KR20220028919A - Kit for detecting biomarker using toehold switch system and detection method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a kit for detecting a biomarker using a toehold switch system and a detection method using the same, and more specifically, to a hairpin structure oligomer comprising a toehold region; cell-free reaction solution; and a kit for detecting CD3ε including a substrate and a method for detecting SARS-CoV-2. It has been confirmed that the detection kit according to the present invention can detect CD3ε mRNA, which is a diagnostic indicator of acute kidney transplant rejection, with excellent efficiency, by accurately detecting target mRNA in a simpler way and within a faster time than conventional kits. Accordingly, the kit may be used to diagnose acute kidney transplant rejection at an early stage, and this technology can be advantageously used to replace existing methods in the detection of SARS-CoV-2, which has a high spread rate and a high infection rate.

Description

토홀드 스위치 시스템을 이용한 생물학적 지표 검출용 키트 및 검출방법{Kit for detecting biomarker using toehold switch system and detection method thereof}Kit for detecting biomarker using toehold switch system and detection method thereof

본 발명은 토홀드 스위치 시스템을 이용한 생물학적 지표 검출용 키트 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 토홀드 영역을 포함하는 헤어핀 구조 올리고머; 무세포 반응액; 및 기질을 포함하는 CD3ε 검출용 키트 또는 이를 이용한 SARS-CoV-2의 검출 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a kit for detecting a biomarker using a toehold switch system and a detection method using the same, and more particularly, to a hairpin structure oligomer including a toehold region; cell-free reaction solution; And it relates to a kit for detecting CD3ε comprising a substrate or a method for detecting SARS-CoV-2 using the same.

신장 이식 후, 이식 수용자의 급성 거부반응을 조기에 진단하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해 임상에서는 바늘 생검(needle biopsy)과 PCR(정량적 PCR 및 액적 디지털 PCR)이 급성 거부반응의 진단을 위해 널리 이용되고 있으나, 상기 방법들은 여전히 일부 측면에서 자체적인 단점을 가지고 있다. After kidney transplantation, early diagnosis of acute rejection in transplant recipients is very important. To this end, needle biopsy and PCR (quantitative PCR and droplet digital PCR) are widely used in clinical practice for the diagnosis of acute rejection, but these methods still have their own drawbacks in some aspects.

한편, 2019년 12월 이후, 중국 후베이에서 처음 발견된 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)의 대유행에 의해 전 세계적으로 엄청난 수의 사람들이 사망했고 여전히 수백만 명의 사람들이 위협받고 있다. 대규모의 사전 감염여부 진단은 대유행 확산을 방지하는 효율적인 조치 중 하나로 입증되었다. RT-PCR은 높은 정확도와 민감도를 갖는 표준 진단방법으로 간주되고 있으나, 대기 시간이 길고 고가의 장비, 시간 및 많은 노동이 필요하다는 자체적인 제약이 있다. SARS-CoV-2는 빠른 확산속도 및 높은 전염력을 가지는 바, 많은 연구 그룹에서 보다 빠르고 간단하며 정확한 검출효율을 갖는 대체 검출 방법을 개발하고 있으며, 이는 감염 유행을 억제하는데 중요한 역할을 할 수 있다. Meanwhile, since December 2019, the pandemic of the coronavirus (SARS-CoV-2) first discovered in Hubei, China has killed a huge number of people worldwide and still threatens millions more. A large-scale pre-infection diagnosis has proven to be one of the effective measures to prevent the spread of a pandemic. Although RT-PCR is considered as a standard diagnostic method with high accuracy and sensitivity, it has its own limitations that it requires a long waiting time, expensive equipment, time, and a lot of labor. Since SARS-CoV-2 has a high rate of spread and high infectivity, many research groups are developing an alternative detection method with faster, simpler and more accurate detection efficiency, which can play an important role in suppressing the spread of infection.

토홀드 스위치(Toehold switch)는 루프(loop)와 돌기(bulge)에 리보솜 결합 부위(ribosome biding site; RBS) 및 개시 코돈(AUG)을 갖는 RNA 헤어핀 구조 및 이의 앞부분에 단일가닥의 토홀드 영역(Toehold region)이 연결되어 있다. 상기 토홀드 영역은 토홀드 스위치의 작동을 자극하는 트리거 RNA(trigger RNA)와 결합하며, 이에 의해 상기 헤어핀 구조가 열리면서 상기 RBS 서열이 노출되면 리보솜이 상기 인식 서열에 결합하고 헤어핀 구조의 뒷부분에 연결된 베타-갈락토시다아제(β-galactosidase, LacZ)의 번역이 시작된다(Cell, 2014, 159, 925-39). Toehold switch is an RNA hairpin structure having a ribosome biding site (RBS) and an initiation codon (AUG) in a loop and a bulge and a single-stranded toehold region ( Toehold region) is connected. The toehold region binds to a trigger RNA that stimulates the operation of the toehold switch, whereby when the hairpin structure is opened and the RBS sequence is exposed, the ribosome binds to the recognition sequence and is linked to the back of the hairpin structure The translation of beta-galactosidase (β-galactosidase, LacZ) is initiated (Cell, 2014, 159, 925-39).

또한, 핵산 서열 기반 증폭(nucleic acid sequence-based amplification; NASBA)이라고 불리는 등온성 RNA 증폭 방법을 결합하여 토홀드 스위치의 검출 한계를 줄여 감도를 최적화할 수 있다. 민감한 등온 전사 기반 시스템인 NASBA는 세 가지 효소 (조류 골수아세포증 바이러스 역전사 효소(avian myeloblastosis virus reverse transcriptase), RNase H 및 T7 RNA 중합 소)가 등온 조건에서 단일 가닥 RNA를 증폭하기 위해 이용되며, 이는 진단 툴로 사용하는데 유용하다.In addition, by combining an isothermal RNA amplification method called nucleic acid sequence-based amplification (NASBA), it is possible to optimize sensitivity by reducing the detection limit of the toehold switch. NASBA, a sensitive isothermal transcription-based system, utilizes three enzymes (avian myeloblastosis virus reverse transcriptase, RNase H and T7 RNA polymerase) to amplify single-stranded RNA under isothermal conditions. Useful as a diagnostic tool.

하버드 대학의 Wyss Institute에서 개발한 대체 리보레귤레이터(riboregulators)인 토홀드 스위치는 에볼라바이러스(Ebola virus) 및 지카바이러스(Zika virus)와 같은 다양한 병원성 바이러스의 RNA를 검출하여 감염여부를 진단한 결과를 보고한바 있다. 상기 결과는 토홀드 스위치의 높은 특이성과 민감도를 보여주어 이후 상기 시스템의 추가 적용이 가능함을 입증하였다. 토홀드 스위치의 특성은 다수의 서로 다른 RNA에 대하여 특이적인 토홀드 스위치를 제작할 수 있다는 것이다. 따라서 검출하고자 하는 RNA에 특이적인 서열을 적용하여 토홀드 스위치를 제작한다면 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다. Tohold switch, an alternative riboregulator developed by the Wyss Institute of Harvard University, detected the RNA of various pathogenic viruses such as Ebola virus and Zika virus, and reported the result of diagnosing infection. there has been The above results showed the high specificity and sensitivity of the toehold switch, demonstrating that the system can be further applied in the future. A characteristic of the toehold switch is that it is possible to construct a specific toehold switch for a number of different RNAs. Therefore, if a toehold switch is manufactured by applying a sequence specific to the RNA to be detected, it may be utilized in various fields.

이전 발명에서 IP-10 mRNA의 검출에서 토홀드 스위치를 적용하였다. 하지만, 단지 하나의 RNA에 기초한 진단에 대해서는 거짓 양성(false positive)이 나올 확률이 높을 수 있다. 이에, 본 발명자들은 토홀드 스위치(toehold switches) 시스템을 적용하여, 신장 이식 급성 거부반응의 진단 마커인 IP-10 mRNA 외에 CD3ε mRNA 특이적으로 검출 가능한 토홀드 스위치를 제작하였으며, 상기 토홀드 스위치 및 무세포 반응액 플랫폼을 이용하여 상기 RNAs를 높은 특이성 및 민감도로 검출 가능함을 확인하였는 바, 이로써 해당 발명을 완성하였다. 또한 더 나아가 토홀드 스위치를 이용한 SARS-CoV-2 검출 방법을 설계하였다. In the previous invention, a toehold switch was applied in the detection of IP-10 mRNA. However, the probability of a false positive may be high for a diagnosis based on only one RNA. Accordingly, the present inventors applied a toehold switch system to prepare a toehold switch that can specifically detect CD3ε mRNA in addition to IP-10 mRNA, which is a diagnostic marker for acute renal transplantation rejection, and the toehold switch and It was confirmed that the RNAs can be detected with high specificity and sensitivity using the cell-free reaction solution platform, thereby completing the invention. Furthermore, a SARS-CoV-2 detection method using a toehold switch was designed.

이에, 본 발명은 신장 이식 거부반응 지표인 CD3ε 검출용 키트 및 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a kit and a detection method for detecting CD3ε, which is an indicator of kidney transplant rejection.

또한, 본 발명은 토홀드 스위치를 이용한 SARS-CoV-2 검출 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting SARS-CoV-2 using a toehold switch.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 토홀드 영역(Toehold region), 이중가닥 핵산서열1, 루프서열1, 이중가닥 핵산서열2, 루프서열2, 링커서열 및 발현 핵산서열을 포함하는 헤어핀 구조 올리고머; In order to achieve the object of the present invention as described above, the present invention provides a toehold region, a double-stranded nucleic acid sequence 1, a loop sequence 1, a double-stranded nucleic acid sequence 2, a loop sequence 2, a linker sequence and an expression nucleic acid sequence hairpin structure oligomer comprising;

무세포(Cell-free) 반응액; 및 cell-free reaction solution; and

기질을 포함하는, CD3ε 검출용 키트를 제공한다. Provided is a kit for detecting CD3ε, including a substrate.

