KR20120110633A - Fluorescent protein containing l-3, 4-dihydroxyphenylalanine as a metal biosensor - Google Patents
Fluorescent protein containing l-3, 4-dihydroxyphenylalanine as a metal biosensor Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120110633A KR20120110633A KR1020110028620A KR20110028620A KR20120110633A KR 20120110633 A KR20120110633 A KR 20120110633A KR 1020110028620 A KR1020110028620 A KR 1020110028620A KR 20110028620 A KR20110028620 A KR 20110028620A KR 20120110633 A KR20120110633 A KR 20120110633A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dopa
- fluorescent protein
- biosensor
- gfpdopa
- tyrosine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/544—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being organic
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/84—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving inorganic compounds or pH
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
- G01N2021/6432—Quenching
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Peptides Or Proteins (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 중금속 이온 검출용 바이오센서, 상기 바이오센서의 제조방법 및 상기 바이오센서를 이용한 중금속 이온의 검출방법에 관한 것으로, 구체적으로 유전자코드엔지니어링(genetic code engineering)을 이용하여 제조된 L-3,4-디하이드록시페닐알라닌(3,4-dihydroxyphenylalanine; L-DOPA) 도입 녹색형광단백질(green fluorescent protein; GFP)을 포함하는 구리 이온 검출용 바이오센서, 이의 제조방법 및 상기 바이오센서를 이용한 구리 이온 검출방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a biosensor for detecting heavy metal ions, a method for manufacturing the biosensor, and a method for detecting heavy metal ions using the biosensor. Specifically, L-3 manufactured using genetic code engineering, Introduction of 4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) biosensor for detecting copper ions including green fluorescent protein (GFP), a method for preparing the same and detection of copper ions using the biosensor It is about a method.
구리는 산화적 소기 메커니즘에서 금속 보조인자로서 결정적인 역할을 하는 인체에 있는 중요한 전이 금속 이온이다(비특허문헌 1). 그러나, 구리의 불균형은 메켄(Menkes), 알츠하이머(Alzheimer's), 윌슨씨(Wilson's) 질환과 같은 병리학적 결과를 야기한다(비특허문헌 2). 게다가, 구리는 산업공정에서 생물부착방지도료(anti-fouling agent)로서 널리 사용되고 환경의 중금속 이온 오염에서 주성분 중 하나이다(비특허문헌 3). Copper is an important transition metal ion in the human body that plays a decisive role as a metal cofactor in an oxidative scavenging mechanism (Non-Patent Document 1). However, copper imbalance leads to pathological consequences such as Menkes, Alzheimer's, and Wilson's disease (Non-Patent Document 2). In addition, copper is widely used as an anti-fouling agent in industrial processes and is one of the main components in heavy metal ion contamination of the environment (Non-Patent Document 3).
원자흡수분광법(atomic absorption spectroscopy), 유도결합 플라스마 질량분석기(inductively coupled plasma mass spectrometry) 및 전기화학(electrochemistry)과 같은 현재 이용가능한 방법은 생물학적 및 환경적 시료에서 구리 수준을 결정하기 위해서 매우 복잡하다. 상기 방법에서, 시료는 상기 분석 동안 파괴될 수 있으므로, 이런 방법들은 현장 구리 검출을 위해 부적합하다(비특허문헌 4). Currently available methods such as atomic absorption spectroscopy, inductively coupled plasma mass spectrometry and electrochemistry are very complex for determining copper levels in biological and environmental samples. In this method, since the sample may be destroyed during the analysis, these methods are not suitable for in situ copper detection (Non-Patent Document 4).
최근까지, 많은 소분자 기초 센서, 킬레이터 기초 센서, 효소 및 전기화학적 기술이 구리 수준을 측정하기 위해 개발되어왔다. 이런 기술들은 결합 요소가 신호를 발생시키기 위해 리포터 분자로 변형되어야 하는 주요한 제한을 가지고 있다(비특허문헌 3). Until recently, many small molecule based sensors, chelator based sensors, enzymes and electrochemical techniques have been developed to measure copper levels. These techniques have a major limitation that the binding element must be transformed into a reporter molecule to generate a signal (Non-Patent Document 3).
한편, 센서 도구로서 단백질을 전환시키는 것(단백질 센서)이 많은 관심을 받고 있으며, 최근 몇몇 그룹은 구리 바이오센서로서 녹색 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP)를 사용하는 것이 시도되었다(비특허문헌 5). On the other hand, converting proteins (protein sensors) as a sensor tool has received much attention, and recently, some groups have attempted to use green fluorescent protein (GFP) as a copper biosensor (Non-Patent Document 5). ).
최근에, 시험관내(in vitro) 바이오 감지 시스템은 다양한 유전공학 및 구리 농도에 대한 형광 소광(quenching)을 야기하는 직접적 변화 접근을 통해 GFP내로 구리 결합 부위를 도입함으로써 개발되었다. 상기 기재된 시스템에서 대부분의 경우, 금속 결합 특성은 GFP에서 자연적으로 발생하는 아미노산을 히스티딘 잔기로 치환함에 의해 획득하고 풍부해졌다(비특허문헌 6). 그러나, Cu2 + 이온쪽으로 GFP의 민감성 및 선택성이 여전히 비효율적이고 아직 개발되지 않았다는 것이 언급할 가치가 있는 것이다. 유사하게, 붉은 형광 단백질(red fluorescent protein, DsRed) 또한 금속 바이오센서로서 보고되었다(비특허문헌 7). 상기 DsRed의 고유한 금속 결합 특성은 흥미로운 것이다. Recently, in vitro In vitro biosensing systems have been developed by introducing copper binding sites into GFP through a direct change approach that causes fluorescence quenching for various genetic engineering and copper concentrations. In most of the systems described above, metal binding properties were obtained and enriched by substituting histidine residues for amino acids occurring naturally in GFP (Non-Patent Document 6). However, Cu 2 + ions towards the sensitivity and selectivity of GFP remains inefficient and is worth mentioning that has not yet been developed. Similarly, red fluorescent protein (DsRed) has also been reported as a metal biosensor (Non-Patent Document 7). The inherent metal bonding properties of the DsRed are interesting.
그러나, 이것은 긴 성숙 시간, 낮은 발현량 및 낮은 배수의 효율과 같은, 주요한 결점을 가지고 있다(비특허문헌 8). 이런 이유로, 생물학적 상황에서 구리를 모니터링하기 위한 단순하고 선택적인 생분석 도구를 개발하는 것은 화학생물학에서매우 도전적인 것이다. However, this has major drawbacks such as long maturation time, low expression level and low drainage efficiency (Non Patent Literature 8). For this reason, developing simple and selective bioanalytical tools for monitoring copper in biological situations is very challenging in chemical biology.
최근에 비자연적 아미노산 내에 내포된 신규한 기능의 유전적 도입은 새롭고 증진된 특성을 가지는 표적 단백질을 고안 및 다루기 위해 필수적인 요구가 되었다. 그러므로, 자연적으로 발생하는 아미노산에서 이용가능한 것들로부터 유래한 신규 작용기 부분을 도입하기 위해 단백질 내로 비 정준형 아미노산(non canonical amino acid, NCAA)의 융합을 위해 많은 노력이 있었다. 종종, 센스 코돈(유전자코드엔지니어링)(비특허문헌 9) 및 비-센스 억제(부위-특이적 통합)(비특허문헌 10)와 같은 두 개의 실험적 접근은 재조합 단백질 내로 NCAA의 생체내(in vivo) 융합을 위해 사용되었다. Recently, the genetic introduction of novel functions implicated in unnatural amino acids has become an indispensable requirement for the design and handling of target proteins with new and enhanced properties. Therefore, much effort has been made for the fusion of non canonical amino acids (NCAAs) into proteins to introduce new functional moieties derived from those available from naturally occurring amino acids. Often, two experimental approaches, such as sense codons (gene code engineering) (Non Patent Literature 9) and non-sense suppression (site-specific integration) (Non Patent Literature 10), have been described in vivo in NCAA into recombinant proteins. in vivo ).
한편, 2가의 전이 금속 이온은 카테콜아민(catechol amine)과 강한 상호작용을 가지는 것으로 잘 알려져 있다. L-DOPA는 분자의 카테콜레이트(catecholate)(O, O) 또는 아미노산(O, N) 부분 중 어느 하나를 통해 이좌배위자 리간드(bidentate ligand)로서 금속 이온과 조화될 수 있는 중요한 카테콜아민이다(비특허문헌 11).
On the other hand, divalent transition metal ions are well known to have strong interaction with catechol amine. L-DOPA is an important catecholamine that can be coordinated with a metal ion as a bidentate ligand through either the catecholate (O, O) or amino acid (O, N) portion of the molecule (nonpatent Document 11).
이에, 본 발명자들은 녹색형광단백질(GFP) 내로 금속 킬레이트 NCAA인 3,4-디하이드록시-L-페닐알라닌(3,4-dihydroxy-L-phenylalanine; L-DOPA)를 도입함으로써, 새로운 형광을 기초로 하는 구리 이온 검출용 바이오센서를 제작함으로써, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have introduced a metal chelating NCAA, 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (L-DOPA), into a green fluorescence protein (GFP). The present invention was completed by producing a biosensor for detecting copper ions.
본 발명의 목적은 L-3,4-디하이드록시페닐알라닌(3,4-dihydroxyphenylalanine; L-DOPA)가 도입된 형광단백질을 포함하는 중금속 이온, 특히 구리 이온의 검출용 바이오센서, 상기 바이오센서의 제조 방법, 및 상기 바이오센서를 이용한 생물학적 및 환경적 시료 내에 포함된 중금속 이온, 특히 구리 이온을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is a biosensor for detecting heavy metal ions, particularly copper ions, including a fluorescent protein in which L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) is introduced, It provides a manufacturing method, and a method for detecting heavy metal ions, particularly copper ions contained in biological and environmental samples using the biosensor.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 L-3,4-디하이드록시페닐알라닌(3,4-dihydroxyphenylalanine; L-DOPA)가 도입된 형광단백질을 포함하는 중금속 이온 검출용 바이오센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a biosensor for detecting heavy metal ions comprising a fluorescent protein in which L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) is introduced.
또한, 본 발명은 In addition,
1) L-DOPA가 포함된 형광단백질을 과요오드산염(NaIO4)으로 전처리하는 단계; 및1) pretreatment of fluorescent protein containing L-DOPA with periodate (NaIO 4 ); And
2) 전처리된 L-DOPA가 도입된 단백질을 기판에 고정시키는 단계를 포함하는, L-DOPA가 도입된 형광단백질을 포함하는, 중금속 이온 검출용 바이오센서를 제조하는 방법을 제공한다.2) It provides a method for producing a biosensor for detecting heavy metal ions comprising a fluorescent protein introduced with L-DOPA, comprising the step of immobilizing the pre-treated L-DOPA introduced protein on a substrate.
아울러, 본 발명은 In addition,
1) L-DOPA가 포함된 형광단백질을 고정화시킨 바이오센서에 피검시료를 처리하는 단계; 및1) treating a test sample to a biosensor immobilized a fluorescent protein containing L-DOPA; And
2) 상기 바이오센서의 L-DOPA가 도입된 형광단백질에 결합된 중금속 이온을 확인하는 단계를 포함하는, 피검시료 내 중금속 이온을 검출하는 방법을 제공한다.
2) It provides a method for detecting heavy metal ions in the test sample comprising the step of identifying the heavy metal ions bound to the fluorescent protein introduced L-DOPA of the biosensor.
본 발명은 L-3,4-디하이드록시페닐알라닌(3,4-dihydroxyphenylalanine; L-DOPA)가 도입된 형광단백질을 이용한 바이오센서에 관한 것으로, 형광단백질이 이가 중금속 이온, 특히 구리 이온과 결합하면 형광이 없어지는 형광 소광(quenching) 현상이 일어나므로 중금속 이온을 검출할 수 있고, 이런 형광단백질에 L-DOPA를 도입한 결과 중금속 이온 검출 능력이 현저히 증가시킬 수 있으며, L-DOPA를 도입하면 L-DOPA에 NaIO4를 처리하면 손쉽게 고정화시킬 수 있으므로, 본 발명은 이가 중금속 이온, 특히 구리 이온을 센싱하는 특징과 손쉽게 고정화되는 특징을 모두 갖는 L-DOPA-도입 형광단백질을 이용하여 새로운 형광을 기초로 하는 바이오센서를 제조하는 방법을 제공한다.
The present invention relates to a biosensor using a fluorescent protein in which L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) is introduced. When the fluorescent protein binds to a divalent heavy metal ion, particularly a copper ion, The fluorescence quenching phenomenon that disappears the fluorescence can detect heavy metal ions, and the introduction of L-DOPA into the fluorescent protein can significantly increase the ability to detect heavy metal ions. Since NaIO 4 can be easily immobilized by treating NaDO 4 with -DOPA, the present invention is based on a new fluorescence using L-DOPA-introduced fluorescent protein having both a characteristic of sensing bivalent heavy metal ions, particularly copper ions and an easily immobilized characteristic. It provides a method for producing a biosensor.
도 1은 GFPdopa 단백질에서 다양한 이가 금속 이온의 형광 소광 효과를 나타내는 그래프이다. GFPdopa의 형광 강도는 금속 이온을 포함하지 않는 시료의 형광 강도에 의해 시료내 형광 강도를 구분함으로써 정규화시켰다. 각 금속 이온은 1 mM 농도로 3 uM의 GFPdopa 단백질과 반응시켰다. 각 실험은 3번 반복하였다.
