KR20220092036A - Circular Nucleic Acid Template for DNA Hydrogel Production and Protein Synthesis System using The Same - Google Patents

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KR20220092036A
KR20220092036A KR1020200183392A KR20200183392A KR20220092036A KR 20220092036 A KR20220092036 A KR 20220092036A KR 1020200183392 A KR1020200183392 A KR 1020200183392A KR 20200183392 A KR20200183392 A KR 20200183392A KR 20220092036 A KR20220092036 A KR 20220092036A
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강재현
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Abstract

The present invention relates to a circular nucleic acid template for DNA hydrogel production and a protein synthesis system using the same. According to a composition including the circular nucleic acid template for DNA hydrogel production and a manufacturing method of DNA hydrogel production using the same, continuous DNA synthesis is possible in vitro through rolling circle amplification (RCA), and it is useful as a low-cost and high-yield DNA synthesis and amplification platform and can be used for nucleic acid synthesis and genetic diagnosis technology. In addition, the synthesized DNA forms a G-quadruplex structure to form a DNA hydrogel, and DNA hydrogels have high stability and unique physical or chemical properties. In particular, it is possible to synthesize cell-free peptides or proteins from DNA hydrogels encoding peptides or proteins. Also, significantly better protein synthesis efficiency than the existing cell-free synthesis system is shown. Furthermore, as a higher production efficiency is shown than the RNA hydrogel developed by the present inventors, the composition can be usefully utilized in various fields requiring protein synthesis such as medicine and pharmacy, food, and environment as a platform technology for producing peptides.

Description

DNA 하이드로겔 생산용 원형 핵산 템플릿 및 이를 이용한 단백질 합성 시스템 {Circular Nucleic Acid Template for DNA Hydrogel Production and Protein Synthesis System using The Same}Circular Nucleic Acid Template for DNA Hydrogel Production and Protein Synthesis System using The Same}

본 발명은 DNA 하이드로겔의 생산용 원형 핵산 템플릿 및 이를 이용한 단백질 합성 시스템에 관한 것으로, 프로모터 서열, G-사중체(G-quadruplex) 모티프 서열에 상보적인 서열 및 목적서열을 포함하는 DNA 하이드로겔 생산용 원형 핵산 템플릿 및 상기 템플릿으로부터 생산된 DNA 하이드로겔을 이용한 단백질 합성 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a circular nucleic acid template for production of a DNA hydrogel and a protein synthesis system using the same, and a DNA hydrogel comprising a promoter sequence, a sequence complementary to a G-quadruplex motif sequence, and a target sequence It relates to a circular nucleic acid template for use and a protein synthesis system using a DNA hydrogel produced from the template.

센트럴 도그마(Central dogma)는 1956년 영국의 분자생물학자 크릭(Francis Crick)에 의해 입증 및 명명된 유전정보의 흐름 경로를 의미하는 것으로서, DNA의 복제(replication), DNA에서 RNA로의 전사(transcription), 및 RNA에서 단백질로 번역(translation)을 포함한다. 초기 개념은, DNA에서 단백질로 발현되는 흐름을 의미하였으나, 현재의 센트럴 도그마는 RNA에서 DNA로의 역전사(reverse transcription)를 포함하고, RNA의 단백질 코딩 기능 이외의 다양한 기능이 입증되면서, 유전정보의 기능 및 흐름을 모두 포괄하는 개념으로 확장되었다. 유전정보의 흐름 및 센트럴 도그마의 구성의 기능에 대한 연구가 지속되면서, 센트럴 도그마의 각 단계의 관점에서 유전체(DNA 및 RNA 등) 및 단백질(펩타이드)의 합성기술이 생명과학, 의학, 대체 에너지 산업에 중대한 영향을 미치는 가장 원천적인 기술로서 연구 및 발전되어 왔다.Central dogma refers to a flow path of genetic information that was identified and named by British molecular biologist Francis Crick in 1956. DNA replication, DNA to RNA transcription , and RNA to protein translation. The initial concept meant the flow of expression from DNA to protein, but the current central dogma includes reverse transcription from RNA to DNA, and as various functions other than the protein coding function of RNA have been demonstrated, the function of genetic information and a concept that encompasses all flows. As research on the flow of genetic information and the function of the composition of the central dogma continues, the synthesis technology of genomes (DNA and RNA, etc.) and proteins (peptides) from the perspective of each stage of the central dogma has been developed in the life sciences, medicine, and alternative energy industries. It has been researched and developed as the most fundamental technology that has a significant impact on

기존의 유전자 합성 기술에서는 특정 유전자의 정확한 핵산 염기서열을 짧은 올리고뉴클레오티드로 나누어 합성한 뒤 이를 연결하는 방법이 이용되고 있는데, 이는 올리고뉴클레오티드의 합성, 올리고뉴클레오티드의 조립(assembly)을 통한 유전자의 합성, 핵산 염기서열 분석 시 발생하는 여러 요인의 에러를 찾아 정확한 염기서열 분석을 하기 어렵고, 특정 핵산 염기서열의 유전자만을 한 번에 한 종류만 합성할 수 있다는 단점이 있다(Mol Biosyst. 2009 Jul;5(7):714-22. doi:10.1039/b822268c. Epub 2009 Apr 6.).In the existing gene synthesis technology, a method of synthesizing the precise nucleic acid sequence of a specific gene into short oligonucleotides and linking them is used. It is difficult to find errors of various factors that occur during nucleic acid sequencing and accurate sequencing analysis, and there are disadvantages in that only one type of gene of a specific nucleic acid sequence can be synthesized at a time (Mol Biosyst. 2009 Jul; 5 (Mol Biosyst. 2009 Jul; 5) 7):714-22.doi:10.1039/b822268c.Epub 2009 Apr 6.).

현재 DNA 합성에 사용되는 기술로는 주로 PCR 및 박테리아 및 다른 세포 공급원으로부터의 전형적인 플라스미드 정제 과정 등이 있다. 박테리아 및 다른 세포에서 플라스미드를 정제하는 방법은 시간적/인적/경제적 비용이 많이 발생하며, 시험관 내 증폭인 PCR은 빠른 열 순환에 의존하며, 이는 대량 사용시에 비실용적이라는 단점이 있다. Techniques currently used for DNA synthesis mainly include PCR and typical plasmid purification procedures from bacterial and other cellular sources. Methods for purifying plasmids from bacteria and other cells are expensive in time/human/economical, and PCR, which is in vitro amplification, relies on rapid thermal cycling, which is impractical for large-scale use.

기능적 단일-가닥 (예를 들어 mRNA) 및 이중-가닥 RNA 분자는 살아있는 세포에서 및 정제된 재조합 효소 및 정제된 뉴클레오티드 트리포스페이트를 사용하여 시험관 내에서 생산되었다 (유럽 특허 제1631675호 및 미국 특허 출원 공개 더블와이드 밴드014/0271559 A1호 참조). 그럼에도 불구하고, 광범위한 상업적 적용을 가능하게 하는 규모에서의 RNA의 생산은 과도한 비용을 필요로 한다. 최근 RNA 기반의 개발 응용품들 (예, siRNA 혹은 RNAzyme의 치료제 혹은 miRNA 혹은 piwi RNA 기반의 진단플랫폼 등)이 다양한 분야, 특히 의약학 분야에서 새롭게 태동하여 기존 DNA와 단백질을 대신하며 활발히 이용되고 있다. 생물학을 유지하는 중심이론(central dogma)에 따라 DNA에서 RNA를 거쳐 최종 단백질로 생산된다. RNA는 DNA나 단백질과 비교하면 수초 혹은 수분의 매우 짧은 생존력을 가지고 있으나 그 내부에는 DNA 유전체 암호와 단백질의 독특한 기능성을 동시에 가지고 있어서 그 잠재적 응용력이 크다. 이와 같이, RNA의 가능성이 조명되며 이를 상업적으로 이용하기 위한 다양한 생물학적 기술들이 난무하나 세포 속 RNA를 추출하거나 화학적 기술들로 합성하는데 기술적으로 비용적으로 매우 큰 어려움이 있다. 예를 들어, 세포 내 RNA의 분해 속도가 DNA에 비해 빨라서 추출이나 보관이 어려우며, 현재 화학적 합성기술로는 50 염기 길이 이상을 합성하는 것이 어렵고 성공하여도 그 수율이 매우 낮은 실정이다. 현재의 RNA 제조 방법은 세포 내 배양과 화학적 합성으로 나누어 지는데, 두 가지 모두 고비용과 저수율로 인하여 RNA의 우수한 응용성에도 불구하고 그 한계가 끊임없이 지적되고 있다. Functional single-stranded (eg mRNA) and double-stranded RNA molecules have been produced in living cells and in vitro using purified recombinant enzymes and purified nucleotide triphosphates (European Patent No. 1631675 and US Patent Application Publications). Double wide band (see No. 014/0271559 A1). Nevertheless, the production of RNA on a scale that allows for a wide range of commercial applications requires excessive costs. Recently, RNA-based development applications (e.g., siRNA or RNAzyme therapeutics or miRNA or piwi RNA-based diagnostic platforms, etc.) have been actively used in various fields, especially medicine, replacing existing DNA and proteins. According to the central dogma that sustains biology, it is produced from DNA to RNA to the final protein. RNA has a very short viability of a few seconds or minutes compared to DNA or protein, but it has a DNA genome code and a unique function of a protein at the same time, so its potential application is great. As such, the potential of RNA is illuminated, and various biological techniques for commercial use are plentiful, but there is a technically and costly very difficult in extracting RNA in cells or synthesizing it by chemical techniques. For example, since the degradation rate of intracellular RNA is faster than that of DNA, extraction or storage is difficult, and it is difficult to synthesize more than 50 bases in length with current chemical synthesis technology, and even if successful, the yield is very low. Current RNA production methods are divided into intracellular culture and chemical synthesis, both of which have limitations in spite of excellent applications of RNA due to high cost and low yield.

한편, G-사중체(G-quadraplex, G4)는 염색체의 말단 부위, 다양한 유전자의 전사조절부위에서 발견되는 DNA의 2차 구조로서, 핵산 내에 구아닌(guanine, G)이 풍부한 부분에 의해 4개의 DNA 가닥이 서로 짝을 이루어, 수소결합 형태로 형성된 G-사중가닥의 복합체를 의미한다. 텔로미어는 구아닌이 풍부하여, G-사중체를 형성하고, 형성돤 G-사중체는 텔로머레이즈의 활성을 억제한다. 이러한 G-사중체의 특징을 이용한 텔로머레이즈의 활성 억제가 종양세포의 사멸을 유도하는 요법으로 제시되고 있다. 또한, G-사중가닥은 구조의 형성 부위에 따라, 유전자의 전사를 조절하는 것으로도 알려져 있다.On the other hand, the G-quadraplex (G4) is a secondary structure of DNA found in the terminal region of chromosomes and transcriptional regulatory regions of various genes, and is divided into four It refers to a complex of G-quadrued strands formed in the form of hydrogen bonds by pairing DNA strands with each other. Telomeres are rich in guanine to form G-quadrules, which inhibit the activity of telomerase. Inhibition of the activity of telomerase using the characteristics of the G-quadrel has been proposed as a therapy for inducing apoptosis of tumor cells. In addition, it is known that the G-quadrel regulates the transcription of genes according to the formation site of the structure.