본 발명의 일 구현예로, 상기 토홀드 영역은 CD3ε mRNA 또는 SARS-CoV-2 mRNA에 상보적으로 결합하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the toehold region may be complementary to CD3ε mRNA or SARS-CoV-2 mRNA.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 발현 핵산서열은 베타-갈락토시다아제(β-galactosidase; LacZ)를 암호화하는 유전자 서열을 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, the expression nucleic acid sequence may include a gene sequence encoding β-galactosidase (LacZ).

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 CD3ε 검출용 헤어핀 구조 올리고머는 서열번호 1 내지 서열번호 8의 염기서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the hairpin structure oligomer for detecting CD3ε may be any one selected from the group consisting of nucleotide sequences of SEQ ID NOs: 1 to 8.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 SARS-CoV-2 검출용 헤어핀 구조 올리고머는 서열번호 9 내지 서열번호 68의 염기서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the hairpin structure oligomer for detecting SARS-CoV-2 may be any one selected from the group consisting of nucleotide sequences of SEQ ID NO: 9 to SEQ ID NO: 68.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 무세포 반응액은 아미노산, rNTP, tRNA, RNA 중합효소, 번역 인자, 아미노아실-tRNA 합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase) 및 리보솜을 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, the cell-free reaction solution may include amino acids, rNTPs, tRNAs, RNA polymerase, translation factors, aminoacyl-tRNA synthetase (aminoacyl-tRNA synthetase), and ribosomes.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 기질은 클로로페놀 레드-β-D-갈락토피라노사이드(chlorophenol red-β-D-galactopyranoside; CBRG)일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the substrate may be chlorophenol red-β-D-galactopyranoside (CBRG).

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는, CD3ε 또는 SARS-CoV-2의 검출방법을 제공한다:In addition, the present invention provides a method for detecting CD3ε or SARS-CoV-2, comprising the steps of:

(a) 피검자 유래 생물학적 시료를 상기 키트에 첨가하여 반응시키는 단계; 및(a) reacting by adding a biological sample derived from a subject to the kit; and

(b) 비색반응에 의한 반응액의 색 변화를 확인하는 단계.(b) confirming the color change of the reaction solution due to the colorimetric reaction.

본 발명의 일구현예로, 상기 생물학적 시료는 조직, 세포, 전혈, 혈액, 타액, 객담, 뇌척수액 및 뇨로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the biological sample may be selected from the group consisting of tissues, cells, whole blood, blood, saliva, sputum, cerebrospinal fluid, and urine.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 단계 (a)에서 생물학적 시료를 상기 키트와 반응시키기 전에, 상기 시료를 이용해 핵산 서열 기반 증폭(nucleic acid sequence-based amplification; NASBA) 반응을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, before reacting the biological sample with the kit in step (a), the method further comprises performing a nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) reaction using the sample. can do.

본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 단계 (a)에서 반응은 2 내지 6시간 동안 이루어질 수 있다. In another embodiment of the present invention, the reaction in step (a) may be made for 2 to 6 hours.

본 발명의 또 다른 구현예로, 반응액의 색이 노란색에서 자색으로 변화하는 경우 CD3ε mRNA 가 존재하는 것으로 판단하는 것일 수 있다. In another embodiment of the present invention, when the color of the reaction solution changes from yellow to purple, it may be determined that CD3ε mRNA is present.

본 발명에 따른 검출 키트는 기존 검출 및 진단 수단에 비해 단순하고 빠른 시간 내에 정확한 표적 mRNA의 검출이 가능하여 신장 이식 급성 거부반응의 진단 지표인 CD3ε mRNA를 우수한 효율로 검출 가능함을 확인하였는바, 신장 이식 급성 거부반응을 조기에 진단할 수 있으며, 이 기술을 이용하면 확산속도 및 감염률이 높은 SARS-CoV-2의 검출에 있어 기존 방법을 대체하여 유용하게 활용될 수 있을 것이다. It was confirmed that the detection kit according to the present invention can detect CD3ε mRNA, which is a diagnostic index of acute kidney transplantation, with excellent efficiency, because it is possible to accurately detect target mRNA in a simpler and faster time than conventional detection and diagnostic means. Acute transplant rejection can be diagnosed at an early stage, and this technology will be useful as an alternative to existing methods for the detection of SARS-CoV-2, which has a high rate of spread and infection.

도 1은 CD3ε mRNA 검출용 토홀드 스위치의 8개 후보군(70, 71, 72, 109, 175, 176, 291, 297)에 대한 스크리닝 결과를 나타낸 것으로, 도 1a는 100 nM의 각 토홀드 스위치와 1 μM trigger mRNA CD3ε를 37℃에서 240분 동안 배양하면서 시간 경과에 따른 흡광도 변화를 측정하여 나타낸 결과이고, 도 1b는 240분 동안 배양한 후 각 토홀드 스위치의 LacZ 생성률을 배수 변화로 나타낸 결과이며, 도 1c는 각 토홀드 스위치의 LacZ 생성에 따라 CPRG 기질과의 상호작용을 통한 반응액의 색 변화를 나타낸 결과이다.
도 2는 토홀드 스위치의 특이성을 분석한 결과로서, 2종류의 토홀드 스위치(175 및 176) 100 nM과 트리거 RNAs로 각각 IP-10, CD3ε 및 18S RNA를 37℃에서 240분 동안 배양한 후 LacZ 생성에 따른 흡광도 배수 변화를 나타낸 결과 및 LacZ 생성에 따라 CPRG 기질과의 상호작용을 통한 반응액의 색 변화를 보여주는 결과이다.
도 3은 토홀드 스위치의 민감도를 분석한 결과로서, 토홀드 스위치(175번)와 트리거 RNA인 CD3ε mRNA를 다양한 농도(1000, 100, 10, 1, 0.1, 0 nM)로 37℃에서 240분 동안 배양한 후 LacZ 생성에 따른 흡광도 배수 변화를 나타낸 결과 및 LacZ 생성에 따라 CPRG 기질과의 상호작용을 통한 반응액의 색 변화를 보여주는 결과이다.
도 4는 핵산 서열 기반 증폭(NASBA)이 트리거 RNA에 대한 토홀드 스위치의 검출 민감도를 향상시키는지 여부를 분석한 결과로서, 각각 CD3ε 및 IP-10 트리거 mRNA를 다양한 농도(100, 10, 1, 0.1 pM)로 토홀드 스위치와 37℃에서 240분 동안 배양한 후 LacZ 생성에 따른 흡광도 배수 변화를 측정하여 NASBA와의 결합을 통해 토홀드 스위치의 검출 민감도가 향상됨을 확인한 결과이다.
Figure 1 shows the screening results for eight candidate groups (70, 71, 72, 109, 175, 176, 291, 297) of the CD3ε mRNA detection threshold switch, Figure 1a is 100 nM of each threshold switch and 1 μM trigger mRNA CD3ε is the result of measuring the change in absorbance over time while incubating it at 37 ° C for 240 minutes, Figure 1b is the result showing the LacZ production rate of each toehold switch as a fold change after incubation for 240 minutes , Figure 1c is a result showing the color change of the reaction solution through interaction with the CPRG substrate according to the LacZ generation of each toehold switch.
Figure 2 is the result of analyzing the specificity of the toehold switch, after incubating IP-10, CD3ε and 18S RNA at 37°C for 240 minutes with 100 nM of two types of toehold switches (175 and 176) and trigger RNAs, respectively. These are the results showing the change in absorbance fold according to the LacZ generation and the results showing the color change of the reaction solution through interaction with the CPRG substrate according to the LacZ generation.
Figure 3 is a result of analyzing the sensitivity of the toehold switch, the toehold switch (No. 175) and the trigger RNA CD3ε mRNA at various concentrations (1000, 100, 10, 1, 0.1, 0 nM) at 37 240 minutes These are the results showing the change in absorbance fold according to LacZ generation after culturing for a while, and the results showing the color change of the reaction solution through interaction with the CPRG substrate according to LacZ generation.
Figure 4 is the result of analyzing whether nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) improves the detection sensitivity of the threshold switch for the trigger RNA, respectively, CD3ε and IP-10 trigger mRNA at various concentrations (100, 10, 1, 0.1 pM) with the toehold switch and incubation at 37°C for 240 minutes, the absorbance fold change according to LacZ generation was measured, and it was confirmed that the detection sensitivity of the toehold switch was improved through binding with NASBA.

본 발명자들은 토홀드 스위치(toehold switches) 시스템을 적용하여, 신장 이식 급성 거부반응의 진단 마커인 CD3ε mRNA, 및 SARS-CoV-2 RNA를 각각 특이적으로 검출 가능한 토홀드 스위치를 제작하였으며, 높은 정확도의 검출을 통해 신장 이식 급성 거부반응 및 상기 바이러스의 감염여부의 진단용도로 이용할 수 있음을 확인하였다. The present inventors applied a toehold switch system to fabricate a toehold switch capable of specifically detecting CD3ε mRNA and SARS-CoV-2 RNA, which are diagnostic markers of acute kidney transplantation rejection, respectively, with high accuracy Through the detection of , it was confirmed that it can be used for diagnosis of acute kidney transplant rejection and infection with the virus.

이에, 본 발명은 토홀드 영역(Toehold region), 이중가닥 핵산서열1, 루프서열1, 이중가닥 핵산서열2, 루프서열2, 링커서열 및 발현 핵산서열을 포함하는 헤어핀 구조 올리고머; Accordingly, the present invention provides a hairpin structure oligomer comprising a toehold region, a double-stranded nucleic acid sequence 1, a loop sequence 1, a double-stranded nucleic acid sequence 2, a loop sequence 2, a linker sequence and an expression nucleic acid sequence;

무세포(Cell-free) 반응액; 및 cell-free reaction solution; and

기질을 포함하는, CD3ε 검출용 키트를 제공한다. Provided is a kit for detecting CD3ε, including a substrate.