도 2a는 GFP 및 GFPdopa의 형광 방출에 대한 다양한 이가 금속 이온의 효과를 나타내는 그래프이다. 각 금속 이온(0.1 mM)은 GFP 및 GFPdopa 각각의 단백질과 함께 반응시켰다. 도 2b는 GFP 및 GFPdopa에 대해 다양한 농도의 Cu2 +을 첨가함으로써 생성시킨 검정곡선(calibration curve)을 나타내는 그래프이다. 도 2c는 (●) 25℃, (■) 30℃, (▲) 45℃ 온도에서 구리 이온의 존재 하에 생성된 Stern-Volmer 플랏을 나타내는 그래프이다. 도 2d는 구리 이온의 존재 하에 GFP 및 GFPdopa의 원형이색성(Circular dichroic, CD) 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3은 다양한 농도의 Cu2 + 이온 존재 하에서 515 nm에서 여기(excitation)에 의해 획득된 GFPdopa의 적정과 GFPdopa의 Cu2 + 방출 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 GFPdopa(■) 및 구리의 존재 하에 GFPdopa(●)의 UV-시각화 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 연속된 분취의 Cu2 + 및 EDTA를 첨가한 후 모니터링한 GFPdopa의 형광 강도를 나타내는 그래프이다. GFPdopa의 용액을 평형화(5분)가 될 때까지 100 uM 구리와 반응시킨 다음, 구리 이온을 복합체화하기 위해 EDTA를 첨가하였다. 상기 강도를 초기 강도로 정규화시켰다. 상기 실험은 3번 반복하였다.
도 6a는 GFP내 발색단 상호작용 부위를 나타내는 그림이다. 도 6b는 GFPdopa와 Cu2 +의 바이오센싱 상호작용을 나타내는 그림이다. 도 6c는 GFPdopa 및 돌연변이 변이체 사이의 형광 강도를 다양한 농도의 Cu2 +을 첨가함으로써 모니터링된 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 GFP 변이체 단백질에서 부위 특이적 및 전반적으로 통합된 L-DOPA를 니켈 친화성 크로마토그래피 컬럼으로 정제한 결과를 나타내는 그림이다.
도 8a는 다양한 농도의 Cu2 +을 첨가함으로써 NaIO4 처리된 GFPdopa의 상대적인 형광 강도를 나타내는 그래프이다. 도 8b는 아민 물질로 변형된 표면에 GFPdopa 단백질의 형광 이미지 및 마이크로패턴의 강도를 나타내는 그림이다. 이때, A는 Cu2 +으로 처리하기 전 형광 이미지이고, B는 Cu2 +으로 처리한 후 형광 이미지이며, C는 Cu2 +으로 처리한 후 EDTA를 첨가한 형광 이미지이다. 도 8c는 GFPdopa 기초 단백질 바이오센서의 밀도계측 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 연속된 분취의 Cu2 + 첨가 후 모니터링된 GFPdopa의 형광 강도를 나타내는 그래프이다. 도 9b는 EDTA 첨가 후 모니터링된 GFPdopa의 형광 강도를 나타내는 그래프이다. 상기 강도는 초기 형광 강도(대조군 단백질의 형광)로 정규화시켰다. 상기 실험은 3번 반복하였다. 1 is a graph showing the fluorescence quenching effect of various divalent metal ions in GFPdopa protein. The fluorescence intensity of GFPdopa was normalized by dividing the fluorescence intensity in the sample by the fluorescence intensity of the sample containing no metal ions. Each metal ion was reacted with 3 uM of GFPdopa protein at 1 mM concentration. Each experiment was repeated three times.
2A is a graph showing the effect of various divalent metal ions on the fluorescence emission of GFP and GFPdopa. Each metal ion (0.1 mM) was reacted with a protein of each of GFP and GFPdopa. Figure 2b is a graph showing a calibration curve in which (calibration curve) produced by the addition of various concentrations of Cu + 2 for GFP and GFPdopa. FIG. 2C is a graph showing a Stern-Volmer plot generated in the presence of copper ions at temperatures of 25 ° C., 30 ° C., and 45 ° C. 2D is a graph showing the circular dichroic (CD) profiles of GFP and GFPdopa in the presence of copper ions.
Figure 3 is a graph representing the titration and Cu 2 + emission spectrum of GFPdopa of GFPdopa obtained by in here 515 nm (excitation) under Cu 2 + ions in the presence of various concentrations.
4 is a graph showing the UV-visualized spectrum of GFPdopa (•) in the presence of GFPdopa (■) and copper.
5 is followed by the addition of the Cu 2 +, and EDTA in a series to obtain the graph of the fluorescence intensity of a monitoring GFPdopa. The solution of GFPdopa was reacted with 100 uM copper until equilibration (5 minutes), then EDTA was added to complex the copper ions. The intensity was normalized to the initial intensity. The experiment was repeated three times.
6A is a diagram showing chromophore interaction sites in GFP. Figure 6b is an illustration showing a biosensing interaction GFPdopa and Cu + 2. Figure 6c is a graph showing the results of monitoring the fluorescence intensity between GFPdopa and mutant variants by the addition of Cu 2 + at various concentrations.
FIG. 7 shows the results of purification of a site-specific and globally integrated L-DOPA in a GFP variant protein using a nickel affinity chromatography column.
8a is a graph showing the relative fluorescence intensity of NaIO 4 GFPdopa treated by the addition of Cu 2 + at various concentrations. 8B is a graph showing the intensity of the fluorescence image and the micropattern of the GFPdopa protein on the surface modified with the amine material. At this time, A is the former fluorescence image processing as Cu + 2, B is a fluorescence image after treatment with Cu + 2, C is a fluorescence image of the addition of EDTA and then treated with Cu + 2. Figure 8c is a graph showing the results of density measurement analysis of GFPdopa-based protein biosensor.
Figure 9a is a graph showing the fluorescence intensity of the Cu 2 + after the addition of successive aliquots monitoring GFPdopa. 9B is a graph showing the fluorescence intensity of GFPdopa monitored after EDTA addition. The intensity was normalized to initial fluorescence intensity (fluorescence of control protein). The experiment was repeated three times.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 L-3,4-디하이드록시페닐알라닌(3,4-dihydroxyphenylalanine; L-DOPA)가 도입된 형광단백질을 포함하는 중금속 이온 검출용 바이오센서를 제공한다.The present invention provides a biosensor for detecting heavy metal ions comprising a fluorescent protein into which L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) is introduced.
상기 형광단백질은 녹색형광단백질(green fluorescent protein; GFP)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 타이로신(tyrosine)을 포함하는 형광단백질은 모두 사용가능하다.The fluorescent protein is preferably a green fluorescent protein (GFP), but is not limited thereto. Fluorescent proteins including tyrosine may be used.
상기 중금속 이온은 이가 금속 이온인 것이 바람직하며, 구리 이온인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않으며, K+, Mg2 +, Ca2 +, Na+ 또는 Mn2 +중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The heavy metal ion is preferably a divalent metal ion, and more preferably copper ion, but is not limited thereto, and may include any one or more of K + , Mg 2 + , Ca 2 + , Na + or Mn 2 + . .
상기 L-DOPA가 도입된 형광단백질은 유전자 코드 엔지니어링(genetic code engineering)을 이용하여 형광단백질 내 L-DOPA를 도입된 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The fluorescent protein into which the L-DOPA is introduced is preferably introduced into the L-DOPA in the fluorescent protein using genetic code engineering, but is not limited thereto.
상기 L-DOPA가 도입된 형광단백질은 구체적으로 다음과 같은 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다:The L-DOPA-introduced fluorescent protein is preferably prepared by a manufacturing method including the following steps, but not always limited thereto:
1) 아미노산 서열에서 타이로신(tyrosine)을 하나 이상 포함하는 단백질을 발현하는 타이로신 영양요구주(auxotroph)를 준비하는 단계; 1) preparing a tyrosine auxotroph, which expresses a protein comprising at least one tyrosine in an amino acid sequence;
2) 상기 타이로신 영양요구주를 타이로신이 결핍된 배지에 배양하는 단계; 2) culturing the tyrosine nutrient requestor in a medium deficient in tyrosine;
3) 상기 배지에 L-DOPA를 첨가한 후 배양하는 단계; 및3) culturing after adding L-DOPA to the medium; And
4) 배양된 영양요구주로부터 아미노산 서열에서 타이로신 대신에 L-DOPA가 포함되어 있는 형광단백질을 선별하는 단계.4) selecting a fluorescent protein containing L-DOPA instead of tyrosine in the amino acid sequence from the cultured nutritional supporter.
상기 방법에 있어서, 단계 1)의 타이로신 영양요구주는 단백질을 암호화하는 유전자를 포함하는 발현벡터를 숙주 타이로신 영양요구주에 형질전환시킨 형질전환체인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. In the above method, the tyrosine nutrient demander of step 1) is preferably a transformant transformed into a host tyrosine nutrient demander with an expression vector comprising a gene encoding a protein.
상기 방법에 있어서, 단계 1)의 타이로신 영양요구주는 대장균(E. coli) JW2581 타이로신 영양요구주인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. In the above method, the tyrosine nutritional requester of step 1) is E. coli JW2581 is preferred but not limited to tyrosine nutritional requirements.
상기 바이오센서는 유리 기판; 상기 기판상에 적층된 실리콘 기판; 및 상기 실리콘 기판에 고정화된 L-DOPA가 포함된 형광단백질을 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
The biosensor is a glass substrate; A silicon substrate stacked on the substrate; And a fluorescent protein including L-DOPA immobilized on the silicon substrate, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 포함하는 중금속 이온 검출용 바이오센서를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a biosensor for detecting heavy metal ions comprising a fluorescent protein introduced with L-DOPA according to the present invention.
구체적으로, 상기 바이오센서의 제조방법은 Specifically, the manufacturing method of the biosensor
1) L-DOPA가 포함된 형광단백질을 과요오드산염(NaIO4)으로 전처리하는 단계; 및1) pretreatment of fluorescent protein containing L-DOPA with periodate (NaIO 4 ); And
2) 전처리된 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 기판에 고정시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.2) It may be prepared by a method comprising the step of fixing the fluorescent protein introduced with the pre-treated L-DOPA to the substrate, but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 바이오센서의 제조방법은 Specifically, the manufacturing method of the biosensor
1) 기판에 고분자층을 적층한 후, 패터닝하는 단계;1) laminating a polymer layer on a substrate, and then patterning;
2) 상기 패터닝된 고분자층에 마이크로 유체 채널을 형성하는 단계; 및2) forming a microfluidic channel in the patterned polymer layer; And
3) 상기 마이크로 유체 채널에 과요오드산염(NaIO4)으로 전처리된 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 적재함으로써 상기 채널에 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 고정시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.3) by immobilizing a fluorescent protein containing L-DOPA pretreated with a periodate (NaIO 4 ) in the microfluidic channel to fix the fluorescent protein introduced with L-DOPA in the channel. But it is not limited thereto.
상기 제조방법에 있어서, 기판은 유리 기판인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며, 유리, PMMA, PS 또는 PDMS 기판이 모두 사용가능하다.In the above manufacturing method, the substrate is preferably a glass substrate, but is not limited thereto, and glass, PMMA, PS, or PDMS substrates may all be used.
상기 제조방법에 있어서, 고분자층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.In the above method, the polymer layer is preferably polydimethylsiloxane (PDMS), but is not limited thereto.
상기 제조방법에 있어서, 형광단백질은 녹색형광단백질(green fluorescent protein; GFP)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 타이로신(tyrosine)을 포함하는 형광단백질은 모두 사용가능하다.In the above production method, the fluorescent protein is preferably a green fluorescent protein (GFP), but is not limited thereto, and any fluorescent protein including tyrosine may be used.
상기 제조방법에 있어서, 중금속 이온은 이가 금속 이온인 것이 바람직하며, 구리 이온인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않으며, K+, Mg2 +, Ca2 +, Na+ 또는 Mn2+ 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
In the above method, the heavy metal ions are divalent metal ions, and preferably a copper ion is not a more preferred not limited to, K +, Mg 2 +, Ca 2 +, Na + or Mn 2+ at least one of It may include.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 포함하는 바이오센서를 이용한 중금속 이온 검출 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a heavy metal ion detection method using a biosensor comprising a fluorescent protein introduced L-DOPA according to the present invention.
구체적으로, Specifically,
1) 본 발명에 따른 바이오센서에 피검시료를 처리하는 단계; 및1) processing the test sample in the biosensor according to the present invention; And
2) 상기 바이오센서의 L-DOPA가 도입된 형광단백질에 결합된 중금속 이온을 확인하는 단계를 포함하는, 피검시료 내 중금속 이온의 검출 방법을 제공한다.2) It provides a method for detecting heavy metal ions in the test sample, comprising the step of identifying the heavy metal ions bound to the fluorescent protein introduced L-DOPA of the biosensor.
상기 검출 방법에 있어서, 피검시료는 생물학적 또는 환경적 시료인 것이 바람직하며, 조성물 또는 화합물일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.In the detection method, the test sample is preferably a biological or environmental sample, and may be a composition or a compound, but is not limited thereto.
상기 검출 방법에 있어서, 중금속 이온의 확인은 가시적(visually), 광학적(optical) 또는 전기화학적(electrochemically) 방법을 통해 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.In the detection method, the identification of heavy metal ions may be performed through a visually, optically or electrochemically method, but is not limited thereto.
