KR100497676B1 - 신규의 3'-카르복실-5,2'；5',2＂-테르티오펜 화합물과 그제조방법, 이 화합물을 모노머로 한 기능성 전도성테르티오펜 고분자 및 이 고분자를 이용한 ｄｎａ 혼성화검출 방법, 그리고 프로브 ｄｎａ의 제조방법 - Google Patents

신규의 3'-카르복실-5,2'；5',2＂-테르티오펜 화합물과 그제조방법, 이 화합물을 모노머로 한 기능성 전도성테르티오펜 고분자 및 이 고분자를 이용한 ｄｎａ 혼성화검출 방법, 그리고 프로브 ｄｎａ의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DNA 혼성화 검출에 효율적으로 사용될 수 있는 신규의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물, 이러한 화합물을 모노머로 하여 전기화학적 방법에 의해 제조되는 카르복실기를 갖는 기능성 전도성 테르티오펜 고분자, 및 이러한 기능성 전도성 고분자를 이용하여 임피던스 측정에 의한 신규의 DNA 혼성화 검출 방법을 제공하며, 또한 본 발명에 따른 DNA 혼성화 검출 방법에 사용되는 프로브 DNA의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 종래의 기술과는 달리 지시약을 사용하지 않고 임피던스를 이용하여 DNA 혼성화를 검출하는 신규의 방법이 제공되므로, 고정된 특정 주파수에서 임피던스를 측정하는 소형 센서 시스템의 제작이 가능하며, 이는 임상진단을 위한 휴대용 DNA 서열 혼성화 확인용 소형 센서에 응용될 수 있다. 또, 본 발명에 따르면, 잘못 짝지어진 서열에 대한 상보적 서열의 선택성이 매우 우수하다.

Description

신규의 3'-카르복실-5,2'；5',2＂-테르티오펜 화합물과 그 제조방법, 이 화합물을 모노머로 한 기능성 전도성 테르티오펜 고분자 및 이 고분자를 이용한 ＤＮＡ 혼성화 검출 방법, 그리고 프로브 ＤＮＡ의 제조방법{NOVEL TERTHIOPHENE-3-CARBOXYLIC ACID COMPOUND AND FABRICATING METHOD THEREOF, FUNCTIONALIZED CONDUCTIVE TERTHIOPHENE POLYMER WITH THE COMPOUND AS A MONOMER, PROCESS FOR DNA HYBRIDIZATION DETECTION USING THE POLYMER, AND FABRICATING METHOD OF PROBE DNA}
본 발명은 DNA 바이오센서 및 전기화학적 바이오센서 분야에서 신규의 전도성 고분자를 이용하여 임피던스 측정을 통한 신규의 DNA 혼성화 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신규의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물을 제조하고, 이 화합물을 모노머 (monomer) 로 하여 유리질 탄소 전극상에서 전기화학적 중합을 통해 기능성 전도성 테르티오펜 고분자 (polymer) 를 제조한 다음, 이렇게 제조한 고분자에 프로브 (probe) DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 를 고정화시키고 타겟 (target) DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 의 혼성화 전과 후의 임피던스 (impedance) 측정에 의한 신규의 DNA 혼성화 검출 방법에 관한 것이다.
최근들어, 생물공학 및 의학 진단 분야에서는 지속적이면서도 선택적으로 생물분자들을 검출할 수 있는 장치가 요구되어왔다. 특히, 핵산에 있어서의 전기화학적 검출에 대한 최근의 경향은 DNA 혼성화, 약물 및 발암물질과 DNA와의 상호작용, 및 DNA 손상을 포함하는 특별한 DNA 상화작용에 기초한 전기화학적 바이오 검출기 또는 바이오 센서의 개발에 초점이 맞추어지고 있다. 이들 중에서, 다양한 DNA 센서가 DNA 서열, 독성 화합물 및 미량 유기 화합물을 검출하는데 사용되어왔으며, 그 중, 게놈에 대한 폭넓은 응용가능성 등으로 인하여 DNA 서열에 대한 혼성화 검출이 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 인식되어 왔다.