본 발명자들은 상기한 RNA 합성(전사) 및 단백질 생산(번역) 시스템 및 합성 RNA의 문제를 해결하기 위해, G-사중체(G-quadruplex) 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 핵산을 템플릿으로 사용하는 원형 순환 전사(Rolling circle transcription: RCT)를 기반의 하이드로겔화 핵산의 생산 및 단백질 생산 시스템을 발명하고, 특허출원한 바 있다(대한민국 특허출원 제10-2019-0136416호, 미공개). 상기 핵산의 생산 시스템으로 합성된 RNA는 G-사중체 구조를 형성하여 하이드로겔화되기 때문에, RNA의 안정성을 현저히 높일 수 있으며, 이로부터 펩타이드 또는 단백질을 생산할 수 있는 무세포 단백질 합성의 플랫폼 기술로서 유용하게 이용될 수 있다. The present inventors use a nucleic acid containing a sequence complementary to a G-quadruplex motif sequence as a template to solve the problems of the above-described RNA synthesis (transcription) and protein production (translation) systems and synthetic RNA A system for producing hydrogelled nucleic acids and protein production based on rolling circle transcription (RCT) was invented and applied for a patent (Korean Patent Application No. 10-2019-0136416, unpublished). Since the RNA synthesized by the nucleic acid production system is hydrogelled by forming a G-quartet structure, the stability of RNA can be significantly increased, and it is useful as a platform technology for cell-free protein synthesis from which peptides or proteins can be produced. can be used

이러한 배경기술 아래에서, 본 발명자들은 상기한 RNA 하이드로겔뿐만 아니라, DNA 하이드로겔의 생산을 위한 템플릿을 개발하고자 예의 노력한 결과, 프로모터 서열; 목적서열; 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열;을 포함하는 DNA 하이드로겔의 생산용 핵산 템플릿을 개발하였으며, 상기 DNA 하이드로겔의 생산용 핵산 템플릿을 주형으로 원형 순환 증폭(Rolling Circle Amplification, RCA)을 수행하여, 매우 높은 수율로 DNA의 증폭이 가능함을 확인하고, 생산된 DNA가 하이드로겔화 되어 안정적이고 물리적인 강도를 갖는 겔을 형성하는 것을 확인하였다. Under this background, the present inventors have made intensive efforts to develop templates for the production of DNA hydrogels as well as the above-described RNA hydrogels, promoter sequences; target sequence; and a sequence complementary to the G-quadrel motif sequence; a nucleic acid template for production of a DNA hydrogel was developed, and using the nucleic acid template for production of the DNA hydrogel as a template, rolling circle amplification (RCA) was performed. It was confirmed that DNA amplification was possible in a very high yield, and it was confirmed that the produced DNA was hydrogelled to form a gel having stable and physical strength.

나아가, 상기 핵산 템플릿을 주형으로 하는 원형 순환 증폭을 통해 DNA 하이드로겔을 제조하고, DNA 하이드로겔을 무세포 단백질 합성 시스템에서 전사 및 번역하여 단백질을 합성하는 경우, 상기 본 발명자들이 개발한 RNA 하이드로겔보다도 현저히 높은 수율로 단백질의 생산이 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다. Furthermore, when a DNA hydrogel is prepared through circular cyclic amplification using the nucleic acid template as a template, and a protein is synthesized by transcription and translation of the DNA hydrogel in a cell-free protein synthesis system, the RNA hydrogel developed by the present inventors The present invention was completed by confirming that the production of protein with a significantly higher yield is possible.

본 배경기술 부분에 기재된 상기 정보는 오직 본 발명의 배경에 대한 이해를 향상시키기 위한 것이며, 이에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 있어 이미 알려진 선행기술을 형성하는 정보를 포함하지 않을 수 있다.The information described in the background section is only for improving the understanding of the background of the present invention, and it does not include information forming prior art known to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. it may not be

본 발명의 목적은 DNA 하이드로겔의 생산을 위한 핵산 템플릿을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a nucleic acid template for the production of a DNA hydrogel.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 핵산 템플릿을 사용한 DNA 하이드로겔의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a DNA hydrogel using the nucleic acid template.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 DNA 하이드로겔의 펩타이드 또는 단백질의 제조 용도를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a use for preparing a peptide or protein of the DNA hydrogel.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프로모터 서열; 목적서열; 및 G-사중체 모티프(G-quadruplex motif)에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿을 포함하는 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a promoter sequence; target sequence; and a nucleic acid template comprising a sequence complementary to a G-quadruplex motif.

본 발명은 또한 프로모터 서열; 목적서열; 및 G-사중체 모티프(G-quadruplex motif)에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿으로부터 DNA를 합성하는 단계를 포함하는 DNA 하이드로겔의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a promoter sequence; target sequence; and synthesizing DNA from a nucleic acid template comprising a sequence complementary to a G-quadruplex motif.

본 발명은 상기 DNA 하이드로겔의 제조방법으로 생산된 프로모터 서열에 상보적인 서열; 목적서열에 상보적인 서열; 및 G-사중체 모티프를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔을 제공한다.The present invention provides a sequence complementary to the promoter sequence produced by the method for preparing the DNA hydrogel; a sequence complementary to the target sequence; And it provides a DNA hydrogel comprising a G- quadruplex motif.

본 발명은 상기 DNA 하이드로겔을 전사 하여 mRNA를 합성하는 단계; 합성된 mRNA를 번역하여 펩타이드 또는 단백질을 합성하는 단계; 및 합성된 펩타이드 또는 단백질을 수득하는 단계를 포함하는 펩타이드 또는 단백질의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of synthesizing mRNA by transcription of the DNA hydrogel; synthesizing a peptide or protein by translating the synthesized mRNA; And it provides a method for producing a peptide or protein comprising the step of obtaining a synthesized peptide or protein.

본 발명의 DNA 하이드로겔의 생산용 핵산 템플릿을 포함하는 조성물 및 이를 이용한 DNA 하이드로겔의 제조방법은 원형 순환 증폭(Rolling circle amplification; RCA)을 통해 in vitro에서도 지속적인 DNA 합성이 가능하여, 저비용 및 고수율의 DNA 합성 및 증폭 플랫폼으로 유용하며, 핵산 합성, 유전자 진단기술 등에 활용이 가능하다. The composition comprising a nucleic acid template for production of a DNA hydrogel of the present invention and a method for preparing a DNA hydrogel using the same enable continuous DNA synthesis in vitro through rolling circle amplification (RCA), resulting in low cost and high cost It is useful as a high-yield DNA synthesis and amplification platform, and can be used for nucleic acid synthesis and gene diagnosis technology.

합성된 DNA는 포함된 G-사중체 모티프에 의해 G-사중체 구조를 형성하여 DNA 하이드로겔을 형성하고, DNA 하이드로겔은 높은 안정성, 고유한 물리/화학적 특성을 지니며, 특히 펩타이드 또는 단백질을 암호화하는 DNA 하이드로겔로부터 무세포 기반의 펩타이드 또는 단백질의 합성이 가능하며, 기존의 무세포 기반의 합성 시스템보다 현저히 뛰어난 단백질 합성효율을 나타내고, 나아가, 본 발명자들이 개발한 RNA 하이드로겔보다도 높은 생산 효율을 나타내는 바, 펩타이드를 생산하는 플랫폼 기술로서, 의약학, 식품, 및 환경 등의 단백질 합성이 필요한 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.The synthesized DNA forms a G-quartet structure by the included G-quartet motif to form a DNA hydrogel, and the DNA hydrogel has high stability and unique physical/chemical properties, especially peptides or proteins. It is possible to synthesize cell-free peptides or proteins from the encoding DNA hydrogel, and shows significantly superior protein synthesis efficiency than the existing cell-free synthesis system, and furthermore, higher production efficiency than the RNA hydrogel developed by the present inventors As a platform technology for producing peptides, it can be usefully used in various fields requiring protein synthesis, such as medicine, food, and the environment.

도 1은 본 발명의 DNA 하이드로겔 생산용 핵산 템플릿을 사용하여 DNA 하이드로겔을 생산하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 각 단계에서, 12% 폴리아크릴아마이드 겔 (polyacrylamide gel) 전기영동을 통해 원형 템플릿 합성 과정이 성공적으로 수행되었는지 확인한 결과이다. 각 레인의 정보는 다음과 같다:
1 레인: 25 bp DNA 래더(ladder), 2 레인: 원형 순환 증폭 프라이머, 3 레인: 어닐링 전 선형 템플릿, 4 레인: 어닐링 후 닉이 있는 원형 템플릿, 5 레인: 접합 후 완성된 원형 순환 증폭 템플릿, 6 레인: 50 bp DNA 래더.
도 3은 12% 폴리아크릴아마이드 겔 전기영동을 통해 원형 순환 증폭 산물 DNA의 겔화를 확인한 결과이다. 각 레인의 정보는 다음과 같다:
1 레인: 25bp DNA 래더(ladder), 2 레인: 어닐링 전 선형 템플릿, 3 레인: 어닐링 후 닉이 있는 원형 템플릿, 4 레인: 접합 후 완성된 원형 순환 증폭 템플릿, 5 레인: 원형 순환 증폭 과정 후 형성된 DNA.
도 4는 원형 순환 증폭을 통해 합성된 DNA 하이드로겔의 시각적 검증 결과를 사진으로 나타낸 것이다.
도 4a: 튜브에 담겨있는 원형 순환 증폭 산물.
도 4b: SYBR Green I(Invitrogen 사)를 통해 염색하여 청색광 영역에서 형광을 띄는 DNA 겔.
도 4c 내지 4e: 20μl 피펫을 사용하여 DNA 겔을 들어올려 시각적으로 확인한 겔의 탄성.
도 5는 시각적으로 확인한 원형 순환 증폭 과정 시간(3시간 또는 48시간)에 따른 결과이다.
도 5a: 45 °C에서의 원형 순환 증폭 과정 종료 직후 결과물
도 5b: 원형 순환 증폭 완료 후 시간이 지난 뒤 겔과 투명한 용액으로 분리된 모습(3시간, 48시간).
도 5c 내지 5d: 각각 3 시간, 48 시간 동안 원형 순환 증폭 과정을 거친 용액을 20μl 피펫 끝에 위치하여 그 모양과 크기를 비교한 결과.
도 6은 12% 폴리아크릴아마이드 겔 전기영동으로 확인한 원형 순환 증폭 과정 시간 다변화 결과이다. 각 레인의 정보는 다음과 같다:
1 레인: 25 bp DNA 래더(ladder), 2 레인: 어닐링 전 선형 템플릿, 3 레인: 어닐링 후 닉이 있는 원형 템플릿, 4 레인: 접합 후 완성된 원형 순환 증폭 템플릿, 5 레인: 3 시간 원형 순환 증폭 과정 후 불투명한 겔 이외의 용액, 6 레인: 48 시간 원형 순환 증폭과정 후 불투명한 겔 이외의 용액. 전기영동은 15 mA에서 60 분 간 수행하였다.
도 7은 본 발명의 핵산 템플릿을 사용하여 제조한 DNA 하이드로겔을 이용한 단백질의 발현효율을 검증한 결과이다. HiBiT 단백질을 암호화하는 DNA 겔을 템플릿으로 사용하여 무세포 단백질 발현 시스템을 통해 발현된 단백질의 상대량을 상대적 인광의 세기로 분석하였다. X축의 정보는 다음과 같다:
음성대조군: 회전환증폭 템플릿 없음, 양성대조군: HiBiT을 암호화하는 선형 DNA 템플릿, 겔 1: DNA 겔+0 μM, 겔 2: DNA 겔+1 μM, 겔 3: DNA 겔+10 μM, 겔 4: DNA 겔+20 μM, 겔 5: DNA 겔+30 μM T7 프로모터 프라이머 사용.
1 schematically shows a process for producing a DNA hydrogel using the nucleic acid template for producing a DNA hydrogel of the present invention.
2 is a result confirming whether the circular template synthesis process was successfully performed through 12% polyacrylamide gel electrophoresis in each step. The information for each lane is as follows:
Lane 1: 25 bp DNA ladder, Lane 2: Circular circular amplification primers, Lane 3: Linear template before annealing, Lane 4: Circular template with nicks after annealing, Lane 5: Complete circular circular amplification template after conjugation, Lane 6: 50 bp DNA ladder.
3 is a result of confirming the gelation of the circular circulation amplification product DNA through 12% polyacrylamide gel electrophoresis. The information for each lane is as follows:
Lane 1: 25 bp DNA ladder, Lane 2: Linear template before annealing, Lane 3: Circular template with nicks after annealing, Lane 4: Completed circular cyclic amplification template after conjugation, Lane 5: Formed after circular cyclic amplification process DNA.
4 is a photograph showing the results of visual verification of a DNA hydrogel synthesized through circular circulation amplification.
Figure 4a: circular circulating amplification products contained in tubes.
Figure 4b: DNA gel staining with SYBR Green I (Invitrogen) and fluorescing in the blue light region.
Figures 4c-4e: Elasticity of the gel visually confirmed by lifting the DNA gel using a 20 μl pipette.
5 is a result according to the visually confirmed circular circulation amplification process time (3 hours or 48 hours).
Figure 5a: Results immediately after the end of the circular circular amplification process at 45 °C.
Figure 5b: The appearance of separation into a gel and a clear solution after a period of time after the completion of circular circulation amplification (3 hours, 48 hours).
5c to 5d: Results of comparing the shape and size of a solution that has undergone circular circulation amplification for 3 hours and 48 hours, respectively, placed at the tip of a 20 μl pipette.
6 is a result of time diversification of the circular circulation amplification process confirmed by 12% polyacrylamide gel electrophoresis. The information for each lane is as follows:
Lane 1: 25 bp DNA ladder, Lane 2: Linear template before annealing, Lane 3: Circular template with nicks after annealing, Lane 4: Completed circular circular amplification template after conjugation, Lane 5: 3 hour circular circular amplification. Solutions other than opaque gel after process, lane 6: 48 hours circular cycle solution other than opaque gel after amplification process. Electrophoresis was performed at 15 mA for 60 minutes.
7 is a result of verifying the expression efficiency of a protein using a DNA hydrogel prepared using the nucleic acid template of the present invention. Using a DNA gel encoding the HiBiT protein as a template, the relative amount of the protein expressed through the cell-free protein expression system was analyzed as the relative phosphorescence intensity. The information on the X-axis is as follows:
Negative control: no rolling circle amplification template, positive control: linear DNA template encoding HiBiT, gel 1: DNA gel+0 μM, gel 2: DNA gel+1 μM, gel 3: DNA gel+10 μM, gel 4: DNA gel+20 μM, gel 5: DNA gel+30 μM using T7 promoter primer.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다. 본 명세서에 기재된 모든 염기서열은 5'말단에서 3'말단으로 작성하였다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is those well known and commonly used in the art. All nucleotide sequences described in this specification were written from the 5' end to the 3' end.