상기 검출 방법에 있어서, 형광단백질은 녹색형광단백질(green fluorescent protein; GFP)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 타이로신(tyrosine)을 포함하는 형광단백질은 모두 사용가능하다.In the detection method, the fluorescent protein is preferably a green fluorescent protein (GFP), but is not limited thereto. Fluorescent proteins including tyrosine may be used.
상기 검출 방법에 있어서, 중금속 이온은 이가 금속 이온인 것이 바람직하며, 구리 이온인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않으며, K+, Mg2 +, Ca2 +, Na+ 또는 Mn2 + 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
In the detection method, the heavy metal ion is preferably a divalent metal ion, and more preferably copper ion, but is not limited thereto, and any one or more of K + , Mg 2 + , Ca 2 + , Na + or Mn 2 + . It may include.
본 발명의 한가지 실시예에서는 유전자 코드 엔지니어링(genetic code engineering)을 이용하여 GFP내 L-DOPA를 도입함으로써 단백질 바이오센서(biosensor)를 제조하였다(개요도 1 참조). In one embodiment of the present invention, protein biosensors were prepared by introducing L-DOPA in GFP using genetic code engineering (see Overview 1).
하기 개요도 1은 유전자 코드 엔지니어링(genetic code engineering method)을 이용한 단백질 바이오센서의 제조를 위한 접근 방법을 나타낸다.1 shows an approach for the production of protein biosensors using genetic code engineering method.
본 발명의 한가지 실시예에서는 바이오 센싱 활성을 책임지는 작용 부위를 유전자 코드 엔지니어링을 확장하여 조사하였다. 이때, L-DOPA의 융합은 기존에 알려진 방법(비특허문헌 12 참조)과 같이, 산화환원반응 염색(redox staining) 및 LC-MS/MS 및 ESI-MS 분석을 기초로 하는 질량 이동(mass shift)에 의해 확인하였다. In one embodiment of the present invention, the site of action responsible for biosensing activity was investigated by extending genetic code engineering. At this time, the fusion of L-DOPA is mass shift based on redox staining and LC-MS / MS and ESI-MS analysis, as in the known method (see Non-Patent Document 12). ).
본 발명의 한가지 실시예에서는, 초기 테스트로서 MOPS 완충용액에서 GFP 및 GFPdopa 단백질에 대한 높은 농도(1 mM)(도 1 참조) 및 낮은 농도(0.1 mM) 수준의 K+, Mg2 +, Ca2 +, Na+, Mn2 + 및 Cu2 +와 같은 다양한 이가 금속 이온의 효과를 평가하였다(도 2a 참조). 그 결과, GFP 및 GFPdopa의 형광은 높거나 낮은 농도의 K+, Mg2 +, Ca2+, Na+ 및 Mn2 + 금속 이온의 존재 하에서 약간 영향을 받았다. 그러나, 0.1 mM 농도의 Cu2 +의 첨가는 GFPdopa 단백질의 형광을 완벽하게 소멸시켰다. 대조적으로, GFP는 0.1 mM 농도의 Cu2 +의 첨가 후 75% 이상의 형광이 유지되었다. 테스트된 금속 이온들 중에서, GFPdopa는 오로지 Cu2 + 금속 이온과 선택적으로 형광 소광(fluorescence quenching)을 보였다. Cu2 + 이온과 GFPdopa의 결합은 형광 여기 및 방출 최대에서 어떠한 파장 변화를 보이지 않았다(도 1 참조). 그러나, Cu2 + 이온과 GFPdopa의 결합은 구리 농도에 대하여 형광 방출 강도의 감소를 야기하였다. 구리 농도에 대한 형광 소광의 양을 프랏팅함으로써 GFP 및 GFPdopa에 대한 검정 곡선(calibration curve)을 나타내었다(도 2b 참조). 그 결과, 20 uM의 구리 농도는 GFPdopa 형광의 50% 소광을 나타내었다. 그럼에도 불구하고, 100 uM의 구리 농도로 처리될 때 완벽한 형광 소광을 나타내었다. 한편, 100 uM의 Cu2 + 존재 하에서 GFP의 75% 이상의 형광 강도가 유지되는 것으로 나타났다. 한편, GFPdopa의 해리상수는 Cu2 + 이온에 대해 높은 친화성을 나타내는 5.6±0.3 uM인 것으로 확인되었다. 구리 해리 상수는 붉은 형광 단백질과 유사하고 Rmu13, drFP583 및 gRF 보다 낮은 수치였다(비특허문헌 13 및 14 참조). In one embodiment of the present invention, K + , Mg 2 + , Ca 2 at high concentration (1 mM) (see FIG. 1) and low concentration (0.1 mM) levels for GFP and GFPdopa proteins in MOPS buffer as an initial test. +, divalent variety such as Na +, Mn 2 + and Cu + 2 was evaluated the effect of the metal ions (see Fig. 2a). As a result, the fluorescence of GFP and GFPdopa is high or low concentrations of K +, Mg 2 +, Ca 2+, Na + and Mn + 2 were slightly affected in the presence of metal ions. However, the addition of Cu 2 + concentration of 0.1 mM was destroyed completely fluorescence GFPdopa protein. In contrast, GFP was retained more than 75% of fluorescence after addition of Cu 2 + concentration of 0.1 mM. Among the tested metal ions, GFPdopa showed only selectively fluorescent quencher (fluorescence quenching) and Cu 2 + metal ions. Cu 2 + ions and combination of GFPdopa did not show any change in the fluorescence excitation and emission wavelength maximum (Fig. 1). However, Cu 2 + ions and combination of GFPdopa was caused a decrease in fluorescence emission intensity with respect to the copper concentration. The calibration curve for GFP and GFPdopa was shown by fritting the amount of fluorescence quenching versus copper concentration (see FIG. 2B). As a result, a copper concentration of 20 uM showed 50% quenching of GFPdopa fluorescence. Nevertheless, it showed perfect fluorescence quenching when treated with a copper concentration of 100 uM. On the other hand, it showed that more than 75% of the fluorescence intensity of GFP maintained under the presence of
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, 형광 소광의 메커니즘을 확인하기 위해, 다양한 온도에서 다양한 농도의 Cu2 +의 첨가에 따른 GFPdopa 단백질의 형광을 측정함으로써 Stern-Volmer 플랏을 생성시켰다(도 2d 참조). GFPdopa의 소광 상수는 온도의 증가에 대하여 감소하였다(도 2c 참조). 이는 상기 소광이 충돌 소광(collisional quenching)이 아니고, 구리 및 GFPdopa 단백질 사이의 상호작용에 기인하는 정적 소광(static quenching)에 의한 것임을 제시하는 것이다. In one kinds of embodiments of the invention, in order to determine the mechanism of fluorescence quenching by measuring the fluorescence of GFPdopa protein with the addition of various concentrations of Cu 2 + at various temperatures was produced a Stern-Volmer plot (see Fig. 2d ). The extinction constant of GFPdopa decreased with increasing temperature (see FIG. 2C). This suggests that the quenching is not by collisional quenching but by static quenching due to the interaction between copper and GFPdopa protein.
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, 상기 정적 소광의 메커니즘을 입증하기 위해, Cu2 +의 존재 및 부재 하에서 각각 GFPdopa 단백질의 UV 흡수 스캔을 수행하였다. 일반적으로, 충돌 소광은 형광단(fluorophore)의 흥분 상태(excited state)만 영향이 미치는 반면에, 정적 소광은 형광단의 바닥 상태(ground state)에 영향이 미친다(비특허문헌 15 참조). 정적 소광의 결과로서, GFPdopa의 흡수 스펙트럼이 구리의 부재 하에서 단백질과 비교하여 Cu2 +의 존재 하에서 영향을 받지 않았다(도 4 참조). GFPdopa의 형광 회복은 에틸렌 디아민 테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA)의 존재 하에서 평가하였다. 소광 후, 70% 이상의 GFPdopa 형광이 평형화의 5분에서 회복되었다(도 5 참조). 이는 평형화 조건에서, 교환가능한 구리의 반복되고 재생가능한 모니터링이 GFPdopa를 이용하여 가능하다는 것을 제시하는 것이다. In one kinds of embodiments of the invention, to demonstrate the mechanism of the static quenching was performed UV absorption scan of each GFPdopa protein in the presence and absence of Cu + 2. In general, collision quenching only affects the excited state of the fluorophore, while static quenching affects the ground state of the fluorophore (see Non-Patent Document 15). As a result of static quenching, the absorption spectrum of the GFPdopa compare protein under the copper element was not affected in the presence of Cu + 2 (see Fig. 4). Fluorescence recovery of GFPdopa was evaluated in the presence of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). After quenching, at least 70% of GFPdopa fluorescence recovered at 5 minutes of equilibration (see FIG. 5). This suggests that under equilibrium conditions, repeated and renewable monitoring of exchangeable copper is possible using GFPdopa.
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, 구리의 결합이 GFPdopa의 구조 및 형태에 영향을 미치는지 원편광 이색성 분광 측정법(circular dichroism)을 통해 조사하였다. 일반적으로, GFP는 11 베타 플레이트 시트(11 β beta-pleated sheet)로 구성되는 독특한 β 구조를 가지고 있다. 그러므로, 약 215-216 nm에서 다수의 급격한 음성 굴절이 CD 스펙트럼 분석 동안 관찰되었다. GFPdopa의 이색성 프로파일은 구리로 처리한 후 여전히 동일하게 남아있는 단백질의 전체적 이차 구조를 확인하였다. 상기 결과, 관찰된 GFPdopa에서 형광 소광은 단백질의 구조적 또는 형태적 변화 때문이 아닌 것을 제시하였다(도 2d 참조). In addition, in one embodiment of the present invention, whether copper binding affects the structure and morphology of GFPdopa was investigated by circular dichroism. In general, GFP has a unique β structure consisting of 11 β beta-pleated sheets. Therefore, a number of abrupt negative refractions at about 215-216 nm were observed during CD spectral analysis. The dichroic profile of GFPdopa confirmed the overall secondary structure of the protein, which remained the same after treatment with copper. The results suggested that the fluorescence quenching in the observed GFPdopa was not due to structural or morphological changes of the protein (see FIG. 2D).
이런 결과를 종합하여 보면, 구리가 GFPdopa의 DOPA 부분에 결합하고, GFPdopa는 구리에게 전자를 제공하고 비-형광의 바닥 상태 복합체를 형성하는 것을 알 수 있다. 구리 이온은 L-DOPA의 곁사슬에 존재하는 아미노카르복실레이트(aminocarboxylate) 및 카테콜(catechol) 기의 조화를 선호하는 것을 알려져 있다(비특허문헌 11 참조). 이런 작용기들은 형광 소광을 야기하는 Cu2 +과 GFPdopa의 결합을 지지할 수 있다. Taken together, these results indicate that copper binds to the DOPA portion of GFPdopa, which provides electrons to copper and forms a non-fluorescent ground state complex. Copper ions are known to favor the coordination of aminocarboxylate and catechol groups present in the side chain of L-DOPA (see Non-Patent Document 11). These functional groups may be capable of supporting a combination of Cu + 2 and GFPdopa leading to fluorescence quenching.
