KR100691806B1 - 비드 및 나노포어를 이용한 핵산 검출방법 및 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노포어(nanopore)를 이용한 핵산(nucleic acids) 검출(detection) 장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 핵산 탐침(probe)에 비드(bead)를 부착시킴으로써, 핵산이 아니라 비드를 검출할 수 있게 하여 직경이 20-120nm 인 나노포어를 가진 나노포어 검출부로도 70bps 내지 300 bps 크기의 핵산단편을 검출할 수 있는 방법 및 장치에 대한 것이다.

본 발명에 따른 검출방법은 표적(target) DNA와 상보적인 서열 범위 내에, 특정효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함하는 핵산 탐침을 준비하는 단계; 상기 준비된 핵산 탐침에 비드를 부착하여 비드가 부착된 핵산 탐침을 준비하는 단계; 상기 비드가 부착된 핵산 탐침을, 나노 크기의 포어를 가진 고체 기판의 나노포어 주위에 고정시키는 단계; 상기 핵산 탐침이 고정화된 기판에 표적 핵산 함유의 시료를 투입시키고, 표적 핵산과 핵산 탐침을 혼성화시키는 단계; 상기 표적 핵산과 핵산 탐침이 혼성화된 고체기판에 특정효소를 반응시켜, 핵산 단편이 부착된 비드를 효소반응 산물로 제조하는 단계; 상기 효소반응 산물에 포함된 핵산 단편 부착 비드가 나노포어를 통과할 때 나타나는 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명에 따른 검출 장치는 a) 핵산의 관통을 수용하는 크기의 나노포어를 가진 고체 기판, b) 상기 고체기판의 나노포어에 전압을 인가하는 전극, 및 c) 상기 고체기판의 나노포어 주위에 고정화 된, 비드가 부착되고 표적(target) DNA와 상보적인 서열 범위 내에 특정효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함하는 핵산 탐침으로 구성된 나노포어 검출부; 상기 나노포어 검출부로 투입되는 표적 핵산을 포함하는 시료가 보관된 시료 저장챔버; 및, 상기 나노포어 검출부로 투입되는 특정효소가 보관된 효소 저장챔버를 포함하여 구성된다.

이상의 본 발명에 따르면, 시료가 PCR산물 특히 상기 PCR산물이 70bps 내지 300 bps크기의 핵산단편인 경우에도 직경이 20-120nm인 나노포어를 가진 나노포어 검출부를 이용하여 상기 핵산단편을 용이하게 검출할 수 있다.

Description

비드 및 나노포어를 이용한 핵산 검출방법 및 검출장치 {Method for short nucleic acids detection using bead and nanopore, and Detection Apparatus thereby}

도 1은 100nm 직경의 나노포어를 가진 나노포어검출부에 300mV를 인가한 후 비드 없는 1M KCl용액을 통과시킨 경우 측정된 전류의 상태를 도시한 것이다.

도 2는 도 1과 동일한 조건의 나노포어검출부로 5nm 직경의 스트렙타비딘-Au 접합물(streptavidin-Au conjugate)이 1M KCl용액에 5ug/ml의 밀도로 존재하도록 하여 통과시킨 경우 측정된 전류의 상태를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법을 간략하게 도시한 모식도이다.

도 4는 본 발명에 따른 핵산검출장치의 기능적요소를 도시한 것이다.

도 5는 도 3의 핵산탐침과 혼성화되는 E.coli BL21 16s RNA의 PCR 산물을 표적물질(Target)으로 사용하여, 도 3의 각 단계를 도 4의 장치를 통해 수행한 다음 특히 나노포어검출부에 300mV를 인가한 후 측정된 전류의 상태를 도시한 것이다.

도 6는 도 3의 핵산탐침과 혼성화되지 않는 4종 박테리아의16s RNA를 표적물질로 사용하여, 도 3의 각 단계를 도 4의 장치를 통해 수행한 다음 특히 나노포어검출부에 300mV를 인가한 후 측정된 전류의 상태를 도시한 것이다.

본 발명은 나노포어(nanopore)를 이용한 핵산(nucleic acids) 검출(detection) 장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 핵산 탐침(probe)에 비드(bead)를 부착시킴으로써, 핵산이 아니라 비드를 검출할 수 있게 하여 직경이 20-120nm 인 나노포어를 거진 나노포어검출부로도 70bps 내지 300 bps 크기의 핵산단편을 검출할 수 있는 방법 및 장치에 대한 것이다.

시료 내에서 표적 생분자를 검출하기 위해 다양한 방법이 개발되었는데, 그 중에서 나노포어(nanopore)를 이용한 방법은 바이오포어(bio-pore) 모방 시스템으로서고감도 DNA 검출 시스템으로 각광을 받고 있으며, 미래의 시퀀싱 툴로 각광을 받고 있는 기술이다.

이러한 나노포어를 이용한 DNA 검출 시스템은 다양하게 알려져 있는데, 예를 들면 미국특허 제6428959호( 발명의 명칭 : Methods of Determining the presence of double stranded nucleic acids in a sample)는 유체 시료내 핵산을 나노포어를 통과시키면서 나노포어를 통해 흐르는 전류 진폭(current amplitude)을 측정하여 전류의 차단(blockade)에 의해 이중가닥 핵산을 검출하는 방법을 개시하고 있고,

미국 특허 공개번호 제2004/0144658호(발명의 명칭 : Apparatus and method for biopolymer identification during translocation through a nanopore)는 바이어스 퍼텐셜이 두개의 전극 사이에 경사지게 위치할 때 장벽을 통과하는 전류의 증가가, 캐리어 에너지가 순차적으로 전좌 중인 바이오폴리머(biopolymer)의 유도 밴드 에너지들과 매치될 때 일어나는 것을 이용하여 전좌중인 바이오폴리머를 나노포어로 검출하는 장치 및 방법을 개시하고 있으며,

미국특허 공개번호 제2003/0104428호는 "Method for characterization of nucleic acid molecules"에 관한 것으로, 염기 서열 특이적인 단백질을 이용하여 특이적인 로컬 영역(local area) 변형을 통해, 더 큰 신호 변화를 달성한 것이나, 상기 특허는 특정 서열을 가진 DNA를 나노포어를 이용하여 검출하는 기술을 개시하고 있다.

그런데, 이러한 종래의 나노포어를 이용한 DNA 검출방법 및 장치는 검출하고자는 하는 DNA가 특정 서열을 가져야만 가능하거나 장치의 구조 및 검출 조건 등이 복잡하여 장치의 제작공정이 매우 복잡하다는 문제점이 존재하고 있었다.

현재까지 바이오포어(bio-pore)만큼 작은 직경의 나노포어를 만들기 위해 많은 노력을 하고 있지만, 사실상 그 제작이 난해하므로, 20-120nm 범위의 나노포어센서를 이용하여 2000bps 이하의단편 핵산을 검출 가능한 방법에 대한 당업계의 요구가 다수 존재했다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 나노포어를 이용한 핵산의 검출 방법을 연구하던 중, 핵산에 비드(bead)를 부착하고, 핵산이 아닌 비드를 나노포어로 검출하게 함으로써 시료가 PCR산물 특히 상기 PCR산물이 70bps 내지 300 bps 크기의 핵산단편인 경우에도 직경이 20-120nm 범위의 나노포어를 가진 나노포어검출부로 상기 핵산단편을 고감도로 검출할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 나노포어검출부에서 시료 중의 핵산을 검출함에 있어 시료 중의 핵산 자체가 아니라 상기 핵산에 부착된 비드를 검출하도록 함으로써 상기 나노포어의 직경이 20-120nm 범위인 경우에도 시료 중의 핵산을 검출하는 것이 가능한 핵산검출방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 검출대상 시료가 PCR 산물인 경우에도 직경이 20-120nm 범위의 나노포어를 가진 나노포어검출부를 이용하여 상기 PCR산물 중의 핵산을 검출하는 것이 가능한 핵산검출방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 PCR산물이 70 내지 300bps 크기의 핵산단편인 경우에도 직경이 20-120nm 범위의 나노포어를 가진 나노포어검출부를 이용하여 상기 PCR산물 중의 핵산을 검출하는 것이 가능한 핵산검출방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 표적(target)핵산과 상보적인 서열 범위 내에, 특정효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함하는 핵산 탐침을 준비하는 단계; 상기 준비된 핵산 탐침에 비드를 부착하여 비드가 부착된 핵산 탐침을 준비하는 단계; 상기 비드가 부착된 핵산 탐침을, 나노 크기의 포어를 가진 고체 기판의 나노포어 주위에 고정시키는 단계; 상기 핵산 탐침이 고정화된 기판에 표적 핵산 함유의 시료를 투입시키고, 표적 핵산과 핵산 탐침을 혼성화시키 는 단계; 상기 표적 핵산과 핵산 탐침이 혼성화된 고체기판에 특정효소를 반응시켜, 핵산 단편이 부착된 비드를 효소반응 산물로 제조하는 단계 ; 및 상기 효소반응 산물에 포함된 핵산 단편 부착 비드가 나노포어를 통과할 때 나타나는 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함하는 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법을 제공한다.

여기서, 상기 핵산 탐침은 서열이 알려진 단일 가닥의 올리고누클레오타이드 로서, 표적(target) 핵산과 상보적인 서열 범위 내에, 특정효소가 특이적으로 작용하여 절단하는 서열을 포함하도록 인위적으로 설계될 뿐만 아니라, 가능하면 비드가 부착되기 용이한 구조가 포함되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 핵산탐침이 포함하는 상기 특정효소가 절단 가능한 인위적인 서열의 일 예로 표적 핵산과 미스매치되는 염기를 1~3개 가지도록 하는 미스매치염기서열로 설계할 수 있는데, 이것은 그 구현이 용이하여 자주 사용될 수 있으며, 이 경우 상기 특정효소로는 미스매치 염기 인식 제한효소(mismatch cleavage enzyme)가 사용된다.

한편 본 발명에 사용되는 "효소"란 용어는 반드시 생체 물질만을 의미하는 것이 아니라, 상기 핵산탐침의 인위적으로 설계된 서열에 작용하여 절단 가능한 케미컬 즉 특정 서열 및 구조에만 작용하는 케미컬을 포함하는 넓은 개념으로 이해되어야 한다.

또한, 상기 준비된 핵산탐침과 비드를 부착하는 것은 다양한 방법을 사용할 수 있는데, 그 일예로 단백질-리간드 반응의 대표적인 예인 아비딘(avidin)-바이오틴 (biotin)반응을 이용하게 되면, 일단 상기 핵산탐침으로 바이오틴이 결합되고 효소가 작용가능한 서열이 포함된 올리고누클레오타이드를 준비하고, 비드로는 아비딘에 다른 금속을 부착시킨 접합물[예를 들면 스트렙타비딘-Au 접합물(streptavidin-Au conjugate)]을 준비한 후 양자를 접촉시키게 되면 아비딘(avidin)-바이오틴 (biotin) 반응이 일어나 비드가 부착된 핵산탐침이 완성된다. 구체적으로 예시하지는 않지만 이러한 다양한 방법을 이용하여 본 발명에 사용되는 비드가 부착된 핵산탐침이 준비될 수 있다.

준비된 비드가 부착된 핵산탐침은 나노 크기의 포어를 가진 고체기판의 나노포어 주위에 공지된 방법으로 고정화된다. 이 때, 경우에 따라서는 준비된 핵산탐침을 먼저 상기 고체기판의 나노포어 주위에 공지된 방법으로 고정한 후 상기 고정화 된 핵산탐침에 비드를 부착하여 비드가 부착된 핵산탐침이 준비될 수도 있다.

그 후 상기 비드가 부착된 핵산탐침이 고정된 고체기판으로 분석하고자 하는 유체상태의 시료가 투여되는데, 상기 시료는 상기 비드가 부착된 핵산탐침에 상보적인 서열을 갖는 단일 가닥의 핵산 특히 DNA 또는 RNA를 표적물질로 포함한다.

그러므로, 상기 고체기판에 고정화 된 비드가 부착된 핵산 탐침과 시료속에 포함된 표적물질 사이에서 혼성화(hybridization)반응이 일어나게 된다.

그 후 상기 고체기판으로 투입되는 특정효소에 의해서 상기 혼성화된 핵산에 포함된 절단 가능한 서열부분이 절단되어 효소반응산물로서 핵산단편이 부착된 비드가 제조되고, 상기 핵산단편부착비드가 상기 고체기판의 나노포어를 통과할 때 나타나는 전기적 신호를 검출하게되므로, 상기 효소반응산물 중의 비드를 검출함으로써 상기 효소반응산물에 핵산단편이 존재하는지 여부를 극히 용이하게 검출할 수 있게 된다.

이것은 도1에 도시된 바와 같이 비드 없이 유체 즉 1M KCl 용액만을 나노포어검출부를 통해 이동시켰을 때 전류의 진폭이 전혀 발생하지 않는 것을 알 수 있지만, 도2와 같이 5nm 직경의 스트렙타비딘-Au 접합물(streptavidin-Au conjugate)을 1M KCl용액에 5ug/ml의 밀도로 존재하도록 용해시켜 통과시킨 경우 전류의 진폭이 발생하는 것을 관찰할 수 있는 것으로부터 분명하다.

한편, 상기 고체기판에 투입되는 상기 시료 및 특정효소는 전기적으로 전도성인 용매에 용해시켜 유체상태로 준비되는데, 이 때 임의의 편리한 전기적으로 전도성인 용매가 이용될 수 있다. 상기 용매는 수성 용매이며, 순수한 물 또는 하나 이상의 부가적인 물질, 예를 들면, 완충제, 염(예를 들면, 염화칼륨)이 존재하는 물일 수 있다. 유체시료의 pH는 전형적으로 약 6.0 내지 9.0, 더욱 바람직하게는 약 7.0 내지 8.5이다.

또한 본 발명에 따른 비드 및 나노포어를 이용한 핵산단편검출방법을 모식적으로 도시한 도 3을 참조하면, 먼저 (a)단계와 같이 특정효소가 절단 가능한 서열과 바이오틴이 결합된 올리고누클레오타이드를 탐침으로 준비한 후, (b)단계와 같이 상기 탐침에 비드 즉 스트렙타비딘-Au 접합물을 아비딘-바이오틴 반응으로 부착시키고, (c)단계와 같이 비드가 부착된 탐침을 고체기판에 고정한 후, (d)단계와 같이 표적 핵산이 포함된 시료와 비드가 부착된 핵산탐침을 혼성화반응 시킨 다음 (e) 단계와 같이 특정효소를 투입하여 상기 핵산탐침에 포함된 특정서열을 절단하여 (f)단계와 같이 핵산단편 부착 비드가 포함된 효소반응산물이 나노포어검출부의 나노포어를 통과하게 하여 핵산단편을 검출함을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 특정효소가 작용하여 절단가능한 인위적인 서열을 가진 핵산 탐침에 비드를 부착함으로써, 상기 비드가 부착된 핵산 탐침이 고정화 된 고체기판에 표적핵산이 포함된 시료를 투입하고, 상기 비드가 부착된 핵산탐침과 표적핵산이 혼성화반응 한 후 특정효소를 가하여 상기 인위적인 서열을 절단함으로써 얻어진 효소반응산물에는 핵산단편 부착 비드가 존재하게 되므로, 핵산단편이 나노포어를 통과할 때 발생하는 전류 진폭을 상기 핵산단편에 부착된 비드가 증가시켜 핵산단편을 고감도로 검출하는 것이다. 구체적으로, 비드가 부착되지 않은 핵산에 비해 비드가 부착된 핵산은 그 부피가 증가하게 되어 전류 진폭이 커지는 것이다. 이는 하기 Branton lab 관계식을 통해 알 수 있다.

I_block = ρ× A × V_bias/L_pore

상기 식에서, I_block은 차단되는 전류, ρ는 용액 전도도, V_bias 는 인가된 전압, L_pore는 유효한 포어 길이, A는 이동하는 분자의 단면적을 나타낸다. 따라서, 차단되는 전류를 증가시키기 위해, 먼저 용액 전도도를 증가시킬 수 있으나, 이는 신호뿐만 아니라 노이즈(noise)도 함께 증가하는 문제가 발생한다. 다음으로, 인가된 전압을 증가시킬 수 있으나, 역시 노이즈의 문제가 발생한다. 다음으로, 나노포어의 길이를 감소시킬 수 있으나, 채널형 포어의 경우에는 길이가 증가하는 문제점이 있다. 결국, 차단되는 전류를 증가시키기 위해서는 이동하는 분자의 단면적을 증가시키는 것이 효율적일 수 있다. 따라서, 본 발명은 핵산단편의 길이는 줄 이면서도 동시에 이동하는 분자의 단면적을 증가시키기 위해 비드를 핵산에 부착한 것이다.

본 발명의 방법에서 사용되는 상기 나노포어는 그 직경이 20nm 내지 120nm이하인 것을 특징으로 한다. 여기서 나노포어는 직경이 나노미터 수준인 채널 또는 포어(구멍)를 갖는 구조를 의미하는데, 상기 나노포어는 나노포어센서를 포함하는 공지된 기술적 구성의 나노포어검출장치의 일부분으로서 이러한 나노포어를 이용한 핵산단편 검출장치의 구성 및 방법은 본 발명이 비드를 이용하는 점 및 이로 인해 필요한 나노포어의 크기가 20nm 내지 120nm이하인 점에서만 상이할 뿐 다른 부분에 있어서는 공지된 기술과 동일하다.

즉, 일반적으로 나노포어검출장치는 상기 나노포어가 다수 배열된 나노포어어레이를 통하여 전기장을 인가하여, 상기 나노포어를 통한 전류 변화를 모니터링함으로써 상기 나노포어를 통해 이동하는 유체 중의 표적물질을 검출하게 되므로, 나노포어를 통한 전류 진폭은 유체의 이동 과정 동안 모니터링되며, 진폭의 변화는 나노포어를 통한 표적물질의 통과와 관련되므로, 측정된 전류 진폭 값으로부터 표적물질을 효율적으로 검출할 수 있는 것이다.

본 발명의 방법에서 사용되는 상기 비드는 그 크기가 1nm 내지 10nm이하인 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 방법을 구체적으로 구현하기 위한 일 실시예에서는 상기 비드로 5nm 크기의 스트렙타비딘-Au 접합물(streptavidin-Au conjugate)을 사용하였으나, 비드는 핵산 탐침에 부착가능하고, 핵산 탐침이 지지할 수 있는 크기이기만 하 면 그 종류에 제한 받지 않는다. 다만 비드의 크기가 1nm 미만이면 나노포어가 비드를 검출하지 못하고, 10nm보다 더 크게 되면 핵산 탐침이 비드를 지지하지 못할 뿐만 아니라 상기 방법을 수행하는 장치가 너무 커질 우려가 있기 때문에 상기 비드는 그 크기가 1nm 내지 10nm이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 장치의 크기 및 핵산 탐침의 지지력을 고려하면 본 발명의 방법에 사용되는 비드의 크기는 5nm이하의 크기가 보다 바람직하며, 기술력의 발달에 따라 1nm미만의 크기를 갖는 비드를 사용하게 되면 본 발명의 방법을 수행하는 장치가 현저하게 미세하게 구현될 수 있을 것이다.

본 발명의 방법에서 사용되는 상기 시료는 PCR 산물인 것을 특징으로 한다. 즉 일반적으로 PCR산물의 크기는 1-2kbs이거나 이보다 작은 크기를 가지는 것이 대부분이므로, 현재까지 알려진 나노포어검출장치로는 PCR산물 자체를 시료로 하여 핵산을 검출하기에 어려움이 있었으나, 본 발명은 핵산이 아니라 핵산단편에 부착된 비드를 검출하게 되므로 핵산 자체의 크기가 클 필요가 전혀 없어, 본 발명의 방법을 수행함으로써 상기 PCR로 증폭된 DNA 또는 RNA단편을 검출할 수 있다. 따라서 본 발명의 방법에 의하면 원하는 DNA 또는 RNA가 PCR방법으로 생성되었는지 여부를 극히 용이하게 확인할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 방법에서는 상기 PCR 산물이 70bps 내지 300 bps 크기의 DNA 또는 RNA 단편인 경우에도 사용할 수 있으므로 보다 유용하다.

또한, 본 발명은 a) 핵산의 관통을 수용하는 크기의 나노포어를 가진 고체 기판, b) 상기 고체기판의 나노포어에 전압을 인가하는 전극, 및 c) 상기고체기판의 나노포어 주위에 고정화 된, 비드가 부착되고 표적(target) 핵산과 상보적인 서열 범위 내에 특정효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함하는 핵산 탐침으로 구성된 나노포어 검출부; 상기 나노포어 검출부로 투입되는 표적 핵산을 포함하는 시료가 보관된 시료 저장챔버; 및, 상기 나노포어 검출부로 투입되는 특정효소가 보관된 효소 저장챔버를 포함하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치를 제공한다.

이러한 본 발명에 따른 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치의 기능적요소를 도시한 도 4를 참조하면, 본 발명의 핵산단편검출장치가 크게 시료저장챔버, 효소저장챔버, 및 나노포어검출부라는 3개의 기능적 요소를 갖고, 도면에 도시 되지는 않았으나 상기 기능적 요소를 연결하는 연결부로 구성됨을 알 수 있다. 상기 연결부는 상기 비드가 통과할 수 있는 직경의 채널인 것이 바람직하다.

여기서 본 발명에 따른 핵산검출장치에 포함되는 나노포어검출부는 통상의 공지된 나노포어센서와 같이 나노포어를 갖는 고체기판과, 상기 고체기판의 나노포어에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 전자소자로서, 나노포어를 통과하는 유체로부터 전류의 진폭변화를 모니터링하여 상기 유체에 포함된 표적물질을 검출하는 것인데, 본 발명의 나노포어검출부는 상기 나노포어의 크기가 20nm 내지 120nm이하의 직경을 가진 나노포어를 사용하는 점에서 공지된 나노포어센서와 그 기술적 구성이 상이하다. 또한, 본 발명의 나노포어검출부가 20nm 내지 120nm이하의 직경을 가진 나노포어를 사용하면서도 상기 나노포어를 통과하는 유체에 포함된 핵산 단편의 검출을 가능하게 하기 위해 상기 나노포어 주위에 고정화된, 비드가 부착된 핵산탐침을 그 기술적 구성요소로 더 포함하는 점에서 공지된 나노포어센서의 기술과는 현저하게 구별된다.

이 때 상기 비드가 부착된 핵산탐침은 표적(target) 핵산과 상보적인 서열 범위 내에 특정효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함해야 하는데, 그 구현의 용이성으로 인해 상기 절단 가능한 인위적인 서열은 시료에 포함되는 표적 핵산과 미스매치되는 염기를 1~3개 가지는 미스매치염기서열이 자주 사용된다. 또한 상기 핵산 탐침은 검출하고자 하는 시료저장챔버의 시료에 따라 변경가능하다. 한편 상기 핵산탐침에 부착되는 비드에 대해서는 이미 상술한 바 있어 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명의 시료저장챔버는 표적 핵산을 포함하는 시료를 보관하는데, 상기 시료는 PCR 산물 즉 PCR 방법으로 증폭된 DNA 또는 RNA단편을 표적 핵산을 포함하는 유체물질로서, 특히 상기 표적핵산은 70bps 내지 300 bps 크기의 DNA 또는 RNA 단편일 수 있다. 여기서 상기 시료저장챔버는 시료를 외부에서 주입하여 보관하는 구성으로 구현될 수도 있지만, 경우에 따라서는 공지된 PCR칩을 이용하여 원하는 시료를 생성하게 한 후 보관하는 구성으로 구현될 수도 있다.

또한 본 발명의 효소저장챔버는 상기 나노포어검출부의 고체기판에 고정된 비드가 부착된 핵산 탐침과 시료속에 포함된 표적핵산 사이에서 혼성화 (hybridization)반응이 일어나 혼성화된 핵산에 포함된 절단 가능한 서열부분에 작 용하여 상기 혼성화된 핵산을 절단함으로써 핵산단편이 부착된 비드를 효소반응산물로 제조하는 상기 특정효소가 보관되는데, 특히 상기 절단 가능한 서열이 상기 표적핵산과 미스매치되는 염기를 1~3개 가지는 미스매치염기서열인 경우 상기 특정효소는 미스매치 염기 인식 제한효소(mismatch cleavage enzyme)이다. 여기서, 상기 효소저장챔버는 상기 특정효소를 외부에서 주입하여 보관하는 구성으로 구현될 수도 있고, 경우에 따라서는 기술력의 발달에 따라 원하는 효소를 생성하게 한 후 보관하는 구성으로 구현될 수도 있을 것이다.

한편, 구체적으로 기술하지는 않지만 상술한 본 발명의 각 기능적 요소를 공지된 마이크로플루이딕 유닛(Microfluidic units) 및 MEMS디바이스를 이용하여 프로세스-온-어-칩(process-on-a-chip) 또는 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)으로 구현할 수도 있을 것이다. 여기서, 상기 마이크로플루이딕 유닛은 크게 상기 시료저장챔버와 상기 효소저장챔버를 상기 나노포어검출부와 각각 연결하는 연결부와, 상기 나노포어검출부와 상기 시료 저장챔버, 상기 효소저장챔버 및 상기 나노포어검출부 사이에 형성되어 각각 특정신호에 의해 개폐가 조절되는 조절부와, 상기 시료 저장챔버 및 상기 효소저장챔버로부터 상기 나노포어검출부로 유체상태의 시료 및 효소를 이동시키고, 상기 나노포어검출부에서 생성된 효소반응산물을 이동시키는 구동력을 제공하는 구동부를 포함하는 개념이다. 따라서, 공지된 마이크로플루이딕 유닛 중 특히 본 발명에 사용되는 상기 연결부는 상기 비드가 통과할 수 있는 직경의 미세채널이고, 상기 조절부는 능동밸브의 일종인 구동력에 의해 나비를 열고 닫음으로써 유체의 흐름을 제어하는 나비밸브(flap valve)이며, 구동부는 마이크로펌 프인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

<실험예 1>

비드 부재하에서 나노포어검출부의 전류 변화 측정

비드 없이 전도성 유체 매질만을 이용하여 100nm 크기의 나노포어어레이를 포함하는 나노포어검출부를 통한 전류를 측정하였다. 전도성 유체 매질로는 1M KCl을 이용하고, 상기 나노포어검출부에 300mV의 전기장을 인가하였다. 도 1은 비드 없이 전도성유체만이 나노포어검출부를 통과하게 했을 때의 전류를 측정하여 도시한 것이다. 도 1에서 보여주는 바와 같이, 비드 없이 전도성유체만 있는 경우에는 전류의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.

<실험예 2>

비드 존재하에서 나노포어검출부의 전류 변화 측정

비드를 전도성 유체 매질에 용해시켜 100nm 크기의 나노포어어레이를 포함하는 나노포어검출부를 통한 전류를 측정하였다. 비드는 5nm 직경의 스트렙타비딘-Au 접합물(streptavidin-Au conjugate)를 사용하고, 전도성 유체 매질로는 1M KCl을 이용하여 이 1M KCl용액에 비드가 5ug/ml의 밀도로 존재하도록 하고 상기 나노포어 검출부에 300mV의 전기장을 인가하였다. 도 2는 비드를 포함하는 전도성유체가 나노포어검출부를 통과하게 했을 때의 전류를 측정하여 도시한 것이다. 도 2에서 보여주는 바와 같이, 비드를 포함하는 전도성유체인 경우에는 전류의 진폭변화가 현저함을 확인할 수 있다.

<실시예>

비드가 부착된 핵산단편의 검출

실험예 1 및 2를 통해 그 직경이 100nm인 나노포어검출부가 비드를 검출하는 것을 알 수 있으므로, 도3 에 도시된 방법 및 도4에 도시된 장치를 이용하여 시료가 1kps 이하, 보다 바람직하게는 70 내지 300bps인 PCR산물의 핵산단편을 그 직경이 100nm인 나노포어검출부를 통해 검출하는 각 단계를 다음과 같이 수행하였다.

a. 1단계 : 특정효소가 절단가능한 서열을 가질 뿐만 아니라 비드가 부착되기 용이한 구조를 갖는 핵산 탐침의 준비

표적을 E.coli BL21 16s RNA 로 결정한 후, 상기 서열중 표적부분의 서열과 1-3개 염기가 미스매치서열을 가지면서 동시에 핵산 단편과 혼성화가 되는 올리고누클레오타이드 탐침(AAAGTACTTTCAACGGGGAGGAAGG)의 25mer와 상기 언급된 25mer를 중심으로 5'쪽에 17mer(poly T), 3'쪽에 18mer(poly T) 의 비특이적 서열이 포함되고, 5'쪽 말단은 아민 변형하며(amine modify), 3'쪽 말단은 바이오틴이 부착된 60mer의 올리고누클레오타이드 80uM 을 핵산탐침으로 준비하였다.

b. 2단계 : 1단계에서 준비된 핵산 탐침과 비드의 부착

1단계에서 준비된 바이오틴이 부착된 핵산탐침과 스트렙타비딘-Au 접합물 5ug/ml을 접촉시켜 실온에서 30분 동안 아비딘-바이오틴반응을 일으켜 비드가 부착된 핵산 탐침을 준비하였다.

c. 3단계 : 2단계에 준비된 비드가 부착된 핵산의 고정화

2단계에서 준비된 비드가 부착된 핵산 탐침 80uM,을 9mM PEG 10000 in 25mM 을 이용하여 나노포어검출부를 구성하는 고체기판의 나노포어 주위에 고정화하였다.

d. 4단계 : 고체기판의 나노포어주위에서 핵산탐침과 시료의 혼성화

E.coli BL21 16s RNA 를 공지된 PCR 조건에서 증폭한 후 단일 가닥이 되도록 변성시켜 상기 핵산 탐침에 상보적인 서열을 포함하는 70bps크기의 DNA를 준비한 후, 상기 시료 40nM을 상기 고체기판의 나노포어주위로 투입하여 비드가 부착된 핵산탐침과 시료속에 포함된 표적물질간의 혼성화반응이 일어나도록 37도의 온도에서 1시간 정도 유지한 후, 남아있는 유체를 제거하였다.

e. 5단계 : 혼성화된 DNA의 미스매치서열을 효소로 절단

4단계를 수행한 고체기판의 나노포어 주위로 미스매치서열을 특이적으로 절단하는 엔도누클레이즈 V를 2ul(밀도 : 10U/ul) 투입한 후 섭씨 37도의 온도에서 1시간 정도 유지하여 핵산단편이 부착된 비드를 효소반응산물로 제조하였다.

f. 6단계 : 효소반응산물을 나노포어로 통과시키면서 전류변화 관찰

5단계를 수행하여 얻어진 유체 생성물 즉 효소반응산물을 나노포어로 통과시키면서 전류의 진폭변화를 관찰하는데, 상기 나노포어검출부에 300mV가 인가된 경우 얻어진 진폭(amplitude) 변화는 도5와 같고, 이 때 얻어진 진폭은 350((단위 : pA))이하이고, 진폭이 일어난 시간(dwell time)은 2(단위 : ms)이하였다.

도5를 통해, 1kbps 이하 특히 70bps의 짧은 DNA 단편을 포함하는 PCR산물을 시료로 사용한 경우에도, 상기 나노포어 주위에 고정화 된 핵산탐침에 부착된 비드로 인해 상술한 본 발명의 방법이 수행되어 얻어지는 최종생성물 즉 효소반응산물에 DNA단편이 부착된 비드가 포함되고, 나노포어검출부가 DNA단편이 아닌 비드를 검출하기 때문에 직경이 100nm인 나노포어를 가진 나노포어검출부로도 그 크기가 매우 작은 DNA단편을 용이하게 검출할 수 있는 것을 알 수 있다.

<비교예>

시료로 반응챔버에 고정된 핵산 탐침과 혼성화되지 않는 4종의 박테리아(Streptococcus pneumoniae, Bordetella pertusis, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae) 16s RNA PCR산물을 대조구(control) 실험으로 사용하였다. 표적(Target)이 다른 것을 제외하면 실시예와 동일한 조건으로 각 단계를 수행한 후 나노포어검출부를 통해 얻어진 전류의 진폭변화를 도 6에 도시하였다. 도 6을 참조하면 표적이 아닌 경우 상기 나노포어 주위에 고정화된 핵산탐침과 혼성화 되지 않으므로, 미스매치 서열을 특이적으로 절단하는 효소에 의해서도 인식되지 않는다. 그러므로 비드가 부착된 올리고누클레오타이드가 잘려지지 않고, 따라서 나노포어 검출부에서도 측정이 되지 않음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상과 같은 본 발명에 따른 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법 및 장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 핵산검출방법 및 장치는 나노포어검출부에서 시료 중의 핵산을 검출함에 있어 상기 시료 중의 핵산에 부착된 비드를 검출하도록 함으로써 상기 나노포어의 직경이 20nm 내지 120nm 범위인 경우에도 시료 중의 핵산을 고감도로 검출하는 것이 가능하다.

