KR20230021541A - 유전자 증폭 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 유전자 증폭장치는, 샘플이 로딩되는 웰을 포함하되, 상기 로딩된 샘플에 포함된 미생물이 상기 웰 내부에서 열 용해되어 유전자가 방출되고, 상기 방출된 유전자가 상기 웰 내부에서 유전자 증폭되는 유전자 증폭 칩, 및 상기 웰의 열 용해 온도, 및 유전자 증폭의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함할 수 있다.
Description
유전자 증폭 장치 및 방법과 관련된다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료의 분석은 일련의 생화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근 에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위한 기술개발이 상당한 관심을 끌고 있다. 최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학, 신약 개발 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다. 이러한 다양한 목적에 따라 시료를 간편하고 정밀하게 분석하기 위하여 미세 유체 소자가 널리 사용되고 있다.
유전자 증폭 칩을 활용한 유전자 증폭 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따른 유전자 증폭장치는, 샘플이 로딩되는 웰을 포함하되, 로딩된 샘플에 포함된 미생물이 웰 내부에서 열 용해되어 유전자가 방출되고, 방출된 유전자가 웰 내부에서 유전자 증폭되는 유전자 증폭 칩, 및 웰의 열 용해 온도, 및 유전자 증폭의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함할 수 있다.
웰의 지름은 미생물의 지름보다 크거나 같고, 10000배 이하일 수 있다.
이때 웰의 지름 및 깊이는 1nm 이상 1000μm 이하일 수 있다.
웰의 부피는 1nL 이하일 수 있다.
또한 유전자 증폭장치는, 웰에서 유전자 증폭이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에 웰의 샘플에 광을 조사하고, 웰의 샘플로부터 산란, 또는 반사된 광학적 신호를 측정하는 광학부, 및 광학적 신호를 분석하여 증폭된 유전자를 검출하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
또한 유전자 증폭장치는 열 용해 시간을 10분 이하로 제어하고, 유전자 증폭 시간을 120분 이하로 제어하는 시간 제어부를 더 포함할 수 있다.
미생물이 RNA 바이러스일 경우, RNA 바이러스가 웰 내부에서 열 용해되어 방출된 RNA는 웰 내부에서 역전사(Reverse Transcription) 효소를 기초로 역전사 될 수 있다.
이때 온도 제어부는,
이용된 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 기초로 웰의 열용해 온도를 제어하고, 유전자 증폭장치는
역전사 시간을 20분 이하로 제어하는 시간 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한 유전자 증폭장치는 열 용해시 이용되는 바이러스 막 연화제(vrial membrane softening agent)를 포함할 수 있다.
이때 바이러스 막 연화제는, 에탄올, 이소프로필알코올, 메탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 트리에틸아민, 디메틸포름아미드, 헥사메틸포스포릭 트리아미드, 디메틸설폭사이드, 아세톤, 아세토니트릴, 피리딘, 금속입자(metal particle), 세정제(detergent), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 및 헥산올(hexanal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 유전자 증폭장치는 수신된 광을 이용하여 열을 발생시키는 광-열 필름을 포함하는 광학적 발열 소자, 및 펠티어(peltier)소자를 포함하는 전기적 발열 소자 중 적어도 하나의 열원을 더 포함할 수 있고, 온도 제어부는 열원을 이용하여 웰의 열 용해 온도, 및 유전자 증폭 온도를 제어할 수 있다.
유전자 증폭은, PCR(polymerase chain reaction) 증폭 반응, 및 등온 증폭 반응(isothermal amplification)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
웰의 갯수는 1개이상 10만개 이하일 수 있다.
유전자 증폭 칩은, 웰이 형성되는 기판을 포함하되, 웰은 기판의 상부면에서 하부면 방향으로 관통되도록 형성된 관통홀의 형태일 수 있다.
일 양상에 따른 유전자 증폭 방법은, 샘플을 웰에 로딩하는 단계, 웰의 온도를 열 용해 온도로 제어하여, 샘플에 포함된 미생물을 웰 내부에서 열 용해하여 유전자를 방출시키는 단계, 웰의 온도를 유전자 증폭 온도로 제어하여, 방출된 유전자를 웰 내부에서 유전자 증폭시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때 유전자 증폭방법은 웰에서 미생물의 유전자 증폭이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에 웰의 샘플에 광을 조사하는 단계, 웰의 샘플로부터 산란, 또는 반사된 광학적 신호를 측정하는 단계, 및 광학적 신호를 분석하여 증폭된 유전자를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
미생물을 웰 내부에서 열 용해하는 단계는, 열 용해 시간을 10분 이하로 제어하는 단계를 포함하고, 방출된 유전자를 웰 내부에서 유전자 증폭시키는 단계는, 유전자 증폭 시간을 120분 이하로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 유전자 증폭방법은, 미생물이 RNA 바이러스일 경우, RNA 바이러스가 웰 내부에서 열 용해되어 방출된 RNA를, 웰 내부에서 역전사(Reverse Transcription) 효소를 기초로 역전사 하는 단계를 더 포함하되,
미생물을 웰 내부에서 열 용해하는 단계는 이용된 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 기초로 온도를 제어하는 단계를 포함하고, 역전사 하는 단계는, 역전사 시간을 20분 이하로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
미생물을 웰 내부에서 열 용해하는 단계는, 바이러스 막 연화제(vrial membrane softening agent)를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
미생물을 웰 내부에서 열 용해하는 단계, 및 방출된 유전자를 웰 내부에서 유전자 증폭시키는 단계는, 수신된 광을 이용하여 열을 발생시키는 광-열 필름을 포함하는 광학적 발열 소자, 및 펠티어(peltier)소자를 포함하는 전기적 발열 소자 중 적어도 하나의 열원을 이용하여 각각 웰의 온도를 열 용해 온도, 및 유전자 증폭 온도로 제어할 수 있다.
전처리 및, 유전자 증폭과정이 단일 용기 내에서 수행됨으로써 유전자 증폭시간을 단축하고, 민감도와 정확성을 향상시킬 수 있다
도 1a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도이다.
도 1b는 바이러스의 농도와, 부피 당 증폭된 유전자의 개수와의 상관관계를 도시한 것이다.
도 1c 내지 도 1e는 온도 제어부가 웰의 온도를 제어하는 실시예를 도시한 것이다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도이다.
도 2b은 기판, 및 기판에 형성된 관통홀 형태의 웰을 도시한 것이다.
도 2c는 광열필름이 배치된 기판의 측면을 도시한 것이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도 이다.
도 4는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 사시도 이다.