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, GFP에서 가능한 Cu2 + 결합 부위를 알아보기 위해, 현재 GFP 변이체의 결정 구조를 이용할 수 없기 때문에, 상동성 모델링에 의해 GFP의 3-D 모델 구조를 만들었다. 에너지 최소화 모델을 기초로 하여, His148 및 Tyr92과 같은 두 개의 잔기가 바이오 센싱에서 중요한 역할을 할 수 있는 것으로 추정하였다. 이런 잔기들은 모두 GFP 발색단과 직접적으로 관련성이 있다. 상기 Tyr92는 Gln94 및 His148 잔기가 발색단 잔기와 직접적으로 상호작용하는 것을 통해 발색단과 상호작용한다(도 6a 참조). 이런 두 쌍(DOPA66-His148 상호작용 및 DOPA92-DOPA66 상호작용)에서 L-DOPA의 대체는 구리와 발색단의 결합을 지지하고, 정적 소광을 야기한다. 이를 조사하기 위해, 유전자 코드 방법을 확장하여 원하는 위치에 L-DOPA를 도입한 다양한 돌연변이를 제조하였다. 이런 목적을 위해, 앰버 돌연변이(amber mutation)는 Tyr66(GFPY66dopa) 및 Tyr92 위치(GFPY92dopa)에 도입하였고 L-DOPA는 조작된 Methanococcus jannaschii tRNATyr/tyrosyl-tRNA 합성효소를 이용하여 부위 특이적으로 융합시켰다. 유사하게 페닐알라닌에 대해 Tyr92에서 점 돌연변이(GFPdopaY92F)를 도입하였고 남아있는 Tyr 잔기들을 유전자 코드 엔지니어링 방법을 통해 L-DOPA로 변형시켰다(도 S5 참조). 본 발명자들은 Tyr66 및 Tyr92 위치에 이중 앰버 돌연변이를 도입(GFPY66Y92dopa)하였으나, 직각의 tRNA/합성효소 시스템의 낮은 효율 때문에 단백질과 두 개의 앰버 돌연변이를 제공하는데 실패하였다. LC-MS/MS 분석은 돌연변이 단백질에서 L-DOPA의 부위 특이적 융합을 확인하였고(표 1 참조), 구리 센싱 분석을 상기 돌연변이 단백질로 수행하였다. GFPY66dopa 변이체는 GFP 및 GFPdopaY92F 변이체 보다 높은, GFPdopa 보다는 낮은 구리 센싱 활성을 보였다. 이는 발색단 Y66dopa가 오로지 Cu2 + 바이오센싱 활성과 관련된 것이 아닐 수 있음을 제시하는 것이다. 대조적으로, GFPY92dopa는 GFPY66dopa일 때 더 높은 구리 센싱 활성을 보였다. 흥미롭게도, 페닐알라닌이 도입된 GFPdopaY92F 돌연변이는 GFPY92dopa 및 GFPY66dopa 돌연변이와 비교할 때, 낮은 구리 센싱 활성을 보였다. 상기 구리 센싱 활성을 기초로 하여, 발색단 잔기 DOPA66 및 상호작용 잔기 DOPA92가 GFPdopa가 구리 센싱 활성을 유지하기 위해 중요한 것임을 알 수 있다. 또한, 바이오센싱 활성은 구리 결합이 DOPA92 잔기를 약간 선호하는 것을 제시하였다. 구리가 단백질의 발색단(DOPA66)에 가까이 있는 것은 발색단으로부터 구리에 전자를 제공하게 하며, 이는 강한 형광 소광을 야기한다. 따라서, GFP의 다중 부위에서 L-DOPA의 상호의존적 효과는 효율적인 Cu2 + 바이오센싱 활성을 위해 필수적인 것임을 알 수 있다. In one kinds of embodiments of the invention, to determine the Cu 2 + binding sites available on the GFP, because it can use a crystal structure of the present GFP variants, making a 3-D model structure of GFP by homology modeling. Based on the energy minimization model, it was estimated that two residues, such as His148 and Tyr92, could play an important role in biosensing. These residues are all directly related to GFP chromophores. The Tyr92 interacts with chromophores through the direct interaction of Gln94 and His148 residues with chromophore residues (see FIG. 6A). Substitution of L-DOPA in these two pairs (DOPA66-His148 interaction and DOPA92-DOPA66 interaction) supports the binding of copper and chromophores and causes static quenching. To investigate this, the genetic code method was extended to produce various mutations in which L-DOPA was introduced at desired positions. For this purpose, amber mutations were introduced at the Tyr66 (GFP Y66dopa ) and Tyr92 sites (GFP Y92dopa ) and L-DOPA was site-specifically fused using an engineered Methanococcus jannaschii tRNATyr / tyrosyl-tRNA synthetase. I was. Similarly, a point mutation (GFP dopaY92F ) was introduced at Tyr92 for phenylalanine and the remaining Tyr residues were modified to L-DOPA via genetic code engineering methods (see Figure S5). We introduced a double amber mutation at the Tyr66 and Tyr92 positions (GFP Y66Y92dopa ) but failed to provide protein and two amber mutations due to the low efficiency of the orthogonal tRNA / synthetase system. LC-MS / MS analysis confirmed site-specific fusion of L-DOPA in mutant proteins (see Table 1) and copper sensing assays were performed with the mutant proteins. GFP Y66dopa variants showed higher copper sensing activity than GFPdopa, which was higher than GFP and GFP dopaY92F variants. This is to suggest that the chromophore Y66dopa may not contain exclusively associated with the Cu 2 + biosensing activity. In contrast, GFP Y92dopa showed higher copper sensing activity when GFP Y66dopa . Interestingly, the GFP dopaY92F mutant introduced with phenylalanine showed low copper sensing activity when compared to the GFP Y92dopa and GFP Y66dopa mutants. Based on the copper sensing activity, it can be seen that chromophore residue DOPA66 and interacting residue DOPA92 are important for GFPdopa to maintain copper sensing activity. In addition, biosensing activity suggested that copper bonds favored DOPA92 residues slightly. The proximity of copper to the chromophore of the protein (DOPA66) causes electrons to be provided to the copper from the chromophore, which causes strong fluorescence quenching. Thus, in a multiple site of GFP inter-dependent effect of L-DOPA may be seen that the essential for efficient Cu 2 + biosensing activity.
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, GFPdopa 단백질과 미세제작 장치(microfabricated device)를 통합하여 바이오센서를 제작하였다. 단백질 바이오센서를 제작하기 위한 결정적인 단계는 그것의 구조적 및 기능적 특성의 변화없이 장치내 센서 단백질을 고정시키는 것이다. 이런 관점에서, DsRed 및 GFP을 각각 폴리아크릴아마이드 기질 및 졸-겔(sol-gel) 내에 캡슐화하였다(비특허문헌 18). 그러나, 졸-겔 고정의 각 유형은 그 자체의 장단점을 가지고 있다. 최근에, 본 발명자들은 L--DOPA를 포함하는 단백질이 선택적으로 산화되고, 아민을 포함하는 다당류와 공유적으로 결합할 수 있다는 입증하였다(비특허문헌 12). 이는 단백질 바이오센서를 개발하기 위한 GFPdopa의 중요한 특징이다. 그러므로, 이런 노력은 bioMEMS를 기초로 하는 바이오센싱 적용의 실행가능성을 위한 GFPdopa 단백질의 용도를 확장하게 하였다. 아민으로 코팅된 물질 위에 GFPdopa 단백질의 고정을 위해, NaIO4에 의한 GFPdopa에서 DOPA 산화를 통해 선택적으로 생성될 수 있는 오쏘-퀴논(o-quinone)이 요구된다. 본 발명자들은 퀴논의 형성이 GFPdopa의 Cu2 + 센싱 활성을 방해할 수 있음을 알 수 있었다. 그러므로, 다양한 농도의 구리에 대해 NaIO4 처리된 GFPdopa를 기초로 생성된 검정곡선을 분석하였다. 형광 강도는 Cu2 + 농도에 따라 선형으로 소광하였으며(도 8a 참조), 상기 형광은 EDTA로 평형화할 때 즉시 회복하였다(도 9 참조). NaIO4 처리된 GFPdopa의 해리상수는 NaIO4의 부재 하에 GFPdopa와 유사한 4.3±1.1 uM으로 확인되었다. 이는 NaIO4의 처리 후 GFPdopa 단백질이 Cu2 +에 대한 바이오센싱 활성을 유지하는 것을 제시하는 것이다. 본 발명자들은 바이오센싱 활성이 표면에 노출된 DOPA(DOPA151, DOPA182, DOPA200 및 DOPA237)가 NaIO4 처리 동안 오쏘-퀴논으로 전환될 수 있는 방법에서 그대로 유지될 수 있음을 알 수 있었다. 반대로, 내부적으로 포함된 DOPA(DOPA66 및 DOPA92)은 NaIO4의 접근 가능성이 없기 때문에 오쏘-퀴논으로 전환될 수 없으며, 어떠한 변형 없이 DOPA 부분으로 존재할 것임을 알 수 있었다. Cu2 +과 상호작용하고 형광 소광을 야기하는 것은, 표면 노출된 DOPA 및 내부적으로 포함된 DOPA 모두가 오쏘-퀴논으로 전환될 수 있고 퀴논의 형성은 구리와 직접적으로 상호작용하고 형광 소광을 야기할 수도 있음을 알 수 있었다. In addition, in one embodiment of the present invention, a biosensor was manufactured by integrating a GFPdopa protein and a microfabricated device. The crucial step to construct a protein biosensor is to immobilize the sensor protein in the device without changing its structural and functional properties. In this respect, DsRed and GFP were encapsulated in a polyacrylamide substrate and a sol-gel, respectively (Non-Patent Document 18). However, each type of sol-gel fixation has its own advantages and disadvantages. Recently, the present inventors have demonstrated that proteins containing L-DOPA can be selectively oxidized and covalently bound to polysaccharides containing amines (Non-Patent Document 12). This is an important feature of GFPdopa for developing protein biosensors. Therefore, this effort has expanded the use of GFPdopa proteins for the feasibility of biosensing based biosensing applications. For immobilization of GFPdopa protein on amine coated material, an o-quinone is required, which can be selectively produced via DOPA oxidation in GFPdopa with NaIO 4 . The present inventors it was found that the formation discussed quinone may interfere with the activity of the Cu 2 + sensing GFPdopa. Therefore, calibration curves generated based on NaIO 4 treated GFPdopa for various concentrations of copper were analyzed. The fluorescence intensity was extinction linearly with Cu 2 + concentration (see Fig. 8a), the fluorescence was immediately recovered when equilibrated with EDTA (see Fig. 9). The dissociation constant of NaIO 4 treated GFPdopa was found to be 4.3 ± 1.1 uM similar to GFPdopa in the absence of NaIO 4 . This is presented to GFPdopa protein after treatment of the NaIO 4 is held to the active biosensing for Cu + 2. The inventors have found that biosensing activity can be maintained in such a way that surface exposed DOPA (DOPA151, DOPA182, DOPA200 and DOPA237) can be converted to ortho-quinone during NaIO 4 treatment. In contrast, it was found that the internally contained DOPA (DOPA66 and DOPA92) could not be converted to ortho-quinone because there was no accessibility of NaIO 4 and would exist as a DOPA moiety without any modification. Cu 2 + and interaction and not to cause fluorescence quenching, surface-exposed comprises the DOPA and internally DOPA both ortho-can be converted to quinone and quinone discuss formation of copper directly interact and give rise to fluorescence quenching I could see that.
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, bioMEMS 기초로 하는 바이오센서를 제조하기 위해, 어레이를 기초로 폴리디메틸실로산(polydimethylsiloxane ; PDMS)과 같은 유연성 있는 엘라스토머(elastomer)로 리소그라피(lithography)를 사용하였다(비특허문헌 17). 자기 조립화된 아민 층을 가진 마이크로 접촉 프린팅(uCP)은 GFPdopa의 제작을 위해 사용되었다. 이를 위해, 본 발명자들은 우선 PDMS microstamp를 GFPdopa 용액에 30분 동안 담근 후 마이크로 접촉 프린팅을 이용한 아민 코팅 슬라이드에 이동시킴으로써 단백질을 지지시켰다. 마이크로패턴화된 단백질을 형광 현미경 하에 관찰하였다. 패턴 크기는 동일하였고 높은 신뢰성 모양으로 아민 슬라이드에 GFPdopa의 제작을 확인하였다. 이때, GFPdopa가 유리 슬라이드 위해 원래의 기능을 유지하는 것을 나타내는 강한 형광 신호를 유지하였다. In addition, in one embodiment of the present invention, lithography was used as a flexible elastomer, such as polydimethylsiloxane (PDMS), on the basis of an array to fabricate bioMEMS based biosensors. (Non-Patent Document 17). Micro contact printing (uCP) with a self-assembled amine layer was used for the fabrication of GFPdopa. To this end, we first supported the protein by immersing the PDMS microstamp in GFPdopa solution for 30 minutes and then transferring it to an amine coated slide using micro contact printing. Micropatterned proteins were observed under fluorescence microscopy. The pattern size was the same and confirmed the fabrication of GFPdopa on amine slides with high reliability shapes. At this time, a strong fluorescence signal was maintained indicating that GFPdopa retained its original function for the glass slide.
또한, 본 발명의 한가지 실시예에서는, 제조된 바이오센서의 단백질 센서의 수행을 평가하기 위해, GFPdopa 슬라이드를 5분 동안 Cu2 + 용액(100 uM)과 함께 반응시킨 후 형광 현미경 하에 관찰하였다. 그 결과, 형광 신호는 구리 이온의 첨가 후에 완전히 소광되었다(도 8b의 B 참조). 또한, 슬라이드는 5분 동안 EDTA로 평형화시킨 후, 형광 현미경에서 동일한 조건에서 관찰하였다. 그 결과, GFPdopa의 원래의 형광 방출이 즉시 회복되었다(도 8b의 C 참조). 또한, Scion Image PC 소프트웨어 패키지를 이용하여 형광 회복을 정량화하였다. 그 결과, GFPdopa의 원래의 형광 강도의 94%가 회복된 것을 나타내었다(도 8c 참조). 이런 유의적인 차이는 GFPdopa가 Cu2 + 검출을 위한 선택적이고 민감한 바이오센서를 수행할 수 있는 것을 명백히 제시하는 것이다.In one kinds of embodiments of the invention, the, slide GFPdopa to evaluate the performance of the sensor protein of the resulting biosensor for 5 minutes and then allowed to react with Cu + 2 solution (100 uM) was observed under a fluorescence microscope. As a result, the fluorescent signal was completely quenched after addition of copper ions (see B in FIG. 8B). In addition, slides were equilibrated with EDTA for 5 minutes and then observed under the same conditions under a fluorescence microscope. As a result, the original fluorescence emission of GFPdopa immediately recovered (see C of FIG. 8B). Fluorescence recovery was also quantified using the Scion Image PC software package. As a result, 94% of the original fluorescence intensity of GFPdopa was recovered (see FIG. 8C). This significant difference is that clearly suggested that GFPdopa can perform a selective and sensitive biosensors for detecting Cu 2 +.
결론적으로, 본 발명은 가역성 방식으로 Cu2 +에 특이적으로 결합하는 센싱 요소로서 L-DOPA를 포함하는 단백질을 특정하였다. 일반적으로, 환경적으로 오염된 시료 및 생물학적 시료에서 구리의 농도는 밀리몰랄(milimolar) 내지 마이크로몰랄(micromolar) 범위 내에서 발견된다(비특허문헌 3). GFPdopa의 독특한 형광 소광 및 회복, 및 간편한 제작 방법은 환경 시료 내 구리 센싱에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 구리 검출을 위한 신규한 분자 진단 도구를 개발하는데 적용될 수 있다. 게다가, 이것은 단백질 농도를 낮추거나 더 민감한 형광 분광형광계를 이용함으로써 개발될 수 있다.