또한 본 발명의 핵산검출방법 및 장치는 검출대상 시료가 PCR 산물인 경우에도 나노포어검출부를 이용하여 상기 PCR산물 중의 핵산을 고감도로 검출하는 것이 가능하다.

또한 본 발명의 핵산검출방법 및 장치는 시료인 PCR산물이 70 내지 300bps 크기의 핵산단편인 경우에도 직경이 20nm 내지 120nm범위의 나노포어를 가진 나노포어검출부를 이용하여 상기 PCR산물 중의 핵산을 고감도로 검출하는 것이 가능하다.

또한 본 발명의 핵산검출방법 및 장치는 마이크로플루이딕스 기술을 이용하여 프로세스-온-어-칩(process-on-a-chip) 또는 랩-온-어-칩 (lab-ona chip)으로 구현할 수 있다.

Claims (13)

1. 표적(target) 핵산과 상보적인 서열 범위 내에, 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함하는 핵산 탐침을 준비하는 단계;

   상기 준비된 핵산 탐침에 비드를 부착하여 비드가 부착된 핵산 탐침을 준비하는 단계 ;

   상기 비드가 부착된 핵산 탐침을, 그 직경이 20nm 내지 120nm인 나노 크기의 포어를 가진 고체 기판의 나노포어 주위에 고정시키는 단계 ;

   상기 핵산 탐침이 고정화된 기판에 표적 핵산 함유의 시료를 투입시키고, 표적 핵산과 핵산 탐침을 혼성화시키는 단계 ;

   상기 표적 핵산과 핵산 탐침이 혼성화된 고체기판에 상기 인위적인 서열을 절단할 수 있는 상기 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소를 반응시켜, 핵산 단편이 부착된 비드를 효소반응 산물로 제조하는 단계; 및

   상기 효소반응 산물에 포함된 핵산 단편 부착 비드가 나노포어를 통과할 때 나타나는 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함하는 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법.
2. 제1항에서, 상기 비드는 그 직경이 1nm 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법.
3. 삭제
4. 제1항에서, 상기 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소가 절단 가능한 인위적인 서열은 표적 핵산과 미스매치되는 염기를 1~3개 가지는 것을 특징으로 하는 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법.
5. 제4항에서, 상기 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소는 미스매치 염기 인식 제한효소(mismatch cleavage enzyme)인 것을 특징으로 하는 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법.
6. 제1항에서, 상기 표적 핵산은 70bps 내지 300 bps 크기인 것을 특징으로 하는 비드 및 나노포어를 이용한 핵산검출방법.
7. a) 핵산의 관통을 수용하는 크기로서 그 직경이 20nm 내지 120nm인 나노포어를 가진 고체 기판,

   b) 상기 고체기판의 나노포어에 전압을 인가하는 전극, 및

   c) 상기 고체기판의 나노포어 주위에 고정화 된, 비드가 부착되고 표적(target) 핵산과 상보적인 서열 범위 내에 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소가 절단 가능한 인위적인 서열을 포함하는 핵산 탐침으로 구성된 나노포어 검출부;

   상기 나노포어 검출부로 투입되는 표적 핵산을 포함하는 시료가 보관된 시료 저장챔버; 및,

   상기 나노포어 검출부로 투입되는 상기 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소가 보관된 효소 저장챔버를 포함하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치.
8. 제7항에서, 상기 시료 저장챔버 및 상기 효소 저장챔버와 상기 나노포어검출부를 각각 연결하는 연결부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치.
9. 제7항에서, 상기 비드는 그 직경이 1nm 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치.
10. 삭제
11. 제7항에서, 상기 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소가 절단 가능한 인위적인 서열은 표적 핵산과 미스매치되는 염기를 1~3개 가지는 것을 특징으로 하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치.
12. 제11항에서, 상기 핵산의 특정서열 및 구조에 특이적으로 작용하는 효소는 미스매치 염기 인식 제한효소(mismatch cleavage enzyme)인 것을 특징으로 하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치.
13. 제7항에서, 상기 표적 핵산은 70bps 내지 300 bps 크기인 것을 특징으로 하는 나노포어를 통과하는 핵산 단편 부착의 비드를 검출하는 핵산검출장치.

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