본 발명에 있어서, 상기 헤어핀 구조 올리고머는 토홀드 영역(Toehold region), 이중가닥 핵산서열1, 루프서열1, 이중가닥 핵산서열2, 루프서열2, 링커서열 및 베타-갈락토시다아제 유전자 서열을 포함하며, 본 발명에서 사용되는 용어 ‘토홀드 스위치’와 동일한 의미를 갖는다. 상기 올리고머 서열의 염기 개수는 최적 효율로 트리거 RNA의 검출을 위해 조절될 수 있으며, 구체적으로 60 내지 120개의 뉴클레오티드, 바람직하게는 70 내지 110개, 더더욱 바람직하게는 80 내지 100개의 뉴클레오티드로 구성될 수 있다. In the present invention, the hairpin structure oligomer has a toehold region, a double-stranded nucleic acid sequence 1, a loop sequence 1, a double-stranded nucleic acid sequence 2, a loop sequence 2, a linker sequence, and a beta-galactosidase gene sequence. It has the same meaning as the term 'toe hold switch' used in the present invention. The number of bases of the oligomer sequence may be adjusted for detection of trigger RNA with optimal efficiency, and specifically, it may consist of 60 to 120 nucleotides, preferably 70 to 110, even more preferably 80 to 100 nucleotides. there is.

상기 “토홀드 영역”은 검출하고자 하는 표적 RNA 즉, 트리거 RNA(trigger RNA)와 결합하는 영역으로서, 상기 트리거 RNA의 일부 영역과 상보적인 서열로 구성되어 있다. 본 발명에 있어서, 상기 토홀드 영역은 CD3ε mRNA 또는 SARS-CoV-2 mRNA에 결합할 수 있으며, 바람직하게 10 내지 30개의 뉴클레오티드, 보다 바람직하게는 15 내지 25개 뉴클레오티드로 구성될 수 있다. The “toehold region” is a region that binds to a target RNA to be detected, that is, a trigger RNA, and is composed of a sequence complementary to a partial region of the trigger RNA. In the present invention, the toehold region may bind to CD3ε mRNA or SARS-CoV-2 mRNA, and may preferably consist of 10 to 30 nucleotides, more preferably 15 to 25 nucleotides.

본 발명에서, 상기 SARS-CoV-2 mRNA는 바람직하게는 SARS-CoV-2의 E 유전자(gene ID: 43740570)의 mRNA일 수 있다. In the present invention, the SARS-CoV-2 mRNA may preferably be an mRNA of the SARS-CoV-2 E gene (gene ID: 43740570).

본 발명에 있어서, 상기 “핵산서열1” 및 “핵산서열2”는 각각 이중가닥으로 구성되며, 핵산서열1은 5 내지 15개 뉴클레오티드, 바람직하게는 10 내지 15, 더욱 바람직하게는 11 내지 13개, 가장 바람직하게는 12개 뉴클레오티드로 구성될 수 있고, 핵산서열2는 1 내지 10개 뉴클레오티드, 바람직하게는 2 내지 8개, 더욱 바람직하게는 3 내지 7개, 더더욱 바람직하게는 4 내지 6개, 가장 바람직하게는 5개 뉴클레오티드로 구성될 수 있으며, 뉴클레오티드 개수는 상기 올리고머의 제조를 위해 적절히 조절될 수 있다. In the present invention, the "nucleic acid sequence 1" and "nucleic acid sequence 2" each consist of a double-stranded, and nucleic acid sequence 1 is 5 to 15 nucleotides, preferably 10 to 15, more preferably 11 to 13 , most preferably 12 nucleotides, nucleic acid sequence 2 is 1 to 10 nucleotides, preferably 2 to 8, more preferably 3 to 7, still more preferably 4 to 6, Most preferably, it may consist of 5 nucleotides, and the number of nucleotides may be appropriately adjusted for the preparation of the oligomer.

상기 루프서열은 서열 내 상보적인 서열이 존재하지 않도록 디자인되어 양쪽 말단의 핵산서열이 이중가닥을 형성할 때 고리모양의 구조를 형성하는 서열을 의미한다. 본 발명에 있어서, “루프1”은 번역이 시작되는 개시코돈(AUG)을 암호화하는 염기서열을 포함하고, 상기 “루프2”는 리보솜 결합 부위(ribosome biding site; RBS)를 암호화하는 염기서열을 포함한다. 루프2는 5 내지 15개 뉴클레오티드, 바람직하게는 10 내지 15, 더욱 바람직하게는 11 내지 13개, 가장 바람직하게는 12개 뉴클레오티드로 구성될 수 있으며, 상기 루프1 및 루프2 서열의 뉴클레오티드 개수는 적절히 조절될 수 있다. The loop sequence refers to a sequence that is designed so that no complementary sequence exists in the sequence and forms a ring-shaped structure when the nucleic acid sequences at both ends form a double strand. In the present invention, "loop 1" includes a nucleotide sequence encoding an initiation codon (AUG) at which translation starts, and "loop 2" includes a nucleotide sequence encoding a ribosome bidding site (RBS). include Loop 2 may consist of 5 to 15 nucleotides, preferably 10 to 15, more preferably 11 to 13, and most preferably 12 nucleotides, and the number of nucleotides in the loop 1 and loop 2 sequences is appropriately can be adjusted.

본 발명에 있어서, 상기 링커(linker) 서열은 15 내지 30개 뉴클레오티드, 바람직하게는 17 내지 25개, 더욱 바람직하게는 19 내지 23개, 더더욱 바람직하게는 20 내지 22개, 가장 바람직하게는 21개 뉴클레오티드로 이루어진 것일 수 있다. In the present invention, the linker sequence is 15 to 30 nucleotides, preferably 17 to 25, more preferably 19 to 23, still more preferably 20 to 22, most preferably 21 It may consist of nucleotides.

본 발명에 있어서, 상기 발현 핵산서열은 베타-갈락토시다아제(β-galactosidase; LacZ)를 암호화하는 유전자 서열을 포함하는 것일 수 있다. 본 발명의 “베타-갈락토시다아제(β-galactosidase; LacZ)”를 암호화하는 유전자는 토홀드 영역과 트리거 RNA와의 결합에 의해 단백질로 번역되는 유전자로서, 베타-갈락토시다아제 단백질과 상기 기질의 반응을 통해 RNA의 존재여부를 확인할 수 있다. In the present invention, the expression nucleic acid sequence may include a gene sequence encoding beta-galactosidase (β-galactosidase; LacZ). The gene encoding "beta-galactosidase (LacZ)" of the present invention is a gene that is translated into a protein by binding of the toehold region and trigger RNA, and the beta-galactosidase protein and the substrate The presence of RNA can be confirmed through the reaction of

본 발명자들은 구체적인 실시예에서 각각 CD3ε mRNA 및 SARS-CoV-2의 E 유전자의 mRNA를 주형으로 하여 토홀드 영역을 포함하는 다양한 헤어핀 구조 올리고머를 합성하였고, 연속된 뉴클레오타이드 패턴 유무, 종결 코돈의 유무, 트리거 RNA 즉 CD3ε mRNA 및 SARS-CoV-2 E 유전자의 mRNA 각각에 대한 검출 특이성 및 민감성, 결함 값 등을 분석하여 유효한 올리고머를 선별하였다.In a specific example, the present inventors synthesized various hairpin structure oligomers including a toehold region using CD3ε mRNA and SARS-CoV-2 mRNA of E gene, respectively, as templates. Effective oligomers were selected by analyzing the detection specificity, sensitivity, and defect value of trigger RNA, that is, CD3ε mRNA and SARS-CoV-2 E gene mRNA, respectively.

본 발명에 있어서, 상기 CD3ε 검출용 헤어핀 구조 올리고머는 서열번호 1 내지 서열번호 8의 염기서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. In the present invention, the hairpin structure oligomer for detecting CD3ε may be any one selected from the group consisting of nucleotide sequences of SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 8.

본 발명에 있어서, 상기 SARS-CoV-2 검출용 헤어핀 구조 올리고머는 서열번호 9 내지 서열번호 68의 염기서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. In the present invention, the hairpin structure oligomer for detecting SARS-CoV-2 may be any one selected from the group consisting of nucleotide sequences of SEQ ID NO: 9 to SEQ ID NO: 68.

본 발명에 있어서, 상기 무세포 반응액은 헤어핀 구조 올리고머를 구성하는 LacZ 유전자의 번역을 위해 필요한 구성성분들을 포함하며, 예컨대 아미노산, rNTP, tRNA, RNA 중합효소, 번역 인자, 아미노아실-tRNA 합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase) 및 리보솜을 포함할 수 있으나, 이것으로 제한되지 않고 필요한 모든 성분을 포함할 수 있다.In the present invention, the cell-free reaction solution contains components necessary for translation of the LacZ gene constituting the hairpin structure oligomer, for example, amino acids, rNTPs, tRNA, RNA polymerase, translation factor, aminoacyl-tRNA synthetase (aminoacyl-tRNA synthetase) and ribosomes, but is not limited thereto, and may include all necessary components.

본 발명에 있어서, 상기 기질은 본 발명에 따른 헤어핀 구조 올리고머에 암호화된 LacZ 유전자로부터 번역된 단백질과의 상호작용을 통해 생성된 산물에 의해 반응액의 색을 보라색(자색) 계열로 변화를 유도하기 위한 것으로, 바람직하게는 클로로페놀 레드-β-D-갈락토피라노사이드(chlorophenol red-β-D-galactopyranoside; CBRG)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the substrate is used to induce a change in the color of the reaction solution to a purple (purple) series by a product generated through interaction with a protein translated from the LacZ gene encoded in the hairpin structure oligomer according to the present invention. For this purpose, it may be preferably chlorophenol red-β-D-galactopyranoside (CBRG), but is not limited thereto.