In conclusion, the present invention is a protein containing the L-DOPA was specified as a sensing element specifically binding to Cu 2 + a reversible manner. Generally, the concentration of copper in environmentally contaminated samples and biological samples is found in the range of milimolar to micromolar (Non-Patent Document 3). GFPdopa's unique fluorescence quenching and recovery, and easy fabrication methods can be applied to copper sensing in environmental samples, as well as to develop new molecular diagnostic tools for copper detection. In addition, this can be developed by lowering protein concentration or by using more sensitive fluorescence spectrofluorometers.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정하는 것은 아니다.
However, the following Examples illustrate the present invention in detail, and the content of the present invention is not limited by the Examples.
L-L- DOPADOPA 도입 단백질의 제조 Preparation of Introduced Protein
<1-1> 플라스미드 및 균주의 제조<1-1> Preparation of Plasmids and Strains
DNA 조작은 Sambrook and Russel에 기재된 절차에 따라 수행하였다(비특허문헌 18 참조). PCR 반응(50 ㎕)은 10 pM의 각 프라이머, 50 ng의 주형 DNA, 1X Taq DNA 중합효소(polymerase) 완충용액, 1 U of Taq DNA 중합효소(Promega, Madison, WI, USA), 0.2 mM의 각 디옥시리보뉴클레오티드 삼인산(deoxyribonucleotide triphosphates) 및 1.5 mM MgCl2을 이용하여 수행하였다. 증폭은 초기 변성(94℃에서 1분 동안) 이어서 94℃에서 1분, 60℃에서 1분 및 72℃에서 0.5분의 30 사이클, 72℃에서 10분 동안의 연장으로 프로그램된 DNA 열순환기(Master Gradient thermal cycler, Eppendorf, Hamburg, Germany)에서 수행하였다. 8개의 타이로신 잔기를 포함하는 GFPhs2를 포함하는 pQE-60를 BamH1 및 HindIII 제한효소를 이용하여 플라스미드 pQE-80 L(Qiagen)(Valencia, CA, USA) 내에 클로닝함에 의해 제작하였다(비특허문헌 19 참조). 이때, PCR 시약, T4 DNA 리가아제 및 제한 엔도뉴클레아제는 Promega(Madison, WI, USA)에서 구입하였다. 그런 다음, 상기 제작된 pQE80-GFPhs2 (이하, GFP로 기재한다) 플라스미드를 자연 및 비자연적 재조합 단백질의 생산을 위해, E. coli JW2581 타이로신 영양요구주(E. coli Genetic Stock Centre, Yale University, New Haven, USA) 내로 형질전환시켰다. 이런 컨스트럭트를 서열분석하였으며, 이의 표적 단백질 서열을 확인하였다. 플라스미드를 포함한 E. coli 세포는 형질전환체의 선별을 위한 적절한 항생제가 첨가된, Luria-Bertani (LB) 배지(Difco Laboratories, Detroit, Michigan, USA) 또는 LB 아가 플레이트에서 호기성으로 성장하였다.
DNA manipulation was performed according to the procedure described in Sambrook and Russel (see Non-Patent Document 18). PCR reaction (50 μl) was performed with 10 pM of each primer, 50 ng of template DNA, 1 × Taq DNA polymerase buffer, 1 U of Taq DNA polymerase (Promega, Madison, WI, USA), 0.2 mM Each deoxyribonucleotide triphosphates and 1.5 mM MgCl 2 were used. Amplification was followed by initial denaturation (1 min at 94 ° C.) followed by 30 cycles of 1 minute at 94 ° C., 1 minute at 60 ° C. and 0.5 minutes at 72 ° C., and extension for 10 minutes at 72 ° C. (Master Gradient thermal cycler, Eppendorf, Hamburg, Germany). PQE-60 comprising GFPhs2 containing eight tyrosine residues was prepared by cloning into plasmid pQE-80 L (Qiagen) (Valencia, CA, USA) using
<1-2> 녹색 형광 단백질 내로 L-<1-2> L- Into Green Fluorescent Protein DOPADOPA 의 도입 확인Check the introduction of
상기 실시예 <1-1>에서 제작된 컨스트럭트를 0.4% (w/v)의 글루코즈, 0.1 mM의 CaCl2, 1.0 mM의 MgSO4, 35 ㎍/mL의 티아민(thiamine), 20개의 아미노산(40 mg/L) 및 적절한 항생제를 첨가한 M9 최소 배지에서 성장시켰다. 상기 배양액의 광학 밀도는 OD600에서 0.8 내지 1.0에 달하는 경우, 4℃에서 10분 동안 원심분리(5,000 rpm)를 수행하였다. 세포 펠렛을 0.9%(w/v)의 NaCl 용액으로 두 번 세척하였다. 그런 다음, 상기 세포를 타이로신이 결핍된 19개의 아미노산(40 mg/L)이 첨가된 M9 최소 배지에서 재현탁시켰다. 상기 재현탁된 세포를 양성 대조군으로서 L-타이로신(40 mg/L)을, 시험군으로서 L-DOPA(1 mM)가 첨가된 M9 최소 배지를 포함하는 배양 플라스크에 각각 첨가하였다. 이때, 자연적 아미노산과 L-DOPA는 모두 Sigma(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 10분 동안 37℃에서 배양한 후, 1 mM의 이소프로필-D-티오갈락토피라노사이드(isopropyl-D-thiogalactopyranoside; IPTG)(sigma chemicals)(St. Louis, MO, USA)를 첨가하여 단백질 발현을 유도하였다. 단백질 발현유도 6시간 후, 세포를 채취하였으며 OD600을 측정하였다. 원심분리에 의해 채취된 세포를 사용할 때까지 -70℃에서 저장하였다. BugBuster 단백질 추출 키트(Novagen) 및 이어서 초음파 처리를 이용하여 세포용해를 수행하였다. 1 mL의 배양액에 상응하는 채취된 세포 펠렛을 100 ㎕의 용해 완충용액에 재현탁한 후 10분 동안 상온에서 배양한 다음, 20분 동안 9000g, 4℃로 원심분리하였다. 상청액을 수용성 단백질 분획으로 제공하였으며, SDS-PAGE(12% 아크릴아마이드 겔)로 분석하였다.
The construct prepared in Example <1-1> was prepared with 0.4% (w / v) glucose, 0.1 mM CaCl 2 , 1.0 mM MgSO 4 , 35 μg / mL thiamine, and 20 amino acids. (40 mg / L) and appropriate antibiotics were grown in M9 minimal medium. When the optical density of the culture reached 0.8 to 1.0 at OD 600 , centrifugation (5,000 rpm) was performed at 4 ° C. for 10 minutes. The cell pellet was washed twice with 0.9% (w / v) NaCl solution. The cells were then resuspended in M9 minimal medium added with 19 amino acids (40 mg / L) deficient in tyrosine. The resuspended cells were added to a culture flask each containing L9 tyrosine (40 mg / L) as a positive control and M9 minimal medium to which L-DOPA (1 mM) was added as a test group. At this time, both natural amino acids and L-DOPA were purchased from Sigma (St. Louis, MO, USA). After incubation at 37 ° C. for 10 minutes, 1 mM of isopropyl-D-thiogalactopyranoside (IPTG) (sigma chemicals) (St. Louis, MO, USA) was added to the protein. Expression was induced. After 6 hours of protein expression, cells were harvested and OD 600 was measured. Cells harvested by centrifugation were stored at -70 ° C until use. Lysis was performed using BugBuster protein extraction kit (Novagen) followed by sonication. The collected cell pellets corresponding to 1 mL of the culture solution were resuspended in 100 μl of lysis buffer, incubated at room temperature for 10 minutes, and then centrifuged at 9000 g and 4 ° C. for 20 minutes. Supernatants were provided as water soluble protein fractions and analyzed by SDS-PAGE (12% acrylamide gel).
<1-3> L-<1-3> L- DOPADOPA 도입 녹색 형광 단백질의 정제 Purification of Green Fluorescent Proteins Introduced
E. coli 타이로신 영양요구주 내 pQE80-GFP를 100 mL M9 배지에서 0.6의 OD600로 성장시킨 후, 6시간 동안 1 mM IPTG로 유도한 다음, 펠렛화시켰다. 단백질의 정제는 니켈니트리로트리아세트산(nickelnitrilotriacetic acid; Ni-NTA) HisBind Resin(Novagen)을 이용하여 Ni-NTA 친화성 컬럼(Qiagen)(Valencia, CA, USA) 및 겔 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography; GPC)을 통해 수행하였다. Histag 정제 샘플은 4℃에서 Superdex 75 HR를 포함하는 AKTA Explorer FPLC 시스템에 의해 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 정제를 수행하였다.
PQE80-GFP in E. coli tyrosine nutrients was grown to OD 600 of 0.6 in 100 mL M9 medium and then induced with 1 mM IPTG for 6 hours and then pelletized. Purification of proteins was carried out using Ni-NTA affinity column (Qiagen) (Valencia, CA, USA) and gel permeation chromatography using nickel-nitrilotriacetic acid (Ni-NTA) HisBind Resin (Novagen). ; GPC). Histag purification samples were subjected to gel permeation chromatography (GPC) purification by AKTA Explorer FPLC system with Superdex 75 HR at 4 ° C.
<1-4> L-<1-4> L- DOPADOPA 도입 녹색 형광 단백질의 정량 및 형광 분석 Quantitative and Fluorescence Analysis of Introduced Green Fluorescent Proteins
단백질의 농도는 Bradford 분석법을 이용하여 정량하였다. 대조군 및 시험군 단백질의 형광 스펙트럼은 디지털 소프트웨어가 장착된 Perkin Elmer LS-55 분광형광계(spectrofluorimeter)로 측정하였다.
Protein concentrations were quantified using the Bradford assay. Fluorescence spectra of control and test protein were measured with a Perkin Elmer LS-55 spectrofluorimeter equipped with digital software.
L-L- DOPADOPA 도입 단백질 친화성 금속 이온의 스크리닝 Screening of Introduced Protein Affinity Metal Ions
<2-1> 형광분광측정법을 통한 금속 바이오-<2-1> Metal Bio-based Fluorescence Spectrometry 센싱Sensing
금속 이온 스크리닝은 0.1 mM 및 1 mM의 K+, Mg2 +, Ca2 +, Na+, Mn2 + 및 Cu2 +과 같은 다른 금속 이온을 가지는 3 uM의 GFP 및 GFPdopa를 각각 포함하는 MOPS(4-morpholinepropane sulfonic acid, pH 7.2) 완충용액에서 수행하였다. 사전에, 임의의 미량 금속을 제거하기 위해 MOPS 완충용액을 Chelex-100 컬럼으로 통과시켰다. 형광 측정은 winlab 소프트웨어가 장착된 Perkin Elmer LS-55 분광형광계로 측정하였다. 또한, 구리 농도에 대한 형광 소광의 양을 프랏팅(plotting)함으로써 GFP 및 GFPdopa에 대한 검정 곡선(calibration curve)을 나타내었다
Metal ion screening MOPS containing 0.1 mM and of 1 mM K +, Mg 2 + ,
<2-1> 구리 적정 및 해리 상수 결정<2-1> Determination of Copper Titration and Dissociation Constants
구리 적정 실험은 단백질의 결합 상수를 결정하기 위해 수행하였다. Cu2 + 결합 연구를 수행하기 위해, 100 uL 농도의 구리 용액을 100 uL의 GFP 및 GFPdopa 단백질(3 uM)에 첨가하였다. 형광 스펙트럼은 GFP 및 GFPdopa에 대해 505 및 515 nm에서 시료를 흥분시키고, 각각 515-530 nm 사이의 방출을 야기하는 것으로 기록함으로써, 분광형광계에서 획득하였다. 이런 실험은 각 포인트를 위해 표준편차를 계산하기 위해 반복수행하였다. 형광 판독은 [ΔF/ΔF0]로 나타내고, 이는 하기 [일반식]을 이용하여 산출하였다.Copper titration experiments were performed to determine the binding constants of the proteins. In order to perform the Cu 2 + binding studies, it was added to a solution of 100 uL of copper concentration in the GFP protein and GFPdopa (3 uM) of 100 uL. Fluorescence spectra were acquired on a spectrofluorometer by recording the samples at 505 and 515 nm for GFP and GFPdopa and causing emission between 515-530 nm, respectively. This experiment was repeated to calculate the standard deviation for each point. Fluorescence readings are represented by [ΔF / ΔF0], which were calculated using the following general formula.
[일반식][General Formula]
, ,
여기서, △F는 측정된 형광의 변화이고, △Fmax는 최대의 형광 변화이며, [P]는 총 단백질 농도이고, Kd는 구리 결합 부위의 해리 상수이며, [Cu2 +]는 구리의 총 농도이다.
Here, △ F is the change in the measured fluorescence, △ Fmax is the maximum fluorescence change, [P] is the total protein concentration, Kd is the dissociation constant of the copper-binding sites, [Cu 2 +] is the total concentration of copper to be.