본 발명자들은 G-사중체 모티프(G-quadruplex motif) 서열에 상보적인 서열을 포함하는 핵산을 템플릿으로 사용하는 원형 순환 전사(Rolling circle transcription: RCT)를 기반의 하이드로겔화 핵산(RNA 하이드로겔)의 생산 및 단백질 생산 시스템을 발명하고, 특허출원한 바 있다(대한민국 특허출원 제10-2019-0136416호, 미공개). The present inventors have developed a hydrogelled nucleic acid (RNA hydrogel) based on rolling circle transcription (RCT) using a nucleic acid containing a sequence complementary to a G-quadruplex motif sequence as a template. Invented a production and protein production system and applied for a patent (Korean Patent Application No. 10-2019-0136416, unpublished).

상기 하이드로겔화 핵산(RNA 하이드로겔)의 생산 및 단백질 생산 시스템은 프로모터 서열(안티센스), 목적서열 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿을 이용하며, 상기 목적서열은 단백질을 암호화하는 핵산서열의 '안티센스 가닥'이고, 상기 핵산 템플릿을 주형으로 전사된 RNA가 하이드로겔화 되고, 하이드로겔화 RNA를 번역하여 단백질을 생산하는 것을 특징으로 한다.The hydrogelled nucleic acid (RNA hydrogel) production and protein production system uses a nucleic acid template comprising a promoter sequence (antisense), a target sequence, and a sequence complementary to a G-quartet motif sequence, and the target sequence is a protein It is the 'antisense strand' of the encoding nucleic acid sequence, and the RNA transcribed using the nucleic acid template as a template is hydrogelled, and the hydrogelled RNA is translated to produce a protein.

반면 본 발명에서는 G-사중체에 기반한 DNA 하이드로겔의 제조를 위한 핵산 템플릿, 상기 핵산 템플릿을 이용한 DNA 하이드로겔의 제조방법, 및 이를 활용한 단백질 합성 시스템을 제공한다. 본 발명의 DNA 하이드로겔 생산 시스템은 프로모터 서열(센스 가닥), 목적서열 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿을 이용하며, 상기 핵산 템플릿을 증폭하여 DNA 하이드로겔을 제조할 수 있다. On the other hand, the present invention provides a nucleic acid template for the preparation of a DNA hydrogel based on the G-quadrel, a method for preparing a DNA hydrogel using the nucleic acid template, and a protein synthesis system using the same. The DNA hydrogel production system of the present invention uses a nucleic acid template including a promoter sequence (sense strand), a target sequence, and a sequence complementary to a G-quartet motif sequence, and amplifies the nucleic acid template to prepare a DNA hydrogel. can

본 발명의 DNA 하이드로겔은 RNA 하이드로겔과 또 다른 특성 및 용도를 가질 수 있으며, 특히 펩타이드 또는 단백질의 합성에 있어서, 상기 목적서열은 단백질을 암호화하는 핵산 서열의 센스 가닥이고, 이를 주형으로 증폭된 DNA 하이드로겔의 전사 및 번역을 통해 펩타이드 또는 단백질을 합성할 수 있다. 본 발명은 기존의 단백질 합성 시스템은 물론 RNA 하이드로겔 기반의 단백질 합성 시스템 보다 뛰어난 효율을 나타내는 것을 특징으로 한다. The DNA hydrogel of the present invention may have different properties and uses from the RNA hydrogel, and in particular, in the synthesis of a peptide or protein, the target sequence is a sense strand of a nucleic acid sequence encoding a protein, and amplified as a template A peptide or protein can be synthesized through transcription and translation of the DNA hydrogel. The present invention is characterized in that it exhibits superior efficiency than the conventional protein synthesis system as well as the RNA hydrogel-based protein synthesis system.

본 발명의 일 실시예에서, 프로모터 서열, 목적서열 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 원형의 핵산 템플릿을 제조하였으며, 상기 핵산 템플릿을 주형으로 원형 순환 증폭을 통해 DNA 하이드로겔을 합성하였다.In an embodiment of the present invention, a circular nucleic acid template including a promoter sequence, a target sequence, and a sequence complementary to a G-quadrel motif sequence was prepared, and a DNA hydrogel was prepared through circular circulation amplification using the nucleic acid template as a template. synthesized.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 합성된 DNA 하이드로겔을 in vitro에서 번역 및 전사하여 단백질을 합성한 결과, 기존의 무세포 단백질 합성 시스템 및 RNA 하이드로겔 기반의 합성시스템 보다 현저히 높은 수율로 단백질이 합성되는 것을 확인하였다. In another embodiment of the present invention, as a result of synthesizing the protein by in vitro translation and transcription of the synthesized DNA hydrogel, the protein was produced in a significantly higher yield than the existing cell-free protein synthesis system and the RNA hydrogel-based synthesis system. Synthesis was confirmed.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 프로모터 서열; 목적서열; 및 G-사중체모티프(G-quadruplex motif)에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿을 포함하는 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물에 관한 것이다. Accordingly, in one aspect, the present invention provides a promoter sequence; target sequence; And it relates to a composition for producing a DNA hydrogel comprising a nucleic acid template comprising a sequence complementary to the G- quadruplex motif (G-quadruplex motif).

본 발명의 "DNA 하이드로겔"은 DNA 가닥 간의 수소결합, 공유결합, 소수성 상호작용 등의 다양한 상호작용을 통해 하이드로겔화된 핵산 겔을 의미하며, 본 발명에서는 특히, 본 발명의 템플릿을 주형으로 합성된 DNA 가닥에 포함된 G-사중체 서열이 수소결합 형태로 4중 가닥을 형성하는 입방체 모양의 독특한 구조를 형성하여 겔을 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서, 상기 "DNA 하이드로겔"은 "하이드로겔화 DNA", "하이드로겔화 핵산"과 동일한 의미에서 상호 호환적으로 사용될 수 있다."DNA hydrogel" of the present invention refers to a nucleic acid gel hydrogelled through various interactions such as hydrogen bonding, covalent bonding, and hydrophobic interactions between DNA strands. In the present invention, in particular, the template of the present invention is synthesized as a template It is characterized by forming a gel by forming a unique cube-shaped structure in which the G-quadrued sequence contained in the DNA strand is hydrogen-bonded to form a quadruple strand. In the present invention, the "DNA hydrogel" may be used interchangeably in the same meaning as "hydrogelled DNA" and "hydrogelled nucleic acid".

본 발명의 용어, "프로모터 서열"은 단백질의 발현과정에서 전사 개시를 조절할 수 있는 서열을 의미한다. As used herein, the term "promoter sequence" refers to a sequence capable of regulating transcription initiation in the process of protein expression.

본 발명에 있어서, 상기 프로모터 서열은 템플릿의 종류, 합성 방식, 생산하고자하는 핵산의 종류, 목적서열에 따라 통상에 기술자에 의해 적합한 프로모터가 선택되어 사용될 수 있다. 이중가닥 핵산에서 프로모터 서열은 일반적으로 센스가닥과 안티센스가닥 모두를 포함하는 개념이나, 본 발명에 있어서, 양 가닥의 구분을 위해, 센스 가닥의 서열은 '프로모터 서열'로, 안티센스 가닥의 프로모터 서열은'프로모터 서열에 상보적인 서열'로 구분하여 명칭하였다.In the present invention, the promoter sequence may be used by selecting a suitable promoter by those skilled in the art according to the type of template, the synthesis method, the type of nucleic acid to be produced, and the target sequence. In double-stranded nucleic acids, the promoter sequence is generally a concept including both the sense strand and the antisense strand, but in the present invention, for the purpose of distinguishing both strands, the sequence of the sense strand is a 'promoter sequence', and the promoter sequence of the antisense strand is It was designated as a 'sequence complementary to the promoter sequence'.

본 발명에 있어서, 상기 "프로모터 서열"을 포함하는 핵산 템플릿을 주형으로 합성된 DNA 하이드로겔은 프로모터 서열에 상보적인 서열(안티센스 서열)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 잇다.In the present invention, the DNA hydrogel synthesized using the nucleic acid template including the "promoter sequence" as a template may be characterized in that it includes a sequence complementary to the promoter sequence (antisense sequence).