한편, 이러한 DNA 혼성화 검출과 관련하여, 종래의 DNA 혼성화 검출 방법으로는, 고정되어 있는 프로브 DNA에 형광물질(염료)로 표지된 타겟 DNA (또는 올리고뉴클레오티드)를 혼성화시켜 광학적인 방법으로 형광물질의 세기를 측정하는 방법이 보고되어 있다 [참조 : Physicochemical and Engineering Aspects, 2000, 175, 147-152; Analytica Acta, 1997, 350, 51-58; Anal. Chem. 1994, 66, 3379-3383].
또, 고정되어 있는 프로브 DNA를 타겟 DNA와 혼성화시키고, 혼성화가 이루어진 이중가닥의 DNA 내부에 지시약(indicator)이 삽입되도록 다시 지시약과 반응을 시켜 지시약의 산화환원을 측정하는 방법이 보고되어 있다 [참조 : Anal. Chem. 1996, 68, 2629-2634; Anal. Chem. 1994, 66, 3830-3833; Anal. Chem. 2000 , 72, 1334-1341].
또 다른 종래 DNA 혼성화 검출 기술의 예로서, 프로브 DNA를 전극 표면에 고정화시킨 후 수정 결정 미량 천칭 (Quartz Crystal Microbalance; QCM) 을 이용하여 타겟 DNA와 반응할 때의 주파수(frequency)의 변화를 측정하는 방법이 있다 [참조 : Biointerfaces, 1998, 10, 199-204; J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 8299-8300].
또 다른 예로서, 전도성 고분자 (폴리피롤 프로브) 에 프로브 DNA를 고정시킨 후 타겟 DNA와 반응할 때 전도성 고분자 자체의 산화환원 파의 전위 이동 (shift) 과 전류크기의 변화를 측정하는 방법이 있다 [참조 : J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 7388-7389; Synthetic Metals, 1999, 100, 89-94].
그러나, 타겟 DNA에 지시약을 표지하는 경우에는 시료의 준비단계가 복잡하고, 혼성화 후 지시약을 삽입시키는 경우에는 실험적인 단계가 길어지므로 공정의 산업화가 불리한 단점이 있다.
또한, 광학적 방법을 이용하거나 QCM 을 측정하는 경우에는 측정 장비가 대형, 고가이므로 전문관리자가 필요하고, 휴대용으로는 적합하지 못하다는 문제점이 있으며, 산화 환원 지시약을 사용하는 전기화학적인 방법은 혼성화 정도를 지시약의 감응에 의존하므로 감도와 선택성에서 문제가 따른다.
그리고, 고분자를 이용한 고분자 자체의 산화환원 파의 변화를 측정하는 경우에도 휴대용으로 적용하는데는 적합하지 못하다.