그 결과, GFP 및 GFPdopa의 형광은 0.1 mM 및 1 mM 농도의 K+, Mg2 +, Ca2 +, Na+ 및 Mn2 + 금속 이온의 존재 하에서 약간 영향을 받았다. 그러나, 0.1 mM 농도의 Cu2+의 첨가는 GFPdopa 단백질의 형광을 완전하게 소멸시켰다. 반면에, GFP는 0.1 mM 농도의 Cu2 +의 첨가 후 75% 이상의 형광이 유지되었다. 테스트된 금속 이온들 중에서, GFPdopa는 오로지 Cu2 + 금속 이온과 선택적으로 형광 소광을 보였다(도 1 및 도 2a). Cu2 + 이온과 GFPdopa의 혼합은 형광 여기 및 방출에서 파장 변화를 보이지 않았다(도 3). 20 uM의 구리 농도는 GFPdopa 형광의 50% 소광을 나타내었고, 100 uM의 구리 농도로 처리될 때 완전한 형광 소광을 나타내었다. 한편, 100 uM의 Cu2+ 존재 하에서 GFP의 75% 이상의 형광 강도가 유지되는 것으로 나타내었다(도 2b). As a result, the fluorescence of GFP and are GFPdopa of 0.1 mM and 1 mM concentration of K +, Mg 2 +, Ca 2 +, Na + and Mn + 2 were slightly affected in the presence of metal ions. However, addition of 0.1 mM Cu 2+ completely eliminated the fluorescence of the GFPdopa protein. On the other hand, GFP was retained more than 75% of fluorescence after addition of Cu 2 + concentration of 0.1 mM. Among the tested metal ions, GFPdopa is only showed Cu 2 + metal ions and optionally a fluorescence quenching (Figs. 1 and 2a). Mixture of Cu 2 + ions and GFPdopa there was no change in the fluorescence excitation and emission wavelengths (Fig. 3). A copper concentration of 20 uM showed 50% quenching of GFPdopa fluorescence and a complete fluorescence quenching when treated with a copper concentration of 100 uM. On the other hand, it was shown that the fluorescence intensity of 75% or more of GFP was maintained in the presence of 100 uM Cu 2+ (FIG. 2B).
한편, GFPdopa의 해리상수는 Cu2 + 이온에 대해 높은 친화성을 나타내는 5.6±0.3 uM인 것으로 확인되었다. 상기 구리 해리 상수는 붉은 형광 단백질과 유사하고 Rmu13, drFP583 및 gRF 보다 낮은 수치였다(비특허문헌 13 및 14 참조).
On the other hand, the dissociation constant of GFPdopa was proved to be 5.6 ± 0.3 uM indicating a high affinity for Cu 2 + ions. The copper dissociation constants were similar to red fluorescent proteins and were lower than Rmu13, drFP583 and gRF (see Non-Patent Documents 13 and 14).
L-L- DOPADOPA 도입 단백질과 구리 이온의 형광 Fluorescence of Introduced Proteins and Copper Ions 소광의Quenching 메커니즘 분석 Mechanism Analysis
<3-1> <3-1> 스턴Stern -- 볼머Volmer 플랏PLAT (( SternStern -- VolmerVolmer plotplot ) 분석) analysis
100 uL 농도의 구리 용액을 각각의 마이크로 적정 웰에서 100 uL의 단백질(3 uM)을 포함하는 MOPS에 첨가하였다. 구리의 첨가 후, 상기 용액을 다양한 온도(25, 30 및 45℃)에서 반응시켰다. 형광 판독은 시료를 자극한 후 각 단백질에 대한 적절한 파장에서 방출을 측정함으로써 수행되었다. GFPdopa와 구리의 해리 상수는 25℃에서 측정된 상대적인 소광(quenching) 데이타를 기초로 측정하였다.
A 100 uL copper solution was added to the MOPS containing 100 uL protein (3 uM) in each micro titration well. After the addition of copper, the solution was reacted at various temperatures (25, 30 and 45 ° C.). Fluorescence readings were performed by stimulating the sample and then measuring the emission at the appropriate wavelength for each protein. Dissociation constants of GFPdopa and copper were determined based on relative quenching data measured at 25 ° C.
<3-2> <3-2> UVUV -시각화 Visualization 스페트럼Spetrum (( UVUV -- visiblevisible spectraspectra ) 분석) analysis
1 ml 부피의 단백질(3 uM)을 큐벳트(cuvette)에 부은 후, 단백질의 흠수 스펙트럼을 상온에서 기록하였다. 이를 위해 0.1 mM의 구리는 첨가한 후, 10분 동안 반응시킨 다음, 흡수 스펙트럼을 기록하였다.
After 1 ml of protein (3 uM) was poured into the cuvette, the scratch spectrum of the protein was recorded at room temperature. To this end, 0.1 mM of copper was added, followed by reaction for 10 minutes, and then absorption spectrum was recorded.
<3-3> 센서의 가역성 분석<3-3> Reversibility Analysis of Sensor
센서의 가역성을 시료 용액에 1 mM의 에틸렌 디아민 테트라아세트산(ethylenediamine tetraacetic acid, EDTA)을 첨가하여 최종 농도 1 mM의 용액을 만든 후 평가하였다.
The reversibility of the sensor was evaluated after adding 1 mM ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) to the sample solution to make a solution having a final concentration of 1 mM.
그 결과, GFPdopa의 소광 상수는 온도의 증가에 대하여 감소하는 것으로 나타났다(도 2c 및 도 2d). 이는 상기 소광이 충돌 소광(collisional quenching)이 아니고, 구리와 GFPdopa 단백질 사이의 상호작용에 기인하는 정적 소광(static quenching)에 의한 것임을 알 수 있다. As a result, the extinction constant of GFPdopa was found to decrease with increasing temperature (FIGS. 2C and 2D). It can be seen that the quenching is not due to collisional quenching, but due to static quenching due to the interaction between copper and GFPdopa protein.
또한, GFPdopa의 흡수 스펙트럼은 Cu2 +의 부재 하의 경우에 비교하여 Cu2 +의 존재 하에서 영향을 받지 않는 것으로 나타났다(도 4). 또한, 형광 소광 후 GFPdopa 형광의 70% 이상이 평형화한 후 5분 뒤에 회복되는 것으로 나타났다(도 5). 따라서 평형화 조건에서, GFPdopa를 이용하여 구리의 반복되고 재생가능한 모니터링이 가능하다는 것을 알 수 있다.
In addition, the absorption spectrum of the GFPdopa is compared with the case in the absence of Cu + 2 was not affected in the presence of Cu 2 + (Fig. 4). In addition, 70% or more of GFPdopa fluorescence after fluorescence quenching was found to recover 5 minutes after equilibration (FIG. 5). Thus, it can be seen that under equilibrium conditions, repeated and renewable monitoring of copper is possible using GFPdopa.
구리 이온의 결합이 L-L-bonds of copper ions DOPADOPA 도입 단백질의 구조에 미치는 영향 분석 Analysis of the effect on the structure of the introduced protein
<4-1> <4-1> 원편광Circularly polarized light 이색성Dichroism 분광 측정법( Spectroscopy ( circularcircular dichroismdichroism ))
JASCO J-715 분광계에서 37℃에서 GFPdopa 및 GFPdopa로 처리된 구리에 대해 Far UV CD 스펙트럼을 기록하였다. 상기 분석을 위해, 250 uL 부피의 단백질(3 uM)을 0.2 cm 세포에 둔 후, CD 흡수 스펙트럼을 상온에서 획득하였다. 구리 1 당량에 상응하는, 10 uL 부피의 구리를 첨가한 후, 흡수 스펙트럼을 기록하였다. 20개의 스캔을 스펙트럼마다 축적하고, Jasco 소프트웨어 패키지를 이용하여 미가공 데이타를 공정하였다. 최종 결과를 분석한 후, Origin 소프트웨어를 이용하여 그래프화하였다.
Far UV CD spectra were recorded for GFPdopa and copper treated with GFPdopa at 37 ° C. in a JASCO J-715 spectrometer. For the assay, 250 uL volume of protein (3 uM) was placed in 0.2 cm cells, after which CD absorption spectra were acquired at room temperature. After adding a volume of 10 uL of copper, corresponding to 1 equivalent of copper, the absorption spectrum was recorded. Twenty scans were accumulated per spectra and raw data was processed using the Jasco software package. After analyzing the final results, they were graphed using Origin software.
그 결과, GFPdopa의 이색성 프로파일은 구리 이온으로 처리한 후의 경우 처리 전의 경우와 동일한 이차 구조를 가지고 있는 것으로 확인되었다(도 2d). 따라서, 관찰된 GFPdopa에서의 형광 소광은 단백질의 구조적 또는 형태적 변화로 기인한 것이 아님을 알 수 있다.
As a result, it was confirmed that the dichroic profile of GFPdopa had the same secondary structure as before treatment when treated with copper ions (FIG. 2D). Thus, it can be seen that the fluorescence quenching in the observed GFPdopa is not due to structural or morphological changes of the protein.
L-L- DOPADOPA 도입 단백질 내 구리 이온의 결합 부위 확인 Identification of the binding site of copper ions in the introduced protein
<5-1> 분자 <5-1> molecule 모델링modelling 및 And 발색단Chromophore (( chromophorechromophore ) 상호작용 연구) Interaction research
GFP 모델 구조는 디폴트 함수(default parameter)를 이용한 PDB(Protein Databank)에 대해 BlastP 검색을 통해 획득한 잠재적 주형 구조(PDB Id-2B3P 및 1RRX)를 이용하여 모델러(Modeler)를 이용한 비교 모델링(comparative modeling)에 의해 제작하였다. 주형으로서 2B3P의 서열 배열 및 3D 구조를 이용하여, 모델을 발색단 내에서 변형되는 GYG 부위를 제외한 쿼리 서열(query sequence)에 대해 제작하였다. 말단 및 c-말단 오버행을 각 모델링 단계 동안 제거하였다. 그런 다음, 2B3P의 발색단 부위를 모델러의 모델 리간드 복합체 방법을 이용하여 GFP 모델 구조 내로 도입하였다. 제작된 모델 구조는 약 200단계의 최대 경사 최소화(steepest descent minimization)에서 최소화된 에너지를 가지며 SAVES 서버를 이용하여 구조 품질에 대해 평가하였다. 모델링 공정의 완수를 확인하기 위해 평균평방근편차(root mean square deviation, RMSD) 값을 모델링된 구조 및 이의 상응하는 주형 구조 사이에 산출하였다. GFP의 분자 모델의 품질은 라마찬드란 플랏(Ramachandran plot)에서 아미노산 잔기의 분포를 조사함으로써 결정하였다. 그런 다음, help Discovery studio 2.1을 갖춘 1RRX의 결정 좌표(crystal coordinate)를 도입함으로써 상기 모델의 티로신 잔기를 L-DOPA로 대체하여 에너지를 최소화하였다. 에너지가 최소화된 구조의 구조 품질은 상기 기재된 바와 같이 측정하였다. 발색단과 주변 잔기들 사이 상호작용을 분석하기 위해, 리간드 단백질 플랏을 GFP 및 GFPdopa에 대한 Ligplot을 이용하여 생성시켰다.
GFP model structure is comparative modeling using modeler using potential template structures (PDB Id-2B3P and 1RRX) obtained through BlastP search for Protein Databank (PDB) using default parameters. ) Using the 2B3P sequence sequence and 3D structure as a template, a model was constructed for the query sequence excluding GYG sites that are modified within the chromophore. Terminal and c-terminal overhangs were removed during each modeling step. The chromophore site of 2B3P was then introduced into the GFP model structure using modeler's model ligand complex method. The fabricated model structure has minimal energy at about 200 steps of descent minimization and was evaluated for structural quality using SAVES server. To verify the completion of the modeling process, root mean square deviation (RMSD) values were calculated between the modeled structure and its corresponding template structure. The quality of the molecular model of GFP was determined by examining the distribution of amino acid residues in the Ramachandran plot. The energy coordinates were then minimized by replacing the tyrosine residues of the model with L-DOPA by introducing a crystal coordinate of 1RRX with help Discovery studio 2.1. The structural quality of the energy minimized structure was measured as described above. To analyze the interaction between chromophores and surrounding residues, ligand protein plots were generated using Ligplot for GFP and GFPdopa.
<5-2> 인-겔 절단(<5-2> in-gel cutting ( InIn -- gelgel digestiondigestion ))
샘플을 SDS-PAGE에 의해 분해한 후 Colloidal Coomassie blue R250 용액(ProteomeTech Inc. Korea)으로 염색하였다. 기존에 알려진 방법(비특허문헌 20 참조)의 변형을 통해 수행하였다. 겔 밴드를 1 mm3 큐브(cube) 내로 절단하였고 50% 아세토니트릴(acetonitrile)을 포함하는 50 mM 탄산수소 암모늄(ammonium bicarbonate)으로 두 번 세척하였다. 단백질 환원 및 알킬화를 56℃에서 1시간 동안 50 mM 탄산수소 암모늄에서 10 mM DTT로, 이어서 상온에서 45분 동안 50 mM 탄산수소 암모늄에서 10 mM 아크릴아마이드로 각각 수행하였다. 겔 조작들을 50 mM 탄산수소 암모늄, 50% 아세토니트릴로 두 번 세척하였고, 100% 아세토니트릴로 탈수시켰고, speed vac으로 건조시켰다. 건조된 겔 조각들을 50 mM 탄산수소 암모늄에서 20 ng uL-1 sequencing grade trypsin(Promega, CA, USA)로 탈수시킨 후 37℃에서 밤새 반응시켰다. 상청액을 새로운 튜브로 이동시킨 다음, 겔 조각들에 남은 펩티드들을 40분 동안 중탕 냄비에 50% 아세토니트릴을 포함하는 5% TFA로 초음파 처리에 의해 추출하였다. 상기 추출물을 POROSR2/R3(Applied Biosystems, CA, USA)가 구비된 GeLoader tip 컬럼을 이용하여 결합, 약 2 uL로 건조 및 탈염화시킨 다음, 상기 용출된 펩티드들을 질량분석(mass spectrometric analysis)하였다.