본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 CD3ε mRNA 검출방법을 제공한다. As another aspect of the present invention, the present invention provides a method for detecting CD3ε mRNA comprising the following steps.

(a) 피검자 유래 생물학적 시료를 상기 키트에 첨가하여 반응시키는 단계; 및(a) reacting by adding a biological sample derived from a subject to the kit; and

(b) 비색반응에 의한 반응액의 색 변화를 확인하는 단계.(b) confirming the color change of the reaction solution due to the colorimetric reaction.

본 발명에 있어서, 상기 생물학적 시료는 체외로 분리된 조직, 세포, 전혈, 혈액, 타액, 객담, 뇌척수액 및 뇨로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the biological sample may be selected from the group consisting of extracorporeally separated tissues, cells, whole blood, blood, saliva, sputum, cerebrospinal fluid, and urine, but is not limited thereto.

본 발명의 상기 단계 (a)에서, 생물학적 시료를 상기 키트와 반응시키기 전에, 상기 시료를 이용해 핵산 서열 기반 증폭(nucleic acid sequence-based amplification; NASBA) 반응을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the step (a) of the present invention, before reacting the biological sample with the kit, the method may further include performing a nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) reaction using the sample.

본 발명의 일실시예에서는, 신장 이식 거부반응의 지표인 CD3ε 및 IP-10 mRNA를 이용해 NASBA를 수행한 수, 반응물을 이용해 토홀드 스위치 시스템과 반응시킨 결과, 상기 시스템의 검출 민감도가 nM 단위에서 pM 단위 농도의 트리거 RNA를 검출할 수 있어 매우 민감도가 향상된 것을 확인하였다(실시예 5 참조).In one embodiment of the present invention, as a result of reacting with the toehold switch system using the number of NASBA and the reactant using CD3ε and IP-10 mRNA, which are indicators of kidney transplant rejection, the detection sensitivity of the system is in the nM unit. It was confirmed that the pM unit concentration of trigger RNA could be detected, and thus the sensitivity was greatly improved (see Example 5).

상기 단계 (a)에서 반응은 2시간 내지 6시간, 바람직하게는 3 내지 5시간, 더욱 바람직하게는 4시간일 수 있으며, 이는 발현된 베타-갈락토시다아제와 상기 기질간의 반응에 의한 기질의 생성물 생산속도가 안정기에 도달하기까지의 시간을 포함한다. The reaction in step (a) may be 2 hours to 6 hours, preferably 3 to 5 hours, more preferably 4 hours, which is a reaction between the expressed beta-galactosidase and the substrate. It includes the time until the product production rate reaches a plateau.

본 발명에 있어서, 상기 반응액의 색 변화는 육안으로 관찰하거나, 반응액 내 기질의 생성물인 클로로페놀 레드의 흡광도를 측정함으로써 판별할 수 있다. 육안으로 색 변화를 관찰할 때 노란색에서 자색(보라색) 계열로 변화하는 경우 CD3ε mRNA가 존재하는 것으로 판단하는 것일 수 있다. In the present invention, the color change of the reaction solution can be determined by visually observing or measuring the absorbance of chlorophenol red, which is a product of the substrate in the reaction solution. When the color change is observed with the naked eye, if it changes from yellow to purple (purple), it may be determined that CD3ε mRNA is present.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1. 실험재료 및 실험방법Example 1. Experimental materials and methods

1-1. In silico 토홀드 스위치(Toehold Switch) 설계1-1. In silico Toehold Switch Design

본 발명에서 CD3ε 및 SARS-CoV-2 검출을 위해 제작한 토홀드 스위치는 종래 공지된 선행문헌에 개시된 디자인 체계를 기반으로 하여 설계하였다(Cell, 165, 1255-1266). 간략하게, 스위치의 토홀드 영역은 주형 RNA(CD3ε, 바이러스 E 유전자)의 연속적인 30-nt 영역에 결합하도록 설계되었다. 토홀드 부분에 대한 라이브러리는 전체 길이의 주형 RNA 서열에 걸쳐 1-nt 증분으로 생성되었다. 스위치의 다른 부분은 상기 선행문헌에 개시된 보존된 영역을 적용하였다. 최적화된 보존된 영역은 21nt 링커 영역과 함께 최상위 스템(top-stem) (5bp) 및 루프 영역 (12nt)이다. In the present invention, the toehold switch manufactured for the detection of CD3ε and SARS-CoV-2 was designed based on the design scheme disclosed in the conventionally known prior literature (Cell, 165, 1255-1266). Briefly, the threshold region of the switch was designed to bind to a contiguous 30-nt region of the template RNA (CD3ε, viral E gene). Libraries for the toehold portion were generated in 1-nt increments over the full-length template RNA sequence. Other parts of the switch applied the conserved regions disclosed in the preceding literature above. Optimized conserved regions are the top-stem (5 bp) and loop region (12 nt) with a 21 nt linker region.

주형 sRNA에서 생성된 후보 토홀드 영역은 BLAST를 이용해 특이성 확인을 위한 스크리닝을 수행하였다. 다음으로 설계된 토홀드 스위치가 프레임 내 정지 코돈을 회피하는지 확인하였다. 선별된 스위치는 NUPACK 분석 및 유틸리티 모듈을 계산하여 트리거 RNA와의 상호작용을 평가하였다. 동시적 결함 값과 토홀드 스위치의 2차구조 및 스위치/트리거 RNA 복합체 구조의 최소 자유 에너지(MFE)를 계산하였다. Candidate threshold regions generated from the template sRNA were screened for specificity using BLAST. Next, it was checked whether the designed toe hold switch avoids the stop codon in the frame. Selected switches were evaluated for interaction with trigger RNA by calculating NUPACK analysis and utility modules. Simultaneous defect values and the minimum free energy (MFE) of the secondary structure of the toehold switch and the structure of the switch/trigger RNA complex were calculated.

1-2. 토홀드 스위치의 구조1-2. Structure of toe hold switch

토홀드 스위치의 DNA 주형은 베타-갈락토시다제(β-galactosidase) 암호화 유전자(LacZ) 및 벡터와의 후자 결찰을 위해 2개의 오버행(overhangs)을 추가하여 마크로젠(Macrogen)사에서 합성하였다. 주형은 PCR로 증폭시키고 겔 추출법으로 정제하였다. DNA 조각은 Gibson Assembly를 사용하여 LacZ 유전자와 연결하였다. PCR로 증폭시킨 산물은 총 30bp 중첩 영역이 있는 Gibson Assembly를 사용하여 LacI 및 가나마이신(Kanamycin) 내성 유전자를 포함하는 T7 기반 발현 플라스미드(pET28)에 삽입하였고, 이후 증폭 및 추가적인 추출을 위해 DH5α E. coli 균주에 상기 플라스미드를 도입하였다. The DNA template of the toehold switch was synthesized by Macrogen by adding two overhangs for the latter ligation with the beta-galactosidase (β-galactosidase) coding gene (LacZ) and vector. The template was amplified by PCR and purified by gel extraction. The DNA fragment was ligated with the LacZ gene using Gibson Assembly. The PCR-amplified product was inserted into a T7-based expression plasmid (pET28) containing LacI and Kanamycin resistance genes using Gibson Assembly with a total overlapping region of 30 bp, followed by DH5α E. coli strain was introduced into the plasmid.

최적화된 전사를 위해, 두 트리거 RNA의 선형 DNA 주형은 PCR 산물의 5’ 말단에 T7 프로모터 서열을 추가하기 위해 지정된 프라이머 쌍을 사용하여 PCR로 제작하였다. 토홀드 스위치의 선형 DNA 서열은 다음과 같은 프라이머쌍을 이용해 PCR로 제작하였다. FWD_T7 프로모터 (5’-TAATACGACTCACTATAGGG-3’, 서열번호 69) 및 REV_T7 종결인자 (5’-CAAAAAACCCCTCAAGAC-3’, 서열번호 70).For optimized transcription, a linear DNA template of both trigger RNAs was constructed by PCR using a primer pair designated to add a T7 promoter sequence to the 5' end of the PCR product. The linear DNA sequence of the toehold switch was prepared by PCR using the following primer pair. FWD_T7 promoter (5'-TAATACGACTCACTATAGGG-3', SEQ ID NO: 69) and REV_T7 terminator (5'-CAAAAAACCCCTCAAGAC-3', SEQ ID NO: 70).

다음으로, T7 RNAP 기반 전사 키트(MEGAscript® Kit, Thermo Fisher)를 사용하여 해당 DNA 주형에서 트리거 RNA 및 RNA 형태의 토홀드 스위치를 합성했다. 이어서 제조사의 프로토콜에 따라 MEGAclear™ 키트(Thermo Fisher)를 이용해 RNA를 정제하였다. RNA의 농도는 NanoDrop One 분광 광도계(Thermo Fisher)를 사용하여 확인하였고, -20℃에서 보관하였다.Next, trigger RNA and RNA-type toehold switches were synthesized from the corresponding DNA template using a T7 RNAP-based transcription kit (MEGAscript® Kit, Thermo Fisher). RNA was then purified using the MEGAclear™ kit (Thermo Fisher) according to the manufacturer's protocol. The concentration of RNA was checked using a NanoDrop One spectrophotometer (Thermo Fisher) and stored at -20°C.

1-3. 무세포 플랫폼 반응물의 제조1-3. Preparation of Cell-Free Platform Reactants

PURExpress In Vitro Protein Synthesis Kit(NEB, E6800S)를 이용해 무세포 반응물 용액을 제조하였다. 구체적으로, 용액 A에는 아미노산과 rNTP를 포함한 작은 분자와 tRNA가 포함되어 있으며, 반면에 용액 B에는 T7 RNA 중합 효소, 번역 인자, 아미노아실-tRNA 합성효소 및 에너지 재생 효소와 같은 단백질 성분 및 리보솜이 포함되어 있다. 나머지는 RNA 억제제 (20 U/30 μL 반응, NEB, Murine), 비색반응의 기질인 클로로페놀 레드-β-D-갈락토피라노사이드(chlorophenol red-β-D-galactopyranoside; CBRG, 0.6 mg/L), 토홀드 스위치의 RNA (100 nM) 및 트리거 RNA CD3ε (1 μM)을 포함하였다. 37℃에서 배양하는 동안 무세포 반응액에서 LacZ 반응으로부터 생성된 클로로페놀 레드 생성물의 최대 흡광도인 570 nm 파장에서 측정하여 흡광도가 안정기에 도달할 때까지 15분마다 비색 변화를 평가했다.A cell-free reaction solution was prepared using the PURExpress In Vitro Protein Synthesis Kit (NEB, E6800S). Specifically, solution A contains tRNA and small molecules including amino acids and rNTPs, while solution B contains protein components such as T7 RNA polymerase, translation factor, aminoacyl-tRNA synthetase and energy regenerative enzyme and ribosomes. Included. The rest is RNA inhibitor (20 U/30 μL reaction, NEB, Murine), chlorophenol red-β-D-galactopyranoside (CBRG, 0.6 mg/ L), RNA of the toehold switch (100 nM) and trigger RNA CD3ε (1 μM). The colorimetric change was evaluated every 15 minutes until the absorbance reached a plateau by measuring at a wavelength of 570 nm, which is the maximum absorbance of the chlorophenol red product generated from the LacZ reaction in the cell-free reaction solution during incubation at 37°C.

1-4. 토홀드 스위치 스크리닝1-4. Toehold switch screening

반응 동력학을 이용하여 설계된 토홀드 스위치를 스크리닝하였다. 15분 간격으로 측정한 시간 경과에 따른 무세포 반응액의 흡광도 측정 데이터는 570 nm 파장에서 NanoDrop One 분광 광도계(Thermo Fisher)로 측정하여 도출되었다. 토홀드 스위치의 스크리닝은 흡광도의 배수 변화 결과에 기반하여 수행하였다. 상대적으로 배수 변화가 크고 짧은 배양 시간에 최대 흡광도에 도달하는 스위치를 선별하였다.Toehold switches designed using reaction kinetics were screened. Absorbance measurement data of the cell-free reaction solution over time, measured at 15-minute intervals, were derived by measuring with a NanoDrop One spectrophotometer (Thermo Fisher) at a wavelength of 570 nm. The screening of the toehold switch was performed based on the result of the fold change of absorbance. Switches having a relatively large fold change and reaching the maximum absorbance in a short incubation time were selected.

1-5. 토홀드 스위치의 특이성 및 민감도 분석1-5. Specificity and Sensitivity Analysis of Toehold Switches

토홀드 스위치의 특이성과 민감도를 확인하기 위해, 상기 실시예 1-3의 방법에 따라 무세포 반응액을 제조하고 570 nm 파장에서 240분 동안 배양한 후 반응액의 흡광도를 측정하였다.In order to confirm the specificity and sensitivity of the toehold switch, a cell-free reaction solution was prepared according to the method of Examples 1-3, and the absorbance of the reaction solution was measured after incubation at a wavelength of 570 nm for 240 minutes.

토홀드 스위치의 특이성은 다른 RNA, 즉 IP-10 mRNA 및 18S rRNA와 같이 비-동족성 트리거 RNA를 이용하여 평가하였다. 상기 소변 내에 포함된 RNA는 RNA 합성 프로토콜에 따라 DNA 주형으로부터 합성하였으며 토홀드 스위치의 특이성을 평가하기 위해 100 nM 농도로 무세포 반응액에 추가하였다. 토홀드 스위치의 특이성은 트리거 mRNA CD3ε를 사용한 반응액의 흡광도와 IP-10 mRNA 및 18S rRNA를 각각 사용한 반응액의 흡광도를 비교하여 평가하였다.The specificity of the toehold switch was evaluated using other RNAs, i.e., non-homologous trigger RNAs such as IP-10 mRNA and 18S rRNA. The RNA contained in the urine was synthesized from a DNA template according to the RNA synthesis protocol, and was added to the cell-free reaction solution at a concentration of 100 nM to evaluate the specificity of the toehold switch. The specificity of the toehold switch was evaluated by comparing the absorbance of the reaction solution using the trigger mRNA CD3ε with the absorbance of the reaction solution using IP-10 mRNA and 18S rRNA, respectively.

토홀드 스위치의 민감도는 트리거 RNA CD3ε의 농도를 1000 nM에서 0.1 nM 범위로 사용하여 분석하였다. 반응액의 흡광도는 토홀드 스위치만 포함된 반응액의 흡광도와 비교하였다.The sensitivity of the toehold switch was analyzed using the concentration of trigger RNA CD3ε in the range of 1000 nM to 0.1 nM. The absorbance of the reaction solution was compared with the absorbance of the reaction solution including only the toe hold switch.

1-6. 민감도의 최적화를 위한 NASBA1-6. NASBA for Optimization of Sensitivity

NASBA 반응은 IP-10 및 CD3ε 토홀드 스위치 모두를 최적화하는데 사용하였다. NASBA 반응을 위해, 토홀드-상보성 영역 (IP-10의 경우 136-nt 영역, CD3ε의 경우 137-nt 영역)을 포함하는 RNA 앰플리콘을 NASBA 프라이머 설계를 위한 주형으로 사용하였다. 반응 버퍼(Life Sciences Advanced Technologies, NECB-24), 뉴클레오티드 믹스(Life Sciences Advanced Technologies, NECN-24), RNase 억제제(Roche), nuclease free water 및 트리거 mRNA (IP-10 또는 CD3ε)를 제조사의 프로토콜하에 4℃에서 혼합하고 65℃에서 2분 동안 배양한 다음 41℃에서 10분 동안 배양하였다. 다음으로, 효소 믹스(Life Sciences Advanced Technologies, NEC-1-24)를 반응물에 첨가하고(최종 부피 5 mL) 혼합물을 41℃에서 2시간 동안 배양하였다. NASBA 반응은 무세포 반응에 사용하기 위해 물에서 1:5의 비율로 희석하였다. IP-10 및 CD3ε는 NASBA의 효율을 평가하기 위해 100 pM, 10 pM, 1 pM 및 0.1 pM의 농도로 사용하였다.NASBA reactions were used to optimize both the IP-10 and CD3ε toehold switches. For the NASBA reaction, an RNA amplicon containing a threshold-complementarity region (136-nt region for IP-10, 137-nt region for CD3ε) was used as a template for NASBA primer design. Reaction buffer (Life Sciences Advanced Technologies, NECB-24), nucleotide mix (Life Sciences Advanced Technologies, NECN-24), RNase inhibitor (Roche), nuclease free water and trigger mRNA (IP-10 or CD3ε) under the manufacturer's protocol Mixed at 4°C, incubated at 65°C for 2 minutes, and then incubated at 41°C for 10 minutes. Next, enzyme mix (Life Sciences Advanced Technologies, NEC-1-24) was added to the reaction (final volume 5 mL) and the mixture was incubated at 41° C. for 2 hours. NASBA reactions were diluted 1:5 in water for use in cell-free reactions. IP-10 and CD3ε were used at concentrations of 100 pM, 10 pM, 1 pM and 0.1 pM to evaluate the efficiency of NASBA.

1-7. 흡광도의 배수 변화 측정1-7. Measurement of fold change in absorbance

흡광도의 배수 변화 값은 유도된 반응에서 LacZ의 생산 속도를 의미하는 색상 변화 속도의 차이를 나타낸다. 무세포 시스템 및 기질 클로로페놀 레드-β-D-갈락토피라노사이드가 흡광도에 미치는 영향을 배제하기 위해 토홀드 스위치 및 트리거 RNA를 포함하지 않는 대조군 반응액을 블랭크(blank)로 사용하였다. 배수 변화는 각 시점에서 반응액의 흡광도를 토홀드 스위치만 포함하는 대조군 반응액의 흡광도로 나누어 계산하였다. 측정 오류는 3회 반복실험의 표준 편차로부터 계산하였다.The fold change value of absorbance represents the difference in the color change rate, which means the production rate of LacZ in the induced reaction. In order to exclude the effect of the cell-free system and the substrate chlorophenol red-β-D-galactopyranoside on absorbance, a control reaction solution containing no toehold switch and trigger RNA was used as a blank. The fold change was calculated by dividing the absorbance of the reaction solution at each time point by the absorbance of the control reaction solution including only the toehold switch. Measurement error was calculated from the standard deviation of 3 replicates.

실시예 2. 소변 내 CD3ε mRNA의 검출을 위한 토홀드 스위치 설계Example 2. Toehold switch design for detection of CD3ε mRNA in urine

도 1에 그림으로 도시된 바와 같이 토홀드 스위치는 헤어핀 구조 및 토홀드 영역을 포함하는 합성 리보스위치(riboswitch)로, 트리거 RNA와의 상보적 결합에 의해 헤어핀 구조가 열리면 리보솜이 리보솜 결합 영역에 결합하여 변역이 개시된다. 소변 RNA CD3ε의 DNA 주형에 기반하여 총 302개의 후보 토홀드 스위치를 설계 및 제작하였다. 이후 4개 이상의 연속된 동일한 뉴클레오티드 서열 패턴(AAAA, TTTT, CCCC, GGGG)이 포함된 스위치를 제거하여 145개의 토홀드 스위치 선별하였고, 다른 인간 유전자 서열과의 높은 상동성을 갖는 토홀드 스위치 및 프레임 내 정지 코돈을 갖는 토홀드 스위치를 제거하여 47개의 스위치를 선별하였다. 마지막으로 낮은 결합 값을 갖는 총 8개의 토홀드 스위치(70, 71, 72, 109, 175, 176, 291 및 297)를 선택하여 합성 및 효율성 검증을 진행하였다.1, the toehold switch is a synthetic riboswitch that includes a hairpin structure and a toehold region. When the hairpin structure is opened by complementary binding with a trigger RNA, the ribosome binds to the ribosome binding region. The transformation is initiated. Based on the DNA template of urine RNA CD3ε, a total of 302 candidate toehold switches were designed and fabricated. Then, by removing the switches containing 4 or more consecutive identical nucleotide sequence patterns (AAAA, TTTT, CCCC, GGGG), 145 threshold switches were selected, and the threshold switches and frames with high homology with other human gene sequences 47 switches were selected by removing the toehold switch with the stop codon inside. Finally, a total of eight toehold switches (70, 71, 72, 109, 175, 176, 291 and 297) having a low coupling value were selected to perform synthesis and efficiency verification.

실시예 3. 토홀드 스위치의 Example 3. Toe hold switch in vitro in vitro 스크리닝screening

상기 실시예 2에서 선별된 8개의 토홀드 스위치를 이용하여 트리거 mRNA CD3ε의 검출능력을 비교하였다. 실험결과, 도 1a에 나타낸 바와 같이 대부분의 토홀드 스위치의 시간에 대한 흡광도 변화는 240분 동안의 배양 후 LacZ 생성 속도가 느려지며 완화되는 것으로 나타났다. 또한 8개의 토홀드 스위치 중 2개의 스위치(175 및 176)만이 대조군 반응과 비교하여 도 1b에서 볼 수 있는 비색 변화의 현저한 차이를 통해 높은 LacZ 생산율을 보여주었다(각각 36배 및 10배). 또한 도 1c의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 두 스위치의 비색 변화를 육안으로도 구별이 가능하였다. The detection ability of trigger mRNA CD3ε was compared using the eight toehold switches selected in Example 2 above. As a result of the experiment, as shown in FIG. 1a , the change in absorbance with respect to most of the toehold switches was found to be alleviated by slowing down the LacZ production rate after incubation for 240 minutes. In addition, only two of the eight toehold switches (175 and 176) showed a high rate of LacZ production through significant differences in the colorimetric change seen in Figure 1b compared to the control response (36-fold and 10-fold, respectively). In addition, as can be seen from the result of FIG. 1c, it was possible to distinguish the colorimetric change of the two switches with the naked eye.

실시예 4. 토홀드 스위치의 특이성 및 민감도 확인Example 4. Confirmation of specificity and sensitivity of toehold switch

도 3은 상기 선별된 두 종류의 토홀드 스위치에 대한 특이성 분석 결과를 보여준다. 트리거 mRNA와 비-트리거 RNA 각각을 이용해 240분 동안의 배양 후 무세포 반응액의 흡광도를 측정한 결과, 175번 토홀드 스위치는 상기 두 RNA 간에 LacZ 흡광도의 배수 변화가 유의한 차이를 나타내었다(IP-10 mRNA의 경우 10배, CD3ε mRNA의 경우 36배, 및 18S rRNA의 경우 4배). 176번 토홀드 스위치도 다른 두 RNA에 비해 CD3ε mRNA에 대하여 상대적으로 높은 특이성을 보였지만 흡광도 차이는 175번에 비해 훨씬 낮게 나타났다. 따라서 175번 토홀드 스위치가 트리거 CD3ε mRNA의 검출에 가장 효과적임을 알 수 있었다.3 shows the results of specificity analysis for the two types of toehold switches selected above. As a result of measuring the absorbance of the cell-free reaction solution after incubation for 240 minutes using each of the trigger mRNA and the non-trigger RNA, the 175 toehold switch showed a significant difference in the fold change of the LacZ absorbance between the two RNAs ( 10-fold for IP-10 mRNA, 36-fold for CD3ε mRNA, and 4-fold for 18S rRNA). Toehold switch 176 also showed relatively high specificity for CD3ε mRNA compared to the other two RNAs, but the difference in absorbance was much lower than that of 175. Therefore, it can be seen that the 175 toehold switch is the most effective for the detection of trigger CD3ε mRNA.

나아가 CD3ε mRNA를 1000 nM 내지 0.1 nM 농도 범위로 이용하여 175번 토홀드 스위치의 검출 민감도를 확인해보고자 하였다. 그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 각각 CD3ε mRNA를 1000 및 100 nM 농도로 이용한 경우 흡광도 값의 배수 변화가 각각 36배 및 42배로 가장 높게 나타났다. 10 nM ~ 0.1 nM 범위의 농도에서 흡광도 배수 변화는 10 미만이었지만 대조군 반응보다는 훨씬 높게 나타났다. 가시적 비색 변화 측면에서는 1000 nM 및 100 nM 농도에서 반응의 비색 변화가 육안으로 인식될 수 있는 선명한 보라색을 나타내었다. 농도 범위가 10 ~ 0.1 nM 인 경우에는 1000 nM 및 100 nM에서의 결과에 비해 비색 변화가 뚜렷하지 않은 오렌지색 계열로 나타났다.Furthermore, it was attempted to confirm the detection sensitivity of the 175 toehold switch by using CD3ε mRNA in a concentration range of 1000 nM to 0.1 nM. As a result, as shown in FIG. 4, when CD3ε mRNA was used at 1000 and 100 nM concentrations, respectively, the fold change in absorbance value was the highest at 36-fold and 42-fold, respectively. At concentrations ranging from 10 nM to 0.1 nM, the absorbance fold change was less than 10, but much higher than that of the control response. In terms of the visible colorimetric change, the colorimetric change of the reaction at the concentrations of 1000 nM and 100 nM exhibited a vivid purple color that can be recognized with the naked eye. In the case of concentration range of 10 ~ 0.1 nM, compared to the results at 1000 nM and 100 nM, the colorimetric change was not evident, and it appeared as an orange color.

실시예 5. 민감도 최적화를 위한 등온 증폭 NASBAExample 5. Isothermal Amplification NASBA for Sensitivity Optimization

NASBA는 토홀드 스위치 1과 175 각각의 mRNA 영역에 해당하는 IP-10 및 CD3ε의 트리거 mRNA 영역에서 수행되었다. NASBA 반응은 2시간 동안 실시하였으며 산물은 무세포 플랫폼 기반 토홀드 스위치 시스템에 이용되었다. 그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이 CD3ε의 경우, NASBA로 증폭된 트리거 RNA를 이용한 반응액의 배수 변화가 비-NASBA 트리거 RNA를 이용한 경우 보다 높은 것으로 나타났으며, 검출 민감도가 10 pM까지 낮아지는 것을 확인하였다. 이것은 상기 실시예 4에서 확인한 민감도에 비해 민감도가 향상되었음을 보여준다. 또한 IP-10의 경우 NASBA 증폭 트리거 mRNA IP-10의 검출 한계가 10 pM 수준까지 감소하는 것을 확인하였다. 1 및 0.1 pM의 트리거 mRNA IP-10을 사용한 NASBA 증폭은 비-NASBA 트리거 mRNA를 이용한 것과 비교하여 LacZ 흡광도의 배수 변화에서 뚜렷한 차이를 나타내었다. 이 실험의 결과는 NASBA가 저농도의 트리거 RNA 검출을 위한 시스템의 감도를 최적화하기 위해 무세포 플랫폼 기반 토홀드 스위치 시스템에 결합하여 수행될 수 있는 가능성을 보여주었다.NASBA was performed in the trigger mRNA regions of IP-10 and CD3ε, corresponding to the respective mRNA regions of toehold switches 1 and 175. The NASBA reaction was run for 2 hours and the product was used in a cell-free platform-based toehold switch system. As a result, as shown in FIG. 5 , in the case of CD3ε, the fold change of the reaction solution using the trigger RNA amplified with NASBA was higher than when the non-NASBA trigger RNA was used, and the detection sensitivity was lowered to 10 pM. confirmed that. This shows that the sensitivity is improved compared to the sensitivity confirmed in Example 4. In addition, in the case of IP-10, it was confirmed that the detection limit of the NASBA amplification trigger mRNA IP-10 was reduced to a level of 10 pM. NASBA amplification with trigger mRNA IP-10 at 1 and 0.1 pM showed distinct differences in fold change in LacZ absorbance compared to that with non-NASBA trigger mRNA. The results of this experiment showed the possibility that NASBA could be performed in combination with a cell-free platform-based toehold switch system to optimize the sensitivity of the system for detecting low concentrations of trigger RNA.

실시예 6. SARS-CoV-2 검출용 토홀드 스위치 설계를 위한 토홀드 스위치 설계 접근법의 적용Example 6. Application of Toehold Switch Design Approach for Designing Toehold Switches for SARS-CoV-2 Detection

본 발명자들은 토홀드 스위치 설계를 통해 다양한 RNA의 검출에 광범위하게 적용 가능함을 확인하였다. 구체적으로, 상기 설계 방법을 이용해 SARS-CoV-2 검출용 토홀드 스위치를 제작하고자 하였다, 상기 바이러스의 검출을 위해 SARS-CoV-2 게놈 (NC_045512.2)에서 바이러스 E 유전자의 서열을 토홀드 스위치 디자인의 주형으로 이용하였다. 결과적으로 바이러스 E 유전자를 기반으로 하여 총 199개의 후보 토홀드 도메인을 설계하였다. 상기 후보군에서 4개 이상의 연속적인 동일한 뉴클레오티드, 예컨대 AAAA, TTTT, CCCC, GGGG의 서열 패턴을 포함하는 토홀드 도메인을 제거하여 112개의 토홀드 도메인을 선별하였고, 이어서 BLAST를 사용하여 특이성을 테스트하였는데, 이때에는 제거되는 토홀드 도메인이 없었다. 토홀드 스위치 디자인은 상기 실시예 1-2에 기재한 보존된 영역을 추가하여 완료한 다음 프레임 내 정지 코돈을 포함하지 않는 토홀드 스위치를 선별하였으며, 결과적으로 100개의 스위치가 선별되었다. 이어서 상기 선별된 토홀드 스위치에 대하여 바이러스 E 유전자를 갖는 복합체 구조에 대한 결함 값을 계산했다. 결과적으로, 결함 값이 낮은 (< 20 %) 60개의 토홀드 스위치를 도출하였다. 상기 도출된 토홀드 스위치에 대하여 높은 역학, 특이도 및 민감도를 분석하여 효율적인 스위치를 추가로 선별할 수 있다. The present inventors confirmed that the toehold switch design is widely applicable to the detection of various RNAs. Specifically, it was intended to fabricate a toehold switch for detecting SARS-CoV-2 using the above design method. For the detection of the virus, the sequence of the virus E gene in the SARS-CoV-2 genome (NC_045512.2) was converted to a toehold switch It was used as a template for the design. As a result, a total of 199 candidate toehold domains were designed based on the viral E gene. In the candidate group, 112 top domains were selected by removing the top domain comprising a sequence pattern of 4 or more consecutive identical nucleotides, such as AAAA, TTTT, CCCC, GGGG, and then specificity was tested using BLAST, At this time, there was no toehold domain to be removed. The design of the toehold switch was completed by adding the conserved region described in Example 1-2 above, and then the toehold switch that did not include a stop codon in the frame was selected, and as a result, 100 switches were selected. Defect values for the complex structure with the viral E gene were then calculated for the selected toehold switches. As a result, 60 toehold switches with low defect values (< 20 %) were derived. An efficient switch can be further selected by analyzing high dynamics, specificity, and sensitivity for the derived toehold switch.

상기 진술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The description of the present invention stated above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. There will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

<110> University-Industry Cooperation Group of Kyung Hee University <120> Kit for detecting biomarker using toehold switch system and detection method thereof <130> PD20-227 <160> 70 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_175 <400> 1 gacaggtgat cctcatcact gcctatgttt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 acataggcag aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 2 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_176 <400> 2 tgacaggtga tcctcatcac tgcctatgtt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 cataggcagt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 3 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_70 <400> 3 gtcaatatta ctgtggttcc agagatggag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 ccatctctgg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 4 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_71 <400> 4 tgtcaatatt actgtggttc cagagatgga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 catctctgga 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switches_SARS-CoV-2_24 <400> 28 agtacgctat taactattaa cgtacctgtc ggactttaga acagaggaga taaagatgga 60 caggtacgtt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 29 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_25 <400> 29 aagtacgcta ttaactatta acgtacctgt ggactttaga acagaggaga taaagatgac 60 aggtacgtta aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 30 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_27 <400> 30 agaagtacgc tattaactat taacgtacct ggactttaga acagaggaga taaagatgag 60 gtacgttaat aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 31 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_28 <400> 31 aagaagtacg ctattaacta ttaacgtacc ggactttaga acagaggaga taaagatggg 60 tacgttaata aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 32 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_68 <400> 32 tggctagtgt aactagcaag aataccacga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 gtggtattct aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 33 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_69 <400> 33 atggctagtg taactagcaa gaataccacg ggactttaga acagaggaga taaagatgcg 60 tggtattctt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 34 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_70 <400> 34 gatggctagt gtaactagca agaataccac ggactttaga acagaggaga taaagatggt 60 ggtattcttg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 35 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_76 <400> 35 agtaaggatg gctagtgtaa ctagcaagaa ggactttaga acagaggaga taaagatgtt 60 cttgctagtt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 36 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_78 <400> 36 gcagtaagga tggctagtgt aactagcaag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 tgctagttac aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 37 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_79 <400> 37 cgcagtaagg atggctagtg taactagcaa ggactttaga acagaggaga taaagatgtt 60 gctagttaca aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 38 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_84 <400> 38 cgaagcgcag taaggatggc tagtgtaact ggactttaga acagaggaga taaagatgag 60 ttacactagc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 39 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_87 <400> 39 aatcgaagcg cagtaaggat ggctagtgta ggactttaga acagaggaga taaagatgta 60 cactagccat aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 40 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_88 <400> 40 caatcgaagc gcagtaagga tggctagtgt ggactttaga acagaggaga taaagatgac 60 actagccatc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 41 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_91 <400> 41 acacaatcga agcgcagtaa ggatggctag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 agccatcctt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 42 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_95 <400> 42 acgcacacaa tcgaagcgca gtaaggatgg ggactttaga acagaggaga taaagatgcc 60 atccttactg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 43 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_98 <400> 43 agtacgcaca caatcgaagc gcagtaagga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 cttactgcgc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 44 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_103 <400> 44 gcagcagtac gcacacaatc gaagcgcagt ggactttaga acagaggaga taaagatgac 60 tgcgcttcga aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 45 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_105 <400> 45 ttgcagcagt acgcacacaa tcgaagcgca ggactttaga acagaggaga taaagatgtg 60 cgcttcgatt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 46 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_113 <400> 46 taacaatatt gcagcagtac gcacacaatc ggactttaga acagaggaga taaagatgga 60 ttgtgtgcgt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 47 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_114 <400> 47 ttaacaatat tgcagcagta cgcacacaat ggactttaga acagaggaga taaagatgat 60 tgtgtgcgta aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 48 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_115 <400> 48 gttaacaata ttgcagcagt acgcacacaa ggactttaga acagaggaga taaagatgtt 60 gtgtgcgtac aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 49 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_116 <400> 49 cgttaacaat attgcagcag tacgcacaca ggactttaga acagaggaga taaagatgtg 60 tgtgcgtact aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 50 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_117 <400> 50 acgttaacaa tattgcagca gtacgcacac ggactttaga acagaggaga taaagatggt 60 gtgcgtactg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 51 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_118 <400> 51 cacgttaaca atattgcagc agtacgcaca ggactttaga acagaggaga taaagatgtg 60 tgcgtactgc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 52 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_119 <400> 52 tcacgttaac aatattgcag cagtacgcac ggactttaga acagaggaga taaagatggt 60 gcgtactgct aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 53 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_120 <400> 53 ctcacgttaa caatattgca gcagtacgca ggactttaga acagaggaga taaagatgtg 60 cgtactgctg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 54 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_121 <400> 54 actcacgtta acaatattgc agcagtacgc ggactttaga acagaggaga taaagatggc 60 gtactgctgc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 55 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_122 <400> 55 gactcacgtt aacaatattg cagcagtacg ggactttaga acagaggaga taaagatgcg 60 tactgctgca aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 56 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_123 <400> 56 agactcacgt taacaatatt gcagcagtac ggactttaga acagaggaga taaagatggt 60 actgctgcaa aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 57 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_124 <400> 57 aagactcacg ttaacaatat tgcagcagta ggactttaga acagaggaga taaagatgta 60 ctgctgcaat aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 58 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_125 <400> 58 caagactcac gttaacaata ttgcagcagt ggactttaga acagaggaga taaagatgac 60 tgctgcaata aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 59 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_126 <400> 59 acaagactca cgttaacaat attgcagcag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 gctgcaatat aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 60 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_127 <400> 60 tacaagactc acgttaacaa tattgcagca ggactttaga acagaggaga taaagatgtg 60 ctgcaatatt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 61 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_189 <400> 61 agatcaggaa ctctagaaga attcagattt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 atctgaattc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 62 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_190 <400> 62 aagatcagga actctagaag aattcagatt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 tctgaattct aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 63 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_191 <400> 63 gaagatcagg aactctagaa gaattcagat ggactttaga acagaggaga taaagatgat 60 ctgaattctt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 64 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_192 <400> 64 agaagatcag gaactctaga agaattcaga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 tgaattcttc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 65 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_193 <400> 65 cagaagatca ggaactctag aagaattcag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 gaattcttct aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 66 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_196 <400> 66 gaccagaaga tcaggaactc tagaagaatt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 ttcttctaga aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 67 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_197 <400> 67 agaccagaag atcaggaact ctagaagaat ggactttaga acagaggaga taaagatgat 60 tcttctagag aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 68 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_199 <400> 68 ttagaccaga agatcaggaa ctctagaaga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 ttctagagtt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 69 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> FWD_T7_promoter <400> 69 taatacgact cactataggg 20 <210> 70 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> REV_T7_terminator <400> 70 caaaaaaccc ctcaagac 18 <110> University-Industry Cooperation Group of Kyung Hee University <120> Kit for detecting biomarker using toehold switch system and detection method thereof <130> PD20-227 <160> 70 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_175 <400> 1 gacaggtgat cctcatcact gcctatgttt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 acataggcag aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> <212> DNA <211> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_176 <400> 2 tgacaggtga tcctcatcac tgcctatgtt ggactttaga acagaggaga taaagatgaa 60 cataggcagt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 3 <211e_213> 91 <212> DNA <223> Artificial Tohold switches <212> 400> 3 gtcaatatta ctgtggttcc agagatggag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 ccatctctgg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 4 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3 agatttaga attc t ggt aga agatttaga <400> 60 catctctgga a acctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 5 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_72 <400> 5 atgtcaatat tactgtggtt ccagagatgg ggactttaga acagaggaga taaagatgca <210 aacct ggcgg cag ggcc> 60 atctctggaa 211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_109 <400> 6 tgttgccata gtatttcaga tccaggatac ggactttaga acagaggaga taaagatggt 60 atcctggatc aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 7211> DNA <210> 7211 > Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_CD3E_291 <400> 7 gttctcacac actcttgccc tcaggtagag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 ctacctgagg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 8 <211> < 91 <220> Artificial Sequence <220> DNA Toehold switches_CD3E_297 <400> 8 catgcagttc tcacacactc ttgccctcag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 gagggcaaga aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 9 <211> 91 <212> DNA <223> Artificial Sequence3 <220> 9 gtacctgtct cttccgaaac gaatgagtac ggactttaga acag aggaga taaagatggt 60 actcattcgt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 10 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_5 <400> 10 acgtacctagat ctctactagaccgaa acgaatgagt t acccattttaggt t aggactt cagcgcaaaa g 91 <210> 11 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_6 <400> 11 aacgtacctg tctcttccga aacgaatgag ggactttaga acagaggaga taaagatgct 60 cattcgtttc aacct gga g cag <210 aacct gga g 91 > 12 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_7 <400> 12 taacgtacct gtctcttccg aaacgaatga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 attcgtttcg aacctggcgg cagcgcaaa> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_8 <400> 13 ttaacgtacc tgtctcttcc gaaacgaatg ggactttaga acagaggaga taaagatgca 60 ttcgtttcgg aacctggcgg cagcgca <aaa g 91 <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2 _9 <400> 14 attaacgtac ctgtctctttc cgaaacgaat ggactttaga acagaggaga taaagatgat 60 tcgtttcgga aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 15 <211> 91_10> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV tattaacgta cctgtctctt ccgaaacgaa ggactttaga acagaggaga taaagatgtt 60 cgtttcggaa aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 16 <211> 91 <212> DNA <213> cta ttaacgt ggacta ggta gt ac gt ggsars-CoV -2 taaagatgtc 60 gtttcggaag aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 17 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_12 <400> 17 actattaacg taaacctgtgtagactc taggtgaaacg agg c g 91 <210> 18 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_13 <400> 18 aactattaac gtacctgtct cttccgaaac ggactttaga acagaggaga taaaagatggt 60 210 ttcggaagag aacctggcgg cagc 19 <211> 91 <212> DNA < 213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_14 <400> 19 taactattaa cgtacctgtc tcttccgaaa ggactttaga acagaggaga taaagatgtt 60 tcggaagaga aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 20 <211> Artificial Sequence <210> 20 <211 220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_15 <400> 20 ttaactatta acgtacctgt ctcttccgaa ggactttaga acagaggaga taaagatgtt 60 cggaagagac aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 21 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence> 223 Toehold switches_SARS-CoV-2_16 <400> 21 attaactatt aacgtacctg tctcttccga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 ggaagagaca aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 22 <211> 91 <212> DNA <223> Artificial Sequence <220> Toehold switches_SA 2_17 <400> 22 tattaactat taacgtacct gtctcttccg ggactttaga acagaggaga taaagatgcg 60 gaagagacag aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 23 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_18RS-CoV-2_18RS ctattaacta ttaacgtacc tgtctcttcc ggactttaga acagaggaga taaagatggg 60 aa gagacagg aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 24 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_19 <400> 24 gctattaact attaacgtac ctgtctcttc ggactttaga acagaggaga taaagatgga 60 agagacaggt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 25 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_accttt actattact gg aga accttag <400 taaagatgag 60 agacaggtac aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 26 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoVaca-2_22 <400> 26 tacggctatta cagtaacg agatacctgtctga actagaggaga taatta cagtaacg agatacctgtctc g 91 <210> 27 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_23 <400> 27 gtacgctatt aactattaac gtacctgtct ggactttaga acagaggaga taaagatgag 60 acaggtacgt aacctggcgg cagcgcaa> 28 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_24 <400> 28 agtacgctat taactattaa cgtacctgtc ggactttaga acagaggaga taaagatgga 210 caggtacgtt aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <212> DNA <213> Artific ial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_25 <400> 29 aagtacgcta ttaactatta acgtacctgt ggactttaga acagaggaga taaagatgac 60 aggtacgtta aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 30 <211> < 91 <212 Artificial> DNA <211> <212 <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_27 <400> 30 agaagtacgc tattaactat taacgtacct ggactttaga acagaggaga taaagatgag 60 gtacgttaat aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 31 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence Toehold switches -CoV-2_28 <400> 31 aagaagtacg ctattaacta ttaacgtacc ggactttaga acagaggaga taaagatggg 60 tacgttaata aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 32 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_68 400> 32 tggctagtgt aactagcaag aataccacga ggactttaga acagaggaga taaagatgtc 60 gtggtattct aacctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 33 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_69 <400> Toehold switches_69 <400> gaataccacg ggactttaga acagaggaga taaagatgcg 60 tggtattctt aac ctggcgg cagcgcaaaa g 91 <210> 34 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_70 <400> 34 gatggctagt gtaactagca agaataccac ggactttaga acagaggaga taaagatgg cttg aacca gag cttg aacctatt 91 <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_70 210> 35 <211> 91 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Toehold switches_SARS-CoV-2_76 <400> 35 agtaaggatg gctagtgtaa 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Claims (12)

토홀드 영역(Toehold region), 이중가닥 핵산서열1, 루프서열1, 이중가닥 핵산서열2, 루프서열2, 링커서열 및 발현 핵산서열을 포함하는 헤어핀 구조 올리고머;
무세포(Cell-free) 반응액; 및
기질을 포함하는, CD3ε 또는 SARS-CoV-2의 검출용 키트.
a hairpin structure oligomer comprising a toehold region, a double-stranded nucleic acid sequence 1, a loop sequence 1, a double-stranded nucleic acid sequence 2, a loop sequence 2, a linker sequence, and an expression nucleic acid sequence;
cell-free reaction solution; and
A kit for the detection of CD3ε or SARS-CoV-2 comprising a substrate.
제1항에 있어서,
상기 토홀드 영역은 CD3ε mRNA 또는 SARS-CoV-2 mRNA에 상보적으로 결합하는 것을 특징으로 하는, 키트.
The method of claim 1,
The toehold region is characterized in that complementary binding to CD3ε mRNA or SARS-CoV-2 mRNA, the kit.
제1항에 있어서,
상기 발현 핵산서열은 베타-갈락토시다아제(β-galactosidase; LacZ)를 암호화하는 유전자 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 키트.
The method of claim 1,
The expression nucleic acid sequence is beta-galactosidase (β-galactosidase; LacZ) characterized in that it comprises a gene sequence encoding the kit.
제1항에 있어서,
상기 CD3ε 검출용 헤어핀 구조 올리고머는 서열번호 1 내지 서열번호 8의 염기서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 키트.
The method of claim 1,
The kit, characterized in that the hairpin structure oligomer for detecting CD3ε is any one selected from the group consisting of nucleotide sequences of SEQ ID NO: 1 to SEQ ID NO: 8.
제1항에 있어서,
상기 SARS-CoV-2 검출용 헤어핀 구조 올리고머는 서열번호 9 내지 서열번호 68의 염기서열로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 키트.
The method of claim 1,
The kit, characterized in that the hairpin structure oligomer for detecting SARS-CoV-2 is any one selected from the group consisting of nucleotide sequences of SEQ ID NO: 9 to SEQ ID NO: 68.
제1항에 있어서,
상기 무세포 반응액은 아미노산, rNTP, tRNA, RNA 중합효소, 번역 인자, 아미노아실-tRNA 합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase) 및 리보솜을 포함하는 것을 특징으로 하는, 키트.
The method of claim 1,
The cell-free reaction solution comprises amino acids, rNTPs, tRNA, RNA polymerase, translation factors, aminoacyl-tRNA synthetase (aminoacyl-tRNA synthetase) and ribosomes, the kit.
제1항에 있어서,
상기 기질은 클로로페놀 레드-β-D-갈락토피라노사이드(chlorophenol red-β-D-galactopyranoside; CBRG)인 것을 특징으로 하는, 키트.
The method of claim 1,
The kit, characterized in that the substrate is chlorophenol red-β-D-galactopyranoside (CBRG).
하기의 단계를 포함하는, CD3ε 또는 SARS-CoV-2의 검출방법:
(a) 피검자 유래 생물학적 시료를 제1항의 키트에 첨가하여 반응시키는 단계; 및
(b) 비색반응에 의한 반응액의 색 변화를 확인하는 단계.
A method for detecting CD3ε or SARS-CoV-2, comprising the steps of:
(a) reacting by adding a biological sample derived from the subject to the kit of claim 1; and
(b) confirming the color change of the reaction solution due to the colorimetric reaction.
제8항에 있어서,
상기 생물학적 시료는 조직, 세포, 전혈, 혈액, 타액, 객담, 뇌척수액 및 뇨로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 검출방법.
9. The method of claim 8,
The biological sample is a detection method, characterized in that selected from the group consisting of tissue, cells, whole blood, blood, saliva, sputum, cerebrospinal fluid and urine.
제8항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 생물학적 시료를 상기 키트와 반응시키기 전에, 상기 시료를 이용해 핵산 서열 기반 증폭(nucleic acid sequence-based amplification; NASBA) 반응을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 검출방법.
9. The method of claim 8,
Before reacting the biological sample with the kit in step (a), the detection method further comprising the step of performing a nucleic acid sequence-based amplification (NASBA) reaction using the sample .
제8항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 반응은 2 내지 6시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는, 검출방법.
9. The method of claim 8,
The reaction in step (a) is characterized in that it is made for 2 to 6 hours, the detection method.
제8항에 있어서,
상기 단계 (b)에서, 반응액의 색이 노란색에서 자색으로 변화하는 경우 CD3ε 또는 SARS-CoV-2의 mRNA가 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 검출방법.
9. The method of claim 8,
In step (b), when the color of the reaction solution changes from yellow to purple, it is characterized in that it is determined that the mRNA of CD3ε or SARS-CoV-2 is present.
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