따라서, DNA 혼성화 검출 기술 분야에서는, DNA 혼성화를 지시약을 사용하지 않고 직접 검출함으로써 실험에 소요되는 시간을 단축하고 실제 DNA의 혼성화 여부를 짧은 시간에 쉽게 확인할 수 있도록 함으로써, 전문관리자가 아닌 일반인이 누구나 쉽게 확인할 수 있는 휴대용 DNA 센서를 개발하는 것이 절실히 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은 상술한 바와같은 종래 DNA 혼성화 검출 기술들의 문제점들을 해결하고, 또한 당해 기술분야에서 절실히 요구되어온 기술적 과제를 해결하고자 광범위한 연구를 진행하였으며, 그 결과 신규의 테르티오펜-3-카르복실산 화합물을 모노머로 하여 제조되는 기능성 전도성 테르티오펜 고분자를 이용하여 DNA 혼성화 이전과 이후의 임피던스 측정을 통해 직접적으로 DNA 혼성화를 검출할 수 있다는 점을 인식하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 위와같은 새로운 인식에 기초한 본 발명의 첫 번째 목적은, 신규의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은, 상기 신규의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물을 모노머로 하여 제조되는 기능성 전도성 테르티오펜 고분자를 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은, 상기 기능성 전도성 고분자에 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 를 고정화시킨 후, DNA 혼성화 이전과 이후의 임피던스 측정에 의한 신규의 DNA 혼성화 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 네 번째 목적은, 본 발명에 사용되는 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적들을 위해, 본 발명은 3-브로모테르티오펜을 출발물질로 하여 3-시아노테르티오펜을 제조한 후, 이를 가수분해시켜서 얻은 신규의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물 및 이를 모노머로 하여 전기화학적 중합반응을 통해 얻어지는 카르복실기를 갖는 기능성 전도성 테르티오펜 고분자를 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 카르복실기를 갖는 테르티오펜 모노머로 유리질 탄소 전극A면상에 전기화학적 중합을 통해 중합화된 기능성 전도성 테르티오펜 고분자에 의해 탄소 전극면을 변성시키고, 상기 전도성 고분자에 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 를 고정화시키고 타겟 DNA (또는 올리고뉴클레오티) 의 혼성화 이전과 이후의 임피던스 측정에 의해 제공되는 신규의 DNA 혼성화 검출 방법을 기술적 특징으로 한다.
그리고, DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 의 5' 말단에 아민-결합된 알킬기를 결합시킴으로서 본 발명의 DNA 검출방법에 사용되는 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드)를 제조하는 방법을 기술적 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
DNA는 이중 가닥의 나선형 구조로 이루어져 있다. 단일 가닥의 ssDNA가 서로 상보되는 염기 서열을 갖는 다른 ssDNA와 결합하여 이중 가닥을 형성하는 것을 혼성화라고 하는데, DNA의 혼성화 검출은 고체 기질 표면에 고정화되어 있는 단일 가닥의 프로브 DNA에 이것과 상보되는 타겟 DNA와 혼성화 반응을 하였을 때 혼성화 이전과 이후의 차이를 가려내는 기술을 말한다.
본 발명에서는 이러한 DNA 혼성화 검출 기술중 전기화학적 검출 방법에 있어서, 신규의 기능성 전도성 특성을 갖는 테르티오펜 고분자를 발견하여, 이를 전기화학적 DNA 혼성화 검출 방법에 적용, 임피던스의 차이를 이용하여 DNA 혼성화를 검출하는 신규의 방법을 완성하고 있다.
우선, 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 본 발명에 따른 신규의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물은 기능성 전도성 테르티오펜 고분자를 제조하는데 있어서 모노머로 사용되는 것으로서, 전도성을 갖는 화학 구조적 특성으로 인하여 본 발명의 목적을 효과적으로 달성케 한다. 이러한 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물은 출발물질인 3-브로모테르티오펜을 시안화구리 (CuCN) 를 이용하여 3-브롬기가 시안기(-CN) 로 치환되도록 처리하여 하기의 화학식 2의 구조를 갖는 중간체 물질인 3-시아노테르티오펜을 합성한다. 이때, 합성된 3-시아노테르티오펜은 고체의 녹는점이 83℃이고, 분자량이 272.9736 g/mol 이었다. 이렇게 합성된 3-시아노테르티오펜을 다시 수산화칼륨-에톡시에탄올에서 가수분해시킴으로써 하기 화학식 1의 구조를 갖는 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물을 얻는다. 이때, 합성된 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물의 녹는점이 193 ℃이고, 분자량이 292.4002 g/mol 이었다.