본 발명에 있어서, 상기 프로모터는 예를 들어, T7 프로모터, T5 프로모터, T3 프로모터, lac 프로모터, tac과 trc 프로모터, cspA 프로모터, lacUV5 프로모터, Ltet0-1 프로모터, phoA 프로모터, araBAD 프로모터, trp 프로모터, tetA 프로모터, Ptac 프로모터 및 SP6 프로모터 등이 있으며, 바람직하게는 상기 예에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the promoter is, for example, T7 promoter, T5 promoter, T3 promoter, lac promoter, tac and trc promoter, cspA promoter, lacUV5 promoter, Ltet0-1 promoter, phoA promoter, araBAD promoter, trp promoter, tetA There are promoters, Ptac promoters, SP6 promoters, and the like, and may preferably be selected from the above examples, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 핵산 템플릿에 포함된 프로모터 서열은 T7 프로모터의 센스 서열이나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the promoter sequence included in the nucleic acid template is the sense sequence of the T7 promoter, but is not limited thereto.

본 발명의 용어, "목적서열"은 '생산하고자 하는 핵산 서열'에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 서열을 의미한다. 상기 목적서열을 주형으로 하여 증폭 또는 전사가 일어나는 경우 "생산하고자 하는 핵산"을 생산할 수 있다. 상기 생산하고자 하는 핵산은 본 발명의 DNA 하이드로겔에 포함된다. 예를 들어, 상기 생산하고자 하는 핵산은 기능성 부위(functional moiety) 또는 이에 상보적인 서열인 것일 수 있다.As used herein, the term "target sequence" refers to a nucleic acid sequence comprising a sequence complementary to a 'nucleic acid sequence to be produced'. When amplification or transcription occurs using the target sequence as a template, "nucleic acid to be produced" can be produced. The nucleic acid to be produced is included in the DNA hydrogel of the present invention. For example, the nucleic acid to be produced may be a functional moiety or a sequence complementary thereto.

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿이 단백질 발현을 위한 DNA 하이드로겔의 생산에 사용되는 경우, 상기 목적서열은 특정 펩타이드 또는 단백질을 코딩하는 유전자 서열의 센스(Sense) 서열일 수 있다. 이 경우, 합성된 DNA 하이드로겔은 특정 단백질을 코딩하는 유전자서열의 안티센스 서열을 포함하고, 이를 주형으로 전사 및 번역하여 상기 유전자 서열이 코딩하는 펩타이드 또는 단백질을 합성할 수 있다.In the present invention, when the nucleic acid template is used for production of a DNA hydrogel for protein expression, the target sequence may be a sense sequence of a gene sequence encoding a specific peptide or protein. In this case, the synthesized DNA hydrogel may include an antisense sequence of a gene sequence encoding a specific protein, and may be transcribed and translated into a template to synthesize a peptide or protein encoded by the gene sequence.

본 발명의 용어 "G-사중체(G-quadruplex)"는 구아노신 잔기의 비율이 높은 DNA 염기서열에서 나타나는 G-사중가닥(G-tetraplex)이 2개 이상 수직적으로 쌓여 형성하는 구조를 의미하며, 여기에서, G-사중가닥은 구아노신이 풍부한 4개의 DNA 가닥이 서로 짝을 이루어 수소결합 형태로 4중 가닥을 형성하는 입방체 모양의 독특한 DNA 구조를 의미하며, 4개의 구아닌 염기가 후그스틴 수소결합(Hoogsteen hydrogen bonding)으로 밀집되어 형성된 사각형 구조를 말한다. G-사중가닥은 다양한 생화학적 조건에서 매우 안정적이며 사중 가닥 내의 방향성은 다양하다. 특히, G 사중가닥의 중앙에 있는 양이온(주로 K+)은 G-사중체의 구조를 더욱 안정되게 유지하는 데 기여한다. G-사중체는 텔로미어 영역 및 프로모터 영역에서, 다양한 생물학적 기능을 하는 것으로 알려져 있다(Henderson E, et al., Telomeric DNA oligonucleotides form novel intramolecular structures containing guanine-guanine base pairs., Cell(December 1987)). G-사중체는 구아닌이 풍부한 서열 부위에서 주로 형성된다(Murat P, Balasubramanian S (April 2014)). 그러나, 모든 구아닌 풍부 서열 부위에서 G-사중체가 형성되는 것은 아니다. As used herein, the term "G-quadruplex" refers to a structure in which two or more G-tetraplexes appearing in a DNA nucleotide sequence having a high ratio of guanosine residues are vertically stacked. , Here, G-quadrel refers to a unique cube-shaped DNA structure in which four guanosine-rich DNA strands are paired with each other to form a quadruple in a hydrogen bond form, and four guanine bases form a Hoogsteen hydrogen bond (Hoogsteen hydrogen bonding) refers to a rectangular structure formed densely. The G-quadrel is very stable under various biochemical conditions, and the orientation within the quaternary is variable. In particular, the cation (mainly K+) at the center of the G-quartet contributes to maintaining the structure of the G-quartet more stably. G-quadrules are known to have diverse biological functions in the telomere region and in the promoter region (Henderson E, et al., Telomeric DNA oligonucleotides form novel intramolecular structures containing guanine-guanine base pairs., Cell (December 1987)). G-quartets are formed predominantly at guanine-rich sequence sites (Murat P, Balasubramanian S (April 2014)). However, not all guanine-rich sequence sites form G-quartets.

본 발명의 용어, "G-사중체 모티프"또는 "G-사중체 모티프 서열"은 G-사중체를 형성하는 핵산(DNA 또는 RNA) 서열을 의미한다. 구체적으로, 특정한 핵산 서열이 G-사중체 형성 능력을 갖는지 예측하는 방법은 종래 보고된 바 있다(Todd AK, Johnston M, Neidle S (2005)). 예를 들어, Todd AK, Johnston M 등은 d(G3+N1-7G3+N1-7G3+N1-7G3+)(여기서, 아랫 첨자는 각 염기의 개수 범위, N은 임의의 염기, d는 1이상의 정수로서, 괄호 안의 염기서열의 반복을 의미함)은 G-사중체를 형성하는 일반적인 패턴으로 보고한 바 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term “G-quartet motif” or “G-quartet motif sequence” refers to a nucleic acid (DNA or RNA) sequence that forms a G-quartet. Specifically, a method for predicting whether a specific nucleic acid sequence has the ability to form a G-quadruplex has been previously reported (Todd AK, Johnston M, Neidle S (2005)). For example, Todd AK, Johnston M et al. reported that d(G 3+ N 1-7 G 3+ N 1-7 G 3+ N 1-7 G 3+ ) (where the subscript is the range of numbers of each base, N is any base, d is an integer greater than or equal to 1, which means the repetition of the nucleotide sequence in parentheses) has been reported as a general pattern for forming a G-quadrel, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 G-사중체 모티프는 적어도 2개, 적어도 3개, 또는 적어도 4개 이상의 연속적인 구아닌을 포함할 수 있다.In the present invention, the G-quadrel motif may include at least two, at least three, or at least four or more consecutive guanines.

본 발명에 있어서, 상기 G-사중체 모티프는 적어도 20% 이상, 적어도 30%이상, 적어도 40% 이상 또는 적어도 50% 이상의 비중으로 구아닌을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the G- quadruplex motif may be characterized in that it comprises guanine in a specific gravity of at least 20% or more, at least 30% or more, at least 40% or more, or at least 50% or more.

본 발명에 있어서, 상기 G-사중체 모티프는 추가적으로 상기 연속적 구아닌 사이에 1 내지 7개의 임의의 염기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the G-quartet motif may additionally include 1 to 7 arbitrary bases between the consecutive guanines.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 DNA 템플릿에 주형으로 증폭된 DNA의 G-사중체 모티프 서열(5'-TAGGGTTAGGGT-3')이 G-사중체를 형성하도록 설계하였다.In one embodiment of the present invention, the G-quadruple motif sequence (5'-TAGGGTTAGGGT-3') of the DNA amplified as a template in a DNA template comprising a sequence complementary to the G-quadrel motif sequence is a G-quadruplex. designed to form

본 발명에 있어서, 상기 G-사중체 모티프(G-quadruplex motif)에 상보적인 서열은 증폭 또는 전사되는 경우, G-사중체를 형성할 수 있도록 하는 모든 서열을 의미한다. In the present invention, the sequence complementary to the G-quadruplex motif refers to any sequence capable of forming a G-quadruplex when amplified or transcribed.

본 발명에 있어서, 상기 G-사중체 모티프에 상보적인 서열은 이를 주형으로 DNA가 합성(증폭)되는 경우의 서열이 G-사중체를 형성하며, 바람직하게는 3개이상의 연속적인 구아닌 및 1 내지 7개의 임의의 서열이 1번 이상 반복되는 핵산서열에 상보적인 것을 특징으로 할 수 있고, 가장 바람직하게는 5'-ACCCTAACCCTA-3'(서열번호 3)인 것을 특징으로 할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the sequence complementary to the G-quartet motif forms a G-quartet when DNA is synthesized (amplified) using it as a template, and preferably 3 or more consecutive guanines and 1 to 7 arbitrary sequences may be characterized as complementary to a nucleic acid sequence repeated one or more times, and most preferably, it may be characterized as 5'-ACCCTAACCCTA-3' (SEQ ID NO: 3), but is limited thereto not.

본 발명의 용어, "템플릿"은 핵산의 복제 또는 전사에 있어서, 주형이 되는 핵산 가닥을 의미한다. 본 발명에 있어서, 상기 템플릿은 특정하여 언급된 경우를 제외하고는 원형 또는 선형일 수 있으며, 필요에 따라 통상의 기술자에 의해 그 형태가 선택되어 제조될 수 있다. 원형 순환 증폭(RCA)을 사용하여 DNA 하이드로겔을 생산하는 경우, 원형 템플릿인 것이 바람직하다. As used herein, the term “template” refers to a nucleic acid strand serving as a template for nucleic acid replication or transcription. In the present invention, the template may be circular or linear, except where specifically mentioned, and the shape may be selected and manufactured by a person skilled in the art if necessary. When using circular circular amplification (RCA) to produce a DNA hydrogel, it is preferably a circular template.

