KR20160105139A - High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy - Google Patents

High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy Download PDF

Info

Publication number
KR20160105139A
KR20160105139A KR1020150028447A KR20150028447A KR20160105139A KR 20160105139 A KR20160105139 A KR 20160105139A KR 1020150028447 A KR1020150028447 A KR 1020150028447A KR 20150028447 A KR20150028447 A KR 20150028447A KR 20160105139 A KR20160105139 A KR 20160105139A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dna
cancer
probe
single strand
nanoparticle
Prior art date
Application number
KR1020150028447A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101731615B1 (en
Inventor
이상우
이형빈
박인수
이원석
손명구
윤대성
Original Assignee
연세대학교 원주산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 원주산학협력단 filed Critical 연세대학교 원주산학협력단
Priority to KR1020150028447A priority Critical patent/KR101731615B1/en
Publication of KR20160105139A publication Critical patent/KR20160105139A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101731615B1 publication Critical patent/KR101731615B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/30Scanning potential microscopy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • C12Q1/6883Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for diseases caused by alterations of genetic material
    • C12Q1/6886Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for diseases caused by alterations of genetic material for cancer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/574Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for cancer
    • G01N33/57407Specifically defined cancers
    • G01N33/57415Specifically defined cancers of breast
    • G01N2033/57403
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2800/00Detection or diagnosis of diseases
    • G01N2800/36Gynecology or obstetrics
    • G01N2800/365Breast disorders, e.g. mastalgia, mastitits, Paget's disease

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Oncology (AREA)
  • Hospice & Palliative Care (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

The present invention relates to a high-throughput detection method for single to multiple nucleotide mutations based on a DNA-nanoparticle complex using kelvin probe force microscopy (KPFM) and, more specifically, to a method for identifying the mutation of genes by fixing probe DNA to nanoparticles, spreading a compound hybridized with target DNA on a substrate, and using the surface potential measured by the KPFM.

Description

켈빈 프루브 현미경을 이용한 DNA-나노입자 복합체 기반의 초고감도 고속 단일 내지 복수의 염기 변이 검지방법{High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a DNA-nanoparticle complex-based single-to-multiple nucleotide mutation based on nanoparticle-based DNA-nanoparticle complex-based Kelvin probe force microscopy,

본 발명은 켈빈 프루브 현미경을 이용한 DNA-나노입자 복합체 기반의 초고감도 고속 단일 내지 복수의 염기 변이 검지방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 금속 나노입자에 탐침(probe)으로서 DNA(deoxyrebonucleic acid) 단일가닥을 고정화시키는 단계와 표적 DNA 단일가닥을 처리하여 탐침 DNA 단일가닥과 표적 DNA 단일가닥의 결합을 유도하는 혼성화 단계 혼성화 단계를 거쳐 이중가닥이 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)를 금속 기판에 반응시키는 단계 및 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM)을 이용하여 표면 전위(surface potential)를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 측정된 표면 전위(surface potential)를 동일한 방식으로 측정한 정상 DNA 또는 상기 측정한 표적 DNA와 상이한 수의 염기 변이를 갖는 표적 DNA에 대한 표면 전위(surface potential)와 비교하여, 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a DNA-nanoparticle complex-based ultrasensitive, high-speed single to multiple base mutation detection method using a Kelvin probe microscope, and more particularly, to a DNA / Hybridization step of hybridizing a single strand of the target DNA with a single strand of the target DNA by treating a single strand of the target DNA, and a nanoparticle-DNA corona complex having the double strand immobilized thereon, And measuring a surface potential using a Kelvin probe force microscope (KPFM), wherein the measured surface potentials are measured in the same manner The surface potential of the target DNA having a number of base mutations different from the measured normal DNA or the target DNA measured above the present invention relates to a method for detecting the presence or absence of gene mutation on a target DNA in comparison with a surface potential.

유전체 검지는 친자확인 검사, 유전자 발현 개요, 약물 스크리닝 및 질병 예측 분야에 있어서 가장 주목 받는 부분이다. 특히, 우리나라의 경우 급격한 고령화 사회로 진행됨에 따라 건강에 관한 관심이 점차 높아지고 있는 추세이다. 실제로 건강관리 및 검진을 위한 병원 이용자 수는 매년 기하급수적으로 증가하고 있다. 따라서 단순한 생명연장이 아닌 삶의 질의 향상을 위한 질병예측에 있어서 DNA 특정 서열 검출은 정밀진단을 위해 반드시 필요한 기술로 요구되어지고 있다.Dielectric detection is the most noticeable part of paternity testing, gene expression outlines, drug screening and disease prediction. Particularly, as Korea is progressing into a rapidly aging society, interest in health is gradually increasing. Indeed, the number of hospital users for health care and screening is increasing exponentially every year. Therefore, DNA - specific sequence detection in disease prediction to improve quality of life rather than simple life extension is required as a necessary technique for precise diagnosis.

하나의 염기서열 변이까지 검출 가능한 DNA 분석을 위한 기존의 방법들은 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)을 바탕으로 하는 방법(Mun HY, et al. 2009. Gold Nanoparticle-Based Label-Free Detection of BRCA1 Mutations Utilizing DNA Ligation on DNA Microarray, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.9, 1019 - 1024)으로 형광표지를 하지 않는다고 하더라도 중합효소 연쇄반응이 선행되어야 하고, 점돌연변이를 검출하기 위한 결찰연쇄반응(ligation chain reaction, LCR) 등 여러 과정이 필요할 뿐만 아니라 각 반응에서 온도조절이 필요하다는 점에서 번거롭고 오랜 시간이 소요되어 비효율적이다. Previous methods for DNA analysis capable of detecting single nucleotide sequence variants have been based on polymerase chain reaction (PCR) (Mun HY, et al. 2009. Gold Nanoparticle-Based Label-Free Detection of Even if the fluorescent labeling is not carried out by the BRCA1 Mutations Utilizing DNA Ligation on DNA Microarray, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.9, 1019-1024), the polymerase chain reaction must precede and the ligation chain reaction (LCR)), and it is cumbersome and time-consuming because it requires temperature control in each reaction.

따라서 최근 간편한 방법으로 각광받고 있는 기술은 DNA의 상보적 결합을 전기적, 또는 전기화학적인 방법으로 검출하려는 것이다. 미국특허 제2006-0089825호는 생체분자의 상호작용을 알아내기 위해 핵산, 폴리펩타이드(polypeptide), 작은 분자 또는 항체항원 결합 등을 탐침(Probe)과 대상(Target)으로 하여 스캐닝 켈빈 마이크로 프로브 기술을 적용해 분자 간 상호결합에 따른 표면 지형학을 나타내는 접촉전위차 이미지와 접촉전위차 측정치의 변화를 통해 생체 분자의 상호작용을 검출하는 방법에 관한 발명으로 간단한 과정을 통해 빠른 시간 내에 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 탐침과 대상 사이의 상호작용에 따른 결합 유무 정도를 파악할 수 있을 뿐 결합친화도 까지는 파악할 수 없기 때문에 세밀한 DNA변이 분석은 불가능하다.Therefore, the technology that is being popularized in recent years is to detect the complementary binding of DNA by an electric or electrochemical method. U.S. Patent No. 2006-0089825 discloses a method for detecting the interaction of biomolecules by using a nucleic acid, a polypeptide, a small molecule, or an antibody antigen binding as a probe and a target. The present invention relates to a method for detecting interaction of biomolecules through a change in contact potential difference image and a contact potential difference image showing surface topography according to intermolecular bonding between molecules, have. However, it is impossible to analyze detailed DNA mutations because it is possible to grasp the degree of the binding according to the interaction between the probe and the target, but not the binding affinity.

고감도의 생체분자 간의 결합을 전기적으로 검출하기 위해 켈빈 프루브 현미경을 이용한 기술을 제시해 주는 연구로 나노탐침을 사용해 10 nm 미만의 분해능, 50 nM의 민감도와 1,100 um/s 속도의 성능으로 3개의 염기서열 부정합까지 분석할 수 있는 방법이 있다.(Sinensky, & Belcher, Label-free and high-resolution protein/DNA nanoarray analysis using Kelvin probe force microscopy, Nature Nanotechnology 2, 653 - 659) 하지만 이 기술 역시 하나의 염기서열 변이까지는 파악할 수 없다는 점에서 완벽한 DNA변이 검출 방법이라 할 수 없다. A technique that uses a Kelvin probe microscope to electrically detect the binding between highly sensitive biomolecules is proposed. Using a nanoprobe, it has a resolution of less than 10 nm, a sensitivity of 50 nM and a performance of 1,100 um / s. However, this technique also has the disadvantage that one nucleotide sequence (SEQ ID NO: 1) and one nucleotide sequence (SEQ ID NO: It can not be said that it is a perfect DNA mutation detection method because it can not grasp the mutation.

현재까지 많은 연구진들에 의해 개발된 DNA 분석방법들은 중합효소 연쇄반응을 바탕으로 한 표지 방법으로 그 과정이 매우 복잡하고 재현성이 낮아 효율성이 떨어진다. 또한 효율성을 높이기 위한 DNA의 상보적 결합을 전기적, 또는 전기화학적인 방법으로 검출하려는 방법은 간단한 준비과정으로 신속하게 결과를 얻을 수 있는 반면 정확도가 다소 떨어지는 문제점을 갖고 있다. 따라서 상기의 문제점들을 모두 극복한 간편한 방법으로 신속하게 하나의 염기서열 변이까지 확인할 수 있는 보다 정밀한 DNA 검출 방법이 요구되어진다.
DNA analysis methods developed by many researchers to date are based on polymerase chain reaction (PCR), which is very complicated and low in reproducibility. In addition, the method of detecting the complementary binding of DNA by an electric or electrochemical method for increasing the efficiency has a problem that the result is obtained with a simple preparation process, but the accuracy is somewhat lower. Therefore, there is a demand for a more precise DNA detection method capable of quickly detecting single nucleotide sequence variation by a simple method overcoming all of the above problems.