다음으로, 카르복실기를 갖는 본 발명의 기능성 전도성 테르티오펜 고분자는 하기 화학식 3의 구조를 가지며, 상기의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물을 모노머로 하여 순환전압전류법 (cyclic voltammetry)을 이용하여 전극면에 고분자를 합성하는 전기화학적 기법을 통해 얻는다. 또한, 본 발명의 전도성 고분자는 붉은 빛을 띠는 갈색을 나타낸다
한편, 상기의 기능성 전도성 고분자를 이용한 본 발명에 따른 신규의 DNA 혼성화 검출 방법은 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물을 비수용매에 용해시키고, 전기화학적인 방법으로 전극 표면에서 카르복실기를 갖는 전도성 테르티오펜 고분자를 합성하여 변성시킨 다음, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 (EDAC)를 이용하여 5'-말단을 아미노기로 변성시킨 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 를 고분자에 고정시키고, DNA 혼성화 전후로 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 전극은 유리질 탄소 전극과 금 전극이며, 이러한 전극 표면에 순환전압전류법을 이용한 전기화학적 방법을 이용하여 고분자를 합성하여 변성시키며, 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드)는 고분자의 카르복실기에 화학적으로 결합시킨다. 본 발명의 DNA 검출방법에 사용되는 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드)는 타겟 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 에 상응한 임의의 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 19-mer 의 올리고뉴클레오티드가 사용된다. 이러한 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 는 임의의 크기의 염기서열을 갖는 DNA 의 5'말단에 탄소수 3개 내지 10개, 바람직하게는 탄소수 6 의 알킬기가 결합되고, 이어서 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 (EDAC) 를 이용하여 알킬기에 아민을 연결시켜서 5'말단이 아미노기로 변성된 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 이다. 구체적인 일례로는, NH2-C6-5'-CTCCTGTGGAGAAGTCTGC-3' 이 있다. 그리고, 임피던스의 측정은 10 Hz 내지 100 kHz 범위내의 특정의 주파수에서 이루어지는데, 바람직하게는 약 1kHz 의 주파수에서 측정하는 것이 효과적이다.
한편, 본 발명에서는 본 발명에 따른 DNA 검출 방법의 일례로 겸상적혈구 빈혈증 환자와 관계된 DNA 염기서열을 이용하여 단일가닥의 프로브를 전극표면에 고정화시키고 이와 상보되는 타겟 DNA 염기서열들 (서열 B : 3'-GAGGACACCTCTTCAGACG-5', 서열 C : 3'-GAGGACTCCTCTTCAGACG-5', 서열 D : 3'-CTGGACACCTCTTCAGACG-5', 서열 E : 3'-CCTAGTCTACAGGTCACTA-5') 을 각각 인산염 완충용액에서 혼성화시키고 혼성화 이전 이후의 임피던스를 측정하여 두 값을 비교하였다. 혼성화 이전과 이후에 측정한 임피던스를 로그로 취한 임피던스 값을 이용하여 두 값의 차이를 계산하였다. 타겟 DNA 염기서열은 완전히 상보되는 서열 B (3'-GAGGACACCTCTTCAGACG-5')과 서열 중간에서 하나의 염기서열이 잘못 짝지어진 서열 C (3'-GAGGACTCCTCTTCAGACG-5'), 끝 부분의 두 개의 서열이 잘못 짝지어진 서열 D (3'-CTGGACACCTCTTCAGACG-5'), 그리고 염기 서열이 완전히 서로 다른 서열 E (3'-CCTAGTCTACAGGTCACTA-5') 을 비교하였다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 도면을 통해 상세하게 설명한다.
다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 기재된 것일 뿐, 이에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 카르복실기를 갖는 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 모노머의 합성
3-시아노테르티오펜의 합성 : 10 mmol의 3-브로모테르티오펜을 15 mmol의 시안화구리가 포함된 수분이 없는 디메틸포름아미드 (10 ml) 에서 4 시간 동안 환류시킨다. 검은 혼합물을 실온으로 냉각시킨 다음, 염화철 (10 g) 을 용해시킨 염산 용액 (20 ml, 2.0 M)과 혼합하여 60~70℃에서 30 분간 유지시킨다. 유기 추출물을 염산 (20 ml, 6 M), 증류수, 포화 중탄산 나트륨 용액, 염화나트륨 용액으로 세척한다. 수득되는 암황색 고체를 유기 용매로 재결정한다. 고체의 녹는점은 83 ℃이고 질량분석기를 이용하여 분자량을 조사한 결과 272.9736 g/mol 이었고 13C NMR, 1H NMR, 및 적외선 분광법으로 구조를 확인하였다. 분광학적인 테이타는 다음과 같다.
