음을 확인하였다.
도 5는 단백질 G가 고정화된 자성 나노입자와 입자수 측정기(particle counter)를 이용한 박테리아 검출 방법을 보여주는 모식도이다.
도 6은 입자수 측정기를 이용한 박테리아 농도에 따른 선형성 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 입자수 측정기를 이용한 박테리아 농도에 따른 선형성 및 검출 한계를 측정한 결과이다.
1 is a schematic diagram showing the immobilization of E. coli antibodies on the surface of carboxyl magnetic particles and the aggregation of magnetic particles in the presence of E. coli bacteria.
2 is a result of analyzing the magnetic particle state according to each step using an optical microscope (magnification: 400X). From the first on the left, the magnetic particles before the antibody treatment group (Fig. 2a; only MBs), the non-sonication group after the antibody treatment (Fig. 2b; MB-Ab conjugation, No sonic), after the antibody treatment group (Fig. 2c) MB-Ab conjugation, sonic) and BSA blocking treatment group after antibody treatment (FIG. 2D; BSA blocking).
3 is a result of investigating the selectivity according to the type of bacteria using an optical microscope (magnification: 400X). From the first photo on the left, no bacteria treated group (Fig. 3a; No bacteria), BL21 treated group (Fig. 3b; BL21_1 × 10 5 / ml), DH5A treated group (Fig. 3c; DH5A_1 × 10 5 / ml) and SA treated group (FIG. 3D; SA_1 × 10 5 / ml).
4 is a result of observing the selectivity according to the type of bacteria through fluorescence using a confocal microscope (magnification: 600X). In the group treated with DH5A (FIG. 4A; DH5A_1 × 10 5 / ml) and the group treated with SA (FIG. 4B; SA_1 × 10 5 / ml), fluorescence (left panel) and optical microscopy (by confocal microscopy) Right panel). It has been found that a technique for surface modification of magnetic nanoparticles has been developed that can minimize nonspecific reactions and induce effective conjugate-bacterial responses.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a bacterial detection method using magnetic nanoparticles immobilized with protein G and a particle counter. FIG.
Figure 6 is a graph showing the linearity test results according to the bacterial concentration using the particle count meter.
7 is a result of measuring the linearity and the detection limit according to the concentration of bacteria using a particle count meter.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험 재료Experimental material

카프복실기 자성 나노입자를 invitrogen(Carlsbad, CA, USA)으로부터 구입하였다. E. coli 항체는 Fitzgerald(Concord, MA, USA)에서 구입하였으며, 마이크로자성입자는 invitrogen(Carlsbad, CA, USA)에서 구입하였고, 형광 자성 나노입자- 또는 단백질 G-표지된 자성 나노입자는 Chemicell(Berlin, Germany)에서 구입하였다. 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 하이드로클로라이드(carbodiimide hydrochloride, EDC) 및 우혈청 알부민(BSA)는 sigma-aldrich(CA, USA)에서 구입하였다.
Capboxyl group magnetic nanoparticles were purchased from invitrogen (Carlsbad, CA, USA). E. coli antibodies were purchased from Fitzgerald (Concord, MA, USA), micromagnetic particles were purchased from invitrogen (Carlsbad, CA, USA), and fluorescent magnetic nanoparticle- or protein G-labeled magnetic nanoparticles were obtained from Chemicell ( Berlin, Germany). 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) and bovine serum albumin (BSA) were purchased from sigma-aldrich (CA, USA).

실시예 1: 비특이적 반응을 최소화하고 효과적인 박테리아 반응을 유도할 수 있는 항체 고정화된 자성 나노입자의 제조Example 1 Preparation of Antibody Immobilized Magnetic Nanoparticles That Minimize Nonspecific Responses and Induce Effective Bacterial Responses

a. 카르복실기 자성 나노입자 위로 항체의 고정화a. Immobilization of Antibodies on Carboxyl Magnetic Nanoparticles

