KR20180063409A - PNA probe for pathogenic Escherichia coli and its use in ballast water - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a pentose nucleic acid (PNA) probe specific to shiga toxin 2 subunit B (stx2B) which is a toxin gene in Escherichia coli. The present invention further relates to a method for detecting pathogenic Escherichia coli in ballast water using the same. To this end, the PNA probe includes at least one of base sequences represented by sequence number 2, 3, and 4.

Description

선박평형수에 존재하는 병원성 대장균 검출을 위한 PNA 프로브 및 이의 용도{PNA probe for pathogenic Escherichia coli and its use in ballast water}PNA probes for the detection of pathogenic Escherichia coli in ship equilibrium and their use {PNA probe for pathogenic Escherichia coli and its use in ballast water}

본 발명은 선박평형수에 존재하는 병원성 대장균 검출을 위한 PNA 프로브 및 이의 용도에 관한 것으로, 구체적으로 병원성 대장균의 독성유전자 stx2B(shiga toxin 2 subunit B)에 특이적인 PNA 프로브를 사용하여 병원성 대장균을 검출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PNA probe for the detection of pathogenic Escherichia coli present in ballast water and its use, and more particularly, to a method for detecting pathogenic Escherichia coli by using a PNA probe specific for the toxic gene stx2B (shiga toxin 2 subunit B) .

국제해사기구(IMO, Internatinal Maritime Organization)는 해양생태계 교란의 주범으로 지적된 선박평형수 문제를 해결하기 위하여 선박평형수 기인 유해생물 이동 저감을 위한 선박평형수 관리협약을 제정하였으며, 협약 비준국이 30개국을 넘고, 비준국의 선복량이 전체의 35%를 넘으면 12개월 후 발효된다는 조건을 충족하여 2017년 9월 8일 선박평형수 관리 협약의 발효를 앞두고 있다. IMO의 D2 기준에 따르면 선박평형수 처리장치를 통과한 배출수내 대장균은 100 ml당 250 cfu 이하로 검출되어야 한다.The International Maritime Organization (IMO) has established a ship ballast water management agreement to reduce the movement of marine equilibrium water, which is the ship ballast water problem, which has been pointed out as the main cause of marine ecosystem disturbance. It is expected to come into effect 12 months after 30 countries have exceeded 35% of the total fleet capacity of the ratifying countries, and the Convention on Ballast Water Management will be in effect on September 8, 2017. According to IMO's D2 standard, E. coli in the effluent that has passed through the ballast water treatment system should be detected at less than 250 cfu per 100 ml.

한편, PNA(peptide nucleic acid)는 DNA의 생화학적 불안정성을 보완하기 위해 유기합성된 것으로, 자연계에서는 발견되지 않고 인공적으로 합성된다. PNA는 핵산분해효소에 대한 안정성이 높아 현존하는 제한효소에 의해 분해되지 않는다. 열과 산에 대한 화학적 안정성이 높아 보관이 용이하고 쉽게 분해되지 않는 장점이 있다. 중합효소연쇄반응(PCR, polymerase chain reaction) 후 만들어진 PCR 산물과 반응시킨 PNA 프로브간의 결합력 차이를 융해온도(Tm, Melting Temperature) 값으로 구분하여 분석할 수 있는데, 원하는 Tm 값을 가지는 프로브를 설계하기 위해 PNA 프로브의 길이를 조절할 수 있다. PNA는 DNA보다 결합력이 우수하여 기본적인 Tm값이 높기 때문에 DNA보다 짧은 길이로 설계가 가능하다. On the other hand, PNA (peptide nucleic acid) is an organic synthesized to complement the biochemical instability of DNA, and is artificially synthesized without being found in nature. PNA is highly stable against nucleic acid degrading enzymes and is not degraded by existing restriction enzymes. It has high chemical stability to heat and acid and is easy to store and does not easily decompose. The difference in the binding force between the PNA probes reacted with the PCR products generated after the polymerase chain reaction (PCR) can be divided into the melting temperature (Tm) and the melting temperature (Tm). The probe having the desired Tm value can be designed You can adjust the length of the PNA probe. Because PNA has better binding power than DNA and has a higher Tm value, it can be designed shorter than DNA.

이에 따라, 본원에서는 선박평형수 관리 협약의 발효를 대비하여, 검출감도 및 특이성이 우수하고 안정성이 높은 병원성 대장균 PNA 프로브를 개발하기에 이르렀다.Accordingly, the present invention has developed a pathogenic Escherichia coli PNA probe having excellent detection sensitivity and specificity and high stability in preparation for the coming into force of the ship ballast water management convention.