1H NMR (CDCl3) δ:7.06-7.62(m, 7H); 13C NMR δ:106.0, 115.8, 125.6, 127.5, 126.5, 127.7, 128.0, 128.6, 128.8, 133.4, 135.0, 136.7, 145.3
3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜의 합성 : 10 mmol의 3-시아노테르티오펜과 17.8 mmol의 수산화칼륨을 에톡시에탄올-물 (5:1) 용액에서 5 시간 동안 환류시킨다. 반응 혼합물을 과량의 염산 (12 M) 으로 산성화시키고, 황색 침전이 생길 때까지 혼합물을 냉각시킨 다음, 침전물을 거르고, 증류수로 세척하고 유기 용매로 재결정한다. 고체의 녹는점은 193 ℃ 이고 질량분석기를 이용하여 분자량을 조사한 결과 292.4002 g/mol 이었고 13C NMR, 1H NMR, 및 적외선 분광법으로 구조를 확인하였다.
분광학적인 테이타는 다음과 같다.
1H NMR (CDCl3) δ:7.04-7.59(m, 7H), 7.59 (br s, 1H); 13C NMR δ:125.0, 125.9, 126.9, 127.8, 128.4, 128.6, 130.2, 133.6, 135.9, 136.1, 143.8, 166.7
실시예 2: DNA 센서의 제작
카르복실기를 갖는 전도성 폴리머 (3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜) 를 이용한 변성 전극의 제작 : 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 모노머를 비수용매인 아세토니트릴에 용해시키고 전기화학적인 방법으로 유리질 탄소전극과 금전극 표면에서 카르복실기를 갖는 전도성 테르티오펜 고분자를 합성하여 변성시킨다 [도 1]. 일반적으로 전도성 고분자를 전기화학적으로 합성하기 위해서는 모노머를 용매에 녹인 후 모노머가 산화되는 전압을 가하거나, 일정 전압사이를 순환하는 순환전압전류법 (cyclic voltammetry) 을 이용하여 전극 면에 고분자를 합성하는 기법을 사용한다. 본 발명에서는 순환전압전류법을 사용하여 전압을 0.0 V에서 + 전압 방향으로 +1.5 V 까지 반복적으로 가하였으며 전압 주사속도는 100 mV/sec 였다. +1.1 V 및 +1.3 V에서 산화 전류가 그리고 +1.15 V에서 환원전류가 흐르며 0.0 V ∼ +1.5 V 사이의 전압범위를 순환시키면 전류가 증가한다. 이러한 전류증가현상은 전도성 고분자의 성장 시 일반적인 현상으로 전극 면에 전도성 고분자가 성장함을 나타낸다. 전압순환 횟수는 1 회 ∼ 50 회로 변화시켜 전극 면에 전도성 고분자를 합성시켜 사용하였으며, [도 1] 에는 5회 전압순환을 나타내었다. 전극 면에 성장된 전도성 고분자는 붉은 빛을 띠는 갈색을 나타낸다.