Samples were digested by SDS-PAGE and stained with Colloidal Coomassie blue R250 solution (ProteomeTech Inc. Korea). It carried out through the modification of the conventionally known method (refer nonpatent literature 20). Gel bands were cut into 1 mm 3 cubes and washed twice with 50 mM ammonium bicarbonate containing 50% acetonitrile. Protein reduction and alkylation were performed with 10 mM DTT in 50 mM ammonium bicarbonate for 1 hour at 56 ° C., followed by 10 mM acrylamide in 50 mM ammonium bicarbonate for 45 minutes at room temperature. Gel operations were washed twice with 50 mM ammonium hydrogen carbonate, 50% acetonitrile, dehydrated with 100% acetonitrile and dried to speed vac. The dried gel pieces were dehydrated in 50 mM ammonium hydrogen carbonate with 20 ng uL-1 sequencing grade trypsin (Promega, CA, USA) and reacted overnight at 37 ° C. The supernatant was transferred to a new tube and then the peptides remaining in the gel pieces were extracted by sonication with 5% TFA containing 50% acetonitrile in a bath for 40 minutes. The extract was bound, dried and desalted to about 2 uL using a GeLoader tip column equipped with POROSR2 / R3 (Applied Biosystems, CA, USA), and then the eluted peptides were subjected to mass spectrometric analysis.
<5-3> 나노 <5-3> nano LCLC -- MSMS /Of MSMS
기존에 알려진 방법과 같이(비특허문헌 21) FAMOS autosampler 및 Switchos column switching valve(LC-Packings, Amsterdam, The Netherlands)를 포함하는 Ultimate nanoLC 시스템을 통해, 트립신에 의한 분해물을 분리하였고, 나노스프레이 계면(nanospray interface)이 구비된 QSTAR Mass 분광계(Applied Biosystems, CA, USA)에 의해 온-라인(on-line) 분석하였다. 펩티드 결합은 10분 동안 4 uL/min의 유량(flow rate)으로 5% 아세토니트릴을 포함하는 0.1% 포름산으로 2 cm 200 um ID self-packed column Zorbax 300SB-C18, 5 um(Agilent)에서 발생하였다. 결합된 펩티드들은 동일한 레진으로 내부 장착되고, 0.2 uL/min의 유량으로 45분 동안 5-50 %(v/v) 아세토니트릴을 포함하는 0.1 % 포름산으로 녹여서 분리하는, 15 cm 융합된 실리카 에미터(fused silica emitter)(75 um ID)에서 분리하였다. MS/MS 스펙트럼은 충돌 오프셋 값(collision offset values)의 m/z-의존적 세트를 갖는 자동화된 스위칭 모드 탠덤 질량 분석계(automated switching mode tandem mass spectrometer)에서 획득하였다. As in the known method (Non-Patent Document 21), the digested product by trypsin was separated through an Ultimate nanoLC system including a FAMOS autosampler and a Switchos column switching valve (LC-Packings, Amsterdam, The Netherlands). On-line analysis was performed by a QSTAR Mass spectrometer (Applied Biosystems, CA, USA) equipped with a nanospray interface. Peptide binding occurred at 2
<5-4> 돌연변이체의 생성 및 부위 지정 돌연변이(<5-4> Generation and site-directed mutations of mutants ( sitesite - - directeddirected mutagenesis) 분석 mutagenesis) analysis
GFP의 코딩 서열을 플라스미드 GFPY66amber, GFPY92amber, GFPY92F and GFPY66Y92amber를 만들기 위해 사용된 발현벡터 pQE80L 내로 미리 클론화시켰다. Tyr66, Tyr92, Tyr66-92 위치에서 앰버 스탑 코돈(amber stop codon, TAG) 및 페닐알라닌에 대해 Tyr92에서 점 돌연변이를 갖는 하기 돌연변이 벡터를 Quick-change site directed mutagenesis kit(Stratagene, La Jolla, CA)를 이용하여 매뉴얼의 제조사의 설명에 따라 수행하여 생성시켰다. 상기 돌연변이 생성은 Cosmo Genetech(Dajeon, South Korea)에서 DNA 서열 분석을 수행하여 확인하였다.
The coding sequence of GFP was previously cloned into the expression vector pQE80L used to make plasmids GFP Y66amber , GFP Y92amber , GFP Y92F and GFP Y66Y92amber . Using the Quick-change site directed mutagenesis kit (Stratagene, La Jolla, Calif.), The following mutation vectors with point mutations in Tyr92 for amber stop codon (TAG) and phenylalanine at positions Tyr66, Tyr92, and Tyr66-92 Was produced according to the manufacturer's instructions in the manual. The mutagenesis was confirmed by performing DNA sequence analysis at Cosmo Genetech (Dajeon, South Korea).
<5-5> <5-5> GFPGFP 변이체Mutant 내로 L- L- into DOPADOPA 의 부위-특이적 및 전반적 융합 Site-specific and global fusion of
pQE80-GFPY66am GFPY92amber, GFPY66Y92amber 및 부위 특이적 융합을 위해 직교의 tRNA/합성효소(synthetase)를 포함하는 pAC-DOPA-6TRN를 포함하는 Escherichia coli BL21 (DE3)를 앰피실린(ampicillin)(50 mg/mL) 및 테트라사이클린(tetracycline)(7.5 mg/mL)이 첨가된 LB 배지에서 37℃에서 밤새 성장시켰다. 작은 개시 배양에서 세포를 채취하고, 인산완충식염수에 재현탁한 후, 앰피실린(50 mg/mL) 및 테트라사이클린(7.5 mg/mL)이 첨가된 글리세롤 최소 배지 내로 접종시켰다. OD600이 대략 0.7이 도달할 때까지 배양시켰으며, 1 mM L-DOPA(Sigma Aldrich, USA)를 유도 전에 첨가하였다. 유도는 37℃에서 7시간 동안 1 mM IPTG를 제공한 후 세포를 췌취한 후, 정제 동안 -70℃에서 냉동시켰다. 유사하게, GFPdopaY92F를 포함하는 타이로신 영양요구주를 격렬한 진탕으로 37℃에서 앰피실린을 포함한 Luria-Bertani 배지에서 배양하였다. 그런 다음, 세포를 M9 최소 배지에 순응시킨 후, L-DOPA의 전반적인 융합을 상기 기재된 바와 같이 수행하였다.
pQE80-GFP Y66am Y92amber GFP, GFP Y66Y92amber and site-specific fusion of Escherichia containing pAC-DOPA-6TRN comprising a tRNA / synthetase (synthetase) orthogonal to coli BL21 (DE3) was grown overnight at 37 ° C. in LB medium supplemented with ampicillin (50 mg / mL) and tetracycline (7.5 mg / mL). Cells were harvested in small starting cultures, resuspended in phosphate buffered saline, and then inoculated into glycerol minimal medium to which ampicillin (50 mg / mL) and tetracycline (7.5 mg / mL) were added. OD 600 was incubated until approximately 0.7, and 1 mM L-DOPA (Sigma Aldrich, USA) was added before induction. Induction was followed by giving 1 mM IPTG for 7 hours at 37 ° C. and then depriving the cells, and then frozen at −70 ° C. during purification. Similarly, tyrosine nutrients comprising GFP dopaY92F were cultured in Luria-Bertani medium containing ampicillin at 37 ° C. with vigorous shaking. Cells were then acclimated to M9 minimal medium, followed by overall fusion of L-DOPA as described above.
상기 분자 모델링 분석 결과, His148 및 Tyr92 두 개의 잔기 GFP 발색단과 직접적으로 관련성이 있는 것으로 나타났다. 상기 Tyr92는 Gln94 및 His148 잔기가 발색단 잔기와 직접적으로 상호작용하는 것을 통해 발색단과 상호작용하는 것을 알 수 있었다(도 6a). 이런 DOPA66-His148의 상호작용 및 DOPA92-DOPA66의 상호작용에서 L-DOPA의 대체는 구리와 발색단의 결합을 지지하고, 정적 소광을 야기하는 것을 알 수 있었다. The molecular modeling analysis showed that the His148 and Tyr92 two residues are directly related to the chromophore. The Tyr92 interacts with the chromophore by directly interacting the Gln94 and His148 residues with the chromophore residues (FIG. 6A). In this DOPA66-His148 interaction and DOPA92-DOPA66 interaction, the substitution of L-DOPA was found to support the binding of copper and chromophores and cause static quenching.
또한, 다양한 GFP 돌연변이 분석 결과, GFPY66dopa 변이체는 GFP 및 GFPdopaY92F 변이체 보다 높은 구리 센싱 활성을 나타내었고, GFPdopa 보다는 낮은 구리 센싱 활성을 나타내었다. 반면에, GFPY92dopa는 GFPY66dopa일 때 더 높은 구리 센싱 활성을 나타내었다. 한편, 페닐알라닌이 도입된 GFPdopaY92F 돌연변이는 GFPY92dopa 및 GFPY66dopa 돌연변이와 비교할 때, 낮은 구리 센싱 활성을 보였다. 따라서, 발색단 잔기 DOPA66 및 DOPA92는 GFPdopa의 구리 센싱 활성을 가지기 위해 중요한 부위인 것을 알 수 있다. 또한, 구리가 GFPdopa 단백질의 상기 발색단 잔기에 가까이 있는 것은 발색단으로부터 구리에 전자를 제공하고, 이를 통해 형광 소광을 가져오는 것을 알 수 있다.
In addition, GFP Y66dopa variants showed higher copper sensing activity than GFP and GFP dopaY92F variants and lower copper sensing activity than GFPdopa. On the other hand, GFP Y92dopa showed higher copper sensing activity when GFP Y66dopa . Meanwhile, the GFP dopaY92F mutant incorporating phenylalanine showed low copper sensing activity when compared to the GFP Y92dopa and GFP Y66dopa mutants. Thus, it can be seen that the chromophore residues DOPA66 and DOPA92 are important sites for the copper sensing activity of GFPdopa. It can also be seen that the proximity of copper to the chromophore residues of the GFPdopa protein provides electrons to the copper from the chromophores, resulting in fluorescence quenching.
L-L- DOPADOPA 도입 단백질을 포함하는 바이오센서의 제작 Fabrication of biosensors containing introduced proteins
<6-1> 고정을 위한 <6-1> for fixing GFPdopaGFPdopa 에 대한 For NaIONaIO 44 의 전처리Pretreatment of
L-DOPA를 포함하는 GFPdopa(30 ug/ml) 단백질을 1시간 동안 NaIO4(1 mM)와 함께 반응시킴으로써 전처리를 수행하였다. Amicon Ultra 15 30,000 MWCO centrifugal filters(Millipore, MA, USA)를 이용하여 농축시켰다. 농축된 시료를 상기 기재된 바와 같이 구리 감지 분석에 적용하였다. 형광 소광 및 가역성은 winlab 소프트웨어를 이용한 Perkin Elmer LS-55에서 모니터하였다.
Pretreatment was performed by reacting GFPdopa (30 ug / ml) protein containing L-DOPA with NaIO 4 (1 mM) for 1 hour. Concentrated using
<6-2> 바이오 <6-2> bio 센싱을Sensing 위한 아민 슬라이드에서 In amine slide for GFPdopaGFPdopa 단백질의 마이크로 패턴화 Micro patterning of proteins
기존에 알려진 방법(비특허문헌 22 참조)에 따라 PDMS 스탬프(stamp) 및 마이크로콘택트 프린팅(microcontact printing)을 이용하여 단백질의 마이크로패터닝(Micropatterning)을 수행하였다. PDMS 스탬프는 50 um(구멍 크기)의 웰을 포함하는 웰이 포함된 마이크로칩 위에 실리콘 엘라스토머(silicone elastomer)와 실리콘 베이스(silicone base)의 9:1 혼합물을 부워서 제조하였다. 그런 다음, 1시간 동안 65℃에서 반응시킨 후 패턴을 잘랐다. 단백질 용액 내로 PDMS 마이크로스탬프를 담그기 전에, GFPdopa를 5분 동안 1 mM NaIO4로 처리한 후, 즉시 마이크로칩 위에 적재한 다음 15분 동안 반응시켰다. 그런 다음, 과다한 단백질 드롭(drop)을 피펫으로 흡수시킨 후 질소 스프레이를 이용하여 건조시켰다. 또한, PDMS는 아민으로 코팅된 유리 슬라이드에 새긴 다음 30분 동안 상온에서 반응시켰다. 반응 후, PDMS 스탬프를 형광 현미경으로 관찰하였다. 이미지는 수은 램프 조명 및 FITC 및 Cy3 필터 세트를 갖춘 Zeiss Axiovert 200 형광 현미경으로 획득하였다. 이미지는 단순 PCI 소프트웨어를 이용한 Hamamatsu ORCA-ER 그레이 스케일 디지털 카메라에서 포획하였다. 컬러 패널을 위해 분리된 그레이 스케일 이미지는 PCI에서 세팅된 자동 노출로 FITC 및 Cy3 필터 세트와 함께 포획하였다. 상기 그레이 스케일 이미지는 Corel Draw를 이용하여 결합 및 착색시켰다. 상기 이미지는 255 게인(gain) 및 0.0125초 노출로 포획하였다. 그런 다음, 마이크로 스팟을 100 uM CuSo4 용액으로 처리한 후, 형광 이미지를 동일한 조건에서 포획하였다. 상기 스팟을 EDTA로 다시 한번 처리한 후 형광 현미경을 이용하여 포획하였다. 또한, 상기 이미지를 이미지 소프트웨어로 분석하였다.