도 5는 일 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 1b는 바이러스의 농도와, 부피 당 증폭된 유전자의 개수와의 상관관계를 도시한 것이다.
도 1c 내지 도 1e는 온도 제어부가 웰의 온도를 제어하는 실시예를 도시한 것이다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도이다.
도 2b은 기판, 및 기판에 형성된 관통홀 형태의 웰을 도시한 것이다.
도 2c는 광열필름이 배치된 기판의 측면을 도시한 것이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도 이다.
도 4는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 사시도 이다.
도 5는 일 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 유전자 증폭 장치 및 방법의 다양한 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도이다.
도 1a를 참조하면, 유전자 증폭장치(100)는 유전자 증폭 칩(110a), 및 온도 제어부(120)를 포함할 수 있다.
유전자 증폭 칩(110a)은 샘플이 로딩되는 웰(111a)을 포함할 수 있다.
샘플은 검체 또는 검체를 희석한 용액일 수 있다. 예컨대, 호흡기 분비물, 혈액, 소변, 땀, 눈물, 침 중의 적어도 하나를 포함하는 체액(bio-fluid), 폐결핵(upper respiratory tract)의 스왑(swab) 샘플, 또는 이러한 체액이나 스왑 샘플 등을 다른 매질에 분산시킨 용액일 수 있다. 이때, 다른 매질은 물, 식염수, 알코올, 인산 완충 식염수, 바이러스 전달 매체(viral transport media) 등을 포함하며 이에 한정되는 것은 아니다.
샘플은 RNA(ribonucleic acid) 바이러스, DNA(deoxyribonucleic acid) 바이러스, PNA(peptide nucleic acid) 바이러스, LNA(locked nucleic acid) 바이러스 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex), 박테리아, 병원균, 세균, 균, 올리고펩티드(oligopeptide), 단백질(protein) 및 톡신(toxin) 등의 미생물을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 미생물은 내부에 유전자를 포함할 수 있다. 예컨대, RNA 바이러스는 바이러스 막 내부에 RNA를 포함할 수 있고, DNA 바이러스는 바이러스 막 내부에 DNA를 포함할 수 있다.
웰(111a)의 지름은 미생물, 예컨대 RNA 바이러스, 또는 DNA 바이러스의 지름보다 크거나 같고, 10000배 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 웰(111a)의 지름과 깊이는 1nm 이상 1000μm 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 웰(111a)의 지름과 깊이는 자유로이 변형될 수 있다. 웰(111a)의 부피는 1nL 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
웰(111a)의 지름, 깊이, 및 부피 등의 수치적 특성은 광학부(미도시)가 포함할 수 있는 디텍터의 픽셀, 및/또는 샘플의 크기에 기초하여 자유로이 변형될 수 있다.
유전자 증폭 칩(110a)은 다수의 웰(111a)을 포함하는 웰 어레이로 형성될 수 있다. 이때 웰 어레이의 웰(111a)의 개수는 10만개 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 유전자 증폭 칩(110a)이 복수의 웰(111a)을 포함하는 웰 어레이로 형성됨으로써 디지털(Digital) PCR의 구현이 가능하고, 그에 따라 각 웰(111a)에 포함된 샘플이 더 높은 비율로 농축되고(concentration), 불순물이 걸러지는 정제 효과(purification)를 가질 수 있다.
유전자 증폭 칩(110a)이 웰 어레이로 형성됨으로써 갖는 농축, 및 정제 효과로 인해 유전자 증폭의 효율성이 증가할 수 있다. 아래의 표 1은 로딩되는 바이러스의 농도에 따른, 증폭된 유전자 개수/부피(μL)에 관한 총 3회의 실험결과를 나타낸 것이다.
| 바이러스 농도 | 증폭된 유전자 개수 / 부피(μL) | ||
| 1회차 | 2회차 | 3회차 | |
| 0.01 | 2.648 | 5.51 | 1.552 |
| 0.1 | 56.939 | 63.996 | 60.383 |
| 1 | 928.88 | 1298.2 | 1615.9 |
표 1의 실험 결과를 그래프로 도시하면 도 1b와 같다. 도 1b는 바이러스의 농도와, 부피 당 증폭된 유전자의 개수와의 상관관계를 도시한 것이다. 가로축은 로딩된 바이러스의 농도, 세로축은 부피(μL) 당 증폭된 유전자의 개수를 의미한다.표 1, 및 도 1b를 참조하면, 로딩되는 바이러스, 예컨대 RNA 바이러스, 또는 DNA 바이러스의 농도가 증가함에 따라, 부피(μL) 당 증폭된 유전자의 개수가 증가함을 알 수 있다. 따라서 유전자 증폭 칩(110a)이 웰 어레이로 형성됨으로써 농축, 및 정제 효과를 갖게 되고, 이로 인해 유전자 증폭의 효율성이 증가할 수 있다. 온도 제어부(120)는 유전자 증폭장치(100)의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어부(120)는 유전자 증폭장치(100)의 샘플 주입구(미도시)에 주입된 샘플의 온도가 95
이상의 등온을 유지하도록 제어하거나, 유전자 증폭 칩(110a)에 형성된 웰(111a)의 온도를 소정범위 내로 제어할 수 있다.
온도제어부(120)는 유전자 증폭 칩(110a) 내부 또는 외부에 배치되어 웰(111a)의 온도를 측정하는 온도 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 온도 센서는 온도의존성 전동기력(EMF)을 생성하는 바이메탈 접합을 갖는 서모커플, 온도 비례의 전기 저항을 갖는 재료를 포함하는 저항성 서모미터, 서미스터(thermistors), IC 온도센서, 콰르츠(quartz) 서모미터 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
웰(111a)에 로딩된 샘플에 포함된 미생물은 웰(111a)내부에서 열 용해되어 유전자가 방출되고, 방출된 유전자는 역전사 된 후, 유전자 증폭될 수 있다. 이때 온도 제어부(120)는 시간의 흐름에 따라 웰(111a)의 온도를 열 용해온도, 역전사 온도, 유전자 증폭 온도로 각각 제어할 수 있다. 도 1c 내지 1d를 통해 온도 제어부(120)가 웰(111a)의 온도를 열 용해온도, 역전사 온도, 유전자 증폭 온도로 각각 제어하는 과정을 설명한다.
도 1c 내지 도 1e는 온도 제어부(120)가 웰(111a)의 온도를 제어하는 실시예를 도시한 것이다.