다음 방법은 특정한 박테리아가 존재할 때 응집(aggregation)되는 양상을 유도하기 위해 표면에 카르복실기 활성화된 자성 나노입자를 이용하게 된다. 보다 바람직하게는, 효과적인 자성 나노입자-박테리아 반응을 유도할 수 있게 자성 나노입자 표면에 특이적인 항체를 고정화하고 비특이적인 반응을 막아주기 위해 BSA를 이용해 블랏킹 처리를 하게 된다. 구체적인 실험 순서는 다음과 같다(도 1). 먼저, 10 mg/mL 카르복실기가 활성화된 1 ㎛ 크기의 자성비드(80 ㎕)를 준비하고 탈이온수(deionized water, DI water)를 이용하여 세 번에 걸쳐서 세척하였다. 자성 나노입자의 세척 방법은 먼저 탈이온수를 넣은 후 볼텍스(voltex)를 이용하여 골고루 섞어주고, 자석에 3분 동안 반응시켰다. 이후, 자성 나노입자가 자석 방향으로 끌려가는 것을 관찰할 수 있는데, 이때 파이펫을 이용하여 펠렛은 남겨두고 상층액을 조심스럽게 제거하였다. 동일한 방식으로 세 번에 걸쳐서 세척을 한 후, 자성입자 용액 속에 들어 있는 불필요한 물질들을 최대한 제거하였다. 다음으로, 본 발명자들은 항체를 고정화하기 위한 전 스텝으로 자성비드의 카르복실기를 활성화시켜 주었다. EDC를 이용한 카르복실기 활성화 방법은 다음과 같다. 200 ㎕의 EDC 용액(20 mg/ml, DI water)을 카르복실기 자성 나노입자와 30분 동안 4℃에서 로테이터를 이용하여 반응시켰다. 반응이 끝난 후 자석에 5분 동안 위치시켜 상층액을 제거하였다. 300 ㎕의 차가운 탈이온수로 상술한 방법과 같이 세척한 후, 활성화된 카르복실기의 가수분해를 막기 위해 pH 6의 25 mM MES를 신속하게 처리하였다.The next method uses carboxyl-activated magnetic nanoparticles on the surface to induce aggregation in the presence of specific bacteria. More preferably, the BSA is blocked by immobilizing specific antibodies on the surface of the magnetic nanoparticles and preventing non-specific reactions so as to induce an effective magnetic nanoparticle-bacterial reaction. The specific experimental sequence is as follows (FIG. 1). First, 1 μm-sized magnetic beads (80 μl) having 10 mg / mL carboxyl group activated were prepared and washed three times using deionized water (DI water). In the method of washing magnetic nanoparticles, first, deionized water was added and then mixed evenly using voltex, and reacted with a magnet for 3 minutes. Then, the magnetic nanoparticles can be observed to be attracted in the direction of the magnet, at which time the supernatant was carefully removed while leaving the pellet using a pipette. After washing three times in the same manner, unnecessary materials contained in the magnetic particle solution were removed as much as possible. Next, the inventors activated the carboxyl group of the magnetic beads in the previous step for immobilizing the antibody. The carboxyl activation method using EDC is as follows. 200 μl of EDC solution (20 mg / ml, DI water) was reacted with carboxyl magnetic nanoparticles for 30 minutes at 4 ° C. using a rotator. After the reaction, the supernatant was removed by placing in a magnet for 5 minutes. After washing with 300 μl of cold deionized water as described above, 25 mM MES at pH 6 was rapidly treated to prevent hydrolysis of the activated carboxyl groups.

이후, 본 발명자들은 EDC를 이용해 활성화된 카르복실기 자성 나노입자에 특정 박테리아를 감지하기 위해 E. coli의 O 및 K의 모든 항원성 혈청형에 반응성을 가진 E. coli 박테리아 항체를 고정화시켰다. 본 발명자들은 E. coli 항체를 고정화시키기 위하여 다음과 같이 실험을 진행하였다. 먼저, 카르복실기가 활성화된 자성비드와 항체를 결합시키기 위해서 항체를 60 ㎕ MES에 녹이고 활성화된 자성비드와 혼합한 후, 40 ㎕의 MES를 추가적으로 첨가하여 최종 용량을 100 ㎕로 맞추었다. 2시간 동안 4℃에서 반응시킨 후, 자석을 이용해 자성입자와 반응하지 않은 항체 및 잔여물을 제거하였다. 항체에 존재하는 아민기의 경우, 활성화된 카르복실기와 반응을 해서 아마이드 결합을 형성하며, 이러한 아마이드 결합은 매우 강력한 결합으로 쉽게 떨어지지 않으므로 자성 나노입자와 항체가 강하게 결합될 수 있다. 다음으로, 박테리아의 비특이적인 흡착을 막기 위해 블랏킹 작업을 실시하였다. 먼저, 블랏킹 완충액으로 PBS를 이용하였으며 블랏킹을 위한 단백질로 0.5% BSA를 첨가하여 4℃에서 12시간 동안 반응시켰다. BSA의 경우, 항체가 고정되지 않은 자성 나노입자의 일부 표면에 비특이적인 결합에 의해 고정된다. 상술한 바와 같이, E. coli 항체가 고정된 자성 나노입자의 경우, E. coli 박테리아와 본 발명의 자성 나노입자 간에 결합으로 인해 응집물(aggregates)의 크기가 증가하며, E. coli가 아닌 다른 박테리아 존재 시 아무런 반응이 없기 때문에 크기가 증가하지 않았다.
We then immobilized E. coli bacterial antibodies reactive to all antigenic serotypes of O and K of E. coli to detect specific bacteria on activated carboxyl magnetic nanoparticles using EDC. The present inventors conducted the experiment as follows to immobilize the E. coli antibody. First, the antibody was dissolved in 60 μl MES and mixed with the activated magnetic beads to bind the carboxyl-activated magnetic beads and the antibody, and then 40 μl of MES was added to adjust the final dose to 100 μl. After reacting at 4 ° C. for 2 hours, antibodies and residues that did not react with the magnetic particles were removed using a magnet. In the case of the amine group present in the antibody, it reacts with the activated carboxyl group to form an amide bond. Since such amide bond does not easily fall into a very strong bond, the magnetic nanoparticle and the antibody may be strongly bound. Next, a blocking operation was performed to prevent nonspecific adsorption of bacteria. First, PBS was used as a blocking buffer, and 0.5% BSA was added as a protein for blocking to react for 12 hours at 4 ° C. In the case of BSA, antibodies are immobilized by nonspecific binding to some surfaces of unsecured magnetic nanoparticles. As described above, in the case of magnetic nanoparticles to which E. coli antibodies are immobilized, the size of aggregates increases due to the binding between the E. coli bacteria and the magnetic nanoparticles of the present invention, and other bacteria other than E. coli. It did not increase in size because there was no reaction in presence.