미국공개특허 제2006-0089825호U.S. Published Patent Application No. 2006-0089825

Mun, H. Y. & Park H. G. (2009). Gold Nanoparticle-Based Label-Free Detection of BRCA1 Mutations Utilizing DNA Ligation on DNA Microarray, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.9, 1019 - 1024.Mun, H. Y. & Park H. G. (2009). Gold Nanoparticle-Based Label-Free Detection of BRCA1 Mutations Utilizing DNA Ligation on DNA Microarray, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.9, 1019-1024. Sinensky, A. K. & Belcher, A. M. (2007). Label-free and high-resolution protein/DNA nanoarray analysis using Kelvin probe force microscopy, Nature Nanotechnology 2, 653 - 659.Sinensky, A. K. & Belcher, A. M. (2007). Label-free and high-resolution protein / DNA nanoarray analysis using Kelvin probe force microscopy, Nature Nanotechnology 2, 653-659.

본 발명에서는 유전자 변이를 검출하기 위하여 DNA-나노입자 복합체를 기반으로 켈빈 프루브 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM)을 이용하여 표면 전위를 측정하고, 동일한 방법으로 정상 표적 DNA 단일가닥 또는 상기 측정한 표적 DNA와 상이한 수의 염기 변이를 갖는 다른 표적 DNA에 대한 표면 전위를 측정해 비교하여, 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법을 제공하고자 한다.
In the present invention, the surface potential is measured using a Kelvin probe force microscope (KPFM) based on a DNA-nanoparticle complex in order to detect a gene mutation, and a single target DNA strand or the target A method for detecting the presence or absence of mutation of a gene on a target DNA by measuring and comparing surface potentials with other target DNAs having different numbers of base mutations from DNA.

본 발명에서는 상기 과제 해결을 위하여 (a) 금속 나노입자에 탐침(probe)으로서 DNA(deoxyrebonucleic acid) 단일가닥을 고정화시키는 단계, (b) 표적 DNA 단일가닥을 처리하여 탐침 DNA 단일가닥과 표적 DNA 단일가닥의 결합을 유도하는 혼성화 단계, 및 (c) 혼성화 단계를 거쳐 이중가닥이 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)를 금속 기판에 반응시키는 단계를 거쳐 (d) 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM)을 이용하여 표면 전위(surface potential)를 측정하고, 동일한 방식으로 측정한 정상 DNA 또는 상기 측정한 표적 DNA와 상이한 수의 염기 변이를 갖는 다른 표적 DNA에 대한 표면 전위(surface potential)를 비교하여 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법을 제공함으로써, 형광표지 없이 간단한 방법으로 신속하게 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)를 이용해 켈빈 프루브 현미경의 감도를 높여 하나의 염기서열 변이까지 표적 DNA상 유전자 변이 유무 검출하고 더 나아가 표적 DNA 상 변이된 염기 수를 식별할 수 있다.
(A) immobilizing a DNA (deoxyrebonucleic acid) single strand as a probe on the metal nanoparticle; (b) treating the single DNA strand of the target DNA with a single strand of the probe DNA and a single DNA of the target DNA (D) a step of reacting a DNA-nanoparticle complex (nanoparticle-DNA corona complex) immobilized with a double strand through a hybridization step (d) The surface potential was measured using a microscope (Kelvin probe force microscope, KPFM), and the surface potential of the target DNA measured in the same manner or the target DNA having a different number of base mutations from the target DNA measured was measured the present invention provides a method for detecting the presence or absence of a mutation of a gene on a target DNA by comparing the surface potential of a DNA- the sensitivity of the Kelvin probe microscope can be increased by using a nanoparticle-DNA corona complex to detect the presence or absence of a mutation in the target DNA on a single base sequence and further identify the base number of the target DNA.

본 발명에 따른 유전자 변이 검지방법은 금속 나노입자를 DNA 결합표면으로 이용하여 탐침과 접촉할 수 있는 결합점을 최소화 하여 보다 세밀한 DNA-DNA(혼성화된 이중가닥 DNA) 간 결합정도 파악을 가능하게하고, 10 × 10 ㎛²의 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM) 이미지만으로 2,000개 이상의 DNA가 고정화되어 있는 각각의 나노입자 몇 십 개가 동일조건에서 측정되므로 통계적 분석이 가능해 100 ㎕이하의 미량의 DNA 시료로 라벨 없이 간단하고 신속하게 하나의 염기서열 변이까지도 높은 신뢰수준으로 파악할 수 있는 초고감도 고속 유전자변이 검지방법이다.
The gene mutation detection method according to the present invention makes it possible to grasp the degree of binding between DNA-DNA (hybridized double-stranded DNA) by minimizing the binding point at which the probe can be contacted using the metal nanoparticle as a DNA binding surface , A 10 × 10 ² Kelvin probe force microscope (KPFM) image, each of which has 2,000 or more DNA immobilized, are measured under the same conditions. Therefore, statistical analysis is possible, Is a high-sensitivity, high-speed gene mutation detection method that can identify a single nucleotide sequence variation with a high confidence level simply and quickly without labeling.

도 1은 본 발명의 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)를 기반으로 켈빈 프루브 현미경을 이용한 유전자 변이 검지방법의 모식도이다.
도 2는 DNA가 고정화되지 않은 금 나노입자, 탐침 DNA 단일가닥이 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, pDNA 코로나(coronae)), 및 탐침 DNA 단일가닥과 상보적인 DNA 단일가닥(표적 cDNA)이 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-cDNA 코로나(coronae)) 각각을 켈빈 프루브 현미경으로 측정한 위상(topology) 이미지(a~c), 표면 전위(surface potential) 이미지(d~f)), 및 위상 높이 이미지와 표면 전위 이미지를 통해 서로 대응하는 부분을 그래프(g~i)로 나타낸 것이다.
도 3은 켈빈 프루브 현미경으로 측정한 3차원(3D) 위상(topology) 및 표면 전위(surface potential) 이미지(10 x 10 ㎛2) 및 탐침 DNA와 표적 DNA의 혼성화 상태를 나타내는 DNA 서열 모식도이다(a: DNA가 결합하지 않은 나노입자(100 nm), b: pDNA 코로나(coronae), c: p-cDNA 코로나(coronae), d: 탐침 DNA 단일가닥과 상보성이 없는 DNA 단일가닥(표적 ncDNA)이 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-ncDNA 코로나(coronae)), e: 1개의 염기서열 변이가 있는 표적 DNA(m1DNA)와 탐침 DNA가 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-m1DNA 코로나(coronae)), f: 2개의 염기서열 변이가 있는 표적 DNA(m2DNA)와 탐침 DNA가 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-m2DNA 코로나(coronae)), g: 3개의 염기서열 변이가 있는 표적 DNA(m3DNA)와 탐침 DNA가 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-m3DNA 코로나(coronae)), h: 4개의 염기서열 변이가 있는 표적 DNA(m4DNA)와 탐침 DNA가 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-m4DNA 코로나(coronae)), i: 5개의 염기서열 변이가 있는 표적 DNA(m5DNA)와 탐침 DNA가 혼성화된 이중가닥 DNA가 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(이하, p-m5DNA 코로나(coronae)).
도 4는 유전자 변이의 검지를 위한 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)에 대한 KPFM 측정의 통계적 분석을 나타내는 그래프이다(p-cDNA 코로나(coronae), p-m1DNA 코로나(coronae), p-m2DNA 코로나(coronae), p-m3DNA 코로나(coronae), p-m4DNA 코로나(coronae), p-m5DNA 코로나(coronae), 및 p-ncDNA 코로나(coronae)의 위상 높이 및 표면 전위에 대한 히스토그램과 가우스 피팅 곡선(Gaussian fitting curve)(a, b) 및 박스 플롯(box plot)과 t검정(c, d)).
도 5 표적 DNA 농도에 따른 표면 전위의 분포 분석을 나타내는 그래프이다(a, d, g: p-cDNA 코로나(coronae), b, e, h: p-m1DNA 코로나(coronae), c, f, i: p-ncDNA 코로나(coronae), j, k l: 두 가지 다른 상태(단일가닥 또는 이중가닥 코로나(coronae))의 비율 정량화(j: pDNA, k: m1DNA, l; ncDNA)).
도 6 DNA-DNA 혼성화에 의한 DNA 분자의 구조적 변화에 대한 모식도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a gene mutation detection method using a Kelvin probe microscope based on a DNA-nanoparticle complex (nanoparticle-DNA corona complex) of the present invention. FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a DNA-nanoparticle complex (hereinafter referred to as pDNA coronae) in which DNA nanoparticles immobilized with DNA, a probe DNA single strand immobilized thereon, and a DNA single strand (target cDNA) complementary to a single strand of probe DNA, The DNA-nanoparticle complex (hereinafter referred to as p-cDNA coronae) in which the hybridized double-stranded DNA is immobilized is subjected to a topological image (a to c), a surface potential (surface potential) measured by a Kelvin probe microscope ) Images (d to f), and portions corresponding to each other through the phase height image and the surface potential image are shown by graphs (g to i).
3 is a DNA sequence diagram showing a 3D topology and a surface potential image (10 x 10 탆 2 ) measured by a Kelvin probe microscope and a hybridization state of the probe DNA with the target DNA (a : DNA nanoparticles (100 nm), b: pDNA coronae, c: p-cDNA coronae, d: DNA single strand (target ncDNA) hybridizing with single strand of probe DNA hybridizes (Hereinafter referred to as " p-ncDNA coronae ") in which double-stranded DNA is immobilized, e: double-stranded DNA in which probe DNA is hybridized with target DNA (m 1 DNA) DNA- nanoparticle complex with immobilized (or less, 1 pm DNA corona (coronae)), f: 2 of DNA sequence variation in the target DNA (DNA 2 m) and the probe DNA is hybridized double-stranded DNA is immobilized DNA-nanoparticle complex (hereafter, pm 2 DNA coronae), g: target DNA having three base sequence mutations ( m 3 DNA) and a DNA-nanoparticle complex (hereafter, pm 3 DNA coronae) in which double-stranded DNA hybridizing probe DNA is immobilized, h: a target DNA (m 4 DNA) and the probe DNA are DNA- nanoparticle complex is the double stranded DNA hybridization is immobilized (hereinafter, DNA 4 pm coronal (coronae)), i: 5 of sequence variation the target DNA (DNA 5 m) in the probe DNA is DNA- nanoparticle complexes in the hybridized double-stranded DNA is immobilized (hereinafter, DNA 5 pm coronal (coronae)).
Figure 4 is a graph illustrating the statistical analysis of the measurements of the DNA- KPFM nanoparticle complexes (DNA-nanoparticle complex corona) for detection of gene mutations (p-cDNA corona (coronae), 1 pm DNA corona (coronae), pm 2 histograms of the phase heights and surface potentials of DNA coronae, pm 3 DNA coronae, pm 4 DNA coronae, pm 5 DNA coronae, and p-ncDNA coronae, Gaussian fitting curve (a, b) and box plot and t test (c, d)).
Figure is a graph showing the distribution analysis of the surface potential of the 5 target DNA concentrations (a, d, g: p -cDNA corona (coronae), b, e, h: pm 1 DNA corona (coronae), c, f, i : p-ncDNA corona (coronae), j, kl: two different states quantify the ratio of (single-stranded or double-stranded corona (coronae)) (j: pDNA , k: m 1 DNA, l; ncDNA)).
Fig. 6 is a schematic diagram of a structural change of a DNA molecule by DNA-DNA hybridization. Fig.

본 발명은 a) 금속 나노입자에 탐침(probe)으로서 DNA(deoxyrebonucleic acid) 단일가닥을 고정화시키는 단계; (b) 표적 DNA 단일가닥을 처리하여 탐침 DNA 단일가닥과 표적 DNA 단일가닥의 결합을 유도하는 혼성화 단계; (c) 혼성화 단계를 거쳐 이중가닥이 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)를 금속 기판에 반응시키는 단계; 및 (d) 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM)을 이용하여 표면 전위(surface potential)를 측정하는 단계를 포함하고, 상기 측정된 표면 전위(surface potential)를 동일한 방식으로 측정한 정상 DNA 또는 상기 측정한 표적 DNA와 상이한 수의 염기 변이를 갖는 다른 표적 DNA에 대한 표면 전위(surface potential)와 비교하여, 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법을 제공한다.A) immobilizing a single strand of DNA (deoxyrebonucleic acid) as a probe in metal nanoparticles; (b) a hybridization step of treating a single strand of the target DNA to induce a single strand of the probe DNA and a single strand of the target DNA; (c) reacting a nanoparticle-DNA corona complex with a double strand immobilized on a metal substrate through a hybridization step; And (d) measuring a surface potential using a Kelvin probe force microscope (KPFM), wherein the measured surface potential is measured in the same manner as the normal DNA Or a surface potential of another target DNA having a different number of base mutations from the measured target DNA, thereby detecting the presence or absence of mutation in the target DNA.

본 발명의 일 양태에서, 상기 탐침 DNA 단일가닥은 정상 DNA 단일가닥과 상보적으로 결합하는 단일가닥이다.In one aspect of the present invention, the single strand of the probe DNA is a single strand that binds complementarily to a normal DNA single strand.

본 발명의 일 양태에서, 검출을 위해 필요한 탐침 DNA 단일가닥은 또는 표적 DNA 단일가닥의 양은 100 ㎕ 이하일 수 있다.In one aspect of the invention, the amount of probe DNA single strand or target DNA single strand required for detection may be less than or equal to 100 μl.

본 발명의 일 양태에서, 상기 금속 나노입자는 금(Au) 나노입자일 수 있으며, 이 경우 금 나노입자의 크기는 100 ㎚이하인 것일 수 있다. 금 나노입자의 크기가 100 nm를 초과하는 경우 나노입자 특성이 소멸되어 생리활성물질이 결합된 입자를 제조하는 것이 불가능해질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal nanoparticles may be gold (Au) nanoparticles, and in this case, the size of the gold nanoparticles may be 100 nm or less. If the size of the gold nanoparticles exceeds 100 nm, the nanoparticle characteristics may disappear, making it impossible to prepare particles bound with the bioactive material.

본 발명의 일 양태에서, 상기 금속기판은 금(Au) 기판일 수 있으며, 100 ㎚이하 크기의 금 나노입자를 사용하는 경우 금(Au) 기판의 두께가 20 nm 이하일 때 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM)을 통한 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 측정을 위한 최적화 조건일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal substrate may be a gold (Au) substrate. When gold nanoparticles having a size of 100 nm or less are used, a Kelvin probe microscope (Kelvin probe force microscope (KPFM)) for the measurement of nanoparticle-DNA corona complexes.

본 발명의 일 양태에서, 상기 단계(a)에서, 금속 나노입자에 고정화되는 탐침 DNA 단일가닥은 티올(thiol)기 개질된 탐침 DNA일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in step (a), the single strand of the probe DNA immobilized on the metal nanoparticle may be a thiol-modified probe DNA.

본 발명의 일 양태에서, 상기 단계(a)에서, 탐침 DNA는 정상 BRCA1 와 상보적인 결합을 하는 것으로 BRCA1 유전자를 검지하기 위한 DNA일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the step (a), the probe DNA may be DNA for detecting the BRCA1 gene by making a complementary binding with normal BRCA1 .

본 발명의 일 양태에서, 상기 단계(a)에서 금속 나노입자에 고정화된 탐침 DNA 단일가닥을 금속 기판 상에 적가하여 탐침 DNA 단일가닥이 금속 기판 표면과 정전기 결합(electrostatic interaction)에 의해 흡수되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, a single strand of the probe DNA immobilized on the metal nanoparticles in the step (a) is dropped on a metal substrate so that a single strand of the probe DNA is absorbed by electrostatic interaction with the surface of the metal substrate .

본 발명의 일 양태에서, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 표적 DNA 단일가닥의 싱글 포인트(single point) 이상의 미스매치(mismatch)된 서열을 검출할 수 있다.In one aspect of the invention, a single point or more mismatched sequence of a single DNA strand of a target DNA can be detected using the method according to the present invention.

본 발명의 일 양태에서, 탐침 DNA와 완전하게 상보적인 표적 DNA(정상)의 혼성화에 의한 표면 전위(surface potential)는 탐침 DNA 단일가닥에 대한 표면 전위의 약 2배가 되고, 표적 DNA의 미스매치(mismatch)된 염기서열의 수가 많을수록 표면 전위(surface potential)는 감소하며, 탐침 DNA와 상보성이 전혀 없는 표적 DNA에 대한 표면 전위 값은 탐침 DNA 단일가닥에 대한 표면 전위 값과 유사하다. 즉, 표적 DNA 상에 염기서열이 정상 DNA와 일치하면 표면 전위는 탐침 DNA 단일가닥의 표면 전위의 약 2배가 되고, 표적 DNA 상에서 변이된 염기서열의 수가 많을수록 표면 전위는 작아지며, 대부분의 염기서열이 변이되었다면 탐침 DNA 단일가닥의 표면 전위와 유사할 수 있다. 여기서, 표면 전위(surface potential)는 DNA-나노입자 복합체들(nanoparticle-DNA corona complexes)의 표면전위의 평균값을 의미할 수 있다.In one aspect of the present invention, the surface potential due to hybridization of the target DNA (normal) completely complementary to the probe DNA is about twice the surface potential for the single strand of probe DNA, and the mismatch surface potential decreases with increasing number of mismatched nucleotide sequences and the surface potential value for the target DNA, which has no complementarity with the probe DNA, is similar to the surface potential value for a single strand of probe DNA. That is, when the nucleotide sequence on the target DNA matches with the normal DNA, the surface potential becomes about twice the surface potential of the single strand of the probe DNA. As the number of nucleotide sequences mutated on the target DNA increases, the surface potential becomes smaller. If this mutation is present, it may be similar to the surface potential of a single strand of probe DNA. Here, the surface potential may mean the average value of the surface potential of the DNA-nanoparticle complexes (nanoparticle-DNA corona complexes).

본 발명의 일 양태에서, 10 × 10 ㎛²의 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM) 이미지만으로 2,200개 이상의 DNA가 고정화되어 있는 각각의 나노입자 수십 개가 동일조건에서 한 번에 측정되므로 100 ㎕이하의 미량의 DNA 시료로 높은 신뢰수준의 통계적 분석을 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, several tens of nanoparticles each having more than 2,200 DNA immobilized on a Kelvin probe force microscope (KPFM) image of 10 × 10 μm ² are measured at the same conditions at a time, A high confidence level statistical analysis can be performed with a trace amount of DNA sample below ㎕.

본 발명의 일 양태에서, 상기 통계적 분석은 가우스 분포(Gaussian distribution) 등을 이용할 수 있다.In one aspect of the present invention, the statistical analysis may use a Gaussian distribution or the like.

본 발명의 일 양태에서, 측정된 표면 전위(surface potential)의 확률분포(probability distribution)로부터 산출한 이중가닥 DNA에 대한 단일가닥 DNA(탐침 DNA)의 비율이 높을수록 더 낮은 농도의 표적 DNA일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the higher the ratio of single-stranded DNA (probe DNA) to double-stranded DNA calculated from the probability distribution of the measured surface potential, the lower the concentration of target DNA have.

본 발명의 일 양태에서, 상기 DNA는 BRCA1 유전자일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the DNA may be a BRCA1 gene.

본 발명은 또한 일 양태에서, DNA 대신 RNA, 단백질, 또는 탄수화물과 같은 생체분자 간의 결합을 초고감도로 검출하는데 이용될 수 있다.The present invention can also be used, in one embodiment, to detect super-highly sensitive binding between biomolecules such as RNA, protein, or carbohydrate instead of DNA.

본 발명은 또한, 상설한 유전자 변이 유무를 검출하는 방법으로 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출함으로써, 암 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for detecting the presence or absence of a mutation in a target DNA by detecting the presence or absence of a permanent gene mutation, thereby providing information necessary for cancer diagnosis.

본 발명의 일 양태에서, 상기 암은 유방암, 자궁경부암, 자궁내막체암, 난소암, 위암, 식도암, 간암, 췌장암, 폐암, 대장암, 직장암, 결장암, 전립선암, 고환암, 방광암, 신장암, 골암, 결합조직암, 피부암, 뇌암, 갑상선암, 백혈병, 호지킨 질환, 림프종 및 다발성 골수종혈액암으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.In one aspect of the invention, the cancer is selected from the group consisting of breast cancer, cervical cancer, endometrial cancer, ovarian cancer, gastric cancer, esophageal cancer, liver cancer, pancreatic cancer, lung cancer, colon cancer, rectal cancer, colon cancer, prostate cancer, testicular cancer, , Connective tissue cancer, skin cancer, brain cancer, thyroid cancer, leukemia, Hodgkin's disease, lymphoma and multiple myeloma blood cancers.

본 발명의 일 양태에서, 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출함으로써 암 진단에 필요한 정보를 제공할 수 있는 암은 유방암일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cancer that can provide information necessary for cancer diagnosis by detecting the presence or absence of gene mutation on the target DNA may be breast cancer.

본 발명에 있어서, DNA의 미스매치(mismatch)란 유전자 상의 염기 변이 또는 부정합을 의미하고 싱글 미스매치(single mismatch)란 유전자 상의 단일 염기 변이를 의미한다.In the present invention, mismatch of DNA means base mutation or mismatch on a gene, and single mismatch means single base mutation on a gene.

본 발명에 있어서, DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 또는 DNA 코로나(corona)란 DNA 단일가닥 또는 이중가닥이 결합되어 있는 나노입자를 의미한다.
In the present invention, the term "nanoparticle-DNA corona complex" or "DNA corona" means a nanoparticle having a DNA single strand or double strand bound thereto.

이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예 등에 의해 제한되는 것은 아니다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples and the like.

[실시예] 유방암과 관련된 BRCA1 유전자의 변이 검지EXAMPLES Detection of BRCA1 gene mutations associated with breast cancer

1. 실시 재료 및 실시 방법1. Materials and methods of implementation

1.1. 금 나노입자에 탐침DNA 고정1.1. Probe DNA fixation on gold nanoparticles

1.1.1. 금(Au) 나노입자 1.1.1. Gold (Au) nanoparticles

Sigma Aldrich로부터 구입한 100 ㎚ 금(Au) 나노입자는 196.97 g/mol의 분자량으로 1 mM PBS에 안정화되어 있는 현탁액 상태이며, 1 mL당 3.45 ×109 ~ 4.22 ×109 나노입자 수로 존재한다.
100 nm gold (Au) nanoparticles from Sigma Aldrich are suspended in 1 mM PBS at a molecular weight of 196.97 g / mol and are present in a suspension of 3.45 × 10 9 to 4.22 × 10 9 nanoparticles per mL.

1.1.2. DNA 용액 1.1.2. DNA solution

하기 표 1과 같이 BRCA1 유전자에서 1개에서 5개까지 염기 변이가 있는 올리고뉴클리오티드(oligonucleotides, Bio Basic Canada, Ontario, Canada)를 표적 DNA로 인위적으로 제조하였으며, 모든 올리고뉴클리오티드는 고속 액체 크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC)에 의해 정제되었다. DNA는 동일한 양의 인산 완충액(pH 7)에 용해시켜 동일한 농도의 DNA 용액이 되게 준비하였다.Oligonucleotides (Oligonucleotides, Bio Basic Canada, Ontario, Canada) with 1 to 5 base mutations in the BRCA1 gene were artificially prepared with the target DNA as shown in Table 1 below, And purified by high performance liquid chromatography (HPLC). The DNA was dissolved in the same amount of phosphate buffer (pH 7) to prepare a DNA solution of the same concentration.

Figure pat00001
Figure pat00001

1.2.3. 탐침 DNA가 기능화된 금(Au) 나노입자1.2.3. When the probe DNA is functionalized with gold (Au) nanoparticles

금 나노입자 위에 탐침 DNA를 고정화시키기 위하여 티올기(thiol group, -HS)가 결합된 탐침 DNA(염기서열: 5’-HS-CTA CCT TTT TTT TCT G-3’) 용액 2.5 mL와 콜로이드 금 나노입자 2.5 mL를 실온에서 혼합하였다. 모든 반응물들을 혼합시키기 위하여 혼합물을 16시간 동안 약하게 볼텍싱(vortexing)한 후 인산 완충액 15 mL를 첨가하여 40 시간 이상 약하게 볼텍싱(vortexing)한 다음 반응하지 않은 반응물을 제거하기 위하여 혼합물을 원심분리(14,000 rpm, 25 min, 실온)한 후 상등액 16 mL를 적재하고 인산 완충액 1 mL를 첨가하여 탐침 DNA가 기능화된 금 나노입자를 준비하였다.
2.5 mL of a probe DNA (base sequence: 5'-HS-CTA CCT TTT TTT TCT G-3 ') with a thiol group (-HS) attached to immobilize probe DNA on gold nanoparticles, 2.5 mL of the particles were mixed at room temperature. The mixture was vortexed vigorously for 16 hours, mixed with 15 mL of phosphate buffer, vortexed mildly for at least 40 hours, and the mixture was centrifuged to remove unreacted reagents 14,000 rpm, 25 min, room temperature), 16 mL of supernatant was loaded, and 1 mL of phosphate buffer was added to prepare gold nanoparticles functionalized with probe DNA.

1.2. 탐침DNA와 표적DNA의 혼성화1.2. Hybridization of probe DNA and target DNA

동일한 농도의 표적 DNA(예: cDNA, m1DNA, m2DNA, m3DNA, m4DNA, m5DNA, 및 ncDNA) 2.5 mL와 상기 탐침 DNA가 기능화된 금 나노입자 5 mL를 혼합한 혼합물을 3시간 동안 실온에서 약하게 볼텍싱(vortexing)하여 혼성화를 유도한 후 인산 완충액 12.5 mL를 첨가하여 상기와 동일한 방법으로 원심분리하여 혼성화 되지 않은 DNA를 제거하였다.
2.5 mL of the same concentration of target DNA (for example, cDNA, m 1 DNA, m 2 DNA, m 3 DNA, m 4 DNA, m 5 DNA, and ncDNA) and 5 mL of the probe DNA-functionalized gold nanoparticles were mixed The mixture was vortexed vigorously at room temperature for 3 hours to induce hybridization, followed by addition of 12.5 mL of phosphate buffer, followed by centrifugation in the same manner as above to remove unhybridized DNA.

1.3. 금(Au) 기판에 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 반응1.3. A nanoparticle-DNA corona complex reaction was performed on a gold (Au) substrate.

1.3.1. 금(Au) 기판1.3.1. Gold (Au) substrate

실리콘 다이옥사이드 웨이퍼(silicon dioxide wafer, Silicon Technology, Tokyo, Japan)를 피라나(piranha) 용액(H2SO4 : H2O2 = 1 : 1 (v/v))으로 최소 10분 정도 실온에서 헹군 후 열증착 장비(thermal evaporator)를 이용하여 크롬과 금을 규소 기판 위에 순차적으로 증착시킨 후 10 × 10 mm2로 잘라 금/크롬/규소 기판(Au (200 Å)/ Cr (50 Å)/Si substrates)을 준비하였다.
A silicon dioxide wafer (Silicon Technology, Tokyo, Japan) was rinsed with a piranha solution (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 1: 1 (v / v)) for at least 10 minutes at room temperature Chromium and gold were sequentially deposited on a silicon substrate using a thermal evaporator and then cut into a 10 × 10 mm 2 gold / chromium / silicon substrate (Au (200 Å) / Cr (50 Å) / Si substrates.

1.3.2. 금 기판에 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 흡착1.3.2. Adsorption of nanoparticle-DNA corona complex on gold substrate

1.2.에서 탐침 DNA와 표적 DNA를 혼성화 시킨 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complexes) 100 μL를 1.3.1에서 준비한 금 기판에 떨어뜨려 1시간 동안 DNA-나노입자 복합체가 금 기판에 흡착되도록 한 다음 탈이온수(deionized water)로 헹군 후 금 기판에 흡착된 DNA-나노입자 복합체들이 서로 뭉쳐지는 것을 방지하기 위하여 질소 바람(nitrogen gun)으로 부드럽게 건조하였다.
1.2. 100 μL of nanoparticle-DNA corona complexes hybridized with probe DNA and target DNA were placed on a gold substrate prepared in 1.3.1, so that the DNA-nanoparticle complex was adsorbed onto the gold substrate for 1 hour. , Rinsed with deionized water, and gently dried with a nitrogen gun to prevent DNA-nanoparticle complexes adsorbed on the gold substrate from clumping together.

1.4. 표면 전위(surface potential) 측정1.4. Measurement of surface potential

위상(topology)과 표면 전위(surface potential)의 측정은 시판 AFM(Atomic Force Microscopy, MultimodeV, Veeco, CA, USA)을 이용해 시행되었고, 표면 전위는 모두 리프트 모드(lift mode) KPFM에서 측정되었으며, SCM-PIT 전도성 팁(conducting tips, Bruker, CA, USA)은 전압(voltage)을 제어할 수 있는 MMEFCH 팁 홀더(MMEFCH tip holder, Veeco)에 장착하여 사용되었다.
Measurements of topology and surface potential were performed using commercial AFM (Atomic Force Microscopy, Multimode V, Veeco, CA, USA) and surface potentials were measured in lift mode KPFM. -PIT conductive tips (conducting tips, Bruker, CA, USA) were mounted on a MMEFCH tip holder (Veeco) to control the voltage.

2. 실시 결과2. Conducted Results

2.1. KPFM을 이용한 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)의 성질2.1. Properties of nanoparticle-DNA corona complex using KPFM

2.1.1. KPFM을 이용한 DNA가 없는 금 나노입자, pDNA 금 나노입자, 및 p-cDNA 금 나노입자의 위상 높이 측정 결과2.1.1. Phase height measurements of DNA-free, pDNA, and p-cDNA gold nanoparticles using KPFM

DNA가 없는 금 나노입자, 탐침 DNA만 기능화 되어 있는(pDNA) 금 나노입자, 및 탐침 DNA에 상보적으로 완벽하게 결합하는 표적 DNA(cDNA)가 혼성화 되어있는(p-cDNA) 금 나노입자의 위상 높이(topological heights)는 각각 89.0 ± 7.3 nm, 107.0 ± 6.6 nm, 및 108.5 ± 8.0 nm로 측정되었다. pDNA와 p-cDNA는 DNA가 없는 금 나노입자 경우 보다 비교적 높은 위상 높이를 나타냈으며, 이는 워블링 효과(wobbling effect)에 기인한 것으로 사료된다. DNA가 결합되어 있는 금 나노입자가 그렇지 않은 금 나노입자보다 기판에 강하게 흡착되어 워블링 효과(wobbling effect)와 같은 AFM의 결함이 제거되었기 때문에 조금 더 높은 높이를 나타낸 것으로 사료된다(도 2).
(P-cDNA) gold nanoparticles hybridized with target DNA (cDNA) complementarily complementary to probe DNA, and gold nanoparticles without pDNA The topological heights were measured as 89.0 ± 7.3 nm, 107.0 ± 6.6 nm, and 108.5 ± 8.0 nm, respectively. The pDNA and p-cDNA showed relatively higher phase heights than the DNA-free gold nanoparticles, which may be due to the wobbling effect. The gold nanoparticles to which the DNA was bound were strongly adsorbed on the substrate rather than the gold nanoparticles, so that the AFM defects such as the wobbling effect were removed, resulting in a slightly higher height (FIG. 2).

2.1.2. KPFM을 이용한 pDNA 금 나노입자 및 p-cDNA 금 나노입자의 표면 전위(surface potential) 측정 결과2.1.2. Measurement of surface potential of pDNA gold nanoparticles and p-cDNA gold nanoparticles using KPFM

탐침 DNA만 기능화 되어 있는(pDNA) 금 나노입자, 및 탐침 DNA에 상보적으로 완벽하게 결합하는 표적 DNA(정상)가 혼성화 되어있는(p-cDNA) 금 나노입자의 표면 전위(surface potential)는 각각 -0.743 V, -1.455 V로 측정되었다. 이는 p-cDNA의 표면 전위가 pDNA의 표면 전위에 두 배 정도가 되는 것이므로 금 나노입자 상에 모든 탐침 DNA가 표적 DNA(정상)와 상보적으로 완벽하게 혼성화 되었다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 표면 전위 측정을 위한 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)는 DNA-DNA간 입체장해에도 불구하고 DNA의 혼성화 정도를 측정하는데 충분히 적합하다는 것을 확인하였다.
Surface potentials of (p-cDNA) gold nanoparticles hybridized with probe DNA-functionalized (pDNA) gold nanoparticles and target DNA complementarily complementary to probe DNA (normal) -0.743 V, and -1.455 V, respectively. This means that the surface potential of the p-cDNA is about two times the surface potential of the pDNA, which means that all of the probe DNAs on the gold nanoparticles are completely hybridized complementarily to the target DNA (normal). Therefore, it has been confirmed that the nanoparticle-DNA corona complex for the surface potential measurement of the present invention is sufficiently suitable for measuring the hybridization degree of DNA despite the steric hindrance between DNA-DNA.

2.2. KPFM을 이용한 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 기반의 유전자 돌연변이의 염기 변이 검지2.2. Detection of base mutation of gene mutation based on DNA-nanoparticle complex (nanoparticle-DNA corona complex) using KPFM

2.2.1. 표적 DNA의 종류에 따른 3차원(3D) 위상과 표면 전위의 이미지2.2.1. Image of three-dimensional (3D) phase and surface potential according to the type of target DNA

정상 표적 DNA(cDNA), 1개에서 5개까지의 염기서열 변이가 있는 각각의 표적 DNA(m1DNA, m2DNA ,m3DNA, m4DNA, m5DNA), 및 상보성이 전혀 없는 표적 DNA(ncDNA)와 탐침 DNA(pDNA)가 각각 혼성화된 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complexes)에 대하여 KPFM을 이용해 대기조건에서 10 μm·s-1의 스캔 속도로 3차원 위상과 표면 전위의 이미지를 얻었다(도 3).(M 1 DNA, m 2 DNA, m 3 DNA, m 4 DNA, m 5 DNA) with no more than 1 to 5 nucleotide sequence variations, and no complementary DNA-nanoparticle complexes (nanoparticle-DNA corona complexes) hybridized with target DNA (ncDNA) and probe DNA (pDNA) were hybridized with KPFM at a scanning speed of 10 μm · s -1 An image of the dislocation was obtained (Fig. 3).

그 결과, DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complexes)는 위상에서 양의 값으로 돌출된 형태인 반면 표면 전위 이미지에서는 음의 값으로 속이 빈 원추형 형태로 나타났으며 이는 상측면에서보다 하측면에서의 표면 전위 3차원 이미지에서 더 뚜렷하게 나타났다(도 3).
As a result, the DNA-nanoparticle complexes (nanoparticle-DNA corona complexes) were protruded with a positive value in the phase, while the surface potential image showed a negative conical shape with a negative value. (Fig. 3). ≪ tb >< TABLE >

2.2.2. 음성 대조군 실험: 상보성이 전혀 없는 표적 DNA(ncDNA)에 대한 표면 전위2.2.2. Negative Control Experiment: Surface potential for target DNA (ncDNA) with no complementarity

정확한 유전자 변이 분석을 위하여 음성 대조군 실험으로 상보성이 전혀 없는 표적 DNA(ncDNA)와 탐침 DNA(pDNA)가 혼성화된 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complexes)에 대하여 KPFM 분석을 실시하였다. For accurate gene mutation analysis, KPFM analysis was performed on DNA-nanoparticle complexes (nanoparticle-DNA corona complexes) hybridized with target DNA (ncDNA) and probe DNA (pDNA) without negative complement control.

그 결과, p-ncDNA에 대한 표면 전위 분포는 탐침 DNA 단일가닥만 금 나노입자에 결합되어 있는 경우(pDNA)의 표면 전위 분포와 유사하게 나타났다. 구체적으로 p-ncDNA 표면 전위의 평균은 약 0.747 V였고, pDNA 표면 전위의 평균은 약 0.743 V였다. 즉, 표적 DNA가 탐침 DNA와 상보성이 전혀 없다면 상호작용을 하지 않기 때문에 p-ncDNA에 대한 표면 전위는 pDNA에 대한 표면 전위로부터 거의 변하지 않는다는 것을 확인하였다.
As a result, the surface potential distribution of p-ncDNA was similar to that of pDNA when only a single strand of probe DNA was bound to gold nanoparticles. Specifically, the average of p-ncDNA surface potentials was about 0.747 V, and the average of pDNA surface potentials was about 0.743 V. In other words, it was confirmed that the surface potential for p-ncDNA was hardly changed from the surface potential for pDNA because the target DNA did not interact with the probe DNA at all if it had no complementarity.

2.2.3. 변이된 염기 수에 따른 표면 전위2.2.3. Surface potential according to the number of mutated bases

1개에서 5개까지의 염기 변이가 있는 각각의 표적 DNA(m1DNA, m2DNA, m3DNA, m4DNA, m5DNA)와 탐침 DNA(pDNA)가 혼성화된 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complexes)를 KPFM 분석하였다. A DNA-nanoparticle complex (hybridization) in which target DNA (m 1 DNA, m 2 DNA, m 3 DNA, m 4 DNA, m 5 DNA) and probe DNA (pDNA) hybridized with 1 to 5 base mutations (nanoparticle-DNA corona complexes) were analyzed by KPFM.

그 결과, p-cDNA, p-m1DNA, p-m2DNA, p-m3DNA, p-m4DNA, p-m5DNA, 및 p-ncDNA에 대한 표면 전위의 평균은 각각 1.455 V, 1.410 V, 1.334 V, 1.156 V, 0.912 V, 0.748 V, 0.747 V로 변이된 염기 수가 증가할수록 표면 전위는 작아지는 일관된 경향성을 나타냈다.
As a result, p-cDNA, pm 1 DNA , pm 2 DNA, pm 3 DNA, pm 4 DNA, pm 5 DNA, and the average of the surface potential of the p-ncDNA are each 1.455 V, 1.410 V, 1.334 V , 1.156 V , 0.912 V, 0.748 V, and 0.747 V, the surface potential decreased with increasing number of bases.

2.2.4. KPFM 측정에 의한 통계적 분석2.2.4. Statistical analysis by KPFM measurement

모든 종류의 표적 DNA(cDNA, m1DNA, m2DNA, m3DNA, m4DNA, m5DNA, ncDNA)와 탐침 DNA(pDNA)가 각각 혼성화된 각각의 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 30 내지 55개를 무작위로 선택하여 KPFM으로 측정한 위상 높이와 표면 전위를 히스토그램 및 히스토그램에 적합한 가우스 피팅 곡선(Gaussian fitting curve)으로 나타내고, 박스 플랏(box plot)으로 나타내어 통계적인 분석 실시하였다. All types of the target DNA (cDNA, DNA m 1, m 2 DNA, DNA m 3, m 4 DNA, DNA 5 m, ncDNA) with probe DNA (pDNA) is (nanoparticle- respective DNA- nanoparticle complexes each hybridization 30 to 55 DNA corona complexes were randomly selected, and the phase height and surface potential measured by KPFM were represented by a Gaussian fitting curve suitable for a histogram and a histogram, and a box plot was used for statistical analysis Respectively.

그 결과, p-cDNA, p-m1DNA, p-m2DNA, p-m3DNA, p-m4DNA, p-m5DNA, 및 p-ncDNA에 대한 위상 높이는 각각 107.0 ± 6.6 nm, 103.8 ± 5.3 nm, 104.4 ± 4.5 nm, 105.3 ± 6.5 nm, 105.2 ± 3.9 nm, 106.3 ± 7.7 nm, 및 103.5 ± 6.1 nm로 탐침 DNA가 어떤 표적 DNA와 상호작용을 하더라도 위상 높이에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다(도 4a).As a result, p-cDNA, pm 1 DNA , pm 2 DNA, pm 3 DNA, pm 4 DNA, pm 5 DNA, and 107.0 ± 6.6 nm, respectively to increase the phase of the p-ncDNA, 103.8 ± 5.3 nm , 104.4 ± 4.5 nm , 105.3 ± 6.5 nm, 105.2 ± 3.9 nm, 106.3 ± 7.7 nm, and 103.5 ± 6.1 nm, respectively, indicating that the probe DNA does not significantly affect the phase height regardless of the interaction with any target DNA (FIG.

반면, 표적 DNA(tDNA)와 탐침 DNA(pDNA)가 혼성화된 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)의 표면 전위는 위상 높이와 다르게 표적 DNA 상의 변이된 염기 수에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 구체적으로 살펴보면, p-cDNA, p-m1DNA, p-m2DNA, p-m3DNA, p-m4DNA, p-m5DNA, 및 p-ncDNA에 대한 표면 전위를 히스토그램에 적합한 가우스 곡선의 평균 및 표준편차로 나타낸 통계적 값은 -1.455 ± 0.026 V(p-cDNA), -1.379 ± 0.036 V(p-m1DNA), -1.334 ± 0.041 V(p-m2DNA), -1.156 ± 0.044 V(p-m3DNA), -0.912 ± 0.055 V(p-m4DNA), -0.748 ± 0.034 V(p-m5DNA), 및 -0.747 ± 0.041 V(p-ncDNA)로 나타나 표적 DNA 상에 변이된 염기 수가 증가할수록 표면 전위의 절대값이 작아진다는 것을 확인하였다(도 4b).
On the other hand, the surface potential of the nanoparticle-DNA corona complex hybridized with the target DNA (tDNA) and probe DNA (pDNA) was found to be highly dependent on the number of mutated bases on the target DNA. Specifically looking in, represented by p-cDNA, pm 1 DNA, pm 2 DNA, pm 3 DNA, pm 4 DNA, pm 5 DNA, and the mean and standard deviation of a suitable Gaussian curve the surface potential in the histogram for the p-ncDNA statistical The values were -1.455 0.026 V (p-cDNA), -1.379 0.036 V (pm 1 DNA), -1.334 0.041 V (pm 2 DNA), -1.156 0.044 V (pm 3 DNA), -0.912 0.055 V (pm 4 DNA), -0.748 ± 0.034 V (pm 5 DNA), and -0.747 ± 0.041 V (p-ncDNA), indicating that the absolute value of the surface potential decreases as the number of bases displaced on the target DNA increases (Fig. 4B).

2.2.5. 박스플롯(box plot)과 t검정(t-test)를 통한 변이된 염기서열 수의 차이가 1개인 두 집단 간의 구분에 대한 유의성 확인2.2.5. The significance of the distinction between the two groups with a difference of 1 in the number of mutated nucleotides through box plot and t-test

본 발명에 따른 표면 전위 데이터를 통해 변이된 염기의 수가 1개 차이인 두 집단 간의 구분이 가능한지 확인하기 위하여 상기 측정한 표면 전위 데이터를 이용해 박스플롯(box plot)과 t검정(t-test)을 실시하였다.The surface potential data according to the present invention was used to perform box plot and t-test using the measured surface potential data in order to confirm whether the two groups having a difference of one base can be distinguished through the surface potential data Respectively.

그 결과, 박스플롯에서 표적 DNA의 종류에 따른 표면 전위에 대한 중앙값(median)은 모두 서로 명확하게 구분되는 차이를 나타냈으므로 변이된 염기의 수 차이가 1개인 모든 두 집단 간의 구분은 용이하게 이루어진다는 것을 박스플롯을 통해 확인하였다(도 4d).As a result, since the median of the surface potentials according to the type of target DNA in the box plot showed a clear distinction from each other, it is easy to distinguish all two groups in which the number of mutated bases is 1 (Fig. 4D).

또한, t검정에서 변이된 염기의 수 차이가 1개인 모든 두 집단 간 표면 전위의 평균에 대한 유의확률(P-value)이 모두 5% 보다 작게 나타났으므로 변이된 염기 수 차이가 1개인 모든 두 집단 간 표면 전위의 평균은 유의적으로 차이가 있다는 것을 t검정을 통해 확인하였다(도 4d). In addition, the significance (P-value) of the mean surface potential between all two groups with a single base difference of 1 in the t-test was less than 5% The t-test confirmed that there was a significant difference between the mean values of the group surface potentials (Fig. 4d).

따라서 박스플롯(box plot)과 t검정(t-test)를 통해서 본 발명에 따른 표면 전위 데이터를 통해 변이된 염기 수가 1개 차이인 두 집단 간의 구분이 가능하다는 것이 확인되었으며, 이는 본 발명에 따른 표적 DNA(tDNA)와 탐침 DNA(pDNA)가 혼성화된 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)에 대한 표면 전위 측정이 특정 유전자에서 단 1개의 염기 수준의 변이도 구별하게 할 수 있을 뿐만 아니라 염기서열의 단일 및/또는 다중 간의 변이를 정확하게 구별하게 할 수 있다는 것을 입증한다.
Therefore, it has been confirmed through the box plot and the t-test that it is possible to distinguish between two groups in which the number of bases shifted through the surface potential data according to the present invention is one difference, Surface potential measurements on nanoparticle-DNA corona complexes in which target DNA (tDNA) and probe DNA (pDNA) are hybridized can be used to distinguish only one base level mutation from a specific gene, It is possible to accurately distinguish between single and / or multiple mutations of the sequence.

2.2.6. 표적 DNA의 농도에 따른 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)의 표면 전위 분포2.2.6. The surface potential distribution of the DNA-nanoparticle complex (nanoparticle-DNA corona complex) according to the target DNA concentration

본 발명의 검지 방법에 대한 또 다른 평가를 위하여 768 pM, 7.68 nM, 및 76.8 nM의 서로 다른 3개의 농도로 각각 표적 DNA가 탐침 DNA와 완벽한 상보적인 결합을 하는 정상 표적 DNA(cDNA), 단일 염기서열이 변이된 표적 DNA(m1DNA), 및 상보성이 전혀 없는 표적 DNA(ncDNA) 경우에 대하여 본 발명의 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 기반의 KPFM을 통한 검지를 실시하였다.For further evaluation of the detection method of the present invention, three different concentrations of 768 pM, 7.68 nM, and 76.8 nM were used as the target DNA (cDNA), single base Detection was carried out using a DNA-nanoparticle complex (nanoparticle-DNA corona complex) -based KPFM of the present invention in the case of the target DNA (m 1 DNA) having mutated sequence and the target DNA (ncDNA) having no complementarity.

그 결과, 표적 DNA(cDNA 또는 m1DNA)가 낮은 농도(7.68 nM and 768 pM)로 탐침 DNA(pDNA)와 혼성화된 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)에 대한 표면 전위의 분포는 두 개의 서로 다른 상태로 나타난 반면 표적 DNA가 충분한 농도(76.8 nM)로 혼성화된 경우에서는 하나의 가우스 피크(Gaussian peak)로 나타났으며, 상보성이 전혀 없는 표적 DNA(ncDNA) 경우는 농도에 관계없이 감지할만한 표면 전위 변화가 없었다(도 5). 이는 혼성화 되는 표적 DNA가 충분한 농도로 존재하지 않으면 DNA-나노입자 복합체에 DNA가 단일가닥과 이중가닥의 두 가지 상태로 존재한다는 것을 의미한다.As a result, the distribution of surface potentials for DNA-nanoparticle-DNA corona complexes hybridized with probe DNA (pDNA) at low concentrations (7.68 nM and 768 pM) of target DNA (cDNA or m1 DNA) In contrast, when the target DNA was hybridized to a sufficient concentration (76.8 nM), it showed a Gaussian peak. In the case of the target DNA (ncDNA) having no complementarity, There was no change in surface potential (Fig. 5). This means that if the target DNA to be hybridized is not present at a sufficient concentration, DNA is present in the DNA-nanoparticle complex in two states, a single strand and a double strand.

한편, 표면 전위 분포에서 단일가닥 DNA과 이중가닥 DNA 대한 분포 사이에 중간 상태의 표면 전위 분포는 없었다. 이는 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex) 상에서의 혼성화가 무작위로 일어나지만 케스케이드(cascade) 방식으로 일어난다는 것으로 DNA 혼성화의 개시가 DNA 분자의 입체구조적 변화에 기인한 DNA 분자 간 입체 장해(steric hinderance)를 낮춰주기 때문이며, 결과적으로 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)는 표적 DNA가 전부 혼성화 되거나 전부 혼성화 되지 않은 조건하에서 반응이 일어나는 양자택일 혼성 모델(all or nothing hybridization model)로 반응이 일어난다는 것을 확인하였다.On the other hand, there was no intermediate surface potential distribution between single-stranded DNA and double-stranded DNA distribution in the surface potential distribution. This is because the hybridization on the nanoparticle-DNA corona complex takes place randomly but occurs in a cascade manner, and the onset of DNA hybridization is caused by the conformational change of the DNA molecule, steric hinderance. As a result, the nanoparticle-DNA corona complex is an all or nothing hybridization model in which the target DNA is fully or completely hybridized. It was confirmed that the reaction occurred.

또한, 표적 DNA의 종류(cDNA 및 m1DNA) 또는 농도에 따라 표면 전위에 대한 분포들 간의 미세한 크기적 차이가 있는 것으로 나타났다. 표적 DNA의 종류(cDNA 및 m1DNA)에 따른 차이는 표면 전위의 수치 차이에 대한 것으로 완벽한 상보적인 혼성화를 이루는 표적 DNA(cDNA) 보다 단일 염기서열 변이를 갖는 표적 DNA(m1DNA) 대한 분포가 낮은 값의 표면 전위를 나타냈다. 이는 상설한 바와 같이 완벽한 상보적인 혼성화를 이루는 표적 DNA(cDNA)보다 단일 염기서열 변이를 갖는 표적 DNA(m1DNA)의 탐침 DNA에 대한 결합 친화도가 낮기 때문에 탐침 DNA와 단일 염기서열 변이를 갖는 표적 DNA(m1DNA) 간의 상호작용이 더 약해서 표면 전위가 작아지는 것에 기인한다.In addition, there was a small size difference between the distributions of surface potentials depending on the type of target DNA (cDNA and m 1 DNA) or concentration. The difference according to the type of target DNA (cDNA and m 1 DNA) is the numerical difference of the surface potential. The distribution of the target DNA (m 1 DNA) having a single base sequence mutation than the target DNA (cDNA) Showed a low surface potential. This is because the binding affinity of the target DNA (m 1 DNA) having a single base sequence mutation to the probe DNA is lower than that of the target DNA (cDNA) which makes perfect complementary hybridization as described above, The interaction between the target DNA (m 1 DNA) is weaker and the surface potential becomes smaller.

표적 DNA의 농도에 따른 차이를 수치화하기 위하여 이중가닥 DNA에 대한 단일가닥 DNA의 비율을 확률 분포의 비율 표로 나타내었다(도 5j-i). In order to quantify the difference depending on the concentration of the target DNA, the ratio of the single strand DNA to the double strand DNA is shown by a ratio table of the probability distribution (Fig. 5j-i).

그 결과, 이중가닥 DNA에 대한 단일가닥 DNA의 비율은 탐침 DNA의 농도가 감소할수록 증가하는 것으로 나타났다.As a result, the ratio of single-stranded DNA to double-stranded DNA increased as the concentration of probe DNA decreased.

따라서 본 발명에 따른 검지 방법은 탐침 DNA와 혼성화되는 표적 DNA 상에 변이된 염기 수가 증가할수록 표면 전위의 절대값이 작아진다는 것을 통해 유전자 상에서 변이된 염기 수를 명확하게 파악할 수 있게 할 뿐만 아니라 표적 DNA의 농도에 따라 나타나는 이중가닥 DNA에 대한 단일가닥 DNA의 비율을 통해 표적 DNA의 농도를 추측할 수 있게 한다는 것을 확인하였다.
Therefore, in the detection method according to the present invention, as the number of mutated bases on the target DNA hybridized with the probe DNA decreases, the absolute value of the surface potential becomes smaller, thereby making it possible to clearly grasp the number of bases mutated on the gene, It was confirmed that the concentration of target DNA can be estimated through the ratio of single stranded DNA to double stranded DNA depending on the concentration of DNA.

3. 결론3. Conclusion

상기 실시예를 통해 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)와 켈빈 프루브 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM) 결합은 동일 유전자상에서 하나에서 5개까지의 염기 변이를 정확히 식별할 수 있게 하는 매우 유용한 기술이라는 것을 확인하였다. 탐침 DNA가 고정되어 있는 나노입자를 표적 DNA를 검지하기 위한 나노스케일의 플랫폼으로 이용하였다. 또한 KPFM를 이용한 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)의 측정 데이터를 통해 표적 DNA의 변이된 염기 수에 따른 위상 높이는 구별할만한 변화를 나타내지 않지만 표면 전위는 당-인산 백본(backbone)에 의해 음의 전하가 되는 DNA 때문에 변이된 염기 수가 증가할수록 변함없이 감소한다는 것을 확인하였다. 따라서 DNA-나노입자 복합체의 표면 전위를 하나의 염기 수준의 변이까지 정확히 검지할 수 있게 하는 매우 유용한 실질적인 물리적 항(term)으로 이용하였다. 종래의 다른 검지 수단에 비하여 본 발명에 따른 검지방법은 간단한 준비과정으로 신속하고 재현성이 매우 높은 장점이 있을 뿐만 아니라 몇 십 개의 DNA-나노입자 복합체의 통계적 분석이 한 번의 KPFM 이미징(imaging)으로 실현되어 유전자상에 염기서열의 특정 변이에 대한 초고감도 고속 검지를 제안한다. 더 나아가 본 발명에 따른 검지방식은 질병 발현과 염기 변이 사이의 관계 조사뿐만 아니라 기존의 방법으로 검지할 수 없었던 다른 생체 분자들의 검지를 가능하게 할 수 있다.Through the above example, a DNA-nanoparticle-DNA corona complex and a Kelvin probe force microscopy (KPFM) bond can be used to accurately identify one to five base mutations on the same gene It is confirmed that it is a useful technique. Nanoparticles immobilized with probe DNA were used as a nanoscale platform for detecting target DNA. In addition, the phase height according to the number of mutated bases of the target DNA does not show any appreciable change through the measurement data of the DNA-nanoparticle complex (nanoparticle-DNA corona complex) using KPFM, but the surface potential is changed by the sugar-phosphate backbone It was confirmed that as the number of mutated bases increased due to negative charge DNA, it decreased steadily. Thus, it was used as a very useful practical physical term that allows precise detection of the surface potential of a DNA-nanoparticle complex to a single base level variation. The detection method according to the present invention is advantageous in that it is quick and reproducible in a simple preparation process and statistical analysis of several tens DNA-nanoparticle complexes is realized by one KPFM imaging And suggests ultra-high sensitivity and fast detection for specific mutations of the nucleotide sequence on the gene. Furthermore, the detection method according to the present invention can not only detect the relationship between disease expression and base mutation, but also detect other biomolecules that could not be detected by conventional methods.