도 1c 내지 도 1e에서 가로축은 샘플이 웰(111a)에 로딩이 된 시점(O)부터의 유전자 증폭 종료 시점까지의 시간을 의미한다. 이때 열 용해과정은 0~T1에, 역전사 과정은 T1~T2에, 유전자 증폭 과정은 T2~종료시에 발생하는 것으로 도시된 것이다.
도 1c를 참조하면, 온도 제어부(120)는 웰(111a)의 온도를 일정 시간(0~T1)동안 열 용해온도(F1)로 제어할 수 있다.
웰(111a)에 로딩된 샘플에 포함된 미생물은 열 용해 과정을 통해 바이러스 막, 또는 미생물의 껍질이 제거될 수 있다. 예컨대, 미생물이 DNA 바이러스인 경우, DNA 바이러스는 열 용해 과정을 통해 바이러스 막이 제거되어 내부의 유전자인 DNA가 방출될 수 있고, 미생물이 RNA 바이러스인 경우, RNA 바이러스는 열 용해 과정을 통해 바이러스 막이 제거되어 내부의 유전자인 RNA가 방출될 수 있다.
온도 제어부(120)가 제어하는 열 용해 온도(F1)는 로딩되는 샘플에 포함된 미생물의 종류, 역전사 효소의 활성 온도 범위, 또는 유전자 증폭장치의 사용자의 조작에 따라 상이할 수 있다. 도 1c의 경우 일정 시간(0~T1)동안 열 용해온도는 등온(F1)인 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 열 용해 온도는 일정 시간(0~T1)동안 일정 범위 내에서 증감될 수도 있다.
예를 들어, 온도 제어부(120)는 역전사 온도를 기초로 열 용해온도를 제어할 수 있다. 이때, 온도 제어부(120)는 역전사 과정에서 이용되는 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 기초로 웰(111a)의 열용해 온도를 제어할 수 있다. 도 1c를 통해 설명하면, 이용된 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위가 도 1c에서 F2 이상, F3 이하인 경우 온도 제어부(120)는 열용해 온도를 F2 이상, F3 이하의 온도범위 내로 제어할 수 있다. 이때, 도 1c의 경우 열 용해온도는 F2 이상, F3 이하의 온도범위 내에서 등온(F1)인 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 열 용해 온도는 일정 시간(0~T1)동안 F2 이상, F3 이하의 온도범위 내에서 일부 증감될 수도 있다
이때, 미생물의 열 용해에 요구되는 열 용해 온도가 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 초과하는 경우, 바이러스 막 연화제가 이용될 수 있다. 바이러스 막 연화제를 이용하여 열 용해온도를 제어하는 과정을 도 1d를 통해 설명한다.
도 1d는 미생물의 열 용해에 요구되는 열 용해 온도가 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 초과하는 경우, 바이러스 막 연화제를 이용하여 열 용해 온도를 제어하는 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 1d를 참조하면, 미생물의 열 용해에 요구되는 열 용해 온도가 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위(F2~F3)를 초과하는 경우, 예컨대 F8만큼의 온도가 요구되는 경우에는 바이러스 막 연화제(vrial membrane softening agent)를 이용하여 샘플에 요구되는 열 용해 온도를 예컨대 F1으로 감소시킬 수 있다. 바이러스 막 연화제가 이용됨으로써 온도 제어부(120)는 일정 범위, 예컨대 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위(F2~F3) 내의 임의의 온도로 열 용해온도를 제어할 수 있고, 이때 열 용해의 효율이 향상될 수 있다.
바이러스 막 연화제는 에탄올, 이소프로필알코올, 메탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 트리에틸아민, 디메틸포름아미드, 헥사메틸포스포릭 트리아미드, 디메틸설폭사이드, 아세톤, 아세토니트릴, 피리딘, 금속입자(metal particle), 및 유기용매, 예컨대 세정제(detergent), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 헥산올(hexanal) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다시 도 1c를 참조하면, 온도 제어부(120)는 미생물이 RNA 바이러스인 경우, 열 용해 과정 이후에 웰(111a)의 온도를 일정 시간(T1~T2)동안 역전사 온도로 제어할 수 있다. 이때, 열 용해과정에서 방출된 유전자, 예컨대 RNA가 역전사 될 수 있다.
역전사 과정에서는 역전사 효소가 이용될 수 있는데, 이때 온도 제어부(120)는 역전사 온도를 역전사 효소의 활성온도 범위(F2~F3) 내의 임의의 온도, 예컨대 도 1c에 도시된 바와 같이 F4로 제어할 수 있다. 이때, 역전사 효소의 활성온도 범위는 이용되는 역전사 효소에 따라 미리 정해질 수 있다.
도 1c에는 역전사 과정에서의 온도가 등온(F4)인 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 역 전사 온도는 역전사 과정이 진행되는 시간 동안 F2 이상, F3 이하의 온도범위 내에서 일부 증감될 수도 있다.
온도 제어부(120)는 열 용해 또는 역전사 과정 이후에 웰(111a)의 온도를 일정시간(T2~종료시)동안 유전자 증폭온도로 제어할 수 있다. 이때, 열 용해된 유전자, 및/또는 역전사된 유전자는 웰(111a)내부에서 유전자 증폭될 수 있다.
유전자 증폭반응은 PCR(polymerase chain reaction) 증폭 반응, 및 등온 증폭 반응(isothermal amplification)중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 온도 제어부(120)는 유전자 증폭 반응의 종류에 따라, 웰(111a)의 유전자 증폭 온도를 서로 다르게 제어할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어부(120)는 유전자 증폭반응이 PCR(polymerase chain reaction) 증폭반응인 경우에는 웰(111a)의 온도를 서머 사이클링(thermal cycling)에 기초하여 제어하고, 등온 증폭 반응(isothermal amplification)인 경우에는 웰(111a)의 온도가 특정 온도를 유지하게끔 제어할 수 있다.
일 예로, 도 1c, 및 도 1d는 온도 제어부(120)가 일정시간(T2~종료시)동안 PCR 증폭반응의 서머 사이클링(thermal cycling)에 기초하여 온도를 제어하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 1c, 및 도 1d를 참조하면, 온도 제어부(120)는 PCR 증폭반응 중, 변성(denaturation)을 위해 웰(111a)의 온도를 소정 시간 동안 F5로 제어하고, 이후 어닐링(annealing)을 위해 온도를 감소시켜 F6로 제어하고, 익스텐션(extension)을 위해 다시 온도를 증가시켜 F7으로 제어할 수 있다. 이러한 서머 사이클링(thermal cycling)에 기초한 PCR 증폭반응을 통해 샘플 내 유전자가 증폭될 수 있다.