본 발명의 주된 목적은 병원성 대장균의 독성유전자 stx2B(shiga toxin 2 subunit B)에 특이적인 PNA 프로브 및 이를 이용한 선박평형수 내의 병원성 대장균 검출 방법을 제공하는데 있다.The main object of the present invention is to provide a PNA probe specific to the toxic gene stx2B (shiga toxin 2 subunit B) of pathogenic Escherichia coli and a method for detecting pathogenic Escherichia coli in ship equilibrium using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 2, 서열번호 3 및 서열번호 4 중 어느 하나 이상의 염기서열을 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 PNA 프로브를 제공한다. 이러한 염기서열은 선박평형수에 포함된 대장균을 검출하는데 가장 효과적이다. 본 발명자들은 선박평형수에 포함된 대장균을 검출하기 위하여, 대장균(E. coli) 중에서도 O157:H7 혈청형(serotype)을 선택하였다. 상기 O157:H7 혈청형은 다른 대장균에 비하여 병원성이 강하고, stx2B(shiga toxin 2 subunit B)를 생산하는 것으로 알려져있다. 상기 stx2B 염기서열에 상보적인 PNA 프로브를 디자인 함으로써, stx2B만을 특이적으로 증폭시킴으로써 O157:H7 혈청형의 stx2B를 검출하는 방법을 제공한다. 선박평형수는 해양오염을 막기 위해 병독성이 높은 대장균을 유무와 그 병독성 인자를 확인할 필요가 있다. 또한 지속적으로 선박평형수의 대장균 검출이 이루어져야 하는 바, 화학적·물리학적 및 생물학적 안정성이 탁월해 산업적으로 유용한 PNA를 이용하였다. 따라서, 본 발명은 선박평형수 관리협약에 의해 파생되는 산업과 연구에 유용하게 사용될 것이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a PNA probe for detecting pathogenic E. coli strains comprising a base sequence of any one of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4. This sequence is most effective in detecting E. coli contained in ship equilibrium. The present inventors selected the O157: H7 serotype from E. coli to detect E. coli contained in the equilibrium water of the ship. The O157: H7 serotype is more virulent than other E. coli strains and is known to produce stx2B (shiga toxin 2 subunit B). By designing a PNA probe complementary to the stx2B nucleotide sequence, a method for detecting stx2B of the O157: H7 serotype by specifically amplifying only stx2B is provided. In order to prevent marine pollution, it is necessary to confirm whether there is E. coli highly virulent or not and its virulence factor. In addition, E. coli must be continuously detected in the equilibrium water of the ship, and the PNA is industrially useful because of its excellent chemical, physical and biological stability. Therefore, the present invention will be usefully used in industry and research derived from Convention on Ship Ballast Water Management.