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿은, 용도 및/또는 필요에 따라 프로모터 서열, 목적서열 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열 외에도 추가적인 기능성 또는 비기능성 서열을 제한 없이 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 핵산 템플릿은 제2 목적서열, 스페이서, Poly T, 리보솜 결합 부위(Ribosome Binding Site) 등을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the nucleic acid template may include, without limitation, additional functional or non-functional sequences in addition to a sequence complementary to a promoter sequence, a target sequence, and a G-quartet motif sequence according to use and/or necessity. For example, the nucleic acid template may further include a second target sequence, a spacer, Poly T, a ribosome binding site, and the like, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿의 각 구성(예, 프로모터서열, 목적서열 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열)은 기능적 관계로 배치될 때, 서로 "작동가능하게 연결 (operably linked)"된다. 이들 서열의 연결은 편리한 제한 효소 부위에서 라이게이션(연결)에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 통상의 방법에 따른 합성 올리고뉴클레오티드 어댑터 (oligonucleotide adaptor) 또는 링커(linker)를 매개로 연결될 수 있다.In the present invention, each component of the nucleic acid template (eg, a promoter sequence, a target sequence, and a sequence complementary to a G-quartet motif sequence) is "operably linked" to each other when placed in a functional relationship. do. Linking of these sequences may be performed by ligation (linkage) at convenient restriction enzyme sites, but is not limited thereto, and may be linked via a synthetic oligonucleotide adapter or linker according to a conventional method. can

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿은 DNA 템플릿 또는 RNA 템플릿 일 수 있다. RNA 템플릿인 경우, DNA 하이드로겔의 생산을 위해 역전사효소가 사용될 수 있으며, DNA 템플릿의 경우, DNA 하이드로겔의 생산을 위해 DNA 중합효소가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the nucleic acid template may be a DNA template or an RNA template. In the case of an RNA template, reverse transcriptase may be used for production of a DNA hydrogel, and in the case of a DNA template, a DNA polymerase may be used for production of a DNA hydrogel, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿은 선형이며, 상기 프로모터 서열은 분리되어 상기 핵산 템플릿의 3'-말단 및 5'-말단에 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 경우, 상기 조성물은 원형 템플릿을 형성하기 위해, 상기 프로모터 서열에 상보적인 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드를 추가로 포함할 수 있다. In the present invention, the nucleic acid template may be linear, and the promoter sequence may be separated and present at the 3'-end and 5'-end of the nucleic acid template. In this case, the composition may further comprise an oligonucleotide comprising a sequence complementary to the promoter sequence to form a circular template.

본 발명의 용어 "프로모터 서열"의 "분리"는 프로모터 서열이 둘 이상으로 분리된 것을 의미한다. 상기 분리는 프로모터 서열 내라면 위치의 제한 없이 분리가 가능하나, 온전한 상보적 프로모터 서열과 효과적인 어닐링을 위해서는 3`-말단 및 5'-말단에 존재하는 프로모터 서열의 길이가 비슷하도록 분리되는 것이 바람직하다.The term "separation" of the term "promoter sequence" of the present invention means that the promoter sequence is separated into two or more. The separation is possible without restriction of position as long as it is within the promoter sequence, but for effective annealing with the intact complementary promoter sequence, it is preferable to separate the promoter sequences at the 3′-end and the 5′-end so that the lengths of the promoter sequences are similar. .

본 발명의 실시예와 같이, 상기 프로모터 서열에 상보적인 서열을 포함하는 올리고 뉴클레오타이드는 상기 핵산 템플릿의 분리된 프로모터 서열에 어닐링되어 닉(nick) 또는 공백을 포함하는 이중가닥을 부분적으로 형성함으로써 핵산 템플릿을 원형으로 만들 수 있고, 접합(ligation) 또는 신장(polymerization)에 의해 닉(nick) 또는 공백을 연결하여, 완전한 원형 템플릿을 형성할 수 있다.As in an embodiment of the present invention, an oligonucleotide comprising a sequence complementary to the promoter sequence is annealed to the isolated promoter sequence of the nucleic acid template to partially form a duplex comprising a nick or space, thereby forming a nucleic acid template can be made circular, and nicks or voids can be joined by ligation or polymerization to form a complete circular template.

본 발명에 있어서, 상기 조성물은 DNA하이드로겔의 생산용도로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있으며, NTP, dNTP, rNTP, ddNTP, 프라이머, DNA 중합효소 및 RNA 중합효소로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the composition may be used for the production of DNA hydrogel, NTP, dNTP, rNTP, ddNTP, primer, any one or more selected from the group consisting of DNA polymerase and RNA polymerase It may be characterized in that it further comprises.

본 발명에 있어서, 상기 조성물은 형성된 G-사중합체의 안정성을 위해서 양이온을 포함할 수 있으며, 가장 바람직하게는 칼륨이온 또는 나트륨이온을 더 포함할 수 있다. 상기 이온은 완충액의 형태로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the composition may include a cation for stability of the formed G-tetrapolymer, and most preferably, may further include a potassium ion or a sodium ion. The ion may be included in the form of a buffer, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 조성물은 펩타이드 또는 단백질의 생산용도로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 이 경우, 리보솜, 아미노산 등과 같은 펩타이드 또는 단백질 합성에 필요한 추가적인 구성과 함께 포함될 수 있다.In the present invention, the composition may be used for the production of peptides or proteins, and in this case, it may be included together with additional components necessary for peptide or protein synthesis, such as ribosomes and amino acids.

본 발명은 다른 관점에서, 프로모터 서열, 목적서열 및 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿으로부터 DNA를 합성하는 단계를 포함하는 DNA 하이드로겔의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a method for preparing a DNA hydrogel, comprising the step of synthesizing DNA from a nucleic acid template comprising a sequence complementary to a promoter sequence, a target sequence, and a G-quartet motif sequence.

본 발명에 있어서, 상기 DNA 하이드로겔은 프로모터에 상보적인 서열, 목적서열에 상보적인 서열, 및 G-사중체 모티프 서열을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the DNA hydrogel may be characterized in that it comprises a sequence complementary to a promoter, a sequence complementary to a target sequence, and a G-quartet motif sequence.

본 발명에 있어서, 상기 목적서열에 상보적인 서열은 특정 단백질을 코딩하는 유전자서열의 안티센스 서열을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the sequence complementary to the target sequence may include an antisense sequence of a gene sequence encoding a specific protein.

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿으로부터 DNA를 합성하는 단계는 다양한 핵산 증폭 방법을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 핵산 템플릿으로부터 DNA를 합성하는 단계는 원형 순환 증폭(Rolling Circle RCA), 중합효소 연쇄반응 (Polymerase Chain Reaction; PCR), LCR(ligase chain reaction), SDA(strand displacement amplification) 및 TMA(transcription-mediated amplification) 을 통해 수행될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서와 같이, 바람직하게는 원형 순환 증폭(Rolling Circle RCA)을 사용하여 DNA를 합성하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the step of synthesizing DNA from the nucleic acid template may be performed through various nucleic acid amplification methods. For example, the step of synthesizing DNA from the nucleic acid template may include: Rolling Circle RCA, Polymerase Chain Reaction (PCR), ligase chain reaction (LCR), strand displacement amplification (SDA), and TMA. (transcription-mediated amplification), and as in one embodiment of the present invention, it is preferable to synthesize DNA using rolling circle amplification (Rolling Circle RCA), but is not limited thereto .

본 발명에 있어서, 상기 핵산 템플릿은 선형(linear)이며,In the present invention, the nucleic acid template is linear,

상기 프로모터 서열은 분리되어 상기 핵산 템플릿의 3'-말단 및 5'-말단에 존재하고,The promoter sequence is separated and is present at the 3'-end and 5'-end of the nucleic acid template,

핵산 템플릿을 프로모터 서열에 상보적인 서열을 포함하는 올리고 뉴클레오타이드와 어닐링(annealing)하는 단계; 및annealing the nucleic acid template with an oligonucleotide comprising a sequence complementary to a promoter sequence; and

상기 올리고뉴클레오타이드와 어닐링된 핵산 템플릿의 3'-말단 및 5'-말단을 연결하여, 이중가닥을 포함하는 원형 템플릿을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 원형 템플릿으로부터 DNA를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.It may further comprise the step of linking the 3'-end and the 5'-end of the annealed nucleic acid template with the oligonucleotide to form a circular template including a double strand, synthesizing DNA from the circular template It may be characterized in that it includes.

본 발명에 있어서, "원형 템플릿"이란 DNA 합성의 주형이 되는 원형의 핵산 가닥을 의미한다. 상기 원형 핵산 템플릿은 "원형회전" 또는"원형 순환"으로 불리는(Rolling Circle) 증폭(amplification) 기술에 주형으로 사용될 수 있다.In the present invention, the "circular template" refers to a circular nucleic acid strand serving as a template for DNA synthesis. The circular nucleic acid template can be used as a template in a technique called "Rolling Circle" or "Rolling Circle" amplification.

본 발명의 일 실시예에서, 원형회전증폭(Rolling Circle amplification; RCA)을 사용하여 DNA 하이드로겔을 제조하였다. 상기 원형 템플릿을 사용하여, RCA를 수행하는 경우, 재료(예, dNTP, ddNTP)가 고갈될 때까지 중합반응이 종료되지 않고, 하나의 템플릿에서 N배수를 갖는 핵산을 제조할 수 있어, 선형 템플릿보다 높은 생산 수율을 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다. In an embodiment of the present invention, a DNA hydrogel was prepared using a rolling circle amplification (RCA). When RCA is performed using the circular template, the polymerization reaction does not end until the material (eg, dNTP, ddNTP) is depleted, and a nucleic acid having an N-fold from one template can be prepared, so a linear template It may be characterized by exhibiting a higher production yield.

본 발명에 있어서, 상기 원형 템플릿을 사용하는 경우, 원형회전증폭(Rolling Circle amplification; RCA)을 사용하여 DNA를 합성하는 것이 가장 바람직하다.In the present invention, when using the circular template, it is most preferable to synthesize DNA using a rolling circle amplification (RCA).

본 발명에 있어서, 상기 원형회전증폭(Rolling Circle amplification; RCA)은 30℃ 내지 45℃, 바람직하게는 42℃ 내지 45℃에서 등온 증폭하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the rolling circle amplification (RCA) may be characterized in that the isothermal amplification at 30 ℃ to 45 ℃, preferably 42 ℃ to 45 ℃.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 원형회전증폭(Rolling Circle amplification; RCA) 시간이 증가함에 따라(3시간에서 48시간으로) DNA 하이드로겔의 탄성이 증가하는 것을 확인하였다.In an embodiment of the present invention, it was confirmed that the elasticity of the DNA hydrogel increases as the Rolling Circle amplification (RCA) time increases (from 3 hours to 48 hours).

따라서, 본 발명의 DNA 합성 시간은 원하는 DNA 하이드로겔의 탄성 정도에 따라 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.Therefore, the DNA synthesis time of the present invention may be characterized in that it is controlled according to the desired degree of elasticity of the DNA hydrogel.

본 발명에 있어서, 생산된 핵산의 G-사중합체의 형성을 촉진하여 하이드로겔화를 촉진하기 위해, 양이온, 가장 바람직하게는 칼륨이온 또는 나트륨이온을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the present invention, in order to promote the formation of a G-tetrapolymer of the produced nucleic acid to promote hydrogelation, it may further comprise the step of adding a cation, most preferably potassium ion or sodium ion.

본 발명은 다른 관점에서, 상기 DNA 하이드로겔의 제조방법으로 제조된 DNA 하이드로겔에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a DNA hydrogel prepared by the method for preparing the DNA hydrogel.

본 발명에 있어서, 상기 DNA 하이드로겔은 프로모터 서열에 상보적인 서열; 목적서열에 상보적인 서열; 및 G-사중체 모티프 서열을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the DNA hydrogel comprises a sequence complementary to a promoter sequence; a sequence complementary to the target sequence; and a G-quartet motif sequence.

본 발명에 있어서, 상기 목적서열에 상보적인 서열은 특정 단백질을 코딩하는 유전자서열의 안티센스 서열을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the sequence complementary to the target sequence may include an antisense sequence of a gene sequence encoding a specific protein.

현재까지 알려진 상업적 단백질 생산 방법은 살아있는 세포의 세포질을 파괴하는 방법이나 화학적으로 아미노산을 중합하는 방법이 주로 이용되어 왔다. 그러나 이들 방법은 세포 파쇄 과정 및 정제/분리 과정에 있어서 매우 복잡한 생산 과정을 거치며, 제작된 단백질이 정상적으로 발현이 되지 않거나, 체내에서 잘 받아들여지지 못하고 면역반응을 일으키며, 긴 사슬의 단백질 중합에서 아미노산 서열의 정확성이 떨어지는 등의 단점들을 가지고 있었다. 따라서 최근에는 펩타이드 또는 단백질 생산과정에서 세포를 이용하지 않는 무세포 단백질 합성시스템(cell-free 혹은 in vitro protein synthesis system)의 개발이 활발히 진행되고 있다. Commercial protein production methods known to date have mainly been used to destroy the cytoplasm of living cells or chemically polymerize amino acids. However, these methods go through a very complicated production process in the cell disruption process and purification/separation process, and the produced protein is not normally expressed or is not well accepted in the body and causes an immune response, and amino acid sequence in the polymerization of long-chain proteins. It had disadvantages such as poor accuracy of Therefore, in recent years, the development of a cell-free protein synthesis system (cell-free or in vitro protein synthesis system) that does not use cells in the peptide or protein production process is being actively conducted.

또한 단백질이 합성될 때의 pH, 온도, 이온 세기 등 다양한 외부 조건에 대해서 자유로울 수 있기 때문에 생산성을 증가시킬 수 있을 것으로도 기대된다. 그러나 이러한 장점들을 가지고 있음에도 불구하고 실질적으로 이용되고 있지 않는 이유는, 짧은 반응시간과 낮은 단백질 생산 속도로 인해 소비되는 시약의 비용이 높기 때문이다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 요오도아세트아미드(iodoacetamide), 글루타티온(glutathione) 등과 같은 다양한 화학물질을 첨가하거나, 연속 유동 시스템을 개발하여 생산성을 높이기 위한 다양한 시도들이 진행되고 있지만 여전히 산업적으로 이용되기에는 부족한 실정이다. In addition, it is expected to increase productivity because it can be free from various external conditions such as pH, temperature, and ionic strength when protein is synthesized. However, despite having these advantages, it is not practically used because of the high cost of the reagents consumed due to the short reaction time and low protein production rate. In order to overcome these disadvantages, various attempts have been made to increase productivity by adding various chemicals such as iodoacetamide and glutathione or by developing a continuous flow system, but it is still insufficient for industrial use. the current situation.

본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 핵산 템플릿을 증폭하여 제조한 DNA 하이드로겔을 주형으로 전사하여 mRNA를 합성하고, 이를 번역하여 무세포 생산방법을 이용하는 경우에도 HiBiT 단백질의 생산효율이 현저히 뛰어남을 검증하였다. 특히, 본 발명자들의 기존의 발명인 RNA 하이드로겔을 이용한 펩타이드 또는 단백질 합성 시스템보다도 더욱 높은 수율로 펩타이드 및 DNA를 합성할 수 있음을 확인하였다.In one embodiment of the present invention, the production efficiency of HiBiT protein is remarkably excellent even when the DNA hydrogel prepared by amplifying the nucleic acid template of the present invention is transcribed into a template, mRNA is synthesized, and a cell-free production method is used by translating it. was verified. In particular, it was confirmed that peptides and DNA can be synthesized at a higher yield than the peptide or protein synthesis system using the RNA hydrogel, which is the present inventor's existing invention.

따라서, 본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 DNA 하이드로겔로부터 mRNA를 합성하는 단계; Therefore, in another aspect, the present invention comprises the steps of synthesizing mRNA from the DNA hydrogel;

합성된 mRNA를 번역(translation)하여 펩타이드 또는 단백질을 합성하는 단계를 포함하는 펩타이드 또는 단백질의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing a peptide or protein comprising the step of synthesizing the peptide or protein by translating the synthesized mRNA.

본 발명에 있어서, mRNA의 합성은 "전사(Transcription)"를 통해 수행될 수 있다. 상기 전사(transcription)는 DNA의 발현 과정 중의 하나로서, 본 발명에 있어서, 상기 전사는 본 발명의 DNA 하이드로겔을 주형으로 하여, RNA를 합성하는 것을 의미한다. 본 발명의 전사는 종래 공지된 다양한 방법을 사용하여 제한없이 수행될 수 있다.In the present invention, the synthesis of mRNA may be performed through "transcription". The transcription (transcription) is one of the expression processes of DNA. In the present invention, the transcription means synthesizing RNA using the DNA hydrogel of the present invention as a template. The transcription of the present invention can be performed without limitation using various conventionally known methods.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 DNA 하이드로겔은 선형의 DNA 가닥으로 프로모터 서열에 상보적인 서열(안티센스 서열) 및 목적서열에 상보적인 서열(HiBiT 안티센스 서열)을 포함하도록 설계되었기 때문에, 프로모터의 올바른 작동을 위하여 프라이머로서 프로모터 서열(센스 서열)을 갖는 올리고뉴클레오타이드를 첨가하여 전사를 수행하였다.In one embodiment of the present invention, since the DNA hydrogel is a linear DNA strand and is designed to include a sequence complementary to the promoter sequence (antisense sequence) and a sequence complementary to the target sequence (HiBiT antisense sequence), For operation, transcription was performed by adding an oligonucleotide having a promoter sequence (sense sequence) as a primer.

본 발명에 있어서, 프로모터 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드를 첨가한 뒤 mRNA를 합성하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, it may be characterized in that mRNA is synthesized after adding an oligonucleotide including a promoter sequence.

본 발명에 있어서, 상기 펩타이드 또는 단백질을 합성하는 단계는 무세포 단백질 합성 시스템(cell free protein synthesis system)에 의해 합성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the step of synthesizing the peptide or protein may be characterized in that it is synthesized by a cell free protein synthesis system.

본 발명의 용어, "무세포 단백질 합성 시스템"은 세포 파쇄액(cell lysates)이나 추출액에 기질(substrate)이나 효소(enzyme)를 첨가하여 단백질 합성에 필요한 핵심 요소들(ATP(adenosine triphosphate), 아미노산 등)을 이용하여 시험관 내에서 단백질을 합성하는 방법이다. 이러한 무세포 단백질 합성 시스템은 기존의 세포를 이용한 단백질 생산 방법의 단점을 극복할 수 있고, 무세포 단백질 합성(cell-free protein synthesis)은 세포에서 단백질 생산에 관련되는 세포 내 기구와 이의 인자들만을 추출하여 세포 외부에서 세포의 생리적 조절 기작이 배제된 상태로 단백질의 합성 과정만을 인위적으로 반복시켜 단기간에 목적 단백질을 대량 생산함으로써, 세포 배양공정을 거치지 않고 고속으로 단백질을 합성할 수 있을 뿐만 아니라 세포막과 세포벽의 공간 안에서 단백질 발현이 진행되는 세포 배양공정에 비해 물리적인 장벽이 존재하지 않는 완전히 열린 시스템으로서, 다양한 연구에 적용하기 위해서 단백질 합성의 조건을 자유롭게 변형시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 세포 내 단백질 합성 시스템은 생산되는 단백질이 세포독성을 나타내는 경우, 그 생산 및 수율에 커다란 문제가 있으나, 무세포 단백질 합성 시스템을 사용하는 경우 이러한 문제에서 자유롭게 펩타이드 또는 단백질을 생산 할 수 있다.As used herein, the term "cell-free protein synthesis system" refers to key elements (ATP (adenosine triphosphate), amino acids) required for protein synthesis by adding a substrate or enzyme to cell lysates or extracts. etc.) to synthesize proteins in vitro. Such a cell-free protein synthesis system can overcome the disadvantages of the existing protein production method using cells, and cell-free protein synthesis uses only the intracellular machinery and its factors related to protein production in the cell. By artificially repeating only the protein synthesis process in a state in which the physiological control mechanism of the cell is excluded from extraction and mass production of the target protein in a short period of time, it is possible to synthesize the protein at high speed without going through the cell culture process as well as the cell membrane Compared to the cell culture process in which protein expression is carried out in the space of the cell wall and cell wall, it is a completely open system that does not have any physical barriers, and has the advantage of being able to freely modify the conditions for protein synthesis to apply it to various studies. In addition, the intracellular protein synthesis system has a great problem in production and yield when the produced protein is cytotoxic. However, when a cell-free protein synthesis system is used, peptides or proteins can be freely produced in these problems.

본 명세서에서, "무세포 단백질 합성 시스템(cell-free 혹은 in vitro protein synthesis system)"은 생산 대상에 따라 '무세포 합성 시스템(cell-free 또는 in vitro synthesis system)','무세포 펩타이드 합성 시스템(cell-free 혹은 in vitro peptide synthesis system)' 또는 '무세포 단백질/펩타이드 합성 시스템'과 동일한 의미로 상호호환적으로 사용될 수 있다.As used herein, "cell-free protein synthesis system (cell-free or in vitro protein synthesis system)" refers to a 'cell-free or in vitro synthesis system' or a 'cell-free peptide synthesis system' depending on the production target. (cell-free or in vitro peptide synthesis system)' or 'cell-free protein/peptide synthesis system' can be used interchangeably with the same meaning.

실시예Example

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1: 합성 선형 핵산 템플릿을 사용한 원형 핵산 템플릿의 제조Example 1: Preparation of a circular nucleic acid template using a synthetic linear nucleic acid template

Integrated DNA Technology사를 통해 분리된 T7 프로모터 서열(센스 서열), 목적서열(HiBiT 암호화 서열, Sense), G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열, 분리된 T7 프로모터 서열(센스 서열)을 차례로 포함하는 선형 핵산 템플릿; 및 T7 프로모터 서열에 상보적인 서열(T7 프로모터의 안티센스 서열)을 갖는 올리고뉴클레오타이드(프라이머)를 합성하였다(표 1). 추후 5'-말단과 3'-말단의 접합(ligation)을 위해 선형 핵산 템플릿의 5'-말단에 인산화 처리를 하였다.The T7 promoter sequence (sense sequence), the target sequence (HiBiT coding sequence, Sense), the sequence complementary to the G-quartet motif sequence, and the isolated T7 promoter sequence (sense sequence), isolated through Integrated DNA Technology, in turn. linear nucleic acid template; And oligonucleotides (primers) having a sequence complementary to the T7 promoter sequence (antisense sequence of the T7 promoter) were synthesized (Table 1). Phosphorylation treatment was performed on the 5'-end of the linear nucleic acid template for subsequent ligation of the 5'-end and the 3'-end.

서열 명sequence name 서열(5' -> 3')sequence (5' -> 3') 서열 번호SEQ ID NO: 핵산 템플릿Nucleic Acid Template AGGGATTAAGTATAAGGAGGAAAAAATATGGTGAGCGGCTGGCGGCTGTTCAAGAAGTTAAGCTAAACCCTAACCCTATAATACGACTCACTAT AGGGAT TAAGTATAAGGAGGAAAAAATATGGTGAGCGGCTGGCGGCTGTTCAAGAAGTTAAGCTAAACCCTAACCCTA TAATACGACTCACTAT 1One T7 프로모터 서열(Sense)T7 promoter sequence (Sense) TAATACGACTCACTATAGGGAT TAATACGACTCACTATAGGGAT 22 G-사중체 모티프 서열에 상보적인 서열sequence complementary to the G-quartet motif sequence ACCCTAACCCTAACCCTAACCCTA 33 목적서열
(HiBiT 암호화(Sense)서열)
target sequence
(HiBiT Encryption (Sense) Sequence)
ATGGTGAGCGGCTGGCGGCTGTTCAAGAAGTTAAGCTAA ATGGTGAGCGGCTGGCGGCTGTTCAAGAAGTTAAGCTAA 44
올리고뉴클레오타이드
(프라이머)
oligonucleotide
(primer)
ATC CCT ATA GTG AGT CGT ATT AATC CCT ATA GTG AGT CGT ATT A 55

* 핵산템플릿의 5'-말단은 인산화 처리됨* 볼드체는 핵산템플릿(분리된 T7 프로모터)과 올리고뉴클레오타이드(프라이머)의 상보적 서열 부분을 나타냄* The 5'-end of the nucleic acid template is phosphorylated* Bold indicates the complementary sequence portion of the nucleic acid template (separated T7 promoter) and oligonucleotide (primer)

상기 핵산템플릿 45 μM, 프라이머 45 μM. NaCl 100 mM를 넣고, 95℃에서 5분간 인큐베이션 후, -0.5℃/30초의 속도로 4℃까지 냉각하여 핵산템플릿과 프라이머를 어닐링(annealing)하였다. 상기 어닐링을 통해 핵산 템플릿의 3' 말단 및 5'-말단의 일부 서열과 올리고뉴클레오타이드(볼드체)가 상보적으로 결합하여 닉(nick)을 포함하는 원형 핵산 템플릿으로 변환된다.45 μM of the nucleic acid template, 45 μM of the primer. 100 mM NaCl was added, incubated at 95° C. for 5 minutes, and cooled to 4° C. at a rate of -0.5° C./30 sec to annealing the nucleic acid template and primer. Through the annealing, some sequences at the 3' and 5'-ends of the nucleic acid template and oligonucleotides (in bold) are complementary to each other and converted into a circular nucleic acid template including a nick.

닉을 포함하는 원형 핵산 템플릿은 Promega 사의 T4 라이게이즈(접합효소, ligase)를 통해 어닐링 표본을 10 μM의 농도로 사용하여 16 °C에서 16 시간 동안 5'-말단과 3'-말단을 접합하여 완전한 원형 핵산 템플릿을 제조하였다. The circular nucleic acid template containing the nick was annealed using Promega's T4 ligase (ligase) at a concentration of 10 μM, and the 5'-end and 3'-end were spliced at 16 °C for 16 hours. Thus, a complete circular nucleic acid template was prepared.

12% 폴리아크릴아마이드 겔 (polyacrylamide gel) 전기영동을 15mA에서 60 분동안 수행하여 제조된 올리고뉴클레오타이드(프라이머), 어닐링되지 않은 선형 핵산 템플릿, 닉을 포함하는 원형 핵산 템플릿, 완전한 핵산 템플릿이 설계한 것과 같이 성공적으로 제조되었는지 확인하였다(도 2). 선형 핵산 템플릿이 어닐링, 접합 과정에 따라 템플릿의 구조가 변화하여 전기영동상의 밴드 이동 정도가 순차적으로 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 각 과정에 의해 성공적으로 닉을 포함하는 원형 핵산 템플릿 및 완전한 핵산 템플릿이 제조되었음을 확인하였다. 접합 과정을 수행한 이후에는 염기수가 800bp 이상인 위치에서 하나의 밴드가 관찰되었으나 이는 템플릿과 프라이머의 1:1 반응이 아닌 다대다 반응으로 일어난 현상으로 추측된다.Oligonucleotides (primers) prepared by performing 12% polyacrylamide gel electrophoresis at 15 mA for 60 minutes, unannealed linear nucleic acid template, circular nucleic acid template including nick, complete nucleic acid template It was confirmed that the same was successfully prepared (FIG. 2). It was confirmed that the linear nucleic acid template changes the structure of the template according to the annealing and conjugation process, so that the degree of band movement on the electrophoresis decreases sequentially, which means that the circular nucleic acid template containing the nick and the complete nucleic acid template are successfully produced by each process. It was confirmed that it was manufactured. After the conjugation process, one band was observed at a position of 800 bp or more of bases, but this is presumed to be a phenomenon caused by a many-to-many reaction rather than a 1:1 reaction between the template and the primer.

실시예 2: 원형 순환 증폭(RCA)을 통한 DNA 하이드로겔의 제조Example 2: Preparation of DNA hydrogels through circular circular amplification (RCA)

실시예 1에서 제조한 원형 핵산 템플릿을 주형으로 DNA를 합성하는 경우, DNA 하이드로겔이 형성되는지 확인하기 위해, 원형 순환 증폭(RCA)을 수행하였다. 상기 올리고뉴클레오타이드는 DNA 합성과정에서 프라이머로 사용되었다. RCA는 Thermo Scientific 사의 EquiPhi29 DNA 중합효소를 사용하여 제공된 매뉴얼에 따라 45 °C에서 3 시간 동안 원형 순환 증폭 과정을 진행하였다. 12% 폴리아크릴아마이드 겔 (polyacrylamide gel) 전기영동을 15mA에서 60 분동안 수행하여 합성된 DNA의 이동을 확인하였다. When synthesizing DNA using the circular nucleic acid template prepared in Example 1 as a template, circular circulation amplification (RCA) was performed to confirm whether a DNA hydrogel was formed. The oligonucleotide was used as a primer in the DNA synthesis process. RCA was subjected to circular circulation amplification using Thermo Scientific's EquiPhi29 DNA polymerase at 45 °C for 3 hours according to the supplied manual. 12% polyacrylamide gel electrophoresis was performed at 15 mA for 60 minutes to confirm the movement of the synthesized DNA.

도 3에 도시된 것과 같이, 원형 순환 증폭을 통해 제조된 DNA가 하이드로겔화 되어, 폴리아크릴아마이드 겔을 통해 이동하지 않고, 로드 홈에 걸쳐져 있는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 3 , it was confirmed that the DNA prepared through circular circulation amplification was hydrogelled, did not move through the polyacrylamide gel, and spanned the rod groove.

도 4에 도시된 것과 같이, 시각적으로도 DNA 겔이 형성되는 것을 확인하였다. 특히 도 4a와 같이, 뭉친 형상을 나타내는 불투명 부분과 투명한 액체 부분으로 분리되었으며, 불투명한 부분은 피펫으로 들어올리는 경우 피펫의 압력에 저항하여 하나의 단위체로 끌려 올라가 하이드로겔과 같은 형상을 나타내었다.(도 4c 내지 4e). 반면 투명한 부분은 탄성을 나타내지는 않았다. As shown in FIG. 4 , it was confirmed that a DNA gel was also formed visually. In particular, as shown in FIG. 4a, the opaque part and the transparent liquid part were separated, and when the opaque part was lifted with a pipette, it resisted the pressure of the pipette and was pulled up as a single unit and exhibited a hydrogel-like shape. (FIGS. 4c to 4e). On the other hand, the transparent part did not show elasticity.

상기 DNA 겔을 10X SYBR Green I(Invitrogen 사)로 염색하고 청색광 영역에서 형광을 관찰한 결과 DNA가 그물망을 형성하는 것을 확인하였으며, DNA의 G-사중체화를 통한 가교(cross-link) 구조가 겔의 구조를 지지함을 입증하였다.The DNA gel was stained with 10X SYBR Green I (Invitrogen) and fluorescence was observed in the blue light region. As a result, it was confirmed that the DNA formed a network, and the cross-link structure through G-tetramerization of the DNA was the gel. It has been proven to support the structure of

실시예 3: DNA 하이드로겔의 물리적 특성 분석Example 3: Physical Characterization of DNA Hydrogels

실시예 2에서 제조한 DNA 하이드로겔을 이용하여 DNA 하이드로겔의 물리적 특성을 분석하였다. 원형 순환 증폭에 따른 DNA 겔의 물리적 특성 변화를 확인하기 위해, 실시예 1에서 제조한 원형 핵산 템플릿을 주형으로 RCA를 각각 3시간 및 48시간 수행한뒤 각각의 용액을 20 μl 피펫 끝에 위치하여 그 모양과 크기를 비교하였다. The physical properties of the DNA hydrogel were analyzed using the DNA hydrogel prepared in Example 2. In order to confirm the change in the physical properties of the DNA gel according to the circular circulation amplification, RCA was performed for 3 hours and 48 hours, respectively, using the circular nucleic acid template prepared in Example 1 as a template, and then each solution was placed at the tip of a 20 μl pipette and the The shape and size were compared.

도 5에 도시된 것과 같이, 45 °C에서의 원형 순환 증폭 과정을 종료한 직후에는 그림 A와 같이 용액 전체가 탁하게 보였으나, 시간이 지난 후에는 그림 B와 같이 겔과 투명한 용액으로 분리되는 것을 확인하였다. 45 °C 에서 RCA 진행 시간에 따른 겔의 크기 변화 양상을 관찰하기 위해 각각 3 시간과 48 시간 RCA를 진행한 결과, 3시간 RCA를 수행한 DNA 하이드로겔보다 48시간 수행한 DNA 하이드로겔이 더 크기가 작고 피펫 압력에 대한 저항성이 더 높았다.As shown in Figure 5, immediately after finishing the circular circulation amplification process at 45 °C, the whole solution looked turbid as shown in Figure A, but after time passes, it is separated into a gel and a transparent solution as shown in Figure B. Confirmed. As a result of 3 hours and 48 hours of RCA, respectively, to observe the change in the size of the gel according to the time of RCA at 45 °C, the DNA hydrogel subjected to RCA for 3 hours was larger than the DNA hydrogel subjected to RCA for 3 hours. is smaller and more resistant to pipette pressure.

각각의 증폭 결과물에서 투명한 용액을 분리하여, 12% 폴리아크릴아마이드 겔 (polyacrylamide gel) 전기영동을 15mA에서 60 분동안 수행하여 합성된 DNA의 이동을 확인하였다. 도 6에 도시된 것과 같이 투명한 부분 또한 폴리아크릴아마이드 겔의 로드홈에 걸쳐 이동하지 못하는 것을 확인하였으며, 이는 투명한 부분에도 고분자의 원형 순환 증폭의 산물 DNA가 존재함을 의미한다. 상기 결과는 투명한 부분도 불투명한 부분과 같이 강한 물리적 특성을 나타내지는 못하나 국소적으로 G-사중합체를 형성하여 고분자 구조를 가지고 있음을 의미한다.A clear solution was separated from each amplification result, and 12% polyacrylamide gel electrophoresis was performed at 15 mA for 60 minutes to confirm the movement of the synthesized DNA. As shown in FIG. 6 , it was confirmed that the transparent part also did not move across the rod groove of the polyacrylamide gel, which means that the DNA product of circular cyclic amplification of the polymer exists even in the transparent part. The above result means that the transparent part does not exhibit strong physical properties like the opaque part, but has a polymer structure by locally forming a G-tetrapolymer.

실시예 4: DNA 하이드로겔을 이용한 단백질 발현Example 4: Protein expression using DNA hydrogel

실시예 2에서 제조한 DNA 하이드로겔을 이용한 단백질 발현을 확인하였다. 양성대조군으로, HiBiT 암호화 서열(Antisense) 및 T7 프로모터 서열(Antisense)을 포함하는 HiBiT 암호화 선형 DNA 템플릿(Promega 사)을 제작하였으며, T7 프로모터 서열을 갖는 프라이머를 다양한 농도로 첨가하여 RNA 전사시 T7 프로모터가 제대로 작동할 수 있도록 하였다(표 2). New England Biolabs 사의 NEBExpress® Cell-free E. coli Protein Synthesis System을 이용하여 25 °C에서 2시간 동안 단백질 발현을 진행하였으며, 발현된 HiBiT 단백질은 Promega 사의 Nano-Glo HiBiT Extracellular Detection System을 사용하여 상대적인 인광(relative luminescence)의 세기로 그 생산능력을 분석하였다.Protein expression was confirmed using the DNA hydrogel prepared in Example 2. As a positive control, a HiBiT-encoding linear DNA template (Promega) including a HiBiT coding sequence (Antisense) and a T7 promoter sequence (Antisense) was prepared, and primers having the T7 promoter sequence were added at various concentrations to transcribe the T7 promoter during RNA transcription. to work properly (Table 2). Protein expression was performed at 25 °C for 2 hours using New England Biolabs' NEBExpress® Cell-free E. coli Protein Synthesis System, and the expressed HiBiT protein was relative phosphorescence using Promega's Nano-Glo HiBiT Extracellular Detection System. The production capacity was analyzed by the intensity of relative luminescence.

서열 명sequence name 서열order 서열 번호SEQ ID NO: T7 프로모터 프라이머T7 promoter primer T AAT ACG ACT CAC TAT AGG GAT T AAT ACG ACT CAC TAT AGG GAT 66 HiBiT 암호화 선형 DNA 템플릿 (양성대조군)HiBiT-encoded linear DNA template (positive control) ACAGTAACAGTATTAGCTAATCTTCTTGAACAGCCGCCAGCCGCTCACGGTGTTGGGTGTGTAGAAGAAGCCTCGTTCCCCGCACACTAGGTAGAGAGCTTCCACCAGGTGTGAGCCGCACAGGTGTTGGTTCACAAACATATTTTTTCCTCCTTATACTTAATCCCTATAGTGAGTCGTATTAACAGTAACAGTATTAGCTAATCTTCTTGAACAGCCGCCAGCCGCTCACGGTGTTGGGTGTGTAGAAGAAGCCTCGTTCCCCGCACACTAGGTAGAGAGCTTCCACCAGGTGTGAGCCGCACAGGTGTTGGTTCACAAACATATTTTTTCCTCCTTATACTTAATCCCTATAGTGAGTCGTATTA 77

도 7에 도시된 것과 같이, DNA 하이드로겔을 이용한 단백질 발현의 경우, 모든 프라이머 농도에서 Hibit 발현이 선형 DNA 보다 34.8 내지 46.7 배, 선형 RNA 보다 6 내지 8.1배 증가한 것을 확인하였다. 특히 본 발명자들이 발명한 RNA 하이드로겔을 이용한 단백질 합성 시스템보다도 1.6 내지 2.2배 높은 단백질 발현율을 나타내는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 7 , in the case of protein expression using a DNA hydrogel, it was confirmed that Hibit expression increased 34.8 to 46.7 times that of linear DNA and 6 to 8.1 times that of linear RNA at all primer concentrations. In particular, it was confirmed that the protein expression rate was 1.6 to 2.2 times higher than that of the protein synthesis system using the RNA hydrogel invented by the present inventors.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the content of the present invention, for those of ordinary skill in the art, this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby It will be obvious. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present invention be defined by the appended claims and their equivalents.

<110> Progeneer Inc. <120> Circular Nucleic Acid Template for DNA Hydrogel Production and Protein Synthesis System using The Same <130> P20-B169 <160> 7 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 94 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> neucleic acid template <400> 1 agggattaag tataaggagg aaaaaatatg gtgagcggct ggcggctgtt caagaagtta 60 agctaaaccc taaccctata atacgactca ctat 94 <210> 2 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> T7-promoter_Sense sequence <400> 2 taatacgact cactataggg at 22 <210> 3 <211> 12 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Complementary Sequence to G-quadraplex motif <400> 3 accctaaccc ta 12 <210> 4 <211> 39 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HiBiT coding sequence_Sense <400> 4 atggtgagcg gctggcggct gttcaagaag ttaagctaa 39 <210> 5 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Oligonucleotide_(Primer for RCA) <400> 5 atccctatag tgagtcgtat ta 22 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> T7 promoter primer_(Primer for transcription) <400> 6 taatacgact cactataggg at 22 <210> 7 <211> 184 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HiBiT coding DNA template_linear <400> 7 acagtaacag tattagctaa tcttcttgaa cagccgccag ccgctcacgg tgttgggtgt 60 gtagaagaag cctcgttccc cgcacactag gtagagagct tccaccaggt gtgagccgca 120 caggtgttgg ttcacaaaca tattttttcc tccttatact taatccctat agtgagtcgt 180 atta 184 <110> Progeneer Inc. <120> Circular Nucleic Acid Template for DNA Hydrogel Production and Protein Synthesis System using The Same <130> P20-B169 <160> 7 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 94 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> neucleic acid template <400> 1 agggattaag tataaggagg aaaaaatatg gtgagcggct ggcggctgtt caagaagtta 60 agctaaaccc taaccctata atacgactca ctat 94 <210> 2 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> T7-promoter_Sense sequence <400> 2 taatacgact cactataggg at 22 <210> 3 <211> 12 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Complementary Sequence to G-quadraplex motif <400> 3 accctaaccc ta 12 <210> 4 <211> 39 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HiBiT coding sequence_Sense <400> 4 atggtgagcg gctggcggct gttcaagaag ttaagctaa 39 <210> 5 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Oligonucleotide_(Primer for RCA) <400> 5 atccctatag tgagtcgtat ta 22 <210> 6 <211> 22 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> T7 promoter primer_(Primer for transcription) <400> 6 taatacgact cactataggg at 22 <210> 7 <211> 184 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> HiBiT coding DNA template_linear <400> 7 acagtaacag tattagctaa tcttcttgaa cagccgccag ccgctcacgg tgttgggtgt 60 gtagaagaag cctcgttccc cgcacactag gtagagagct tccaccaggt gtgagccgca 120 caggtgttgg ttcacaaaca tattttttcc tccttatact taatccctat agtgagtcgt 180 atta 184

Claims (12)

프로모터 서열; 목적서열; 및 G-사중체(G-quadruplex) 모티프 서열에 상보적인 서열을 포함하는 핵산 템플릿을 포함하고,
상기 프로모터 서열은 프로모터의 센스 서열(Sense sequence)인 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물.
promoter sequence; target sequence; and a nucleic acid template comprising a sequence complementary to a G-quadruplex motif sequence,
The promoter sequence is a composition for production of a DNA hydrogel, which is a sense sequence of the promoter.
제1항에 있어서,
상기 조성물은 상기 프로모터 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드를 추가로 포함하고,
상기 핵산 템플릿은 선형(linear)이며,
상기 프로모터 서열은 분리되어 상기 핵산 템플릿의 3'-말단 및 5'-말단에 존재하는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물.
According to claim 1,
The composition further comprises an oligonucleotide comprising the promoter sequence,
The nucleic acid template is linear,
The promoter sequence is separated and the composition for producing a DNA hydrogel, characterized in that present at the 3'-end and 5'-end of the nucleic acid template.
제1항에 있어서, 상기 프로모터 서열은 T7 프로모터, T5 프로모터, T3 프로모터, lac 프로모터, tac과 trc 프로모터, cspA 프로모터, lacUV5 프로모터, Ltet0-1 프로모터, phoA 프로모터, araBAD 프로모터, trp 프로모터, tetA 프로모터, Ptac 프로모터 및 SP6 프로모터로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물.
According to claim 1, wherein the promoter sequence is T7 promoter, T5 promoter, T3 promoter, lac promoter, tac and trc promoter, cspA promoter, lacUV5 promoter, Ltet0-1 promoter, phoA promoter, araBAD promoter, trp promoter, tetA promoter, A composition for producing a DNA hydrogel, characterized in that it is selected from the group consisting of Ptac promoter and SP6 promoter.
제1항에 있어서, 상기 G-사중체 모티프(G-quadruplex motif) 서열은 3개 이상의 연속적인 구아닌 및 1 내지 7개의 임의의 서열이 1번 이상 반복되는 핵산 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물.
The DNA according to claim 1, wherein the G-quadruplex motif sequence comprises a nucleic acid sequence in which at least 3 consecutive guanines and 1 to 7 random sequences are repeated at least once. A composition for the production of hydrogels.
제4항에 있어서, 상기 G-사중체 모티프(G-quadruplex motif) 서열에 상보적인 서열은 서열번호 3(ACCCTAACCCTA)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물.
The composition for producing a DNA hydrogel according to claim 4, wherein the sequence complementary to the G-quadruplex motif sequence includes SEQ ID NO: 3 (ACCCTAACCCTA).
제1항에 있어서, DNA 중합효소(polymerase)를 추가로 포함하는 DNA 하이드로겔의 생산용 조성물.
The composition for producing a DNA hydrogel according to claim 1, further comprising a DNA polymerase (polymerase).
제1항의 핵산 템플릿으로부터 DNA를 합성하는 단계를 포함하는 DNA 하이드로겔의 제조방법.
A method for producing a DNA hydrogel comprising the step of synthesizing DNA from the nucleic acid template of claim 1.
제7항에 있어서,
상기 핵산 템플릿은 선형(linear)이며,
상기 프로모터 서열은 분리되어 상기 핵산 템플릿의 3'-말단 및 5'-말단에 존재하고,
상기 핵산 템플릿을 상기 프로모터 서열에 상보적인 서열을 포함하는 올리고 뉴클레오타이드와 어닐링(annealing)하는 단계;
상기 올리고뉴클레오타이드와 어닐링된 핵산 템플릿의 3'-말단 및 5'-말단을 연결하여, 이중가닥을 포함하는 원형 템플릿을 형성하는 단계; 및
상기 원형 템플릿으로부터 DNA를 증폭하는 단계를 포함하는 DNA 하이드로겔의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The nucleic acid template is linear,
The promoter sequence is separated and is present at the 3'-end and 5'-end of the nucleic acid template,
annealing the nucleic acid template with an oligonucleotide comprising a sequence complementary to the promoter sequence;
linking the 3'-end and 5'-ends of the oligonucleotide and the annealed nucleic acid template to form a circular template including a double strand; and
Method for producing a DNA hydrogel comprising the step of amplifying the DNA from the circular template.
제7항에 있어서, 상기 원형 템플릿으로부터 DNA를 증폭하는 단계는 원형 순환 증폭(Rolling circle Amplification) 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔의 제조방법.
The method of claim 7, wherein the step of amplifying the DNA from the circular template comprises performing a rolling circle amplification method.
제7항의 방법으로 제조되고, 프로모터 서열에 상보적인 서열; 목적서열에 상보적인 서열; 및 G-사중체 모티프 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 하이드로겔.
A sequence prepared by the method of claim 7 and complementary to a promoter sequence; a sequence complementary to the target sequence; And DNA hydrogel comprising a G-quadrel motif sequence.
제10항의 DNA 하이드로겔로부터 mRNA를 합성하는 단계; 및
합성된 mRNA를 번역(translation)하여 펩타이드 또는 단백질을 합성하는 단계를 포함하는 펩타이드 또는 단백질의 제조방법.
synthesizing mRNA from the DNA hydrogel of claim 10; and
A method for producing a peptide or protein comprising the step of synthesizing the peptide or protein by translating the synthesized mRNA.
제11항에 있어서, 상기 펩타이드 또는 단백질은 무세포 단백질 합성 시스템(cell free protein synthesis system)에 의해 합성되는 것을 특징으로 하는 펩타이드 또는 단백질의 제조방법.The method according to claim 11, wherein the peptide or protein is synthesized by a cell free protein synthesis system.
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