Micropatterning of proteins was performed using PDMS stamps and microcontact printing in accordance with known methods (see Non-Patent Document 22). PDMS stamps were prepared by pouring a 9: 1 mixture of silicone elastomer and silicone base onto a microchip containing wells containing 50 um (pore size) wells. Then, the pattern was cut after reacting at 65 ° C. for 1 hour. Before immersing the PDMS microstamp into the protein solution, GFPdopa was treated with 1 mM NaIO 4 for 5 minutes, immediately loaded onto the microchip, and then reacted for 15 minutes. Excess protein drop was then absorbed by the pipette and dried using a nitrogen spray. In addition, PDMS was inscribed on a glass slide coated with amine and then reacted at room temperature for 30 minutes. After the reaction, the PDMS stamp was observed with a fluorescence microscope. Images were acquired with a
NaIO4 처리된 GFPdopa로 생성된 검정곡선을 분석한 결과, 형광 강도는 Cu2 + 농도에 따라 선형으로 소광하였으며(도 8a) 상기 형광은 EDTA로 평형화할 때 즉시 회복하였다(도 9). NaIO4 처리된 GFPdopa의 해리상수는 NaIO4의 부재 하에 GFPdopa와 유사한 4.3±1.1 uM으로 확인되었다. 따라서 NaIO4의 처리 후 GFPdopa 단백질이 Cu2+에 대한 바이오센싱 활성을 유지하는 것을 알 수 있었다.NaIO 4 was analyzed and a calibration curve generated by the processing GFPdopa result, fluorescence intensity was immediately recovered when quenching was equilibrated with a linear (Fig. 8a), the fluorescence is EDTA in accordance with the Cu 2 + concentration (Figure 9). The dissociation constant of NaIO 4 treated GFPdopa was found to be 4.3 ± 1.1 uM similar to GFPdopa in the absence of NaIO 4 . Therefore, it was found that GFPdopa protein maintains biosensing activity against Cu 2+ after treatment with NaIO 4 .
또한, 단백질 센서의 수행을 평가하기 위해, GFPdopa 슬라이드와 Cu2 +의 반응 후 형광을 분석한 결과, 형광 신호는 구리 이온의 첨가 후에 완전히 소광되는 것으로 나타났고(도 8b의 B), 상기 슬라이드를 5분 동안 EDTA로 평형화시킨 경우, GFPdopa의 원래의 형광 방출이 회복되는 것으로 나타났으며(도 8b의 C), 상기 형광 회복의 밀도계측 분석 결과, GFPdopa의 원래의 형광 강도의 94%가 회복되는 것으로 나타났다(도 8c). 따라서 GFPdopa가 Cu2 + 검출을 위한 선택적이고 민감한 바이오센서를 수행할 수 있는 것을 알 수 있다.
In addition, in order to evaluate the performance of a protein sensor, GFPdopa slide and Cu 2 + response was analyzed and fluorescence after, the fluorescent signal appeared to be completely extinction after addition of the copper ion (B in Fig. 8b), the slide After equilibration with EDTA for 5 minutes, the original fluorescence emission of GFPdopa was recovered (C of FIG. 8B), and the density measurement analysis of the fluorescence recovery showed that 94% of the original fluorescence intensity of GFPdopa was recovered. (FIG. 8C). Thus GFPdopa is found that can perform selective and sensitive biosensor for the detection Cu 2 +.
Claims (10)
A biosensor for detecting heavy metal ions comprising a fluorescent protein into which L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) is introduced.
1) 아미노산 서열에서 타이로신(tyrosine)을 하나 이상 포함하는 단백질을 발현하는 타이로신 영양요구주(auxotroph)를 준비하는 단계;
2) 상기 타이로신 영양요구주를 타이로신이 결핍된 배지에 배양하는 단계;
3) 상기 배지에 L-DOPA를 첨가한 후 배양하는 단계; 및
4) 배양된 영양요구주로부터 아미노산 서열에서 타이로신 대신에 L-DOPA가 포함되어 있는 형광단백질을 선별하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
According to claim 1, wherein the fluorescent protein introduced L-DOPA is
1) preparing a tyrosine auxotroph, which expresses a protein comprising at least one tyrosine in an amino acid sequence;
2) culturing the tyrosine nutrient requestor in a medium deficient in tyrosine;
3) culturing after adding L-DOPA to the medium; And
4) Biosensor, characterized in that produced by the method comprising the step of selecting a fluorescent protein containing L-DOPA instead of tyrosine in the amino acid sequence from the cultured nutritional requirements.
The biosensor of claim 2, wherein the fluorescent protein of step 1) is a green fluorescent protein (GFP).
The method of claim 2, wherein the tyrosine nutritional requester of step 2) is E. coli JW2581 A biosensor characterized in that it is a tyrosine nutrient requestor.
The biosensor of claim 1, wherein the heavy metal ions are copper ions.
유리 기판; 상기 기판상에 적층된 실리콘 기판; 및 상기 실리콘 기판에 고정화된 L-DOPA가 포함된 형광단백질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 센서.
The method of claim 1,
Glass substrates; A silicon substrate stacked on the substrate; And a fluorescent protein including L-DOPA immobilized on the silicon substrate.
2) 전처리된 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 기판에 고정시키는 단계를 포함하는, L-DOPA가 도입된 형광단백질을 포함하는, 중금속 이온 검출용 바이오센서의 제조방법.
1) pretreatment of fluorescent protein containing L-DOPA with periodate (NaIO 4 ); And
2) A method of manufacturing a biosensor for detecting heavy metal ions comprising a fluorescent protein having L-DOPA introduced therein, the method comprising fixing the fluorescent protein having L-DOPA introduced thereon onto a substrate.
1) 기판에 고분자층을 적층한 후, 패터닝하는 단계;
2) 상기 패터닝된 고분자층에 마이크로 유체 채널을 형성하는 단계; 및
3) 상기 마이크로 유체 채널에 과요오드산염(NaIO4)으로 전처리된 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 적재함으로써 상기 채널에 L-DOPA가 도입된 형광단백질을 고정시키는 단계를 포함하는, 바이오센서의 제조방법.
8. The method of claim 7,
1) laminating a polymer layer on a substrate, and then patterning;
2) forming a microfluidic channel in the patterned polymer layer; And
3) fixing the L-DOPA-introduced fluorescent protein into the microfluidic channel by loading the L-DOPA-introduced fluorescent protein pretreated with periodate (NaIO 4 ). Manufacturing method.
2) 상기 바이오센서의 L-DOPA가 도입된 형광단백질에 결합된 중금속 이온을 확인하는 단계를 포함하는, 피검시료 내 중금속 이온의 검출 방법.
1) processing the test sample in the biosensor of claim 1; And
2) detecting the heavy metal ions bound to the fluorescent protein introduced L-DOPA of the biosensor, detecting the heavy metal ions in the test sample.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020110028620A KR101228030B1 (en) | 2011-03-30 | 2011-03-30 | Fluorescent protein containing L―3,4―dihydroxyphenylalanine as a metal biosensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020110028620A KR101228030B1 (en) | 2011-03-30 | 2011-03-30 | Fluorescent protein containing L―3,4―dihydroxyphenylalanine as a metal biosensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20120110633A true KR20120110633A (en) | 2012-10-10 |
KR101228030B1 KR101228030B1 (en) | 2013-01-30 |
Family
ID=47281440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020110028620A KR101228030B1 (en) | 2011-03-30 | 2011-03-30 | Fluorescent protein containing L―3,4―dihydroxyphenylalanine as a metal biosensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101228030B1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106706580A (en) * | 2016-11-28 | 2017-05-24 | 浙江大学 | Application of green fluorescent protein mutant as aluminum ion detection probe |
ITUA20163876A1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-11-27 | Univ Del Salento | BIORECECTOR FOR METALLIC IONS. |
KR20180073889A (en) * | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | A method of detecting heavy metal ions in contaminated soil and a system of the same |
KR20190058821A (en) * | 2017-11-22 | 2019-05-30 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | Assembled pretreatment apparatus, measurement system and method for on-site measurement of specific heavy metal contamination in soils |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101515750B1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-05-07 | 연세대학교 산학협력단 | Lanthanide composite |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100571937B1 (en) * | 2003-11-07 | 2006-04-18 | 한국생명공학연구원 | Mutant tyrosinse phenol-lyase and preparation method thereof |
KR100745794B1 (en) * | 2004-07-30 | 2007-08-02 | 주식회사 브레인트로피아 | Diagnotic kit for Parkinson's disease by using human peripheral blood mononuclear cells |
KR100690199B1 (en) * | 2006-04-20 | 2007-03-12 | 이화여자대학교 산학협력단 | Fluorescein derivative having selectivity for copper ion, preparation method thereof and detection method of copper ion in vivo using the same |
KR20100127531A (en) * | 2009-05-26 | 2010-12-06 | 서울대학교산학협력단 | Metalloprotein-based biosensor for the detection of heavy metal ions using surface plasmon resonance measurements |
-
2011
- 2011-03-30 KR KR1020110028620A patent/KR101228030B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ITUA20163876A1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-11-27 | Univ Del Salento | BIORECECTOR FOR METALLIC IONS. |
CN106706580A (en) * | 2016-11-28 | 2017-05-24 | 浙江大学 | Application of green fluorescent protein mutant as aluminum ion detection probe |
CN106706580B (en) * | 2016-11-28 | 2019-08-06 | 浙江大学 | A kind of application of modified enhanced green fluorescent protein as aluminium ion detection probe |
KR20180073889A (en) * | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | A method of detecting heavy metal ions in contaminated soil and a system of the same |
KR20190058821A (en) * | 2017-11-22 | 2019-05-30 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | Assembled pretreatment apparatus, measurement system and method for on-site measurement of specific heavy metal contamination in soils |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR101228030B1 (en) | 2013-01-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101228030B1 (en) | Fluorescent protein containing L―3,4―dihydroxyphenylalanine as a metal biosensor | |
JP5524990B2 (en) | DNA aptamer that specifically binds to pLDH, malaria diagnostic composition, and malaria diagnostic kit | |
Zhang et al. | Activity‐Based Genetically Encoded Fluorescent and Luminescent Probes for Detecting Formaldehyde in Living Cells | |
Gabruk et al. | Photoactive protochlorophyllide-enzyme complexes reconstituted with PORA, PORB and PORC proteins of A. thaliana: fluorescence and catalytic properties | |
Yamagishi et al. | Ribosomal synthesis of cyclic peptides with a fluorogenic oxidative coupling reaction | |
Tyagi et al. | Genetically encoded click chemistry for single-molecule FRET of proteins | |
CN107406483A (en) | Microbial transglutaminase, its substrate and its application method | |
Kochańczyk et al. | Femtomolar Zn (II) affinity of minimal zinc hook peptides–a promising small tag for protein engineering | |
CN108341781B (en) | Method for analyzing related enzymes in biosynthetic pathway of plant secondary metabolites | |
JP2015521842A6 (en) | In vitro production of cyclic peptides | |
JP2015521842A (en) | In vitro production of cyclic peptides | |
Deepankumar et al. | Enhancing the biophysical properties of mRFP1 through incorporation of fluoroproline | |
Zheng et al. | Fluorescent labeling of dicysteine‐tagged peptide for monitoring and optimization of protein bio‐production in bacteria | |
Ayyadurai et al. | Biosynthetic substitution of tyrosine in green fluorescent protein with its surrogate fluorotyrosine in Escherichia coli | |
Yang et al. | Fluorescent sensors based on quinoline‐containing styrylcyanine: determination of ferric ions, hydrogen peroxide, and glucose, pH‐sensitive properties and bioimaging | |
CN109797154B (en) | Aptamer PQ-15 specifically bound with paraquat and application thereof | |
CN104789639B (en) | For the fusion protein detected to NADH dependent form zymolytes and its application | |
JP6535483B2 (en) | Juvenile hormone sensor | |
Hemung et al. | Reactivity of fish and microbial transglutaminases on glutaminyl sites of peptides derived from threadfin bream myosin | |
CN114315784A (en) | Histidine-labeled fluorescent probe and preparation method and application thereof | |
KR20200066465A (en) | A microorganism diagnostic kit for sensing mercury and the preparation method thereof | |
JP2002325578A (en) | Photoprotein of symplectoteuthis oualaniensis and gene coding for photoprotein of symplectoteuthis oualaniensis | |
Taibi et al. | Monitoring HECT Ubiquitination Activity In Vitro | |
Roman-Arocho et al. | Design of fluorescent protein-based sensors through a general protection-deprotection strategy | |
KR102244813B1 (en) | Sensor for detecting l-methionine and detecting method of l-methionine using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20151230 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170123 Year of fee payment: 5 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |