KR20170127746A - 생체 분자 기반 정보 저장 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 분자 가닥 혼성화 및 가닥 치환을 이용한 에러 수정이 가능한 생체분자 기반 정보 저장 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 데이터 이진화, 생체 분자 혼성화 및 가닥 치환을 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법, 조성물, 키트 및 시스템을 이용하면, 짧은 가닥과 형광 신호 스위치를 이용한 단순하고 경제적인 방법으로 원하는 정보를 효과적으로 저장할 수 있을 뿐만 아니라 가닥 치환을 통한 에러의 수정이 가능하므로, 많은 양의 정보, 데이터를 효과적으로 저장할 수 있는 장점이 있다.

Description

생체 분자 기반 정보 저장 방법 및 시스템 {Method and system based on biomolecule for data storage}

본 발명은 생체 분자 가닥 혼성화 및 가닥 치환을 이용한 에러 수정이 가능한 생체분자 기반 정보 저장 방법 및 시스템에 관한 것이다.

기존 정보 저장 매체가 직면한 데이터 저장밀도 한계를 해결 가능한 대체 기술로서 DNA 염기서열이 초대용량 정보의 장기 보존 가능한 스토리지 매체로 거론되었고, 최근 DNA 구조로 초대용량 데이터를 저장하는 새로운 기술의 가능성을 발견하였다. DNA는 잘 알려져 있듯이, 생물체의 가장 작은 단위인 세포 안에 들어있으며, 모든 유전정보를 담고 있다. DNA가 가지고 있는 정보에 따라 마치 모든 생물체는 프로그램 되어있는 대로 움직인다. 인간의 경우, 1개의 단일 세포에 들어있는 DNA는 30억쌍의 염기 서열로 구성되어 있고, 이를 모두 해독한 유전정보의 크기를 환산한다면 약 1TB정도의 용량이다. 그리고 1개의 단일세포에는 폭이 2nm, 길이가 3m나 되는 두 가닥의 DNA가 들어있다. 따라서 이론적으로 EB(1018)이상 저장할 수 있는 차세대 바이오스토리지인 DNA는 초집약적으로 정보를 저장하기위한 바이오소재로서 매우 적합하다. 저장 수명도 1,000년 이상이며, 저비용으로 저장이 용이할 것으로 보인다.

DNA 분자를 이용하는 암호화 및 이의 해독과 관련한 연구가 1960년대부터 진행되으며, DNA 컴퓨팅에 유용한 도구로 사용되기 위하여 DNA 증폭, 저장 및 증폭에 대한 다양한 기술들이 연구되었다. 기존의 디지털 저장 장치를 대체하기 위한 수단의 탐색으로 태생적으로 정보 저장수단이며, 쉬운 저장 조건 및 고밀도 저장용량을 갖는 DNA 가 관심대상으로 부상하였다. 최근까지도 이와 같은 DNA를 이용한 정보저장과 관련한 DNA 컴퓨팅 기술이 연구자들의 많은 흥미를 끌고 있다. 그러나, 현재 DNA기반 저장 기술의 대부분은 데이터의 랜덤 엑세스의 편의도 및 높은 에러-핸들링 효율을 제공하지 못하고 있다는 한계점을 가지고 있다. 또한 아직까지 최근의 기술조차 안정하게 장기간 동안 데이터를 보존하기 위한 정보 암호화된 DNA를 물리적으로 저장할 수 없다는 단점이 있다.

DNA-기반 암호화 스킴의 사용은 예컨대 다음과 같다: (A,C=0 및 T, G=1) 또는 거대한 데이터를 암호화하는데 사용되는 양의 뉴클레오티드를 저장하는데 유용한 base-3 (0, 1 또는 2 값을 갖는 trits-digits). 그러나 이것은 쓰기 및 읽기를 하는 동안 발생하는 에러를 피하기 위한 특별한 규칙 및 조항을 따라야 한다는 문제점이 있다. DNA 합성은 일반적으로 매 70개의 뉴클레오티드 마다 하나의 에러를 나타내는 것으로 알려져 있으므로, 거대한 가닥의 합성 및 서열분석에서 발생하는 에러를 피하기 위하여 긴 가닥의 DNA를 짧은 절편으로 쪼개는 것이 일반적인 전략으로 알려져 있다. 그러나 이러한 해결법도 데이터를 조합하기 위한 추가의 공정을 요구하고 원하지 않는 다른 에러들이 유도된다는 점에 있어서 한계점이 있다. 이러한 에러를 해결하기 위하여, 절편을 복수 셋트로 합성하거나 75%의 중첩 영역을 합성하거나 에러-수정 코드를 나타내기 위하여 여분의 코드를 추가하는 등의 방법이 시도되었으나, 이는 또한 합성에 대한 추가적인 비용의 증가를 요하게 되므로, 경제적인 측면에서 유용하지 못하다는 단점이 지적되었다. 이러한 방법의 또다른 한계는 해독 과정에서 발생하는데, 많은 양의 서열분석 과정은 고비용이 필요할 뿐만 아니라, 서열분석 후의 암호 번역 단계 또한 이러한 암호화 알고리즘에 적합한 소프트웨어의 도움을 별도로 요구한다는 점이다.

이러한 방법과 별도로, DNA 에 암호화된 정보의 장기간 무에러 저장 능력에 대한 시험이 수행된 바 있다. DNA 의 정보-관련 단편이 에러-수정 정보-암호화 스킴(error-correcting information-encoding scheme) 에 의해 실리카(유리) 상에 캡슐화되었다. 그러나 이러한 암호화 전략은 오늘날 모든 저장 장치에서 사용되는 통상적인 8-bit 이진화 코드와 비교하여 더 복잡하다는 단점이 있다.

따라서, 경제적인 방법으로 생체분자에 원하는 정보를 저장하고, 에러의 발생 빈도를 줄이거나, 에러를 적절하게 바로 잡을 수 있는 새로운 생체분자 기반 저장 장치에 대한 필요성이 있다.

본 발명자들은 경제적인 생체 분자 기반 정보 저장 방법을 연구하던 중, 생체 분자 가닥의 혼성화 및 가닥 치환을 이용하는 경우, 저비용으로 데이터의 암호화가 가능하며 특히 가닥 치환을 이용한 재쓰기가 가능하여 데이터의 에러도 효과적으로 바로잡을 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명은 데이터 이진화, 생체 분자 혼성화 및 가닥 치환을 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법, 조성물, 키트 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 1) 데이터를 이진화 하여 이진화된 정보를 생성하는 단계; 2) 기판상에 고정된 프로브에 이진화된 정보에 따라 표적 가닥을 첨가하여 혼성화를 유도하는 단계; 3) 혼성화에 의한 형광 신호를 확인하는 단계; 를 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 프로브가 고정된 기판, 프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 프로브가 고정된 기판, 프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 키트를 제공한다.

또한 본 발명은 프로브가 고정된 기판, 프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 시스템을 제공한다.

본 발명의 데이터 이진화, 생체 분자 혼성화 및 가닥 치환을 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법, 조성물, 키트 및 시스템을 이용하면, 짧은 가닥과 형광 신호 스위치를 이용한 단순하고 경제적인 방법으로 원하는 정보를 효과적으로 저장할 수 있을 뿐만 아니라 가닥 치환을 통한 에러의 수정이 가능하므로, 많은 양의 정보, 데이터를 효과적으로 저장할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 생체 분자 기반 정보 저장 방법의 프로토콜을 예시적으로 간략하게 나타낸 도이다.
도 2는 “KRIBB” 데이터를 암호화하는 본 발명에 따른 생체 분자 기반 정보 저장의 실험예를 도식화한 도이다.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 “KRIBB” 데이터를 암호화하고, 이를 형광 신호를 통해 확인한 결과를 확인한 도이다.
도 4는 DNA 가닥 치환 및 혼성화를 이용한 에러 수정 및 데이터 재쓰기에 관한 컨셉을 도식화한 도이다.
도 5는 Sybr Green I을 이용한 생체 분자 기반 정보 저장 방법을 도식화한 도이다.
도 6은 치환 가닥의 농도를 증가시키면서 첨가한 후, 측정된 형광 신호의 변화를 확인하여 가닥 치환을 통해 데이터 재쓰기의 재현성을 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 7은 Sybr Green I 을 이용한 데이터 재쓰기 반응을 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 잘못된 정보인 “KRIBT” 가 가닥치환을 통해 “KRIBB” 로 효과적으로 에러 수정되었음을 형광을 통해 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 미스매치된 수 증가에 따른 혼성화 효율을 확인한 결과를 나타낸 도이다.

본 발명은 1) 데이터를 이진화 하여 이진화된 정보를 생성하는 단계; 2) 기판상에 고정된 프로브에 이진화된 정보에 따라 표적 가닥을 첨가하여 혼성화를 유도하는 단계; 3) 혼성화에 의한 형광 신호를 확인하는 단계; 를 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법에 관한 것이다.

본 발명의 생체분자 기반 정보 저장 방법에 따르면, 짧은 가닥과 형광 신호 스위치를 이용한 단순하고 경제적인 방법으로 원하는 정보를 효과적으로 저장할 수 있을 뿐만 아니라 가닥 치환을 통한 에러의 수정이 가능하므로, 많은 양의 정보, 데이터를 효과적으로 저장할 수 있는 장점이 있다.

보다 구체적으로 상기 데이터를 이진화 하여 이진화된 정보를 생성하는 단계는 정보의 이진화를 위한 다양한 공개된 방식을 이용할 수 있으나 일반적으로 사용되는 아스키 코드(ASCII)를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는 아스키 코드를 이용하여 암호화하고자 하는 데이터인 KRIBB를 이진화하여 표현하였다.

상기 2) 기판상에 고정된 프로브에 이진화된 정보에 따라 표적 가닥을 첨가하여 혼성화를 유도하는 단계를 위하여, 혼성화를 위한 프로브는 기판상에 고정된 형태로 제작되어 준비될 수 있다. 상기 기판은 당 분야에 생체 분자를 고정하는데 사용할 수 있는 모든 재질의 기판을 제한 없이 포함할 수 있으며, 예컨대 니트로셀룰로오스, 나일론, 비드, 나노입자, 세포, 비드, 유리 중 어느 하나의 기판일 수 있다.

상기 프로브는 DNA, RNA, cDNA 등 본 발명의 목적 달성을 위해 단일가닥, 혼성화된 이중 가닥을 형성할 수 있는 다양한 생체 분자일 수 있으며, 정보 비트(bit) 에 대응되는 각각 다른 서열을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 이를 통해 각각의 프로브에 상보적인 표적 서열 첨가를 통해 특이적 혼성화가 이루어질 수 있으며, 에러 발생 가능성을 낮추어 효과적인 정보 암호화가 가능해진다.

본 발명에서 표적 가닥이란, 기판상에 고정된 프로브에 상보적으로 결합하여 혼성화될 수 있는 DNA, RNA, cDNA 등 본 발명의 목적 달성을 위해 단일가닥, 혼성화된 이중 가닥을 형성할 수 있는 다양한 생체 분자일 수 있다. 표적 가닥이 첨가되는 경우, 기판상에 고정되어 있는 프로브와 혼성화가 일어나며, 혼성화를 통해 식별가능한 형광 신호를 방출하게 된다. 첨가되는 표적 가닥의 양은 암호화되는 데이터의 양에 따라 적절하게 조절될 수 있다.

상기 3) 단계의 혼성화에 의한 형광 신호를 확인하는 단계; 는 기판상에서 형광 신호가 “ON” 됨에 따라 발생하는 형광신호를 해독하는 단계이며, 이를 통해 기판상에 정보가 암호화된 것을 확인할 수 있다. 이진화된 정보와 형광 신호사이에는 일대일 매칭이 이루어지며 “1”이 형광 신호의 “ON”으로 결정되는 경우 “0” 이 형광신호의 “OFF”로 표현되며, 반대로 “1”이 형광 신호의 “OFF”로 결정되는 경우 “0”이 형광신호의 “ON”으로 표현될 수 있다. 기판 상에 나타나는 형광 신호는 이진화된 코드로 해독이 가능하며, 이는 다시 원하는 텍스트로 쉽게 변환이 가능하다.

또한 본 발명은 상기 생체 분자 기반 정보 저장 방법에 있어서, 혼성화 이후, 치환 가닥을 첨가하여 기판 상의 혼성화 가닥을 단일 가닥으로 전환하는 단계; 를 더 포함하는 생체분자 기반 정보 저장을 제공한다.

상기 치환 가닥은 프로브 가닥과 비교하여 표적 가닥과 더 높은 결합력을 갖는 가닥인 것을 특징으로 하는 가닥이며, 에러 수정을 통해 데이터 재쓰기를 가능하게 할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 치환 가닥은 결합력의 차이에 의하여 프로브 가닥에 결합된 표적 분자를 분리하고, 분리된 표적가닥에 혼성화할 수 있는 가닥이며, 경쟁적인 혼성화를 이용한다. 이러한 과정은 “toeholds”라고 불리는 짧은 단일 가닥 도메인에서 발생하며, 분지 이동을 통해 진행된다. 치환 가닥에 의한 가닥 치환의 속도는 toehold 의 길이 및/또는 서열 변화에 의해서 조절될 수 있다. 본 발명에서 이루어지는 치환 가닥에 의한 가닥 치환은 기판 상의 혼성화 가닥을 단일 가닥으로 전환 하는 것이며, 이를 통해 잘못된 데이터 또는 에러를 수정하는 에러 수정 단계인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용된 프로브, 표적 가닥, 치환 가닥은 모두 단일 가닥, 가닥 혼성화 등을 이룰 수 있는 생체 분자 중에서 적절하게 선택될 수 있으며, 바람직하게는 DNA, RNA, 및 cDNA로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

특히 본 발명에 사용된 프로브, 표적 가닥, 치환 가닥은 긴 서열 합성 및 이의 서열 분석을 통해 유발되는 많은 비용 부담에 대한 문제를 해결하고, 가닥 합성에서 일어날 수 있는 에러 발생의 비율을 효과적으로 낮추기 위하여 5 내지 40개의 올리고뉴클레오티드 길이로 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5 내지 36개의 길이로 이루어질 수 있다. 또한 상기 프로브, 표적 가닥, 치환 가닥은 GC 함량이 40 내지 60%, 바람직하게는 50%가 되도록 랜덤하게 합성된다.

본 발명의 생체 분자 기반의 정보 저장 방법은 두가지 방법을 통해 형광 신호를 나타낼 수 있다.

먼저 표적 가닥에 형광 신호가 표지된 가닥을 이용하여 혼성화가 일어난 위치에서 발생하는 형광 신호를 확인할 수 있으며, 이후 가닥 치환에 의한 데이터 재쓰기, 에러 수정은 첨가되는 치환 가닥에 표지된 퀀처를 통해 신호가 소광되어 이루어 질 수 있다.

따라서 본 발명의 표적 가닥은 형광 표지된 서열로 이루어지며, 치환 가닥은 퀀처 표지된 서열로 이루어 질 수 있다.

상기 형광 표지된 서열은, 이에 제한되는 것은 아니나 플루오레신(fluorescein), 플루오레신 클로로트리아지닐(fluorescein chlorotriazinyl), 로다민 그린(rhodamine green), 로다민 레드(rhodamine red), 테트라메틸로다민(tetramethylrhodamine), FITC, 오레곤 그린(Oregon green), 알렉사 플루오로(Alexa Fluor), FAM, JOE, ROX, HEX, 텍사스 레드(Texas Red), TET, TRITC, TAMRA, 시아닌(Cyanine) 계열 염료 및 씨아디카르보시아닌(thiadicarbocyanine) 염료로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상으로 표지된 서열일 수 있다.

또한 상기 퀀처 표지된 서열은 답실(Dabcyl), TAMRA, Eclipse, DDQ, QSY, 블랙베리 퀸처(Blackberry Quencher), 블랙홀 퀸처(Black Hole Quencher), Qxl, 아이오와 블랙(Iowa black) FQ, 아이오와 블랙 RQ, IRDye QC-1 군으로부터 선택된 1종 이상으로 표지된 서열일 수 있다.

상기와 같은 형광 표지된 표적 가닥 및 퀀처 표지된 치환 가닥을 이용하는 경우, 표지된 서열 합성을 위한 비용이 발생할 수 있다. 따라서 보다 경제적인 방법으로 본 발명의 생체 분자 기반 저장 방법을 이용하기 위하여, 표지된 서열이 아닌 일반 서열과 형광단을 이용할 수 있다. 이 방법을 위하여, 표적 서열의 첨가와 이전에, 동시에, 이후에 형광단을 기판상에 첨가한다. 형광단은 치환 가닥, 혼성화 가닥, 프로브에 대하여 치환 가닥-혼성화 가닥-프로브 순서로 높은 결합력을 갖는 것을 특징으로 하며, 단일 가닥인 프로브와 프로브-표적 가닥 혼성화 가닥이 존재하는 경우 이중가닥인 혼성화 가닥에 결합하여 형광을 나타내고, 프로브, 혼성화 가닥, 치환 가닥이 존재하는 경우 치환 가닥에 결합하여 기판상의 형광을 제거한다.

상기 형광단은 이에 제한되는 것은 아니나, SYBR Green-1, 에티디움 브롬화물, 피코 그린, 아크리딘 오렌지, 티아졸 오렌지, YO-PRO-1, 크로모마이신 A3 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한 본 발명은 프로브가 고정된 기판, 프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 조성물, 키트 및 시스템에 관한 것이다. 명세서 상의 중복 기재에 의한 복잡성을 피하기 위하여 동일한 내용에 대한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 시스템은 생체 분자 기반 정보 저장용 시스템은 바람직하게는 미세유체칩 (microfulidics chip or lab-on-a-chip) 기반 정보 저장용 시스템일 수 있다. 상기 미세유체칩 기반 정보 저장용 시스템은 랩온어칩을 구현하여 고속, 고효율로 정보를 저장하고 분석할 수 있는 것으로 본 발명의 프로브가 고정된 기판 및 프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 시스템이다.

상기 미세유체칩은 당 분야에 공지된 방법을 이용하여 제조될 수 있다.

상기 조성물, 키트 및 시스템은 원하는 데이터를 생체 분자의 혼성화, 가닥 치환을 통해 효과적으로 암호화할 수 있도록 한다.

본 발명의 조성물, 키트 및 시스템은 상보적인 표적 가닥과 높은 결합력을 갖는 치환 가닥을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 데이터 재쓰기 및 에러 수정이 가능하다.

상기 조성물, 키트 및 시스템에 포함되는 표적 가닥은 형광 표지된 가닥이며, 이 경우 퀀처가 표지된 치환 가닥을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 조성물, 키트 및 시스템은 형광단을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 키트는 키트를 사용하기 위한 지시서를 선택적으로 포함할 수 있으며, 프로브가 고정된 기판, 프로브에 상보적인 표적 가닥은 제1구획 및 제2구획에 분리되어 포함되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예. DNA-기반 저장장치의 설계

원하는 정보를 DNA 기반한 저장장치에 저장하기 위하여, 데이터의 이진화, 형광 스위치 전략을 이용한 DNA 기반 저장장치를 설계하였다. DNA 기반 저장장치는 암호화 및 해독 단계를 포함하고, 데이터가 잘못 입력된 경우 데이터 재쓰기를 통한 수정 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 컨셉을 확인하기 위하여, 예시적으로 KRIBB라는 원하는 텍스트를 Binary conversion 표인 ASCII 에 따라 이진법 코드로 전환하였으며, 유리 슬라이드 상에서 암호화 과정을 적용하였다. 이 후, 형광 데이터 이미지를 수집하였으며, 이진화 코드를 정보로 해독하는 분석을 수행하였다. 또한 KRIBT 를 원하는 텍스트인 KRIBB 텍스트로 수정하는 데이터 에러-수정 과정을 수행하였다.

DNA 기반 저장 장치는 형광신호의 “ON” 및 “OFF”로 암호화된 데이터를 나타낼 수 있으며, 각각의 “ON” 및 “OFF”는 각각 테이터가 변환된 이진화 코드의 “0” 및 “1” 에 대응된다. “0” 은 표면 상에 고정된 상태의 기능화 단일 가닥 DNA 프로브를 의미한다. “1” 은 혼성화 또는 가닥 치환 중 하나의 단계 이후에 표면에 고정된 상태이며 결합된 이중 가닥 DNA 를 의미한다. 데이터 재쓰기는 “0” 에서 “1” 로의 DNA 혼성화 수행 및 “1” 에서 “0” 으로의 전환을 위한 DNA 가닥 치환 수행에 의해 만들어진다. 이와 같은 방법을 간략히 도 1에 나타내었다.

도 1에 나타낸 바와 같이 원하는 정보는 이진화되어 DNA 로 암호화되고 이후 이진 코드 중 ”1” 을 나타내는 신호인 형광 “ON” 및 “0”을 나타내는 신호인 “OFF”를 통해 쉽게 해독된다.

이후 실험예에서 사용되는 올리고뉴클레오티드 서열은 다음과 같다.

[표 1]

형광단 및 퀀처용으로 사용되는 치환을 위한 올리고뉴클레오티드 서열

[표 2]

텍스트 암호화를 위한 0 bit 라이브러리인 40 개의 아민화된 올리고뉴클레오티드 (36 올리고뉴클레오티드) 의 서열

[표 3]

텍스트 암호화를 위한 1 bit 라이브러리인 올리고뉴클레오티드 (26 올리고뉴클레오티드) 의 서열 (*표시부터 각 가닥의 말단까지는 표 2 유래의 동일한 스팟의 0 bit 올리고뉴클레오티드에 대한 상보적인 부분을 나타낸다)

[표 4]

데이터 재쓰기 시험을 위한 36, 38 및 39번째 상보적 올리고뉴클레오티드에 대한 치환 올리고뉴클레오티드 서열(26 뉴클레오티드).

실험예 1. KRIBB 데이터의 암호화 및 해독

1.1 암호화를 위한 프로브 고정화 및 DNA 혼성화

표 1 에 나타낸 바와 같은 총 40개의 프로브 올리고뉴클레오티드를 기능성 아민 군으로 변형시키고 알데하이드 코팅된 유리 슬라이드에 고정시키고 37도에서 1시간 동안 배양하였다. 도메인 서열은 Bioneer Corporation (Daejeon, South Korea) 에서 합성하고 HPLC 정제하였다. 유리 슬라이드는 Marienfeld Laboratory Glassware Company (Germany)로부터 구입하여 사용하였고, 글루타알데하이드 용액 및 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) 는 시그마로부터 구입하였다. 글리신 구입하여 사용하였고, saline-sodium citrate (20X SSC solution)은 Ambion으로부터, 구입하여 사용하였으며, 전기저항이 18.2 MΩ 보다 큰 초순수를 Milli-Q system (Milipore, USA)을 이용하여 수득하였으며, 이후 실험에 사용하였다.

고정화된 표면을 세척 완충액 (Buffer 1: 1X SSC, 0.1% SDS; Buffer 2: 0.1X SSC, 0.05% SDS; Buffer 3: 0.1X SSC)을 이용하여 세척하였으며 질소공기를 이용하여 건조시켰다. 그 후 150mM 의 글리신 차단 용액을 추가 1시간 동안 표면에 처리하였다. 최종적으로 상기 표면을 완충액 및 과량의 물을 이용하여 세척하였으며 조심스럽게 질소를 이용하여 건조시켰다. “0” bit 스팟에 대하여, 오직 단일 가닥 프로브 DNA 만을 적용하였다. “1” bit 스팟을 위하여, 상보적인 표적 가닥 (100 nM) 을 DNA 혼성화에 적용하였다.

이중-나선 DNA (dsDNA) 를 혼성화 완충액 내 (10 mM Tris-HCl, 50 mM NaCl, 및 1mM EDTA, pH 7.8) 에서 동일한 농도의 프로브 DNA 및 표적 DNA 의 혼합을 통해 제조하였다. 혼합물을 90℃까지 5분동안 가열하였고, 90분 동안 실온에서 냉각하였으며, 추후 사용을 위해 4℃에서 저장하였다.

이중-나선 DNA (dsDNA) 를 혼성화 완충액 내 (10 mM Tris-HCl, 50 mM NaCl, 및 1mM EDTA, pH 7.8) 에서 동일한 농도의 프로브 DNA 및 표적 DNA 의 혼합을 통해 제조하였다. 혼합물을 90℃까지 5분동안 가열하였고, 90분 동안 실온에서 냉각하였으며, 추후 사용을 위해 4℃에서 저장하였다.

모든 비-표지된 DNA를 10 mM PBS 완충액 (pH 7.4, 100 mM NaCl) 에서 일차 용해시켰다. 0.5 uM의 아민화된 프로브 DNA 용액을 글루타알데하이드 (GA) 활성화된 글라스 슬라이드상에 37℃ 에서 1시간 동안 적용시킨 후, 0.01 % (v/v) SDS 를 포함하는 2X SSC (Saline-Sodium Citrate)의 용액을 이용하여 세척하였다. 캡처 DNA로 변형된 유리슬라이드는 활성화 결합 부위를 차단하기 위하여 즉시 150 mM 글리신 용액으로 37℃에서 한시간 동안 침지하였다. 연속적으로 0.5 uM 용액 표적 DNA를 DNA 프로브와 45℃에서 두시간 혼성화하였다. 결합되지 않은 DNA 프로브를 0.01 % (v/v) SDS 를 함유하는 2X SSC 및 초과된 초정수로 세척하였다.

이와 같은 스킴을 통해 암호화된 신호는 형광으로 나타나며 DNA 칩상에 암호화된 텍스트 “KRIBB” 는 도 2와 같이 나타날 것으로 예상되었다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이 KRIBB 의 글자는 이진 코드로 암호화되고 이것은 다시 “1” 에 해당하는 신호는 형광 “ON” “0”에 해당하는 신호는 형광 “OFF” 로 표시되어 DNA 칩상에서 형광신호로 표시될 수 있다.

1.2 형광 측정을 통한, 데이터 해독

모든 형광 측정은 quartz cuvette 및 형광 스펙트로미터를 이용하여 수행하였다. 실온에서 588nm 의 여기 파장을 이용하여, 방출 스펙트럼을 595 내지 800 nm 에서 수집하였다. 여기 및 방출 슬릿의 길이는 3nm로 셋팅하였고, 스캐닝 속도는 600 nm/분으로 하였다. 607nm 에서의 형광 강도를 ROX 형광단에 대한 최적의 신호로 선택하였다. 표적 및 프로브의 DNA 복합체는 혼성 완충액 (10 mM Tris-HCl, 50 mM NaCl, 및 1 mM EDTA, pH 7.8) 내 동일한 농도의 표적 DNA 및 프로브 DNA 의 혼합에 의한 전-어닐링 처리를 필요로 한다. 상기 혼합물은 95℃ 에서 가열하고, 15 분 동안 상기 온도에서 이퀄라이징시킨 후, 천천히 2시간에 걸쳐 일정한 속도로 20℃로 냉각시켰으며, 추후 사용을 위하여 4℃에서 저장하였다. 상기와 같은 방법으로 형광 측정을 통해 암호화된 “KRIBB”를 확인한 결과를 도 3에 나타내었다. 이미지는 488nm 의 여기파장인 Axon GenePix 4200A 형광 스캐너를 통해 획득하였으며, Sybr Green I은 525nm 에서 방출하는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 표준 블루 필터((508-560 nm range)를 선택하였다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 암호화된 텍스트인 “KRIBB” 가 형광이미지로 확인되었다. 0 및 1 bit 에 대한 각각의 위치가 유리 슬라이드 상의 ON 및 OFF 형광신호를 통해 분명하게 확인되었다. 간단하게, 상기 “0” bit 는 오직 프로브 가닥만을 갖는 스팟인 반면, 상기 “1” bit는 혼성화가 발생하고, 표적 서열과 Sybr Green I (final 20X concentration) 의 혼합물이 “1” bit 스팟에 위치한 것이다. 즉 도 3의 형광은 “1” bit를 나타내며, 형광이 없는 부분은 “0” bit를 나타낸다. 이를 통해, DNA 기반 저장장치가 효과적으로 데이터를 저장하고 이를 형광신호로 해독할 수 있다는 것을 확인하였다.

실험예 2. DNA 가닥 치환을 이용한 데이터 재쓰기

정보 저장장치에 있어서, 잘못된 정보를 수정하거나 데이터를 재쓰기 할 수 있는 것은 매우 중요한 요건이므로, 이와 관련하여 실시예와 같은 데이터 재쓰기 전략을 수립하였으며, 먼저 이를 확인하기 위하여 원하는 데이터인 “KRIBB”에서 하나의 문자가 잘못된 “KRIBT”라는 용어를 실험예 1과 동일한 방법을 통해 유리 슬라이드 상에 암호화하였다.

KRIBT는 KRIBB에서 B 가 T로 저장된 에러로 이진화 코드에 따르면 36 및 38번 위치의 “1”을 “0”으로 전환해야하며, 39번 위치의 “0” 이 “1”로 전환해야 한다. 이러한 수정은 상기 두가지 위치에서 혼성화된 DNA 가닥에 DNA 치환 가닥을 주입함으로서 이중가닥을 형성하고 있었던 DNA 가닥에서 표적 DNA를 분리하는 가닥 치환으로 이루어질 수 있다. 또한 39번 위치의 올리고뉴클레오티드에 상보적 가닥 올리고뉴클레오티드를 주입하여 DNA 혼성화를 유도함으로서 이루어질 수 있다. 이와 같은 DNA 가닥 치환 및 혼성화를 이용한 에러 수정 및 데이터 재쓰기에 관한 컨셉을 도 4에 나타내었다.

2.1 Sybr Green I 을 이용한 데이터 해독

DNA를 이용한 저장 장치에 있어서 비용의 절감은 중요한 관심사이다. 따라서 긴 가닥의 DNA 합성 및 DNA 서열에 대한 고비용을 절감시키기 위해서 가장 널리 사용하는 Sybr Green I을 이용할 수 있다. 예컨대 핵산을 검출하는데 사용되는 Sybr Green I 을 사용하였으며, 이는 단일 가닥 DNA 보다 이중 가닥 DNA 에 더욱 강한 결합 친화도 및 특이성을 가지고 결합하는 것으로 알려져 있다. Sybr Green I 을 이용하기 위하여, 상기 프로브 DNA를 아민 말단으로 기능화하였으며 알데하이드 변형된 유리 표면에 고정화시켰다. Sybr Green I은 매우 낮은 농도 (20x) 로 사용이 가능하기 때문에 비용을 효과적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다. Sybr Green I 으로 표시되는 정보를 해독하기 위하여, 간단히 형광 스캐너(Axon GenePix 4200A scanner) 를 이용한다.

Sybr Green I 및 이의 형광을 이용한 데이터 암호화 및 데이터 재쓰기 과정을 도 5에 간략하게 나타내었다. 도 5 에 나타낸 바와 같이, 데이터는 이진화되고 형광 "ON"은 이진 코드 중 "1" 을 나타내고, "OFF"는 "0"을 나타낸다. "0" 을 나타내는 "OFF" 상태의 신호는 표적 DNA 의 DNA 혼성화에 의하여 이중가닥이 형성됨으로써 SybrGreen I 이 더욱 높은 친화도로 결합하게 되는 현상을 통해 "1" 신호를 나타내는 것으로 전환된다. 또한 데이터 재쓰기를 위하여 치환 DNA 서열을 첨가하는 경우 혼성화된 이중가닥에 의해 "ON" 신호는 프로브 DNA가 단일 가닥 상태로 전환됨에 의하여 치환 서열 및 표적 DNA 이중 가닥 및 Sybr Green I 분리가 이루어지고, 이를 통해 "OFF" 신호로 전환되어 "0" 을 암호화하는 것으로 해독될 수 있다.

2.2 형광단 및 퀀처

암호화 및 에러-수정 (error-correction)을 시험하기 위한 첫번째 시도로, DNA 가닥 치환을 이용하기 위하여, DNA 가닥 치환을 시험하였다. 사용된 올리고뉴클레오티드 가닥은 상기 표 1과 동일하며, 치환 가닥의 농도를 0,1 uM, 0.25 uM, 0.5 uM, 1uM, 2 uM 으로 증가시키면서 각각 0.5 uM 프로브 가닥을 함유하는 튜브로 첨가하였으며, 형광 신호의 변화를 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 형광 강도 감소와 치환 가닥 농도 증가 사이의 선형적인 연관성을 확인하였다. 치환 가닥의 농도가 프로브 가닥의 절반인 0.25 uM에 도달했을 때 형광 강도는 대조군 튜브와 비교하여 절반으로 감소하였다. 치환 가닥의 농도를 프로브 가닥의 농도와 동일한 수준인 0.5 uM까지 증가시킨 경우, 신호는 약 15배 감소한 것을 확인하였다. 1 uM 및 2 uM 의 치환 가닥을 포함하는 튜브에서는 대조군 시료 튜브인 7500au 와 비교하여 매우 낮은 신호 약 100au 및 200au 신호가 확인되었다. 이러한 결과를 통해 DNA 치환 가닥의 주입이 혼성화된 DNA 를 단일 가닥으로 치환하여 “1”에 대응하는 “ON” 신호를 “0”에 대응하는 “OFF” 신호로 효과적으로 수정할 수 있음을 확인하였다. 즉, DNA 가닥 치환을 통해 데이터 재쓰기가 가능함을 확인하였다.

2.3 Sybr Green I 형광을 이용한 데이터 재쓰기

Sybr Green I을 이용하여 데이터 재쓰기(rewriting)를 수행할 수 있는지 여부를 확인하기 위하여, 유리 슬라이드 상에서 가닥 치환 반응을 수행하였고, 여기서 표적 가닥은 치환되고 남아있는 Sybr Green I 은 세척 단계를 통해 제거된다. Sybr Green I 과 프로브 가닥은 단일 가닥 올리고뉴클레오티드이기 때문에 매우 약한 친화도를 갖는다. 프로브 가닥과 표적 가닥의 혼성화에 의해서 나타난 “ON”을 나타내는 형광반응을 치환 가닥의 첨가에 의해서 프로브 가닥으로부터 표적가닥, 치환 가닥 및 Sybr Green I의 분리가 이루어짐에 따라 유리 슬라이드 상에서 형광 신호가 사라지게 된다. 이와 같은 가닥 치환 반응의 단계 및 이에 따른 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 프로브 가닥에 표적 가닥이 첨가되어 혼성화가 일어난 2, 3 번 레인에서는 뚜렷한 형광 신호가 관찰되었으나, 치환 가닥이 첨가된 4, 5 레인에서는 치환 가닥에 의한 퀀칭이 있어나 형광 신호가 발생되지 않는 “OFF (0)” 상태가 확인되었다. 이러한 결과에 따라, Sybr Green I을 이용한 DNA 가닥 치환을 통해 데이터 재쓰기 반응이 효과적으로 수행될 수 있음을 알 수 있다.

2.4 데이터 재쓰기를 통한 KRIBT 에러 수정

데이터 재쓰기가 DNA 가닥 치환을 통해 효과적으로 수행될 수 있음을 확인하였으므로, 보다 구체적으로 “KRIBT” 를 암호화하는 형광이미지를 원하는 정확한 텍스트인 “KRIBB”를 암호화하도록 데이터 재쓰기 (에러 수정) 를 수행하였다. “KRIBT”는 “KRIBB”를 암호화해야하는 암호 코드 중 36번 및 37번 위치가 정확한 암호인 “0” 대신 “1” 로 암호화되고, 39번 위치가 “1” 대신 “0”을 나타내도록 암호화된 것에 의해 발생한다. 이러한 에러를 바로잡기 위하여, DNA 가닥 치환 및 단일가닥 상보적 올리고뉴클레오티드 주입을 실시하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타낸 바와 같이 KRIBT 를 나타낸 형광 이미지는 데이터 재쓰기를 통해 에러가 수정된 KRIBB 로 전환되었다. 36번 및 37번 위치의 에러 신호 “1”은 DNA 가닥 치환을 통해 “0”을 나타내도록 수정되었다. 또한 39번 위치의 에러 신호 “0”은 DNA 혼성화를 위한 39번째 올리고뉴클레이티드 위치에서 단일 가닥 상보적 올리고뉴클레오티드의 주입에 의해 “1” 로 수정되었다. 이러한 결과는 36, 38 및 39번째 스팟 위치에 상응하는 전환을 만들었으며, 그 결과 원하는 텍스트인 “KIRBB “가 확인되었다. 얻어진 이미지는 ASCii conversation table 의 이진법을 통해 쉽게 텍스트로 해독될 수 있다. 전환 결과는 원하는 텍스트인 “KRIBB” 로 해독되었다.

실험예 3. DNA 기반 저장장치의 특이도 확인

Sybr Green I 를 이용한 혼성화 효율의 특이도를 확인하기 위하여, 표 5에 나타낸 바와 같이 혼성화 효율 시험을 위한 미스매치된 서열을 이용하였으며, 미스매치의 수를 0 부터 6까지 증가시켰다. 미스매치 수 증가에 따른 혼성화 신호의 효율을 관찰하고 그 결과를 도 9에 나타내었다.

[표 5]

도 9 에 나타낸 바와 같이, 미스매치된 수가 증가될수록 혼성화 효율은 이에 상응하여 감소(T0>T20>T10>T40 ~ T41 > T60) 하였다. 서열의 중앙에 한 개의 미스매치만을 갖는 T10 이 가장 약한 신호 강도를 나타낸 반면, 가닥의 중앙으로부터 떨어진 위치에 2개의 미스매치를 갖는 T-20 이 T-10 보다 더 높은 혼성화 효율을 나타내었다.

Claims (20)

1) 데이터를 이진화 하여 이진화된 정보를 생성하는 단계;
2) 기판상에 고정된 프로브에 이진화된 정보에 따라 표적 가닥을 첨가하여 혼성화를 유도하는 단계;
3) 혼성화에 의한 형광 신호를 확인하는 단계;
를 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제1항에 있어서, 상기 기판상에 고정된 프로브는 정보 비트(bit) 에 대응되는 각각 다른 서열을 갖는 것을 특징으로 하는, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제1항에 있어서, 혼성화 이후, 치환 가닥을 첨가하여 기판 상의 혼성화 가닥을 단일 가닥으로 전환하는 단계; 를 더 포함하는 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제3항에 있어서, 상기 치환 가닥은 프로브 가닥과 비교하여 표적 가닥과 더 높은 결합력을 갖는 가닥인 것을 특징으로 하는, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제3항에 있어서, 상기 단일 가닥으로 전환 단계는 에러 수정 단계인, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제3항에 있어서, 상기 프로브, 표적 가닥 및 치환가닥은 DNA, RNA, 및 cDNA로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제3항에 있어서, 상기 프로브, 표적 가닥 및 치환 가닥은 5 내지 40개의 올리고뉴클레오티드로 이루어진, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제3항에 있어서, 상기 표적 가닥은 형광 표지된 서열로 이루어지며, 치환 가닥은 퀀처 표지된 서열로 이루어지는 것인, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제8항에 있어서, 상기 형광 표지된 서열은 플루오레신(fluorescein), 플루오레신 클로로트리아지닐(fluorescein chlorotriazinyl), 로다민 그린(rhodamine green), 로다민 레드(rhodamine red), 테트라메틸로다민(tetramethylrhodamine), FITC, 오레곤 그린(Oregon green), 알렉사 플루오로(Alexa Fluor), FAM, JOE, ROX, HEX, 텍사스 레드(Texas Red), TET, TRITC, TAMRA, 시아닌(Cyanine) 계열 염료 및 씨아디카르보시아닌(thiadicarbocyanine) 염료로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상으로 표지된 것인, 생체 분자 기반 정보 저장 방법.

제8항에 있어서, 상기 퀀처 표지된 서열은 답실(Dabcyl), TAMRA, Eclipse, DDQ, QSY, 블랙베리 퀸처(Blackberry Quencher), 블랙홀 퀸처(Black Hole Quencher), Qxl, 아이오와 블랙(Iowa black) FQ, 아이오와 블랙 RQ, IRDye QC-1 군으로부터 선택된 1종 이상으로 표지된 것인, 생체 분자 기반 정보 저장 방법.

제1항에 있어서, 2) 단계에서 형광단을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제11항에 있어서, 상기 형광단은 치환 가닥, 혼성화 가닥, 프로브에 대하여 치환 가닥-혼성화 가닥-프로브 순서로 높은 결합력을 갖는 것을 특징으로 하는, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

제11항에 있어서, 상기 형광단은 SYBR Green-1, 에티디움 브롬화물, 피코 그린, 아크리딘 오렌지, 티아졸 오렌지, YO-PRO-1, 크로모마이신 A3 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 생체분자 기반 정보 저장 방법.

프로브가 고정된 기판,
프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 조성물.

제14항에 있어서, 상보적인 표적 가닥과 높은 결합력을 갖는 치환 가닥을 더 포함하는, 조성물.

제14항에 있어서, 상기 표적 가닥은 형광 표지된 가닥이며, 퀀처가 표지된 치환 가닥을 더 포함하는, 조성물.

제14항에 있어서, 형광단을 더 포함하는, 조성물.

프로브가 고정된 기판,
프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 키트.

프로브가 고정된 기판,
프로브에 상보적인 표적 가닥을 포함하는 생체 분자 기반 정보 저장용 시스템.

제19항에 있어서, 상기 시스템은 미세유체칩 기반 정보 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는, 생체 분자 기반 정보 저장용 시스템.

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