b. 광학현미경을 이용한 자성 나노입자 관찰b. Magnetic Nanoparticle Observation Using Optical Microscope

도 2는 상술한 자성 나노입자의 제조 단계에 따른 광학 현미경 이미지를 나타낸다. 도 2a는 아무 것도 처리하지 않고 증류수(DW)만을 이용하여 세척한 자성 나노입자 이미지이고, 이때 자성 나노입자는 응집(aggregation)하지 않고 단독으로 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있었다. 도 2b는 자성 나노입자에 E. coli 항체를 고정화시킨 후 소니케이션을 실시하지 않았을 때의 이미지로, 항체와의 반응 후 자성입자가 일부 응집된 형태로 남아 있음을 알 수 있었다. 항체 반응 후 자성 나노입자들 간의 비특이적인 결합은 본 발명자들이 원하지 않는 응집 형태이다. 따라서, 본 발명자들은 원하지 않은 비특이적인 결합을 통한 비드 간의 응집을 차단하기 위해 소니케이션을 실시하였다. 소니케이션 과정은 다음과 같다. 우선, 반응을 진행한 튜브를 스폰지에 끼워서 초음파 파쇄기(sonicator, HWASHIN TECH.-power sonic 505)에 넣고 초음파 강도 조절기(L, M 또는 H로 나뉨)에서 'M'으로 세팅한 후, 5분 동안 소니케이션 시켰다. 도 2c는 자성 나노입자에 E. coli 항체를 반응시킨 후 소니케이션한 결과로, 뭉쳐있던 자성 나노입자들이 분산된 형태를 나타냈다. 도 2d는 항체 고정화 후 BSA 블랏킹을 실시한 그룹으로, 소니케이션 과정을 실시하지 않더라도 자성 나노입자 간 비특이적인 결합이 일어나지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 2 shows an optical microscope image according to the manufacturing step of the magnetic nanoparticles described above. Figure 2a is a magnetic nanoparticle image washed using only distilled water (DW) without processing anything, wherein it was confirmed that the magnetic nanoparticles are well dispersed alone without aggregation (aggregation). Figure 2b is an image when the immobilization of the E. coli antibody to the magnetic nanoparticles was not subjected to sonication, it can be seen that the magnetic particles remain in the aggregate form after the reaction with the antibody. Nonspecific binding between magnetic nanoparticles after antibody reaction is a form of aggregation that we do not want. Thus, we implemented sonication to block aggregation between beads through unwanted nonspecific binding. The Sony process is as follows. First, put the reaction tube into a sponge and put it in an ultrasonic crusher (sonicator, HWASHIN TECH.-power sonic 505) and set it to 'M' in the ultrasonic intensity controller (divided by L, M or H), and then for 5 minutes. Sony was allowed. Figure 2c is a result of the sonication after the reaction of the E. coli antibody to the magnetic nanoparticles, showing the dispersed form of the magnetic nanoparticles were aggregated. 2D is a group subjected to BSA blocking after antibody immobilization, and it was confirmed that nonspecific binding between the magnetic nanoparticles does not occur even without the sonication process.

실시예 2: 박테리아에 대한 항체-고정화된 자성 나노입자 컨쥬게이트의 선택성Example 2: Selectivity of Antibody-Immobilized Magnetic Nanoparticle Conjugates Against Bacteria

a. 박테리아 준비 및 항체-고정화된 자성 나노입자 반응a. Bacterial Preparation and Antibody-Immobilized Magnetic Nanoparticle Reactions