프로브 올리고뉴클레오티드의 고정화: 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 (EDAC) 를 이용하여 5'-말단을 아미노기로 변성시킨 프로브 올리고뉴클레오티드 서열 (NH2-C6-5'-CTCCTGTGGAGAAGTCTGC-3') 을 전극에 고정시킨다. EDAC는 카르복실기에 아미노기를 결합시킬 때 촉매로 사용하는 물질이다. [도 1]의 과정에 의해 센서 면에 전기화학적으로 합성된 전도성 고분자는 카르복실기를 가지고 있으며 여기에 5'-말단을 아미노기로 변성시킨 프로브 올리고뉴클레오티드를 결합시켜 DNA 센서를 제작한다. [도 1]의 과정에 의해 합성된 전도성 고분자가 입혀진 전극을 EDAC (10 mg/mL) 와 5'-말단을 아미노기로 변성시킨 프로브 올리고뉴클레오티드 (11 μM) 가 들어있는 인산염 완충용액 (pH 7.4) 에 담근 다음, 상온에서 10 시간 반응시키면 전도성 고분자의 카르복실기와 5'-말단을 아미노기로 변성시킨 프로브 올리고뉴클레오티드가 결합하여 DNA 센서가 완성된다. 이와 유사한 방법으로 특정 질병과 관련된 프로브 DNA (또는 올리고뉴클레오티드) 를 전도성 고분자에 결합시켜 DNA 센서를 제작하면 수많은 질병과 관련된 DNA 검출센서의 개발이 가능하게 된다.
실시예 3: 임피던스의 측정
인산염 완충용액에서 타겟 DNA 서열과 혼성화 이전 이후의 임피던스를 측정하여 두 값을 비교한다. 타겟 DNA 서열은 완전히 상보되는 서열 B (3'-GAGGA CACCTCTTCAGACG-5')과 서열 중간에서 하나의 염기서열이 잘못 짝지어진 서열 C (3'-GAGGACTCCTCTTCAGACG-5'), 끝 부분의 두 개의 서열이 잘못 짝지어진 서열 D (3'-CTGGACACCTCTTCAGACG-5'), 그리고 염기 서열이 완전히 서로 다른 서열 E (3'-CCTAGTCTACAGGTCACTA-5')을 비교한다 [도 3a, 도 3b, 도 3c]. 도 3a는 프로브 올리고뉴클레오티드 (전극 표면의 전도성 고분자에 고정화시키는 단일가닥의 DNA 서열을 말함) 를 전극 표면에 고정시킨 후, 임피던스를 100 kHz에서 10 Hz까지 0.75 M NaCl 을 포함한 pH 7.0 인산염 완충용액에서 측정하고, 이후에 이 전극을 타겟 DNA 서열 (프로브와 반응할 단일가닥의 DNA 서열) 과 30 분 동안 반응시켜 동일한 방법 및 조건에서 임피던스를 측정하여 나타낸 것이다. 타겟 DNA 서열과 반응한 후 임피던스 값이 많이 감소하였다 (도 3a의 (A) 참조). 이것은 다른 형태인 어드미턴스 (admittance) (도 3a의 (B) 참조) 로 나타내면 역시 혼성화 이전과 이후에 많은 차이가 나타남을 쉽게 알 수 있다. 도 3a의 (A)에서 y 축의 저항 값이 혼성화 이후 감소하는데, 이것은 달리 말해서 전도도가 더 좋아졌다는 것을 의미한다.
도 3b는 완전히 서로 다른 염기 서열을 갖는 서열 E에 대해서 혼성화 반응을 시킨 후 혼성화 이전과 이후의 로그 취한 임피던스 값의 차이를 나타낸 그래프이다. 도 3b의 경우 그 차이 값이 0에 가깝게 나타난다. 이것은 혼성화가 전혀 일어나지 않았기 때문이며, 혼성화 반응 이후에 임피던스의 변화가 없다는 것을 의미한다. 그러나, 이 전극을 다시 완전히 상보되는 타겟 DNA 서열 B와 혼성화 반응을 시키게 되면 그 차이 값이 확실하게 나타나게 된다 (도 3b). 이것은 혼성화가 일어났다는 것이며, 혼성화 이후 임피던스 값에서 큰 차이를 보인다는 것을 의미한다. 따라서, 완전히 상보되는 타겟 DNA 서열 B와 서열 E를 뚜렷하게 구별할 수 있었다.
도 3c는 중간에서 하나의 염기서열이 잘못 짝지어진 것 (서열 C)(도 3c의 상측 그래프 참조) 과 끝부분의 두 개의 서열이 잘못 짝지어진 것 (서열 D) (도 3c의 아래 부분 그래프 참조) 에 대해서 혼성화 반응을 시킨 후 혼성화 이전과 이후의 로그 취한 임피던스 값의 차이를 나타낸 그래프이다. 각각의 서열에 대해서 3 번씩 반복실험 한 결과를 나타낸 것인데, 이 두 경우 혼성화 반응 이후 약간의 임피던스 값에 변화를 보이고 있으나, 그 차이는 완전한 상보 서열 (서열 B)에서의 차이값과 비교해서 그다지 크지 않았다. 따라서, 이 결과, 임피던스를 이용한 혼성화 검출 방법으로 완전한 상보 염기서열과 잘못 짝지어진 염기 서열을 구별할 수 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이 타겟 DNA 서열과의 혼성화 후 약 1 kHz에서 가장 큰 임피던스의 변화를 나타냈으며, 잘못 짝지어진 염기서열에 대해서도 종래의 방법보다 탁월한 선택성을 나타내므로, 특정한 주파수, 예를들어 약 1 kHz 에서 임피던스 값을 측정하여 혼성화 여부를 간단하게 확인을 할 수 있다.
실험 결과:
선택성은 완전히 상보되는 염기 서열과 잘못 짝지어진 염기서열을 얼마나 잘 구별할 수 있는지의 문제이다. 본 발명에서는 1 kHz에서 혼성화 이전 이후의 로그 취한 임피던스 차이 값의 크기를 비교하여 혼성화 정도를 나타내었으며, 혼성화 정도로 특정 서열에 대한 선택성을 알 수 있었다.
실험 결과는 아래 표 1 과 같다.
올리고뉴클레오티드 서열b ｜Z｜ / 10n Ohm 혼성화 %c
상보적 (서열 B)3'-GAG-GAC-ACC-TCT-TCA-GAC-G-5 0.7 ±0.05 100 %
1-염기 잘못 짝지어진 것(서열 C)3'-GAG-GAC-TCC-TCT-TCA-GAC-G-5' 0.1 ±0.05 14.3 %
말단 2-염기 잘못 짝지어진 것(서열 D)3'-CTG-GAC-ACC-TCT-TCA-GAC-G-5' 0.1 ±0.05 14.3 %
비상보적 (서열 E)3'-CCT-AGT-CTA-CAG-GTC-ACT-A-5' 0.0 ±0.05 0 %
a NH2-C6-5'-CTC-CTG-TGG-AGA-AGT-CTG-C-3 의 프로브 올리고뉴클레오티드는 폴리테르티오펜 변성 유리 탄소 전극 상에 고정화되었다.
b 농도 : 10 ml에 110 nmol.
c 변성된 전극 상의 프로브에 용액 중 얼마나 많은 올리고 뉴클레오티드가 결합하였는지를 나타냄.
종전 데이터와의 비교:
1992년 오카하타 (Okahata) 연구팀에서 다양한 10량체 뉴클레오티드에 대해서 QCM을 이용하여 혼성화 검출을 하였다. 이 실험의 경우 말단의 2량체 잘못 짝지어진 서열은 92%의 혼성화를 보였으며, 중앙 모노머 잘못 짝지어진 서열에 대해서는 약 30%의 혼성화를 보였다 (표 2 참조). 한편, 본 발명의 결과에서는 표 1에 나타난 바와 같이 14.3 %의 혼성화가 관찰되었다. 따라서, 임피던스를 이용한 혼성화 검출의 경우 타겟 DNA 서열에 대해서 선택적으로 혼성화를 구별할 수 있음을 알 수 있었다. 표 2는 프로브-고정 QCM 과 각종 10량체 뉴클레오티드 사이의 25 ℃ 용액 중 혼성화 정도를 나타낸다.