다른 예로, 도 1e는 온도 제어부(120)가 일정시간(T2~종료시)동안 등온 증폭반응(isothermal amplification)에 기초하여 온도를 제어하는 일 예를 도시한 것이다. 도 1e를 참조하면, 온도 제어부(120)는 웰(111a)의 온도를 소정시간 동안 등온, 예컨대 F9를 유지하도록 제어할 수 있고, 이때, F9의 온도를 기준으로 소정 범위내의 오차가 발생할 수도 있다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도이다.
도 2a를 참조하면, 유전자 증폭장치(200)는 유전자 증폭칩(110b), 온도 제어부(120), 열원(130), 시간 제어부(140), 광학부(150), 및 프로세서(160)를 포함할 수 있다.
유전자 증폭칩(110b)의 웰(111b)은 유전자 증폭칩(110b)이 포함하는 기판(112)에 형성될 수 있다.
기판(112)은 실리콘(Si), 유리(Glass), 고분자(polymer), 금속(metal), 세라믹, 그래파이트(graphite) 등의 무기물, 아크릴계, PET(PolyEthylene Terephtalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 중 어느 하나로 구성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
웰(111b)은 관통홀의 형태로 기판(112)에 형성될 수 있다. 도 2b를 참조하여 웰(111b)이 기판(112)에 관통홀의 형태로 형성된 구조를 설명한다.
도 2b는 기판(112), 및 기판에 형성된 관통홀 형태의 웰(111b)을 도시한 것이다. 도 2b를 참조하면, 유전자 증폭 칩(110b)은 관통홀 형태의 웰(111b) 어레이, 및 기판(112)을 포함한다.
이때 기판은 상부면(112a), 및 하부면(112b)을 포함할 수 있고, 웰(111b)은 기판의 상부면(112a)에서 하부면(112b)방향으로 관통되도록 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 관통 홀은 원통 또는 육각 기둥일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 기타 다각기둥 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 유전자 증폭 칩(110b)이 웰(111b) 어레이로 형성되는 경우, 관통홀 형태의 웰(111b) 어레이는 적어도 2만개 이상, 10만개 이하의 웰(111b)을 포함할 수 있으나, 웰(111b)의 개수는 이에 제한되지 않는다.
다시 도 2a를 참조하면, 온도 제어부(120)는 웰(111b)의 온도를 제어할 때, 유전자 증폭장치(200)의 내부, 또는 외부에 배치된 열원(130)을 이용할 수 있다. 이때 열원(130)은 광학적 발열소자(131), 및 전기적 발열소자(132) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광학적 발열소자(131)는 수신된 광을 이용하여 열을 발생시키는 물질을 포함할 수 있으며, 일 예로 광학적 발열소자(131)는 광-열 필름을 포함할 수 있다. 이때 광-열 필름은 유전자 증폭 칩(110b)의 기판(112)에 배치될 수 있다. 기판(112)에 광-열 필름이 배치된 형태를 도 2c를 참조하여 설명한다.
도 2c는 광열필름이 배치된 기판의 측면을 도시한 것이다.
도 2c를 참조하면, 유전자 증폭 칩은 기판(112), 기판의 상부면(112a), 기판의 하부면(112b), 관통 홀 형태의 웰(111b), 관통 홀 형태의 웰(111b)의 격벽(112c), 및 광-열 필름(131a)을 포함할 수 있다.
도 2c는 기판의 상부면(112a), 기판의 하부면(112b), 및 관통 홀 형태의 웰(111b)의 격벽(112c)에 광-열 필름(131a)이 배치된 상태를 도시하였다. 다만, 이에 제한되지 않고, 기판의 상부면(112a), 기판의 하부면(112b), 및 관통 홀의 격벽(112c) 중 어느 하나에만 광-열 필름(131a)이 배치될 수 있고, 기판의 상부면(112a), 및 기판의 하부면(112b)에만 광-열 필름(131a)이 배치될 수도 있다. 이때 광-열 필름(131a)은 패턴으로 증착될 수 있다.
광-열 필름(131a)은 예컨대 온도 제어부(120)의 광학 가열부(미도시)의 광원, 및/또는 광학부(150)의 광원으로부터 광을 수신하고, 수신된 광을 통해 열을 발생(photonic heating)시킬 수 있다. 이때 도 2c에 도시된 바와 같이 광-열 필름(131a)이 유전자 증폭 칩(110b)의 복수의 위치에 배치됨으로써, 온도를 균일하게 제어하는 것이 가능하고, 열 발생 효율이 증가한다.
광-열 필름(131a)의 두께는 10μm 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한 광-열 필름(131a)은 금속층(metal layer)으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 광-열 필름(131a)은 금속을 산화시킨 물질, 준금속, 및 비금속으로 구성될 수도 있다. 예를 들어 광-열 필름(131a)은 적외선 흡수능이 우수하여 레이저 조사시 광열변환 효과가 우수한 산화 텅스텐계 물질로 구성될 수도 있다. 광-열 필름(131a)은 나노 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광-열 필름(131a)은 지름 50nm 이하, 두께 50nm이하의 나노 입자, 나노 막대(nanorod), 나노 디스크(nanodisc), 또는 나노 섬(nanoisland)으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 이외에도 다양한 나노 구조로 형성되는 것이 가능하다. 또한 광-열 필름(131a)은 카본블랙, 가시광선 염료, 자외선 염료, 적외선 염료, 형광 염료, 방사선 편광 염료, 안료, 금속 화합물, 및 다른 적합한 흡수 재료를 광-열 변환 물질로 추가적으로 포함할 수도 있다.
유전자 증폭 칩은 기판(112)과 광-열 필름(131a) 사이에 배치되어 광-열 필름(131a)의 접착력을 향상시키는 접착 막(미도시), 광-열 필름(131a)을 감싸도록 배치되어 광-열 필름(131a)이 관통 홀 내부에서의 유전자 증폭과정을 방해하는 것을 방지하는 보조 필름(미도시), 광-열 필름(131a)의 광열효과를 증폭시키기 위한 기타 물질을 더 포함할 수 있다. 이때 광-열 필름(131a), 접착막(미도시), 및 보조 필름(미도시) 등은 화학적 증기 증착법(CVD), 물리적 기상 증착법(PVD), 원자층 증착법(ALD), 스퍼터링(sputtering), 및 증발 탈수법(evaporation) 등을 이용하여 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다시 도 2a를 참조하면, 전기적 발열소자(132)는 전기적 열 특성을 갖는 펠티어(peltier) 소자를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
온도 제어부(120)는 열원(130)을 이용하여 시간의 흐름에 따라 웰(111b)의 온도를 열 용해온도, 역전사 온도, 유전자 증폭 온도로 각각 제어할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 열원(130)의 일 예인 광학적 발열소자(131) 중에서 광-열 필름을 예를 들어 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
온도 제어부(120)는 유전자 증폭칩(110b)의 웰(111b), 및/또는 웰(111b)에 배치된 광-열 필름에 광을 조사하는 하나 이상의 광원을 포함하는 광학 가열부(미도시)를 포함할 수 있다. 광학 가열부(미도시)가 포함할 수 있는 광원은 예컨대 LED(light emitted diode), 레이저(laser), VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 광학 가열부(미도시)는 광학부(150)의 광원을 공유하여 웰(111b), 및/또는 웰(111b)에 배치된 광-열 필름에 광을 조사할 수도 있다.