서열번호 4의 염기서열을 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 PNA 프로브가 더 바람직하다. 실제 후술하는 실험 결과, 서열번호 2 내지 4 중에서 서열번호 4가 가장 우수했다.A PNA probe for detecting equine pathogenic Escherichia coli comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 is more preferable. As a result of an experiment to be described later, SEQ ID NO: 4 was most excellent among SEQ ID NOS: 2 to 4.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 병원성 대장균은 장출혈성 대장균(EHEC, Enterohaemorrhagic E. coli), 장독소형대장균(ETEC, Enterotoxigenic E. coli), 장침입성대장균(EIEC, Enteroinvasive E. coli), 장관흡착성대장균(EAEC, Enteroaggregative E. coli) 및 장병원성대장균(EPEC, Pathogenic E. coli)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것 일수 있다. 병원성 대장균은 병독성을 획득한 대장균을 일컫으며, 발병 특성, 독소의 종류 등에 따라 상기의 EHEC, ETEC. EIEC, EAEC, EPEC로 분류될 수 있다. 장출혈성 대장균(EHEC)은 가축, 식물, 인간에서 질병을 일으키고, 유전자형간에 변질이 생기면 병독성이 더 높아진다. 이에 따라, 병독성이 높은 장출혈성 대장균(EHEC)을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 감염성이 높은 대장균은 선박평형수 관리에 취약하기 때문에, 감염성이 높은 O157:H7 혈청형이 더 바람직하다. In one embodiment of the invention, the E. coli Chapter hemorrhagic Escherichia coli (EHEC, Enterohaemorrhagic E. coli), E. coli enterotoxins small (ETEC, Enterotoxigenic E. coli), jangchim grain growth of E. coli (EIEC, Enteroinvasive E. coli), Minister May be selected from the group consisting of EAEC (Enteroaggregative E. coli ) and Pathogenic E. coli (EPEC). Pathogenic Escherichia coli refers to Escherichia coli which has acquired virulence. Depending on the onset characteristics and the type of toxin, EHEC, ETEC. EIEC, EAEC, and EPEC. Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) causes disease in livestock, plants, and humans, and mutation in genotypes leads to greater virulence. Accordingly, it is preferable to select intestinal hemorrhagic Escherichia coli (EHEC) having high virulence. In addition, since highly infectious E. coli is vulnerable to marine equilibrium water management, O157: H7 serotypes highly infectious are more preferable.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 프로브는 리포터 물질(reporter molecule) 및 소광물질(quencher molecule)을 추가로 포함하는 것일 수 있다. PNA의 어닐링(annealing) 여부를 가시화시키는 방법으로 상기 리포터 물질과 상기 소광물질을 이용할 수 있으며, 상보적인 DNA 염기서열이 있는 경우 형광신호가 나오게 된다. 여기서, 상기 리포터 물질은 FAM( 6-carboxyfluorescein), 알렉사 플루오로(Alexa Fluor), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신 클로로트리아지닐(fluorescein chlorotriazinyl), HEX(2', 4', 5', 7'-tetrachloro-6-carboxy-4,7-dichlorofluorescein), 로다민 그린(rhodamine green), 로다민 레드(rhodamine red), TRITC(tetramethyl rhodamine isothiocyanate), FITC(fluorescein isothiocyanate), 오레곤 그린(Oregon green), JOE(6-carboxy-4', 5'-dichloro-2', 7'-dimetoxyfluorescein), ROX(6-carboxy-X-rhodamine), 텍사스 레드(Texas Red), TET(2', 7'-dichloro-6-carboxy-4,7-dichlorofluorescein), TAMRA(N,N,N',N'-tetramethyl-6-carboxyrhodamine), 시아닌(Cyanine) 계열 염료 및 씨아디카르보시아닌(thiadicarbocyanine) 염료로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서, 상기 소광물질은 Dabcyl(답실), 카르복시테트라메틸로다민(TAMRA), 이클립스 딥 다크 퀸처(DDQ), QSY, 블랙베리, 퀸처(Blackberry Quencher), 블랙홀 퀸처(Black Hole Quencher), 아이오와 블랙 FQ(Iowa black FQ), 아이오와 블랙 RQ(Iowa black RQ) 및 IRDye QC-1 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 리포터 물질을 FAM로 사용하고, 소광물질로는 Dabcyl을 사용하는 것이 더 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the probe may further comprise a reporter molecule and a quencher molecule. The reporter material and the minerals may be used to visualize the annealing of the PNA, and a fluorescence signal may be generated when there is a complementary DNA sequence. Wherein the reporter material is selected from the group consisting of FAM (6-carboxyfluorescein), Alexa Fluor, fluorescein, fluorescein chlorotriazinyl, HEX (2 ', 4', 5 ' Rhodamine green, rhodamine red, TRITC (tetramethyl rhodamine isothiocyanate), FITC (fluorescein isothiocyanate), Oregon green (Oregon green) ), JOE (6-carboxy-4 ', 5'-dichloro-2', 7'-dimethoxyfluorescein), ROX (6-carboxy-X- rhodamine), Texas Red, TET (N, N, N ', N'-tetramethyl-6-carboxyrhodamine), cyanine dyes and thiadicarbocyanine dyes At least one selected from the group consisting of, but not limited to. The minerals may be selected from the group consisting of Dabcyl, TAMRA, Eclipse Deep Dark Quencher, QSY, Blackberry, Blackberry Quencher, Black Hole Quencher, Iowa Black FQ , Iowa black FQ, Iowa black RQ, and IRDye QC-1. In an embodiment of the present invention, it is more preferred to use the reporter material as FAM and the small mineral material as Dabcyl.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 프로브는 독성유전자 stx2B에 특이적인 것일 수 있다. EHEC 대장균 중에서도 O157:H7 혈청형 대장균은 stx1과 stx2 독성유전자를 생성하는 병원성이 강한 대장균이며, stx2가 stx1보다 독성이 높다는 연구가 진행된 바 있다. stx2는 인간 세포포면에 결합한 후, 수용체 매개성 세포내 유입에 의하여 세포내로 침입이 가능하기 때문에 인간에게 매우 유해하다. 따라서, 본 발명에서 stx2B 에 특이적인 프로브를 개발하게 되었다.In one embodiment of the present invention, the probe may be specific to the toxic gene stx2B. Among the EHEC Escherichia coli, O157: H7 serotype E. coli is a highly pathogenic Escherichia coli producing stx1 and stx2 toxic genes, and studies have shown that stx2 is more toxic than stx1. stx2 is highly deleterious to humans since it binds to the human cell surface and is then able to enter the cell by receptor-mediated intracellular entry. Therefore, the present invention has developed a probe specific to stx2B.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 stx2B의 검출한계는 10-3 내지 101 cfu/㎕ 농도인 것일 수 있다. 바람직하게는, 10-3 cfu/㎕ 농도인 것일 수 있다. 선박평형수 관리협약에 따르면, 배출수 내 대장균은 100 ml당 250 cfu 이하로 검출되어야 한다. 상기 검출한계는 이를 커버할 수 있는 범위이며, 검출감도가 높다.In one embodiment of the present invention, the detection limit of stx2B may be 10 < -3 > to 10 < 1 > cfu / Preferably, it may be 10 < -3 > cfu / mu l concentration. According to the Convention on Ballast Water Management, E. coli in effluent should be detected at 250 cfu or less per 100 ml. The detection limit is a range capable of covering the detection limit, and the detection sensitivity is high.

또한, 본 발명은 (a) 대상 시료에서 DNA를 분리하는 단계; (b) 상기 분리된 DNA를 주형으로 PCR을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계; (c) 상기 PCR 증폭 산물에 상기에 따른 PNA 프로브를 가하여 real-time PCR을 시키는 단계; (d) 온도를 변화시키면서 상기 real-time PCR에 의해 증폭된 증폭산물을 융해시켜 융해곡선을 얻는 단계; 및 (e) 상기 융해곡선의 융해온도를 확인하여 대장균을 검출하는 단계; 를 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출 방법을 제공한다. Further, the present invention provides a method for detecting a DNA fragment, comprising the steps of: (a) separating DNA from a target sample; (b) amplifying the target sequence by performing PCR using the separated DNA as a template; (c) performing real-time PCR by adding the above-described PNA probe to the PCR amplification product; (d) melting the amplification product amplified by the real-time PCR while changing the temperature to obtain a melting curve; And (e) detecting the E. coli by confirming the melting temperature of the melting curve; The present invention also provides a method for detecting equine pathogenic Escherichia coli.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 PCR은 서열번호 3 및 서열번호 4로 이루어진 프라이머 세트를 이용하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 프라이머 세트를 이용할 경우, PCR 증폭되는 산물이 특이적이며 증폭시간을 단축할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the PCR may be performed using a primer set consisting of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4. When the above primer set is used, the PCR amplified product is specific and the amplification time can be shortened.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 PCR은 비대칭 PCR(Asymmetric PCR)로 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the PCR may be performed by asymmetric PCR.

본 발명의 일실시예에 있어서, 프로브가 어닐링할 단일 가닥을 양산하기 위해서 비대칭 PCR시 역방향 프라이머를 정방향 프라이머에 비해 5 내지 10배, 보다 바람직하게는 5배 더 넣어 줄 수 있다. 이로 인해 역방향 프라이머로부터 생산되는 단일가닥이 많아진다.In one embodiment of the present invention, in order to produce a single strand to be annealed by the probe, 5 to 10 times, more preferably 5 times as much as the forward primer can be added to the reverse primer during asymmetric PCR. This increases the number of single strands produced from the reverse primer.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 융해곡선을 얻는 단계는 온도를 증가시키면서 형광세기를 측정하여, 온도 대비 형광 값을 분석하여 얻는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of obtaining the melting curve may be performed by measuring the fluorescence intensity while increasing the temperature and analyzing the fluorescence value relative to the temperature.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 형광세기의 측정은 37℃ 내지 80℃로 온도를 증가시키며 형광을 측정하는 것일 수 있다. 초당 0.1℃ 씩 증가시키면서 형광의 세기를 측정하면, 온도가 올라감에 따라 검출 프로브와 상보적인 DNA가 분리된다. 이에 따라, 형광이 소광되어 형광세기가 떨어지게 되고, 멜팅 피크(melting peak)를 확인할 수 있다. 이를 통해 표적핵산의 유무를 확인할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorescence intensity may be measured by increasing the temperature to 37 ° C to 80 ° C and measuring fluorescence. When the fluorescence intensity is measured while increasing by 0.1 ° C per second, complementary DNA is separated from the detection probe as the temperature increases. As a result, the fluorescence is extinguished, the fluorescence intensity is lowered, and the melting peak can be confirmed. Thus, the presence or absence of the target nucleic acid can be confirmed.

또한, 본 발명의 다른 실시형태는 상기한 프로브를 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 키트를 제공한다. 키트는 버퍼, DNA 중합효소와 같은 PCR 반응을 실시하는데 필요한 시약을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.Further, another embodiment of the present invention provides a kit for detecting equine pathogenic Escherichia coli comprising the above probe. The kit may include, but is not limited to, reagents necessary to perform PCR reactions such as buffers and DNA polymerase.

본 발명에 따르면 독성유전자 stx2B에 특이적인 PNA 프로브를 이용하여 선박평형수에 존재하는 대장균의 독성유전자를 정확하게 검출할 수 있다. PNA 프로브는 안정성이 높고, 검출의 감도 및 특이성이 우수하므로, 보다 효과적으로 선박평형수의 검역에 활용될 수 있다.According to the present invention, a toxic gene of Escherichia coli existing in ballast water can be accurately detected by using a PNA probe specific to the toxic gene stx2B. PNA probes are highly stable and have excellent sensitivity and specificity of detection, so they can be more effectively used for quarantine of ship ballast water.

도 1은 stx2B 유전자가 삽입된 pBHA 벡터의 모식도이다.
도 2는 대장균 독성유전자 검출을 위해 사용된 정방향/역방향 프라이머 조합의 PCR 산물의 전기영동 결과를 나타내는 사진이다.
도 3은 SYBR을 이용한 실시간 PCR법의 대장균 독성유전자 검출한계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 PNA 프로브를 이용한 비대칭 PCR 수행 후 융해곡선을 나타내는 그래프이다.
도 5는 PNA 프로브를 이용한 대장균 독성유전자 비대칭 PCR의 검출한계를 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a pBHA vector into which the stx2B gene is inserted.
2 is a photograph showing electrophoresis results of PCR products of the forward / reverse primer combination used for Escherichia coli toxin gene detection.
Fig. 3 is a graph showing the detection limit of Escherichia coli toxin gene in real-time PCR using SYBR.
4 is a graph showing the melting curve after asymmetric PCR using PNA probe.
5 is a graph showing the detection limit of Escherichia coli toxicity gene asymmetric PCR using PNA probe.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for illustrating the present invention, and thus the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1. 대장균  1. Escherichia coli stx2Bstx2B 유전자 염기서열 선별 Screening of gene sequences

NCBI 데이터베이스에 등록된 대장균 O157:H7 10종의 stx2B 독성유전자 염기서열과 다른 대장균 37종의 염기서열을 비교분석하였다. stx2B 유전자 염기서열 중 225 bp를 최종 선정하여 (주)바이오니아에 유전자 합성을 의뢰하였다(서열번호 1). The stx2B toxic gene sequence of 10 E. coli O157: H7 10 species registered in the NCBI database was compared with the nucleotide sequences of 37 other E. coli strains. 225 bp of the stx2B gene sequence was finally selected and gene synthesis was commissioned to bioneer (SEQ ID NO: 1).

대장균 stx2B 유전자 염기서열 선별E. coli stx2B gene sequence selection 구분division 명칭 (서열번호)Name (SEQ ID NO) 염기서열Base sequence 크기 (mer)Size (mer) 대장균 stx2B 유전자 염기서열E. coli stx2B gene sequence stx2B (서열번호 1)stx2B (SEQ ID NO: 1) gcattagcttctgttaatgcaatggcggcggattgtgctaaaggtaaaattgagttttccaagtataatgaggatgacacatttacagtgaaggttgacgggaaagaatactggaccagtcgctggaatctgcaaccgttactgcaaagtgctcagttgacaggaatgactgtcacaatcaaatccagtacctgtgaatcaggctccggatttgctgaagtgcaggcattagcttctgttaatgcaatggcggcggattgtgctaaaggtaaaattgagttatccaagtataatgaggatgacacatttacagtgaaggttgacgggaaagaatactggaccagtcgctggaatctgcaaccgttactgcaaagtgctcagttgacaggaatgactgtcacaatcaaatccagtacctgtgaatcaggctccggatttgctgaagtgcag 225225

합성한 유전자가 pBHA 벡터에 제대로 삽입되어 있는지를 EcoRI 제한효소 절단과 시퀀싱을 통해 확인한 후, 대장균 검출용 프라이머와 프로브 선별 실험의 주형으로 사용하였다(도 1).After the EcoRI restriction enzyme digestion and sequencing were performed to confirm whether or not the synthesized gene was properly inserted into the pBHA vector, it was used as a template for a primer for detecting E. coli and a probe selection test (FIG. 1).

실시예Example 2. 대장균  2. Escherichia coli stx2Bstx2B 유전자 검출용  For gene detection 프라이머primer 선별 및 검출한계 분석 Screening and detection limit analysis

대장균 독성유전자 검출에 사용할 부위를 포함하여 디자인된 프라이머의 염기서열은 표 2에 나타내었다. 정방향 및 역방향 프라이머의 조합에 따라 유전자 합성 크기가 94-212bp의 크기로 다양하게 증폭될 수 있도록 하였으며, conventional PCR로 다양한 크기의 PCR 산물을 합성할 수 있는 동일한 실험 조건을 선별하였다. 각 프라이머의 서열, 조합 및 그에 따른 PCR 산물의 크기는 표 3에 나타내었고, 최적의 PCR 조성물과 반응시간 및 반응온도는 표 4, 5와 같으며, PCR 산물은 2% 아가로스 젤을 이용한 전기영동으로 확인하였다(도 2). 실시간 PCR을 통해서 정방향 프라이머 F1, F2, F3, F4와 역방향 프라이머 R1, R2, R3, R4를 조합한 실시간 PCR을 수행하여 F2(서열번호 5)/R3(서열번호 6) 조합을 선별하였다.The nucleotide sequences of the designed primers including the site used for Escherichia coli toxicity gene detection are shown in Table 2. Genomic amplification size of 94-212 bp was amplified according to the combination of forward and reverse primers and the same experimental conditions were selected for conventional PCR to synthesize PCR products of various sizes. The sequences and combinations of the primers and the size of the PCR products are shown in Table 3, and the optimal PCR composition, reaction time and reaction temperature are shown in Tables 4 and 5, and the PCR products were electrophoresed using 2% agarose gel (Fig. 2). Real-time PCR was performed using real-time PCR to combine forward primers F1, F2, F3 and F4 and reverse primers R1, R2, R3 and R4 to select F2 (SEQ ID NO: 5) / R3 (SEQ ID NO: 6) combinations.

대장균 독성유전자 stx2B 검출을 위한 프라이머 서열Primer sequences for E. coli toxin gene stx2B detection 구분division 명칭 (서열번호)Name (SEQ ID NO) 염기서열Base sequence 크기 (mer)Size (mer) stx2B 정방향 프라이머stx2B forward primer stx2B F1stx2B F1 CGGCGGATTGTGCTAAAGGTCGGCGGATTGTGCTAAAGGT 2020 stx2Bstx2B F2 (서열번호 5) F2 (SEQ ID NO: 5) TTCTGTTAATGCAATGGCGGCTTCTGTTAATGCAATGGCGGC 2121 stx2B F3Stx2B F3 CAGTCGCTGGAATCTGCAACCAGTCGCTGGAATCTGCAAC 2020 stx2B F4stx2B F4 GGAATCTGCAACCGTTACTGCGGAATCTGCAACCGTTACTGC 2121 stx2B 역방향 프라이머stx2B reverse primer stx2B R1stx2B R1 GGTTGCAGATTCCAGCGACTGGTTGCAGATTCCAGCGACT 2020 stx2B R2stx2B R2 GCAGTAACGGTTGCAGATTCCGCAGTAACGGTTGCAGATTCC 2121 stx2Bstx2B R3 (서열번호 6) R3 (SEQ ID NO: 6) CTTCAGCAAATCCGGAGCCTCTTCAGCAAATCCGGAGCCT 2020 stx2B R4stx2B R4 TCAGCAAATCCGGAGCCTGTCAGCAAATCCGGAGCCTG 1919

프라이머 조합 및 그에 따른 PCR 산물 크기Primer combination and resulting PCR product size 프라이머 조합Primer combination PCR 산물 크기 (bp)PCR product size (bp) stx2B F1 / stx2B R1stx2B F1 / stx2B R1 112112 stx2Bstx2B F2 /  F2 / stx2Bstx2B R2 R2 137137 stx2B F3 / stx2B R3stx2B F3 / stx2B R3 104104 stx2B F4 / stx2B R4stx2B F4 / stx2B R4 9494 stx2B F2 / stx2B R3stx2B F2 / stx2B R3 212212

conventional PCR의 조성물composition of conventional PCR 조성Furtherance 용량 (μl)Capacity (μl) 주형 (template)Template 1One 정방향 프라이머Forward primer 1One 역방향 프라이머Reverse primer 1One 10X PCR buffer10X PCR buffer 22 dNTP mixdNTP mix 22 Taq polymeraseTaq polymerase 0.50.5 증류수Distilled water up to 20up to 20

conventional PCR의 반응시간 및 반응온도The reaction time and reaction temperature of conventional PCR Pre-denaturationPre-denaturation 95℃95 ℃ 10 min10 min AmplificationAmplification DenaturationDenaturation 95℃95 ℃ 30 sec30 sec 35 cycles35 cycles AnnealingAnnealing 60℃60 ° C 30 sec30 sec ExtensionExtension 72℃72 30 sec30 sec Final-ExtensionFinal-Extension 72℃72 ℃ 10 min10 min

Conventional PCR을 통해 선별한 F2/R3 프라이머 조합으로 SYBR을 이용한 qPCR (Real-time PCR)을 수행하여 대장균 독성유전자의 검출한계를 분석하였다. SYBR을 이용한 qPCR의 조성물과 반응조건은 표 6, 7에 나타내었다. 실험결과 대장균 독성유전자 stx2B의 검출한계는 1x103 copies/ml 이었다 (도 3). The detection limit of Escherichia coli toxin gene was analyzed by qPCR (Real-time PCR) using SYBR with F2 / R3 primer combination selected by conventional PCR. The compositions and reaction conditions of qPCR using SYBR are shown in Tables 6 and 7. As a result, the detection limit of Escherichia coli toxin gene stx2B was 1 × 10 3 copies / ml (FIG. 3).

SYBR을 이용한 실시간 PCR의 조성물Composition of real-time PCR using SYBR 조성Furtherance 용량 (μl)Capacity (μl) 주형 (template)Template 1One 정방향 프라이머 (5pM)Forward primer (5pM) 1One 역방향 프라이머 (5pM)Reverse primer (5 pM) 1One 2X SYBR qPCR mix2X SYBR qPCR mix 1010 증류수Distilled water up to 20up to 20

SYBR을 이용한 PCR의 반응시간 및 반응온도The reaction time and reaction temperature of PCR using SYBR Pre-denaturationPre-denaturation 95℃95 5 min5 min AmplificationAmplification DenaturationDenaturation 95℃95 ℃ 10 sec10 sec 45 cycles45 cycles AnnealingAnnealing 60℃ 60 ° C 30 sec30 sec MeltingMelting 60℃ to 97℃ at 0.1℃/sec60 ° C to 97 ° C at 0.1 ° C / sec

실시예Example 3. 대장균  3. Escherichia coli stx2Bstx2B 유전자 검출용  For gene detection 프로브의Of the probe 선별 Selection

대장균 독성유전자 stx2B 검출을 위한 PNA 프로브는 융해온도(Tm) 최적화를 위해 PNA 프로브와 stx2B 유전자 염기서열의 상보적인 결합이 일어날 수 있도록 설계하여 제작하였고, PNA 프로브 서열은 표 8에 나타내었다. 본 발명에서 사용한 모든 PNA 프로브는 (주)파나진(Panagene, 한국)에서 HPLC 정제 방법을 통해 합성하였으며, 합성된 모든 프로브의 순도는 질량분석법을 이용하여 확인하였다. PNA probes for E. coli toxin gene stx2B detection were designed to allow complementary binding of PNA probes to the stx2B gene sequence for optimizing the fusion temperature (Tm), and the PNA probe sequences are shown in Table 8. All PNA probes used in the present invention were synthesized by HPLC purification method in Panagene (Korea), and the purity of all synthesized probes was confirmed by mass spectrometry.

대장균 독성유전자 stx2B 검출을 위한 PNA 프로브 서열PNA probe sequence for E. coli toxin gene stx2B detection 구분division 명칭 (서열번호)Name (SEQ ID NO) 염기서열Base sequence Tm(℃)Tm (占 폚) PNA 프로브의
염기서열
PNA probes
Base sequence
stx2Bstx2B 1 (서열번호 2) 1 (SEQ ID NO: 2) TCCAAGTATAATGTCCAAGTATAATG 47.747.7
stx2Bstx2B 2 (서열번호 3) 2 (SEQ ID NO: 3) ATGACACATTTACAGATGACACATTTACAG 56.456.4 stx2Bstx2B 3 (서열번호 4) 3 (SEQ ID NO: 4) GTGCTCAGTTGACAGTGCTCAGTTGACA 61.261.2 PNA 프로브의 구조Structure of PNA probes stx2B PNA1stx2B PNA1 Dabcyl-TCCAAGTATAATG-O-K(FAM)Dabcyl-TCCAAGTATAATG-O-K (FAM) stx2B PNA2stx2B PNA2 Dabcyl-ATGACACATTTACAG-O-K(FAM)Dabcyl-ATGACACATTTACAG-O-K (FAM) stx2B PNA3stx2B PNA3 Dabcyl-GTGCTCAGTTGACA-O-K(FAM)Dabcyl-GTGCTCAGTTGACA-O-K (FAM)

실시예Example 4. 대장균 독성유전자  4. Escherichia coli toxicity gene stx2Bstx2B 검출을 위한  For detection PCRPCR 및 융해곡선 분석 And melting curve analysis

상기 실시예 2에서 선별한 프라이머 세트(F2/R3)와 PNA 프로브를 이용한 융해곡선 분석을 위한 PCR은 MyGo mini real-time PCR (IT-IS Life Science Ltd. 아일랜드)를 이용하였다. 모든 실험 조건은 단일 가닥 표적핵산을 생성하기 위해 프라이머 세트와 PNA 프로브를 이용하여 비대칭 PCR (asymmetric PCR)를 수행하였다. 대장균 독성유전자 stx2B가 정확하게 증폭되도록 하기 위해 비대칭 PCR 반응은 표 9와 같은 조성으로 수행하였다. 비대칭 PCR 수행시 정방향 프라이머와 역방향 프라이머의 농도비율은 1:5로 결정하였다. 비대칭 PCR은 95℃에서 10분간 변성시킨 다음, 95℃에서 10초, 60℃에서 30초, 72℃에서 15초 동안 반응시켰다 (표 10). MyGo mini real-time PCR (IT-IS Life Science Ltd. Island) was used for the PCR for the melting curve analysis using the primer set (F2 / R3) selected in Example 2 and the PNA probe. All experimental conditions were asymmetric PCR using primer sets and PNA probes to generate single-stranded target nucleic acids. Asymmetric PCR reaction was performed with the composition shown in Table 9 so that the Escherichia coli toxin gene stx2B was amplified correctly. In the asymmetric PCR, the ratio of the forward primer to the reverse primer was 1: 5. Asymmetric PCR was denatured at 95 ° C for 10 minutes and then reacted at 95 ° C for 10 seconds, 60 ° C for 30 seconds, and 72 ° C for 15 seconds (Table 10).

PNA 프로브 비대칭 PCR의 조성물Composition of PNA probe asymmetric PCR 조성Furtherance 용량 (μl)Capacity (μl) 주형 (template)Template 1One PNA 프로브PNA probes 1One 정방향 프라이머 (4pM)Forward primer (4pM) 1One 역방향 프라이머 (20pM)Reverse primer (20 pM) 1One 2.5X PCR buffer2.5X PCR buffer 99 Taq polymeraseTaq polymerase 1One 증류수Distilled water up to 25up to 25

PNA 프로브 비대칭 PCR의 조건Conditions of PNA probe asymmetric PCR Pre-denaturationPre-denaturation 95℃95 ℃ 10 min10 min AmplificationAmplification DenaturationDenaturation 95℃95 ℃ 10 sec10 sec 45 cycles45 cycles PNA annealingPNA annealing 60℃60 ° C 30 sec30 sec ExtensionExtension 72℃72 15 sec15 sec Pre-melt HoldPre-melt Hold 95℃95 5 min5 min 37℃37 5 min5 min MeltingMelting 37℃ to 80℃ at 0.1℃/sec37 ° C to 80 ° C at 0.1 ° C / sec

융해곡선 분석은 비대칭 PCR 반응 후 95℃에서 5분, 37℃에서 5분 변성시킨 후 37℃에서 80℃까지 초당 0.1℃씩 상승시키며 형광을 측정하는 용해곡선 분석을 수행하였다. 비대칭 PCR 반응 후 융해곡선을 분석한 결과 서로 다른 Tm값을 가지는 stx2B PNA 1, 2, 3 프로브는 각각의 온도에서 melting peak을 나타냈다 (도 4). 결과에 따라, 높은 Tm값을 나타내는 stx2B PNA 3 프로브를 선별하였다.Melting curve analysis was performed after asymmetric PCR reaction at 95 ° C for 5 min, denaturation at 37 ° C for 5 min, and then 37 ° C to 80 ° C elevated by 0.1 ° C per second and fluorescence was measured. Analysis of the melting curve after asymmetric PCR showed that the stx2B PNA 1, 2, and 3 probes with different Tm values showed melting peaks at each temperature (FIG. 4). Based on the results, stx2B PNA 3 probes showing high Tm values were selected.

실시예Example 5. 대장균의  5. E. coli stx2Bstx2B 유전자 특이적 PNA  Gene-specific PNA 프로브Probe 실시간  real time PCR의Of PCR 검출한계 분석 Detection limit analysis

IMO D2 기준에 부합한 cfu 단위의 검출한계를 분석하기 위해 선별된 프로브 중에서 가장 높은 Tm값을 나타내는 stx2B PNA 3 프로브를 이용하여 표 9와 같은 실험 조건으로 대장균 콜로니에 대해 비대칭 PCR을 수행한 결과 대장균 독성유전자 stx2B의 검출한계는 1x10-3 cfu/㎕ (100 cfu/100 ml)이었다 (도 5).In order to analyze the detection limit of cfu unit in accordance with IMO D2 standard, asymmetric PCR was performed on E. coli colonies using the stx2B PNA 3 probe showing the highest Tm value among the selected probes, as shown in Table 9. As a result, The detection limit of toxic gene stx2B was 1x10 -3 cfu / μl (100 cfu / 100 ml) (FIG. 5).

<110> Korea Institute of Ocean Science & Technology <120> PNA probe for pathogenic Escherichia coli and its use in ballast water <130> PA-D16557 <160> 6 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 225 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 1 gcattagctt ctgttaatgc aatggcggcg gattgtgcta aaggtaaaat tgagttttcc 60 aagtataatg aggatgacac atttacagtg aaggttgacg ggaaagaata ctggaccagt 120 cgctggaatc tgcaaccgtt actgcaaagt gctcagttga caggaatgac tgtcacaatc 180 aaatccagta cctgtgaatc aggctccgga tttgctgaag tgcag 225 <210> 2 <211> 13 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E.coli stx2B PNA probe 1 <400> 2 tccaagtata atg 13 <210> 3 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E.coli stx2B PNA probe 2 <400> 3 atgacacatt tacag 15 <210> 4 <211> 14 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E.coli stx2B PNA probe 3 <400> 4 gtgctcagtt gaca 14 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Forward primer of E.coli stx2B <400> 5 ttctgttaat gcaatggcgg c 21 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Reverse primer of E.coli stx2B <400> 6 cttcagcaaa tccggagcct 20 <110> Korea Institute of Ocean Science & Technology <120> PNA probe for pathogenic Escherichia coli and its use in ballast          water <130> PA-D16557 <160> 6 <170> KoPatentin 3.0 <210> 1 <211> 225 <212> DNA <213> Escherichia coli <400> 1 gcattagctt ctgttaatgc aatggcggcg gattgtgcta aaggtaaaat tgagttttcc 60 aagtataatg aggatgacac atttacagtg aaggttgacg ggaaagaata ctggaccagt 120 cgctggaatc tgcaaccgtt actgcaaagt gctcagttga caggaatgac tgtcacaatc 180 aaatccagta cctgtgaatc aggctccgga tttgctgaag tgcag 225 <210> 2 <211> 13 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E. coli stx2B PNA probe 1 <400> 2 tccaagtata atg 13 <210> 3 <211> 15 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> E. coli stx2B PNA probe 2 <400> 3 atgacacatt tacag 15 <210> 4 <211> 14 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> &Lt; 223 > E. coli stx2B PNA probe 3 <400> 4 gtgctcagtt gaca 14 <210> 5 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Forward primer of E. coli stx2B <400> 5 ttctgttaat gcaatggcgg c 21 <210> 6 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Reverse primer of E. coli stx2B <400> 6 cttcagcaaa tccggagcct 20

Claims (13)

서열번호 2, 서열번호 3 및 서열번호 4 중 어느 하나 이상의 염기서열을 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 PNA 프로브.
A PNA probe for detecting equine pathogenic Escherichia coli comprising a nucleotide sequence of any one of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4.
서열번호 4의 염기서열을 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 PNA 프로브.
A PNA probe for detecting equine pathogenic Escherichia coli comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4.
제 1항에 있어서,
상기 병원성 대장균은 장출혈성 대장균(EHEC, Enterohaemorrhagic E. coli), 장독소형대장균(ETEC, Enterotoxigenic E. coli), 장침입성대장균(EIEC, Enteroinvasive E. coli), 장관흡착성대장균(EAEC, Enteroaggregative E. Coli) 및 장병원성대장균(EPEC, Pathogenic E. coli)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인 병원성 대장균 검출용 PNA 프로브.
The method according to claim 1,
The pathogenic Escherichia coli is selected from the group consisting of Enterohaemorrhagic E. coli , Enterotoxigenic E. coli , EIEC, Enteroinvasive E. coli , EAEC, Enteroaggregative E. coli, ), and Chapter E. coli (EPEC, pathogenic E. coli) E. coli is detected PNA probe is selected from the group consisting of.
제 1항에 있어서,
상기 프로브는 리포터 물질(reporter molecule) 및 소광물질(quencher molecule)을 추가로 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 PNA 프로브.
The method according to claim 1,
Wherein the probe further comprises a reporter molecule and a quencher molecule. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 프로브는 독성유전자 stx2B(shiga toxin 2 subunit B)에 특이적인 PNA 프로브.
The method according to claim 1,
The probe is specific for the toxic gene stx2B (shiga toxin 2 subunit B).
제 4항에 있어서,
상기 stx2B의 검출한계는 10-3 cfu/㎕ 농도인 프로브.
5. The method of claim 4,
Wherein the detection limit of stx2B is 10 &lt; -3 &gt; cfu / [mu] l concentration.
(a) 대상 시료에서 DNA를 분리하는 단계;
(b) 상기 분리된 DNA를 주형으로 PCR을 수행하여 표적 서열을 증폭하는 단계;
(c) 상기 PCR 증폭 산물에 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 따른 PNA 프로브를 가하여 real-time PCR을 시키는 단계;
(d) 온도를 변화시키면서 상기 real-time PCR에 의해 증폭된 증폭산물을 융해시켜 융해곡선을 얻는 단계; 및
(e) 상기 융해곡선의 융해온도를 확인하여 대장균을 검출하는 단계;
를 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출 방법.
(a) separating DNA from the target sample;
(b) amplifying the target sequence by performing PCR using the separated DNA as a template;
(c) performing real-time PCR by adding the PNA probe according to any one of claims 1 to 6 to the PCR amplification product;
(d) melting the amplification product amplified by the real-time PCR while changing the temperature to obtain a melting curve; And
(e) detecting the E. coli by confirming the melting temperature of the melting curve;
And detecting the equilibrium pathogenic Escherichia coli.
제 7항에 있어서,
상기 PCR은 서열번호 5 및 서열번호 6로 이루어진 프라이머 세트를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the PCR is carried out using a primer set consisting of SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6.
제 7항에 있어서,
상기 PCR은 비대칭 PCR(Asymmetric PCR)로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the PCR is performed by asymmetric PCR.
제 9항에 있어서,
상기 비대칭 PCR은 역방향 프라이머를 정방향 프라이머에 비해 5 내지 10배 더 넣어 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the asymmetric PCR is performed by adding 5 to 10 times more the reverse primer than the forward primer.
제 7항에 있어서,
상기 융해곡선을 얻는 단계는 온도를 증가시키면서 형광세기를 측정하여, 온도 대비 형광 값을 분석하여 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of obtaining the melting curve is performed by measuring the fluorescence intensity while increasing the temperature and analyzing the fluorescent value with respect to the temperature.
제 11항에 있어서,
상기 형광세기의 측정은 37℃ 내지 80℃로 온도를 증가시키며 형광을 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the fluorescence intensity is measured by increasing the temperature to 37 DEG C to 80 DEG C and measuring fluorescence.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 프로브를 포함하는 선박평형수 병원성 대장균 검출용 키트.
A kit for detecting equilibrium waterborne pathogenic Escherichia coli comprising a probe according to any one of claims 1 to 6.
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