뉴클레오티드b Δm/ng % 혼성화율
3'dCCCTTAAGCA5' 380 ±10 100
3'dCCCTTAAGGG5' 350 ±10 92
3'dTGCTTAAGCA5' 350 ±10 92
3'dCCCTAAAGCA5' 125 ±10 31
3'dCCCTGAAGCA5' 100 ±10 26
3'dCTGCTACGGG5' 0 0
3'dAGCCGTACCC5' 0 0
a HS-5'PdGGGAATTCGT 3' 는 M13 파지 DNA와 비교하여 저 분자량의 올리고뉴클레오티드의 검출에 대한 고감도를 얻기 위해 비교적 많은 양 (847 ng, 280 pmol, ca. 65% 의 전극 코팅) 으로 QCM 상에 고정화되었다.
b 농도 : 10 ml 중 400 ng (130 pmol). 프로브와 상보적인 서열은 밑줄로 나타냄.
c 용액 중 얼마나 많은 뉴클레오티드가 QCM 상의 프로브에 결합되었는지를 나타냄.
본 발명에 따르면, 종래의 기술과는 달리 지시약을 사용하지 않고 임피던스를 이용하여 DNA 혼성화를 검출하는 신규의 방법이 제공되므로, 고정된 특정 주파수에서 임피던스를 측정하는 소형 센서 시스템의 제작이 가능하며, 이는 임상진단을 위한 휴대용 DNA 서열 혼성화 확인용 소형 센서에 응용될 수 있다. 또, 본 발명에 따르면, 잘못 짝지어진 서열에 대한 상보적 서열의 선택성이 매우 우수하다.
도 1은 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜 화합물 모노머의 전기화학적 중합을 위한 사이클릭 볼타모그램 패턴을 나타내는 도이다.
도 2는 프로브 올리고뉴클레오티드의 고정화와 타겟 서열의 혼성화를 나타내는 도식이다.
도 3a는 실온에서 개방 회로 전압 상에 인산염 완충액 (pH 7.4) 중 혼성화 전후의 임피던스(A)와 어드미턴스(B)를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 비상보적 타겟 서열 E와 상보적 타겟 서열 B에 대하여 혼성화 전후의 임피던스 차이값을 나타낸 그래프이다.
도 3c는 중앙의 염기가 잘못 짝지어진 서열과 말단 염기가 잘못 짝지어진 서열에 대하여 혼성화 전후의 임피던스 차이값을 나타낸 그래프이다.

Claims (7)

  1. 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜.
    (화학식 1)
  2. 3-브로모테르티오펜을 시안화구리로 처리한 후, KOH-에톡시에탄올에서 가수분해하는 것을 특징으로 하는 제 1 항의 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜의 제조 방법.
  3. 제 1 항의 테르티오펜-3-카르복실산을 모노머로하여 순환전압전류법을 이용하여 전극 면에 고분자를 합성하는 전기화학적 기법을 통해 얻어지는 하기 화학식 3의 기능성 전도성 테르티오펜 고분자.
    (화학식 3)
  4. 3'-카르복실-5,2';5',2"-테르티오펜을 아세토니트릴, 디클로로메탄, 아세톤, 테트라하이드로퓨란 중에서 선택되는 비수용매에 용해시키고, 전기화학적인 방법으로 전극 표면에서 카르복실기를 갖는 전도성 테르티오펜 고분자를 합성하여 변성시킨 다음, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDAC)를 이용하여 5'-말단을 아미노기로 변성시킨 프로브 DNA를 고분자에 고정시키고, DNA 혼성화 전후로 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는 DNA 혼성화 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 임피던스 값의 측정은 약 1kHz 의 주파수대에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 DNA 혼성화 검출 방법.
  6. 타겟 DNA와 상보되는 염기서열을 갖는 DNA의 5'말단에 탄소수 3개 내지 10개의 알킬기를 결합시키고, 이어서 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDAC)를 이용하여 알킬기에 아민을 연결시켜서 5'말단을 아미노기로 변성시키는 것을 특징으로 하는 프로브 DNA의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, DNA 가 19-mer 인 올리고뉴클레오티드이고, 알킬기의 탄소수가 6인 것을 특징으로 하는 프로브 DNA 의 제조 방법.
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