온도 제어부(120)는 광학 가열부(미도시), 및/또는 광학부(150)가 포함하는 광원의 빛의 세기를 제어하여 광-열필름에서 발생하는 열을 조절할 수 있다. 이때 온도 제어부(120)는 도 1에서 전술한 바와 같이 온도센서(미도시)에 기초하여 광-열필름에서 발생하는 열에 의한 웰(111b)의 온도변화를 측정할 수 있다. 그 결과 웰(111b)의 온도를 도 1c 내지 도 1d와 같이 시간의 흐름에 따라 열 용해온도, 역전사 온도, 유전자 증폭 온도로 각각 제어할 수 있다.
시간 제어부(140)는 타이머 등을 이용하여 유전자 증폭장치(200)의 열 용해 시간, 역전사 시간, 및 유전자 증폭시간 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
예를 들어, 시간 제어부(140)는 광학 가열부(미도시), 및/또는 광학부(150)의 광원이 온도 제어부(120)에 의하여 제어된 특정 세기의 광을 조사하는 시간을 직접 제어하거나, 또는 온도 제어부(120)와 전기적으로 연결되어 온도 제어부(120)가 제어하는 특정 온도의 유지시간을 온도 제어부(120)에 전송함으로써, 유전자 증폭장치(200)의 열 용해 시간, 역전사 시간, 및 유전자 증폭시간을 제어할 수 있다.
도 1c를 예를 들어 설명하면, 시간 제어부(140)가 열 용해 반응을 시작시점(0)부터 T1까지로 제어하면, 온도 제어부(120)는 0~T1 동안 웰(111b)의 온도를 열 용해 온도(F1)로 제어할 수 있다. 시간 제어부(140)가 이후 역전사 반응을 T1~T2로 제어하면, 온도 제어부(120)는 T1~T2 동안 웰(111b)의 온도를 역전사 온도(F4)로 제어할 수 있다.
이때, 시간 제어부(140)는 열 용해 시간을 10분 이하(예: 1초~10분)로 제어하고, 역전사 시간을 20분 이하(예: 1초~20분)로 제어하며, 유전자 증폭 시간을 120분(예: 1초~120분) 이하로 제어할 수 있으나, 각 열 용해 시간, 역전사 시간, 유전자 증폭시간은 이에 한정되지 않고 자유로이 변형이 가능하다. 이때 시간 제어부(140)는 유전자 증폭반응이 PCR 증폭반응인 경우에는, 각 사이클에서 변성단계(denaturation)는 15초, 또는 30초, 어닐링(annealing)단계는 30초, 익스텐션(extension)단계는 30초로 제어할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 각 단계의 시간은 자유로이 변형될 수 있다.
광학부(150)는 웰(111b)에서 유전자 증폭반응이 수행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에 웰(111b)의 샘플로부터 광학적 신호를 측정할 수 있다. 이때, 광학적 신호는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명 등을 포함한다. 광학부(150)는 웰(111b)의 샘플에 광을 조사하는 광원과 웰(111b)의 샘플에서 반사된 광학적 신호를 검출하는 디텍터를 포함할 수 있다.
광원은 LED, 레이저(laser), VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 디텍터는 광전자증폭관(photomultiplier tube), 포토디텍터(photo detector), 광전자증폭관(photomultiplier tube) 어레이, 포토디텍터(photo detector) 어레이, CMOS 이미지 센서(complementary metal-oxide semiconductor) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
이때, 디텍터는 증폭된 유전자로부터 방출된 형광을 검출할 때, 광-열 필름의 형광 반사를 이용할 수 있다. 예를 들어, 유전자 증폭 칩(110b)의 관통 홀 형태의 웰(111b)의 격벽에 반사도가 높은 구성물질로 이루어진 광-열 필름이 배치되는 경우, 광-열 필름은 관통 홀 내부에서 증폭된 유전자로부터 방출된 형광을 디텍터 방향으로 반사시킬 수 있다. 이때 디텍터는 광-열 필름으로부터 반사된 형광을 검출할 수 있다.
광학부(150)는 특정 파장을 통과시키기 위한 필터, 웰(111b)로부터 방출되는 광을 디텍터 방향으로 향하도록 조절하는 미러(mirror), 웰(111b)로부터 방출되는 광을 집광하는 렌즈(lens) 등을 더 포함할 수 있다. 광학부(150)는 생략될 수 있으며, 이때 증폭된 유전자의 정량은 외부기기를 통해 분석될 수도 있다.
프로세서(160)는 광학부(150)와 전기적으로 연결될 수 있으며 광학부(150)의 광원의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 디텍터로부터 광학적 신호를 수신하여 광학적 신호를 분석할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(160)는 디텍터에 의해 검출된 유전자 증폭 결과에 대하여 푸아송 분포(Poisson distribution)를 기반으로 유전자의 정량을 분석할 수 있다. 전술한 온도 제어부(120), 및 시간 제어부(140)의 적어도 일부 기능은 프로세서(160)에 통합될 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 블록도 이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 유전자 증폭장치(300)는 도 2a의 실시예의 유전자 증폭장치(200)의 구성에 저장부(310), 출력부(320), 통신부(330)를 더 포함할 수 있다.
저장부(310)는 예를 들어 유전자 증폭을 위한 각종 기준 정보 및/또는 유전자 증폭결과 등을 출력할 수 있다. 저장부(310)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
출력부(320)는 예를 들어 유전자 증폭 과정, 유전자 증폭, 분석 결과 등을 출력할 수 있다. 출력부(320)는 시각적 출력 모듈(예: 디스플레이), 음성 출력 모듈(예: 스피커), 햅틱 모듈 등을 이용하여 시각적, 청각적 및 촉각적 방법 등으로 사용자에게 정보를 제공할 수 있다.
통신부(330)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(330)는 유전자 증폭장치(100, 200, 300)에서 생성된 데이터, 예컨대 유전자 검출 결과 등을 외부 장치로 전송할 수 있으며, 외부 장치로부터 유전자 검출에 필요한 데이터를 수신할 수 있다. 이때, 외부 장치는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(330)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 사시도 이다.
도 4를 참조할 때. 유전자 증폭장치(400)는 본체(410), 샘플 주입구(420), 샘플 배출구(430), 본체의 일면에 배치되며 샘플 주입구(420) 및 샘플 배출구(430)와 유관(440a, 440b)을 통해 연결된 챔버(450), 및 챔버(450) 내에 삽입된 유전자 증폭 칩(110b)을 포함할 수 있다. 본체(410)는 챔버(450)가 삽입될 수 있는 홈(미도시)을 포함할 수 있다
샘플은 샘플 주입구(420)를 통해 주입될 수 있다. 이때, 샘플은 전술한 바와 같이 RNA(ribonucleic acid) 바이러스, DNA(deoxyribonucleic acid) 바이러스, PNA(peptide nucleic acid) 바이러스, LNA(locked nucleic acid) 바이러스 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex), 박테리아, 병원균, 세균, 균, 박테리아, 올리고펩티드(oligopeptide), 단백질(protein) 및 톡신(toxin) 등의 미생물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
샘플 주입구(420)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), 실리콘(Si) 포토닉스(photonics) 구조물, 2D 마이크로/나노 소재/구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 샘플 주입구(420)는 주입된 샘플의 온도를 조절하기 위한 광학(optical) 또는 전기적(electrical) 발열 특성을 갖는 구조물을 포함할 수 있다. 예컨대, 샘플 주입구(420)는 예컨대 LED(light emitted diode), 레이저(laser), VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser) 등과 같은 광원에 대하여 반응하는 광학적 발열 소재/구조 또는, 펠티어(peltier) 소자 등의 전기적 발열 소자 등을 포함할 수 있다.
도 4에는 샘플 주입구(420)가 원형인 것으로 도시되어 있으나, 샘플 주입구(420)의 크기, 형태, 개수 등은 제한 없이 자유로이 변형될 수 있다. 또한 도 4에는 샘플 주입구(420)와 샘플 배출구(430)가 챔버(450)와 나란히 수평으로 배치된 형태가 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않고 샘플 주입구(420)와 챔버(450), 샘플 배출구(430)가 수직으로 배치되는 등, 그 배치형태는 자유로이 변형될 수 있다.
유전자 증폭장치(400)는 증폭하고자 하는 유전자 별 반응물을 포함하고 있는 저장소(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때, 유전자별 반응물은 동결 건조되어 저장소(미도시)에 고정될 수 있다. 이때, 유전자에 대한 반응물은 역전사 효소, 중합 효소, 리가아제(ligase), 페록시다아제(peroxidase), 프라이머(primer) 및 프로브(probe) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 프라이머는 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide) 예컨대, 대상 특정 단일 가닥 올리고뉴클레오타이드(target specific single strand oligonucleotide)로 구성될 수 있다. 또한, 프로브는 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide) 예컨대, 대상 특정 단일 가닥 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide), 형광 물질 및 활성 감소제(quencher) 등을 포함할 수 있다. 프로브는 여러 다른 종류의 물질들이 용해된 용액 상에서 특정 표적 유전자와 상호 작용하여 특징적인 형광 신호를 나타낼 수 있다. 이러한 특징적인 신호는 유전자 증폭장치(400)의 디텍터(미도시) 및/또는 프로세서(미도시)에 의해 소정 시간 동안 추적, 검출 및 처리되어 유전자 검출에 활용될 수 있다.
유전자 증폭장치(400)에 주입된 샘플은 유관(440a)을 따라 챔버(450)내로 유입될 수 있다. 이때, 유관(440a, 440b)은 샘플의 흐름을 제어하는 밸브(미도시)를 포함할 수 있다. 이때 밸브(미도시)는 유관(440a, 440b)을 개폐하는 다양한 방식의 마이크로 밸브 일 수 있다. 예컨대, 공압/열공압식(pneumatic/thermopneumatic actuated), 정전기식(electrostatically actuated), 압전식(piezoelectrically actuated), 전자기식(electromagnetically actuated) 등의 능동형(active microvalve) 밸브, 또는, 인위적인 외부의 동작 없이 시스템이 유체 흐름의 방향이나 계면장력의 차 등에 의하는 개폐하는 수동형(passive microvalve) 방식의 마이크로밸브를 포함할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.
유관(440a)은 샘플 주입구(420)에 로딩되어 전처리된 샘플에서 미세입자를 차단하고 유체만을 통과시키는 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 필터(미도시)는 미세 구멍을 갖는 일층 또는 다층의 막 형상의 필터일 수 있으며, 구멍의 크기에 따라 원하는 크기의 미세입자를 차단할 수 있다. 필터(미도시)는 예컨대, 실리콘(Silicon), PVDF(polyvinylidene fluoride), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 유리섬유(Glass Fiber), 폴리프로필렌(Polypropylene), 셀룰로스(Cellulose), 혼합 셀룰로스 에스테르(Mixed cellulose esters), PTFE(Polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene Terephthalate), PVC(Polyvinyl chloride), 나일론(Nylon), 포스포셀룰로스(Phosphocellulose), DEAE(Diethylaminoethyl cellulose) 등의 재료로 제조될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 구멍의 모양은 예컨대 원형, 사각형, 슬릿 형상, 글래스 파이버에 의한 불규칙한 형상 등 다양한 모양일 수 있다.
도 4에는 유관(440a, 440b)이 직선의 형태로 챔버(450)의 좌우에 각각 하나씩 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 유관(440a, 440b)은 직선의 형태가 아닌 다양한 곡선의 형태일 수 있으며, 복수의 채널(미도시)을 포함할 수도 있다.
전술한 샘플 주입구(420), 유관(440a, 440b)은 생략될 수도 있고, 이때 샘플은 별도의 샘플 주입구, 유관 없이 챔버(450)내의 유전자 증폭 칩(110b)에 직접 로딩될 수도 있다.
주입된 샘플은 모세관 현상에 의해 유관(440a)을 따라 챔버(450)내로 유입될 수 있다. 다만 이와 달리, 유전자 증폭장치(400)는 능동/수동 구동 장치, 전기습윤(electro-wetting) 등 샘플을 이동시키기 위한 구조물(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때, 능동(active)/수동(passive) 구동 장치는 수동 진공 펌프(passive vacuum void pump), 시린지 펌프(syringe pump), 진공 펌프(vacuum pump), 공기 펌프(pneumatic pump) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
챔버(450)는 상부면(미도시) 및 하부면(미도시)을 포함할 수 있고, 유전자 증폭 칩(110b)은 챔버의 상부면(미도시) 및 하부면(미도시)사이에 삽입될 수 있다. 이때, 챔버의 상부면(미도시), 및 하부면(미도시)은 유리(glass) 층일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 다양한 성분으로 구성될 수 있다.
유전자 증폭장치(400)의 광학부(미도시)의 광원(미도시)은 챔버(450)내에 삽입되어 있는 유전자 증폭 칩(110b)의 샘플을 향해 광을 조사할 수 있고, 디텍터(450)는 챔버(450)내에 삽입된 유전자 증폭 칩(110b)의 샘플로부터 반사된 광학적 신호를 검출할 수 있다.
챔버(450)내로 유입되었으나 유전자 증폭 칩(110b)에 로딩되지 못한 샘플이나, 유전자 증폭과정이 종료된 샘플은 유관(440b)을 따라 샘플 배출구(430)로 배출될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 5의 유전자 증폭방법은 도 1a, 도 2, 및 도 3의 실시예들에 따른 유전자 증폭장치(100, 200, 300)에 의해 수행될 수 있다. 앞에서 자세히 설명하였으므로 이하 중복 설명을 최소화하기 위해 간단하게 설명한다.
먼저, 샘플이 웰에 로딩될 수 있다(510).
다음, 웰의 온도를 열 용해온도로 제어하여, 샘플에 포함된 미생물을 웰 내부에서 열 용해하여 유전자를 방출시킬 수 있다(520). 이때, 미생물은 DNA 바이러스, RNA 바이러스, 또는 박테리아일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 열 용해과정을 통해 미생물의 바이러스 막, 또는 미생물의 껍질이 제거될 수 있다. 예컨대, 미생물이 DNA 바이러스 인 경우, 열 용해과정을 통해 DNA 바이러스의 바이러스 막이 제거되고, 이때 내부의 유전자인 DNA가 방출될 수 있다.열 용해온도는 로딩되는 미생물의 종류에 따라 미리 정해지거나 또는 사용자의 조작에 따라 자유로이 변형될 수 있다. 열 용해온도는 열 용해시간 동안 등온일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 일정 범위 내에서 증감될 수도 있다. 이때, 열 용해 시간은 10분 이하(예: 1초~10분)로 제어될 수 있다.
다음, 웰의 온도를 유전자 증폭온도로 제어하여,방출된 유전자를 웰 내부에서 유전자 증폭시킬 수 있다(530). 예컨대, 미생물이 DNA 바이러스 인 경우, 열 용해과정을 통해 방출된 DNA가 웰 내부에서 유전자 증폭될 수 있다.
유전자 증폭반응은 PCR(polymerase chain reaction) 증폭 반응, 및 등온 증폭 반응(isothermal amplification)중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 유전자 증폭 반응의 종류에 따라, 유전자 증폭 온도를 서로 다르게 제어할 수 있다. 예를 들어, 유전자 증폭반응이 PCR(polymerase chain reaction) 증폭반응인 경우에는 유전자 증폭온도를 서머 사이클링(thermal cycling)에 기초하여 제어하고, 유전자 증폭반응이 등온 증폭 반응(isothermal amplification)인 경우에는 유전자 증폭온도가 특정 온도를 유지하게끔 제어할 수 있다. 이때, 유전자 증폭시간은 120분(예: 1초~120분) 이하로 제어될 수 있다.이때, 웰에서 미생물의 유전자 증폭반응이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에 샘플의 광학적 신호를 측정하고, 측정된 광학적 신호를 이용하여 증폭된 유전자의 정량을 분석할 수 있다. 이때, 광학부의 광원으로 웰에 소정 파장의 광을 소정 시간 동안 조사하여, 웰의 샘플로부터 방출되는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명 등의 광학적 신호를 검출하고, 검출된 광학적 신호와 푸아송 분포를 기초로 증폭된 유전자의 정량을 분석할 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 6의 유전자 증폭방법은 도 1a, 도 2, 및 도 3의 실시예들에 따른 유전자 증폭장치(100, 200, 300)에 의해 수행될 수 있다. 앞에서 자세히 설명하였으므로 이하 중복 설명을 최소화하기 위해 간단하게 설명한다.
먼저, 샘플이 웰에 로딩될 수 있다(610).
다음, 웰의 온도를 열 용해온도로 제어하여, 샘플에 포함된 미생물을 웰 내부에서 열 용해하여 유전자를 방출시킬 수 있다(620). 이때 미생물은 RNA 바이러스일 수 있다. 이때, 열 용해과정을 통해 RNA 바이러스의 바이러스 막이 제거되고, 내부의 유전자인 RNA가 방출될 수 있다.
일 예로, 역전사 온도를 기초로 열 용해온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 역전사 과정에서 이용되는 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 기초로 열용해 온도를 제어할 수 있다. 열 용해 온도는 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위 내에서 등온이거나, 소정범위 내에서 증감될 수 있다.
이때, 미생물, 예컨대 RNA 바이러스에 요구되는 열 용해 온도가 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 초과하는 경우, 바이러스 막 연화제가 이용될 수 있다. 바이러스 막 연화제는 에탄올, 이소프로필알코올, 메탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 트리에틸아민, 디메틸포름아미드, 헥사메틸포스포릭 트리아미드, 디메틸설폭사이드, 아세톤, 아세토니트릴, 피리딘, 금속입자(metal particle), 및 유기용매, 예컨대 세정제(detergent), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 헥산올(hexanal) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 자세한 설명은 생략한다.