Claims (15)

(a) 금속 나노입자에 탐침(probe)으로서 DNA(deoxyrebonucleic acid) 단일가닥을 고정화시키는 단계;
(b) 표적 DNA 단일가닥을 처리하여 탐침 DNA 단일가닥과 표적 DNA 단일가닥의 결합을 유도하는 혼성화 단계;
(c) 혼성화 단계를 거쳐 이중가닥이 고정화되어 있는 DNA-나노입자 복합체(nanoparticle-DNA corona complex)를 금속 기판에 반응시키는 단계; 및
(d) 켈빈 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscope, KPFM)을 이용하여 표면 전위(surface potential)를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 측정된 표면 전위(surface potential)를 동일한 방식으로 측정한 정상 DNA 또는 상기 측정한 표적 DNA와 상이한 수의 염기 변이를 갖는 표적 DNA에 대한 표면 전위(surface potential)와 비교하여, 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
(a) immobilizing a single strand of DNA (deoxyrebonucleic acid) as a probe in metal nanoparticles;
(b) a hybridization step of treating a single strand of the target DNA to induce a single strand of the probe DNA and a single strand of the target DNA;
(c) reacting a nanoparticle-DNA corona complex with a double strand immobilized on a metal substrate through a hybridization step; And
(d) measuring the surface potential using a Kelvin probe force microscope (KPFM)
The surface potential of the target DNA is compared with the normal DNA measured in the same manner or the surface potential of the target DNA having a different number of base mutations from the measured target DNA, / RTI >
제1항에 있어서,
상기 탐침 DNA 단일가닥은 정상 DNA 단일가닥과 상보적으로 결합하는 단일가닥인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the probe DNA single strand is a single strand that binds complementarily to a normal DNA single strand.
제1항에 있어서,
검출을 위해 필요한 탐침 DNA 단일가닥은 또는 표적 DNA 단일가닥의 양은 100 ㎕ 이하인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the amount of probe DNA single strand or target DNA single strand required for detection is not more than 100 占 퐇.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 금(Au) 나노입자인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal nanoparticles are gold (Au) nanoparticles.
제4항에 있어서,
상기 금(Au) 나노입자는 90 내지 100 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이를 검출하는 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the gold (Au) nanoparticles have a particle size of 90 to 100 nm or less.
제1항에 있어서,
상기 금속기판은 금(Au) 기판인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal substrate is a gold (Au) substrate.
제6항에 있어서,
상기 금(Au) 기판은 두께가 18 내지 20 nm 이하인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the gold (Au) substrate has a thickness of 18 to 20 nm or less.
상기 단계(a)에서, 금속 나노입자에 고정화되는 탐침 DNA 단일가닥은 티올(thiol)기 개질된 탐침 DNA인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
Wherein the single strand of the probe DNA immobilized on the metal nanoparticle in the step (a) is a thiol-modified probe DNA.
제1항에 있어서,
상기 단계(a)에서, 금속 나노입자에 고정화된 탐침 DNA 단일가닥을 금속 기판 상에 적가하여 탐침 DNA 단일가닥이 금속 기판 표면과 정전기 결합(electrostatic interaction)에 의해 흡수되는 것을 특징으로 하는, 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that in step (a), a single strand of probe DNA immobilized on the metal nanoparticle is dropped on a metal substrate and the single strand of probe DNA is absorbed by electrostatic interaction with the surface of the metal substrate. A method for detecting the presence or absence of an upper gene mutation.
제1항에 있어서,
표적 DNA 단일가닥의 싱글 포인트(single point) 이상의 미스매치(mismatch)된 서열을 검출하는 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
And detecting a mismatch of a single point or more of a single strand of the target DNA.
제1항에 있어서,
미스매치(mismatch)된 염기서열의 수가 많을수록 표면 전위(surface potential)는 감소하는 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the surface potential is decreased as the number of mismatched base sequences increases.
제1항에 있어서,
측정된 표면 전위(surface potential)의 확률분포(probability distribution)로부터 산출한 이중가닥 DNA에 대한 단일가닥 DNA(탐침 DNA)의 비율이 높을수록 더 낮은 농도의 표적 DNA인 것을 특징으로 하는 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출하는 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the higher the ratio of single-stranded DNA (probe DNA) to the double-stranded DNA calculated from the probability distribution of the measured surface potential is the lower concentration of the target DNA, A method for detecting the presence or absence of a mutation.
제1항에 따른 방법으로 표적 DNA상 유전자 변이 유무를 검출함으로써, 암 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법.
A method for providing information necessary for cancer diagnosis by detecting the presence or absence of gene mutation on a target DNA by the method according to claim 1.
제13항에 있어서,
상기 암은 유방암, 자궁경부암, 자궁내막체암, 난소암, 위암, 식도암, 간암, 췌장암, 폐암, 대장암, 직장암, 결장암, 전립선암, 고환암, 방광암, 신장암, 골암, 결합조직암, 피부암, 뇌암, 갑상선암, 백혈병, 호지킨 질환, 림프종 및 다발성 골수종혈액암으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 암 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein said cancer is selected from the group consisting of breast cancer, cervical cancer, endometrial cancer, ovarian cancer, gastric cancer, esophageal cancer, liver cancer, pancreatic cancer, lung cancer, colon cancer, rectal cancer, colon cancer, prostate cancer, testicular cancer, bladder cancer, Wherein the cancer is selected from the group consisting of brain cancer, thyroid cancer, leukemia, Hodgkin's disease, lymphoma and multiple myeloma blood cancers.
제13항에 있어서,
상기 암은 유방암인 것을 특징으로 하는, 암 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the cancer is breast cancer.
KR1020150028447A 2015-02-27 2015-02-27 High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy KR101731615B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150028447A KR101731615B1 (en) 2015-02-27 2015-02-27 High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150028447A KR101731615B1 (en) 2015-02-27 2015-02-27 High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160105139A true KR20160105139A (en) 2016-09-06
KR101731615B1 KR101731615B1 (en) 2017-04-28

Family

ID=56946028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150028447A KR101731615B1 (en) 2015-02-27 2015-02-27 High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101731615B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106841687A (en) * 2017-02-21 2017-06-13 哈尔滨工业大学 The method that multi-parameter synchro measure is carried out using Kelvin probe force microscopy

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060089825A (en) 2005-02-04 2006-08-09 삼성전자주식회사 Transferring-arm for lcd panel manufacturing apparatus and apparatus for manufacturing lcd panel using the same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2309412A1 (en) 2000-05-24 2001-11-24 Michael Thompson Scanning of biochemical microassays by kelvin microprobe

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060089825A (en) 2005-02-04 2006-08-09 삼성전자주식회사 Transferring-arm for lcd panel manufacturing apparatus and apparatus for manufacturing lcd panel using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mun, H. Y. & Park H. G. (2009). Gold Nanoparticle-Based Label-Free Detection of BRCA1 Mutations Utilizing DNA Ligation on DNA Microarray, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.9, 1019 - 1024.
Sinensky, A. K. & Belcher, A. M. (2007). Label-free and high-resolution protein/DNA nanoarray analysis using Kelvin probe force microscopy, Nature Nanotechnology 2, 653 - 659.

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106841687A (en) * 2017-02-21 2017-06-13 哈尔滨工业大学 The method that multi-parameter synchro measure is carried out using Kelvin probe force microscopy
CN106841687B (en) * 2017-02-21 2019-04-26 哈尔滨工业大学 The method that multi-parameter synchro measure is carried out using Kelvin probe force microscopy

Also Published As

Publication number Publication date
KR101731615B1 (en) 2017-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bellassai et al. Surface plasmon resonance for biomarker detection: advances in non-invasive cancer diagnosis
Paleček et al. Electrochemistry of nucleic acids and development of DNA sensors
JP6404714B2 (en) Multivariate diagnostic assay and method for using the same
US8283936B2 (en) Nano-scale biosensors
US20100203516A1 (en) Detecting analytes using both an optical and an electrical measurement method
WO2011069997A2 (en) Detecting analytes
WO2005078137A1 (en) Methods and apparati using single polymer analysis
WO2007059514A2 (en) Sers-based methods for detection of bioagents
WO2005108612A2 (en) Nanoscale biosensor device, system and technique
Lu et al. Voltammetric determination of the Alzheimer’s disease-related ApoE 4 gene from unamplified genomic DNA extracts by ferrocene-capped gold nanoparticles
KR102066148B1 (en) Nanoplasmonic biosensor and method for detecting the onset marker of disease in blood using the same
US20220136993A1 (en) Single molecule nanoparticle nanowire for molecular electronic sensing
KR101742211B1 (en) Method and apparatus for ultrasensitive quantification of microrna
KR101731615B1 (en) High-throughput detection method for single-to-multiple nucleotide mutations based on nanoparticle-DNA corona complex via Kelvin probe force microscopy
US10544458B2 (en) Device and method for detecting target molecules
WO2018129226A1 (en) System, method, computer-accessible medium and apparatus for dna mapping
Diessel et al. Online resistance monitoring during autometallographic enhancement of colloidal Au labels for DNA analysis
WO2017123857A1 (en) Single-particle bridge assay for amplification-free electrical detection of ultralow-concentration biomolecules and non-biological molecules
CN107735498A (en) System for detecting simultaneously quantitative nucleic acid
US20220252542A1 (en) Single molecule nanoparticle nanowire for molecular electronic sensing
JP4706074B2 (en) Tripod-type functional interface molecules for immobilization of biomolecules and gene detection devices using them
KR101731611B1 (en) Method for nanoparticle based highly sensitive multiple detection of gene mutation using Kelvin Probe Force Microscopy
JP4477936B2 (en) Nucleic acid detection method
WO2018056744A1 (en) Nanoplasmonic biosensor and method for detecting disease marker by using same
KR101731613B1 (en) Detection of Gene Mutation by nanoparticle-DNA corona complex and Au or Si substrate via Kelvin Probe Force Microscopy

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
GRNT Written decision to grant