상술한 실시예에서 볼 수 있듯이, 볼 발명자들은 자성 나노입자의 표면 상에 항체 고정화가 가능하고 이에 BSA 블랏킹을 실시하였을 경우 자성 나노입자들 간의 비특이적인 결합을 억제할 수 있음을 확인하였다. 다음으로, 본 발명자들은 E. coli 항체가 고정된 자성 나노입자가 E. coli 박테리아에만 선택적으로 결합하여 응집물을 형성하는 지 여부를 조사하였다. 타겟으로서 두 가지 다른 박테리아 종인 E. coli 및 스타필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)를 이용하였다. 보다 상세하게는, 다양한 농도의 박테리아 시료를 준비하였다. 박테리아 시료는 다음과 같은 과정으로 준비하였다. -80℃에 동결 보관되어 있던 BL21, DH5α 및 S. aureus를 세포 스탁(stocks)에서 파이펫을 이용하여 15 mL 튜브에 있는 10 mL LB 배지에 접종시켰다. 접종한 LB 배지는 37℃ 배양기(shaking incubator, HANBAEK SCIENTIFIC CO.-HB 201SF)에서 200 rpm의 속도로 12시간 동안 배양시켰다. 다음 날, 배양된 LB 배지의 E. coli를 OD = 0.6-0.8까지 키워 전체 박테리아의 수가 약 6.0×108 세포/mL임을 확인하였다. 4,000 g로 20분 동안 원심 분리하여 침전된 세포들을 제외한 상층액을 모두 제거하고, PBS 완충액에 세포들을 현탁하였다. 현탁된 105 CFU/mL(PBS) 농도의 박테리아를 1.5 mL E-튜브에 준비하고 상기 자성 나노입자-항체 컨쥬게이트를 첨가한 후 상온에서 볼텍스(shaking voltex, JEIO TECH.-VM 96B)를 이용해 1시간 동안 반응시켰다. 이후, 반응시킨 컨쥬게이트를 분리하기 위해, 자석에 시료를 가져가면 반응한 입자는 자석에 모이게 되고 반응하지 않은 입자를 파이펫으로 제거해 주는 세척 과정을 통해 자성 나노입자와 반응이 가지 않은 박테리아를 제거해 주었다. 최종적으로, 광학현미경을 이용하여 응집 유무를 확인하였다.
As can be seen in the above-described examples, the inventors of the ball confirmed that the antibody can be immobilized on the surface of the magnetic nanoparticles, and when BSA blocking is performed, it is possible to inhibit nonspecific binding between the magnetic nanoparticles. Next, the inventors examined whether the magnetic nanoparticles to which the E. coli antibody was immobilized selectively bind to E. coli bacteria to form aggregates. Two different bacterial species, E. coli and Staphylococcus aureus , were used as targets. More specifically, bacterial samples of various concentrations were prepared. Bacterial samples were prepared by the following procedure. BL21, DH5α and S. aureus , stored frozen at −80 ° C., were inoculated in 10 mL LB medium in 15 mL tubes using pipettes at cell stocks. Inoculated LB medium was incubated for 12 hours at a speed of 200 rpm in a 37 ° C incubator (HANBAEK SCIENTIFIC CO.-HB 201SF). The next day, E. coli in cultured LB medium was grown to OD = 0.6-0.8 to confirm that the total number of bacteria was about 6.0 × 10 8 cells / mL. Centrifugation at 4,000 g for 20 minutes to remove all supernatants except precipitated cells, and suspended the cells in PBS buffer. Suspended 10 5 CFU / mL (PBS) bacteria were prepared in 1.5 mL E-tubes, and the magnetic nanoparticle-antibody conjugate was added, followed by shaking voltex (JIOO TECH.-VM 96B) at room temperature. The reaction was carried out for 1 hour. Then, in order to separate the reacted conjugate, the sample is placed on the magnet, and the reacted particles are collected in the magnet, and the pipette removes the unreacted particles, thereby removing the bacteria that do not react with the magnetic nanoparticles. gave. Finally, the presence or absence of aggregation was confirmed by using an optical microscope.

b. 광학현미경을 이용한 응집 유무 확인 b. Confirmation of Cohesion Using Optical Microscope

도 3은 광학현미경을 이용하여 입자를 관찰한 결과이다. 도 3에서 볼 수 있듯이, 박테리아를 처리 하지 않은 그룹(도 3a)에서는 자성 나노입자가 응집되지 않고 고루 분산된 상태임을 확인할 수 있었다. 하지만, E. coli 종의 하나인 BL21을 처리한 그룹(도 3b)에서는 자성 나노입자의 현저한 응집 현상을 관찰할 수 있었다. 이와 마찬가지로, 또 다른 E. coli 종의 하나인 DH5a를 처리하였을 때(도 3c)에도 자성 나노입자가 응집되는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 응집현상은 자성 나노입자 표면에 위치한 E. coli 항체와 E. coli 표면에 존재하는 수용체 사이에 특이적인 결합에 의해 일어나는 것으로 예측된다. 도 3d는 대조군으로 E. coli가 아닌 스타필로코커스 아우레우스 종의 박테리아를 처리한 그룹인데, 자성 나노입자가 응집되는 현상은 관찰되지 않았다. 예상한 바와 같이, 자성 나노입자의 표면에 위치한 E. coli 항체가 스타필로코커스 아우레우스와 특이적인 결합을 하지 않기 때문에 자성 나노입자는 응집되지 않고 분산된 상태로 존재한다.3 is a result of observing particles using an optical microscope. As shown in FIG. 3, in the group not treated with bacteria (FIG. 3A), it was confirmed that the magnetic nanoparticles were not dispersed but were evenly dispersed. However, in the group treated with BL21 (FIG. 3B), one of E. coli species, significant aggregation of magnetic nanoparticles was observed. Similarly, magnetic nanoparticles were agglomerated even when DH5a, another E. coli species, was treated (FIG. 3C). This aggregation is predicted to be caused by specific binding between E. coli antibodies located on the magnetic nanoparticle surface and receptors on the E. coli surface. Figure 3d is a group treated with bacteria of Staphylococcus aureus species but not E. coli as a control, the phenomenon of agglomeration of magnetic nanoparticles was not observed. As expected, since the E. coli antibody located on the surface of the magnetic nanoparticles does not specifically bind to Staphylococcus aureus, the magnetic nanoparticles are not aggregated but remain dispersed.

상술한 바와 같이, E. coli의 존재 유무를 알 수 있는 정성 분석이 가능했으며, E. coli의 양에 대한 정량적인 분석을 위해 추가적인 실험을 실시하였다.
As described above, qualitative analysis was possible to determine the presence or absence of E. coli , and further experiments were performed for quantitative analysis of the amount of E. coli .

c. 공초점 현미경을 이용한 형광 자성 나노입자와 박테리아 간의 선택적 응집 관찰c. Selective Aggregation Between Fluorescent Magnetic Nanoparticles and Bacteria Using Confocal Microscopy

상기 비드와 특정 박테리아 간의 응집 현상을 보다 정확하게 확인하기 위해, 본 발명자들은 형광 자성 나노입자를 이용하였다. 우선, 50 mg/mL 카르복실기가 활성화된 1 ㎛ 크기의 형광 자성 나노입자를 10 ㎕를 준비하고 300 ㎕의 0.1 M 카보네이트 완충액으로 두 번에 걸쳐서 세척을 하고, 마지막으로 200 ㎕의 탈이온수를 이용하여 추가적으로 세척하였다. 세척 과정은 상술한 방법과 동일하였다. 다음으로, 본 발명자들은 항체를 고정화하기 위한 전 스텝으로 자성비드의 카르복실기를 활성화시켜 주었다. 상기 제조된 형광 자성 나노입자에 400 mM EDC 및 100 mM NHS를 각각 100 ㎕씩 처리 후, 30분 동안 상온에서 로테이터에서 반응을 시켰다. 인큐베이션 과정이 끝난 후 자석에 5분 동안 놓아두고 상층액을 제거하였다. 300 ㎕의 차가운 탈이온수로 동일한 방법으로 세척하고, 다음으로 20 ㎕의 PBS를 처리해 주었다. 이와 같은 방법을 이용해 우리는 카르복실기를 아민기에 반응성이 좋은 형태인 NHS 에스테르 형태로 바꾸어 주었다. 다음으로, E. coli 항체를 카르복실기 형광 자성 나노입자 표면에 고정화시켰다. 앞서 활성화된 카르복실기 형광 자성 나노입자에 20 ㎕의 E. coli 항체(5 mg/mL)를 처리 후 4℃에서 8시간 이상 진탕배양기(shaking incubator)에서 반응을 시켰다. 반응시킨 후 200 ㎕ PBS로 세 번에 걸쳐서 세척하고 0.1% BSA로 블랏킹 하였다. 이후, 200 ㎕의 PBS 완충액으로 두 번에 걸쳐서 세척한 후 4℃에 최종적으로 보관하였다.To more accurately identify the phenomenon of aggregation between the beads and certain bacteria, the inventors used fluorescent magnetic nanoparticles. First, 10 μl of 1 μm fluorescent magnetic nanoparticles having 50 mg / mL carboxyl group activated was prepared, washed twice with 300 μl of 0.1 M carbonate buffer, and finally, 200 μl of deionized water was used. Additional washing. The washing procedure was the same as described above. Next, the inventors activated the carboxyl group of the magnetic beads in the previous step for immobilizing the antibody. 100 μl of 400 mM EDC and 100 mM NHS were treated to the prepared fluorescent magnetic nanoparticles, respectively, and then reacted with a rotator at room temperature for 30 minutes. After the incubation process, the supernatant was removed by leaving it in the magnet for 5 minutes. 300 μl of cold deionized water was washed in the same manner, followed by 20 μl of PBS. Using this method, we converted the carboxyl group to the NHS ester form, which is a highly reactive form of the amine group. Next, the E. coli antibody was immobilized on the surface of the carboxyl fluorescent magnetic nanoparticles. 20 μl of E. coli antibody (5 mg / mL) was treated to the activated carboxyl fluorescent magnetic nanoparticles, and then reacted at 4 ° C. for at least 8 hours in a shaking incubator. After the reaction, the mixture was washed three times with 200 µl PBS and blocked with 0.1% BSA. Then, washed twice with 200 μl of PBS buffer and finally stored at 4 ° C.

다음으로, E. coli 항체가 고정된 자성 나노입자가 E. coli 박테리아에만 선택적으로 결합하여 응집하는 지 여부를 조사하는 실험을 실시하였다. 이때, E. coli 종의 하나인 DH5a와 대조군으로 스타필로코커스 아우레우스를 이용하였다. 상술한 바와 같이, 박테리아의 농도는 105 CFU/mL(PBS)로 준비하였다. 박테리아를 1.5 mL E-튜브에 준비하고 상기 제조된 자성 나노입자-항체 컨쥬게이트를 처리하여 상온에서 볼텍스(shaking voltex)를 이용해 한 시간 동안 반응시켰다. 반응 후, 입자 분리를 위해 자석에 시료를 가져가면 반응한 나노입자들이 자석에 모이게 되고 파이펫을 이용하여 반응하지 않은 나노입자들을 제거해 주는 세척 과정을 통해 자성 나노입자와 반응이 가지 않은 박테리아를 제거하였다. 마지막으로, 응집 유무를 확인하기 위해 공초점현미경으로 관찰하였다. 도 4에서 확인할 수 있듯이, E. coli 종의 하나인 DH5a(도 4a)에서 응집 현상을 관찰할 수 있었고 응집된 나노입자들에서 형광이 검출되었다. 이는 자성 나노입자들 간의 비특이적인 결합이 아닌 자성 나노입자와 E. coli 간의 특이적인 결합이 일어났음을 의미한다. 이와 반대로, 스타필로코커스 아우레우스의 경우에는 응집 현상을 관찰할 수 없었으며 도 3d의 광학현미경 결과와 동일하게 특이적인 반응이 없었기 때문에, 분산된 형태로 자성 나노입자가 관찰되는 것을 확인하였다(도 4b).
Next, an experiment was conducted to investigate whether the magnetic nanoparticles to which the E. coli antibody was immobilized selectively bind and aggregate only to E. coli bacteria. At this time, Staphylococcus aureus was used as a control group DH5a and one of E. coli species. As described above, the concentration of bacteria was prepared at 10 5 CFU / mL (PBS). Bacteria were prepared in 1.5 mL E-tubes and the magnetic nanoparticle-antibody conjugates prepared above were reacted for one hour using a vortex (shaking voltex) at room temperature. After the reaction, when the sample is placed on the magnet for particle separation, the reacted nanoparticles are collected on the magnet and the pipette is used to remove the unreacted nanoparticles. It was. Finally, it was observed by confocal microscopy to confirm the presence or absence of aggregation. As can be seen in Figure 4, one of the E. coli species DH5a (Fig. 4a) was able to observe the aggregation phenomenon and the fluorescence was detected in the aggregated nanoparticles. This means that specific binding between the magnetic nanoparticles and E. coli occurred, not the nonspecific binding between the magnetic nanoparticles. On the contrary, in the case of Staphylococcus aureus, the aggregation phenomenon could not be observed, and since there was no specific reaction as in the optical microscope result of FIG. 3d, it was confirmed that the magnetic nanoparticles were observed in the dispersed form ( 4b).

실시예 3: 항체-고정화된 자성 나노입자를 이용한 박테리아 검출Example 3: Bacteria Detection Using Antibody-Immobilized Magnetic Nanoparticles

특정 박테리아의 존재 시 응집 현상이 유도될 수 있도록 하기 위해, 단백질 G가 고정된 자성 나노입자를 이용하였다. 단백질 G의 경우, 특이적으로 항체의 Fc 지역과 결합을 해서 고정화된 항체의 적절한 도입을 유도하는 역할을 한다. 보다 정확하게는, 효과적인 자성 나노입자 컨쥬게이트-박테리아 반응의 유도를 위해 본 발명자들은 자성 나노입자 표면에 특이적인 항체를 고정화하고 비특이적인 반응을 막아주기 위해 블랏킹 처리를 하였다. 구체적인 실험 순서는 다음과 같다. 도 5에 따르면, 10 mg/mL 단백질 G가 고정화된 자성 나노입자 40 ㎕를 200 ㎕ 소듐 포스페이트 완충액으로 두 번에 걸쳐서 세척하였다. 자성 나노입자의 세척 방법은 상기 완충액과 혼합한 후 볼텍스로 골고루 섞어주었다. 이후, 자석에 5분 정도 놓아두었다. 이에 따라 자성 나노입자는 자석 방향으로 끌려가고, 자석 주위에 형성된 펠렛을 제외한 상층액을 파이펫으로 조심스럽게 제거하였다. 동일한 과정을 두 번 반복하여 자성 나노입자 용액 속에 들어 있는 불필요한 물질들을 제거하였다. 특정 박테리아를 검출하기 위해, 자성 나노입자에 E. coli 박테리아 항체를 고정화시켰다. 본 발명자들은 E. coli 항체의 고정화를 다음과 같이 실시하였다. 먼저, 단백질 G가 고정화된 자성 나노입자 표면 위로 항체를 결합시키기 위해 5 mg/mL E. coli 항체 시료 20 ㎕를 처리하고 30분 동안 상온에서 볼텍스를 이용하여 소듐 포스페이트 완충액에서 반응시켰다. 그 후, PBS를 이용해 세척하고 4℃에 최종적으로 보관하였다.In order to induce aggregation in the presence of certain bacteria, magnetic nanoparticles immobilized with protein G were used. In the case of protein G, the specific binding to the Fc region of the antibody serves to induce the proper introduction of the immobilized antibody. More precisely, in order to induce an effective magnetic nanoparticle conjugate-bacterial reaction, the inventors blocked the antibody to immobilize specific antibodies on the surface of the magnetic nanoparticles and prevent nonspecific reactions. The specific experimental sequence is as follows. According to FIG. 5, 40 μl of magnetic nanoparticles immobilized with 10 mg / mL Protein G were washed twice with 200 μl sodium phosphate buffer. The washing method of the magnetic nanoparticles was mixed with the buffer and then evenly mixed with vortex. After that, it was left on the magnet for 5 minutes. As a result, the magnetic nanoparticles were attracted in the direction of the magnet, and the supernatant except the pellets formed around the magnet was carefully removed with a pipette. The same procedure was repeated twice to remove unnecessary materials in the magnetic nanoparticle solution. To detect specific bacteria, E. coli bacterial antibodies were immobilized on magnetic nanoparticles. The present inventors performed the immobilization of E. coli antibody as follows. First, 20 μl of a 5 mg / mL E. coli antibody sample was treated to bind the antibody onto the magnetic nanoparticle surface to which Protein G was immobilized, and reacted in sodium phosphate buffer using vortex at room temperature for 30 minutes. Then, washed with PBS and finally stored at 4 ℃.

다음 단계로, 다양한 농도의 박테리아 시료를 준비하였다. 박테리아 시료 제조 과정은 다음과 같았다. -80 ℃에 동결건조되어 있던 DH5a를 세포 스탁에서 파이펫을 이용하여 15 mL 튜브에 있는 10 mL LB 배지에 접종하였다. 접종한 LB 배지는 37℃ 배양기에서 200 rpm 의 속도로 하룻밤 동안 배양시켰다. 다음 날, 배양된 LB 배지의 E. coli를 OD = 0.6-0.8까지 키워 전체 박테리아의 수가 약 6.0×108 세포/mL임을 확인하였다. 4,000 g로 20분 동안 원심 분리하여 침전된 세포들을 제외한 상층액을 모두 제거하고, PBS 완충액에 세포들을 현탁하였다. 다양한 농도(108, 107, 106, 105, 104, 103 CFU/mL in PBS)의 박테리아를 1.5 mL E-튜브에 준비하고 상기 자성 나노입자-항체 컨쥬게이트를 첨가한 후 상온에서 볼텍스를 이용해 1시간 동안 반응시켜 자성 나노입자-항체 컨쥬게이트와 박테리아 간의 항체-항원 반응을 유도하였다. 한 시간 뒤 반응이 완결된 시료를 자석에 5분 동안 놓아두면 자성 나노입자와 반응을 한 박테리아(1-3 ㎛)가 자석 방향으로 끌려오게 된다. 반응된 박테리아를 분리하기 위해, 반응을 하지 않은 박테리아가 포함된 상층액을 파이펫으로 조심스럽게 제거하는 과정을 두 번에 걸쳐서 실시하였다. 잔류 입자들은 일정 비율로 소듐 포스페이트 완충액에 희석시켜 입자수 측정기(particle counter, BECKMAN COULTERTM-Z2)를 이용하여 정량적으로 측정하였다.In the next step, bacterial samples of various concentrations were prepared. The bacterial sample preparation procedure was as follows. DH5a lyophilized at −80 ° C. was inoculated into 10 mL LB medium in a 15 mL tube using a pipette in a cell stock. Inoculated LB medium was incubated overnight at a speed of 200 rpm in a 37 ℃ incubator. The next day, E. coli in cultured LB medium was grown to OD = 0.6-0.8 to confirm that the total number of bacteria was about 6.0 × 10 8 cells / mL. Centrifugation at 4,000 g for 20 minutes to remove all supernatants except precipitated cells, and suspended the cells in PBS buffer. Bacteria at various concentrations (10 8 , 10 7 , 10 6 , 10 5 , 10 4 , 10 3 CFU / mL in PBS) were prepared in 1.5 mL E-tubes and the magnetic nanoparticle-antibody conjugate was added to room temperature. Vortex was used for 1 hour to induce an antibody-antigen reaction between the magnetic nanoparticle-antibody conjugate and bacteria. After an hour, the reaction is placed in a magnet for 5 minutes, and bacteria (1-3 μm) reacted with the magnetic nanoparticles are attracted to the magnet. In order to isolate the reacted bacteria, the pipette was carefully removed twice with the supernatant containing the unreacted bacteria. Residual particles were diluted in sodium phosphate buffer at a rate and measured quantitatively using a particle counter (BECKMAN COULTER -Z2).

도 6은 E. coli의 한 종류인 DH5a를 상술한 방법을 이용하여 입자수 측정기로 정량적으로 분석한 결과이다. 입자수 측정기는 전기저항법을 이용하여 센서가 부착된 큐벳에 10 mL의 전해질 용액(electrolyte solution)을 채우고 자성 나노입자를 포함하는 시료를 희석한 용액 100 ㎕를 센서가 분석한다. 또한, 입자의 크기 분석은 지정한 최소 배율의 3배수 만큼 가능하다. 즉, 1 ㎛의 최소 배율의 경우, 가능한 최대 배율은 1-3 ㎛이다. 도 6에서 볼 수 있듯이, DH5a의 농도가 각각 106, 105, 104 CFU/mL에서 반응 종료된 후, 자성 나노입자의 수가 박테리아 농도의 감소에 따라 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 6 shows the results of quantitative analysis of DH5a, which is a type of E. coli , by using a particle size meter using the above-described method. The particle size meter is filled with 10 mL of an electrolyte solution in a cuvette to which the sensor is attached using an electrical resistance method, and the sensor analyzes 100 μl of a diluted solution containing magnetic nanoparticles. In addition, particle size analysis is possible by three times the specified minimum magnification. In other words, for a minimum magnification of 1 μm, the maximum possible magnification is 1-3 μm. As can be seen in Figure 6, the concentration of DH5a after the reaction was terminated at 10 6 , 10 5 , 10 4 CFU / mL, respectively, it was confirmed that the number of magnetic nanoparticles decreased linearly with the decrease in bacterial concentration.

도 7은 입자수 측정기를 이용하여 박테리아 농도에 따른 선형성 및 검출 한계를 측정한 결과이다. 상술한 바와 같이, 다양한 농도(108 CFU/mL-105 CFU/mL)의 박테리아를 자성 나노입자-항체 컨쥬게이트와 반응시켰다. 그 결과, 박테리아의 농도가 감소함에 따라 자성 나노입자의 수 또한 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이때 자성 나노입자의 크기는 약 1-2 ㎛ 정도임을 확인할 수 있었다. 또한, 박테리아를 처리하지 않은 그룹에서 측정된 자성 나노입자의 수(약 7420개)를 고려할 때 박테리아에 대한 검출 한계는 약 105 CFU/mL인 것으로 판단할 수 있었다.
7 is a result of measuring the linearity and the detection limit according to the bacterial concentration using a particle count meter. As described above, bacteria at various concentrations (10 8 CFU / mL-10 5 CFU / mL) were reacted with the magnetic nanoparticle-antibody conjugates. As a result, as the concentration of bacteria decreased, the number of magnetic nanoparticles also decreased linearly, and the size of the magnetic nanoparticles was about 1-2 μm. In addition, considering the number of magnetic nanoparticles (about 7420) measured in the group not treated with bacteria, the detection limit for bacteria could be determined to be about 10 5 CFU / mL.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명 의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (13)

자성 나노입자 및 상기 자성 나노입자에 결합된 타겟-결합 모이어티(target-binding moiety)를 포함하는 미생물 검출용 바이오센서.
A biosensor for detecting microorganisms comprising magnetic nanoparticles and a target-binding moiety coupled to the magnetic nanoparticles.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 나노입자는 그 표면에 아민기 또는 카르복실기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the magnetic nanoparticles include an amine group or a carboxyl group on a surface thereof.
제 2 항에 있어서, 상기 자성 나노입자는 그 표면에 카르복실기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 2, wherein the magnetic nanoparticles include a carboxyl group on a surface thereof.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 나노입자는 상기 타겟-결합 모이어티에 대한 친화성 물질이 결합된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the magnetic nanoparticles are bound to an affinity material for the target-binding moiety.
제 4 항에 있어서, 상기 친화성 물질은 단백질 G인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
5. The biosensor of claim 4, wherein the affinity material is Protein G. 6.
제 1 항에 있어서, 상기 타겟-결합 모이어티는 미생물의 표면 단백질에 대한 항체인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the target-binding moiety is an antibody against a surface protein of a microorganism.
제 1 항에 있어서, 상기 미생물은 해양미생물인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the microorganism is a marine microorganism.
제 1 항에 있어서, 상기 바이오센서는 미생물과의 결합을 통해 자성 나노입자-미생물 복합체(magnetic nanoparticle-microbe complex)를 형성하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the biosensor forms a magnetic nanoparticle-microbe complex by combining with the microorganism.
제 1 항에 있어서, 상기 바이오센서의 미생물 검출 한계는 105 CFU(colony forming unit)/mL 이상의 미생물 수인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the limit of detection of the microorganisms of the biosensor is 10 5 CFU (colony forming unit) / mL or more.
제 1 항에 있어서, 상기 자성 나노입자의 표면은 타겟에 대한 나노입자의 비특이적 결합을 억제하기 위해 우혈청 알부민(bovine serum albumin, BSA)으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
The biosensor of claim 1, wherein the surface of the magnetic nanoparticles is coated with bovine serum albumin (BSA) to inhibit nonspecific binding of the nanoparticles to a target.
(a) 상기 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 바이오센서를 시료에 접촉하는 단계; (b) 자성을 이용하여 상기 시료 내 자성 나노입자-미생물 복합체를 분리하는 단계; 및 (c) 자성 나노입자의 수를 측정하는 단계를 포함하는 시료 내 미생물 검출 방법.
(a) contacting the biosensor of any one of claims 1 to 10 to a sample; (b) separating the magnetic nanoparticle-microbial complex in the sample using magnetic; And (c) measuring the number of magnetic nanoparticles.
제 11 항에 있어서, 상기 시료는 생물학적 시료, 화학적 시료 또는 환경 시료인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 11, wherein the sample is a biological sample, a chemical sample, or an environmental sample.
제 11 항에 있어서, 상기 자성 나노입자의 수는 입자수 측정기(particle counter)를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, wherein the number of magnetic nanoparticles is measured using a particle counter.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150068314A (en) * 2013-12-10 2015-06-19 한국식품연구원 Method for separating, concentrating and detecting target material in sample solution
WO2017069573A1 (en) * 2015-10-23 2017-04-27 울산과학기술원 Centrifugal force-based nanoparticle separation apparatus and method for separating nanoparticles using the same
KR20170048188A (en) * 2015-10-23 2017-05-08 울산과학기술원 Centrifugal force-baced nano particle isolation device, and nano particle isolation methods
KR20200070792A (en) * 2018-12-10 2020-06-18 대한민국(농촌진흥청장) Composition and method for simultaneous detection of foodborne pathogens using immunomagnetic particle
KR20200078219A (en) 2018-12-21 2020-07-01 경북대학교 산학협력단 Detection device for foodborne pathogen and its method for foodborne pathogen detection
KR20200141277A (en) * 2019-06-10 2020-12-18 한국전자기술연구원 Immunodiagnostic kit and immunodiagnostic method using the same
KR20220103851A (en) * 2021-01-15 2022-07-25 강원대학교산학협력단 A composition for colorimetric detection of pathogenic DNA comprising CNCs-capped gold nanoparticles and a method thereof

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150068314A (en) * 2013-12-10 2015-06-19 한국식품연구원 Method for separating, concentrating and detecting target material in sample solution
WO2017069573A1 (en) * 2015-10-23 2017-04-27 울산과학기술원 Centrifugal force-based nanoparticle separation apparatus and method for separating nanoparticles using the same
KR20170048188A (en) * 2015-10-23 2017-05-08 울산과학기술원 Centrifugal force-baced nano particle isolation device, and nano particle isolation methods
US11154860B2 (en) 2015-10-23 2021-10-26 Unist (Ulsan National Institute Of Science & Technology) Centrifugal force-based nanoparticle separation apparatus and method for separating nanoparticles using the same
KR20200070792A (en) * 2018-12-10 2020-06-18 대한민국(농촌진흥청장) Composition and method for simultaneous detection of foodborne pathogens using immunomagnetic particle
KR20200078219A (en) 2018-12-21 2020-07-01 경북대학교 산학협력단 Detection device for foodborne pathogen and its method for foodborne pathogen detection
KR20200141277A (en) * 2019-06-10 2020-12-18 한국전자기술연구원 Immunodiagnostic kit and immunodiagnostic method using the same
KR20220103851A (en) * 2021-01-15 2022-07-25 강원대학교산학협력단 A composition for colorimetric detection of pathogenic DNA comprising CNCs-capped gold nanoparticles and a method thereof

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