다음, 웰의 온도를 역전사 온도로 제어하여, 방출된 유전자를 역전사 시킬 수 있다(630). 예컨대, 미생물이 RNA 바이러스인 경우, 열 용해과정을 통해 방출된 RNA를 역전사 효소를 이용하여 역전사 시킬 수 있다. 역전사 온도는 역전사 효소의 활성 온도 범위 내에서 등온이거나, 소정범위 내에서 증감될 수 있다. 역전사 시간은 20분 이하(예: 1초~20분)로 제어될 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
다음, 웰의 온도를 유전자 증폭온도로 제어하여, 역전사된 유전자를 웰 내부에서 유전자 증폭시킬 수 있다(640). 유전자 증폭반응은 PCR(polymerase chain reaction) 증폭 반응, 및 등온 증폭 반응(isothermal amplification)중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 유전자 증폭 반응의 종류에 따라, 유전자 증폭 온도를 서로 다르게 제어할 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100,200,300: 유전자 증폭장치
110a, 110b: 유전자 증폭 칩
111a, 111b: 웰 120: 온도 제어부
130: 열원 131: 광학적 발열소자
132: 전기적 발열소자 140: 시간 제어부
150: 광학부 160: 프로세서
310: 저장부 320: 출력부
330: 통신부
111a, 111b: 웰 120: 온도 제어부
130: 열원 131: 광학적 발열소자
132: 전기적 발열소자 140: 시간 제어부
150: 광학부 160: 프로세서
310: 저장부 320: 출력부
330: 통신부
Claims (20)
- 샘플이 로딩되는 웰을 포함하되, 상기 로딩된 샘플에 포함된 미생물이 상기 웰 내부에서 열 용해되어 유전자가 방출되고, 상기 방출된 유전자가 상기 웰 내부에서 유전자 증폭되는 유전자 증폭 칩; 및
상기 웰의 열 용해 온도, 및 유전자 증폭의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 웰의 지름은 상기 미생물의 지름보다 크거나 같고, 10000배 이하인 유전자 증폭장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 웰의 지름 및 깊이는 1nm 이상 1000μm 이하인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 웰의 부피는 1nL 이하인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 웰에서 유전자 증폭이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 이후에 상기 웰의 샘플에 광을 조사하고, 상기 웰의 샘플로부터 산란, 또는 반사된 광학적 신호를 측정하는 광학부; 및
상기 광학적 신호를 분석하여 증폭된 유전자를 검출하는 프로세서를 더 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 열 용해 시간을 10분 이하로 제어하고, 상기 유전자 증폭 시간을 120분 이하로 제어하는 시간 제어부를 더 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 미생물이 RNA 바이러스일 경우, 상기 RNA 바이러스가 상기 웰 내부에서 열 용해되어 방출된 RNA는 상기 웰 내부에서 역전사(Reverse Transcription) 효소를 기초로 역전사 되는 유전자 증폭장치.
- 제 7항에 있어서,
상기 온도 제어부는,
상기 이용된 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 기초로 상기 웰의 열용해 온도를 제어하고,
상기 유전자 증폭장치는,
상기 역전사 시간을 20분 이하로 제어하는 시간 제어부를 더 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 열 용해시 이용되는 바이러스 막 연화제(vrial membrane softening agent)를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 바이러스 막 연화제는,
에탄올, 이소프로필알코올, 메탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 트리에틸아민, 디메틸포름아미드, 헥사메틸포스포릭 트리아미드, 디메틸설폭사이드, 아세톤, 아세토니트릴, 피리딘, 금속입자(metal particle), 세정제(detergent), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 및 헥산올(hexanal) 중 적어도 하나를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
수신된 광을 이용하여 열을 발생시키는 광-열 필름을 포함하는 광학적 발열 소자, 및 펠티어(peltier)소자를 포함하는 전기적 발열 소자 중 적어도 하나의 열원을 더 포함하고,
상기 온도 제어부는,
상기 열원을 이용하여 상기 웰의 열 용해 온도, 및 유전자 증폭 온도를 제어하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유전자 증폭은,
PCR(polymerase chain reaction) 증폭 반응, 및 등온 증폭 반응(isothermal amplification)중 적어도 하나를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 웰의 갯수는 1개이상 10만개 이하인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유전자 증폭 칩은,
상기 웰이 형성되는 기판을 포함하되, 상기 웰은 상기 기판의 상부면에서 하부면 방향으로 관통되도록 형성된 관통홀의 형태인 유전자 증폭장치.
- 샘플을 웰에 로딩하는 단계;
상기 웰의 온도를 열 용해 온도로 제어하여, 상기 샘플에 포함된 미생물을 상기 웰 내부에서 열 용해하여 유전자를 방출시키는 단계;
상기 웰의 온도를 유전자 증폭 온도로 제어하여, 상기 방출된 유전자를 상기 웰 내부에서 유전자 증폭시키는 단계를 포함하는 유전자 증폭방법.
- 제 15항에 있어서,
상기 웰에서 유전자 증폭이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에 상기 웰의 샘플에 광을 조사하는 단계;
상기 웰의 샘플로부터 산란, 또는 반사된 광학적 신호를 측정하는 단계; 및
상기 광학적 신호를 분석하여 증폭된 유전자를 검출하는 단계를 더 포함하는 유전자 증폭방법.
- 제 15항에 있어서,
상기 미생물을 상기 웰 내부에서 열 용해하는 단계는,
상기 열 용해 시간을 10분 이하로 제어하는 단계를 포함하고,
상기 방출된 유전자를 상기 웰 내부에서 유전자 증폭시키는 단계는,
상기 유전자 증폭 시간을 120분 이하로 제어하는 단계를 포함하는 유전자 증폭방법.
- 제 15항에 있어서,
상기 유전자 증폭방법은,
상기 미생물이 RNA 바이러스일 경우, 상기 RNA 바이러스가 웰 내부에서 열 용해되어 방출된 RNA를, 상기 웰 내부에서 역전사(Reverse Transcription) 효소를 기초로 역전사 하는 단계를 더 포함하되,
상기 미생물을 상기 웰 내부에서 열 용해하는 단계는
상기 이용된 역전사 효소의 미리 정해진 활성온도 범위를 기초로 상기 온도를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 역전사 하는 단계는,
상기 역전사 시간을 20분 이하로 제어하는 단계를 포함하는 유전자 증폭방법.
- 제 15항에 있어서,
상기 미생물을 상기 웰 내부에서 열 용해하는 단계는,
바이러스 막 연화제(vrial membrane softening agent)를 이용하는 단계를 포함하는 유전자 증폭방법.
- 제 15항에 있어서,
상기 미생물을 상기 웰 내부에서 열 용해하는 단계, 및 상기 방출된 유전자를 상기 웰 내부에서 유전자 증폭시키는 단계는,
수신된 광을 이용하여 열을 발생시키는 광-열 필름을 포함하는 광학적 발열 소자, 및 펠티어(peltier)소자를 포함하는 전기적 발열 소자 중 적어도 하나의 열원을 이용하여 각각 상기 웰의 온도를 열 용해 온도, 및 유전자 증폭 온도로 제어하는 유전자 증폭방법.
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210112883A KR20230021541A (ko) | 2021-08-05 | 2021-08-26 | 유전자 증폭 장치 및 방법 |
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2021
- 2021-08-26 KR KR1020210112883A patent/KR20230021541A/ko unknown
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