[논문]탄소 나노튜브와 생체 분자와의 결합을 통한 나노-바이오 응용

황응수; 조승범; 홍상현; 정혜진; 차창용; 최재붕; 김영진; 백승현

탄소 나노튜브와 생체 분자와의 결합을 통한 나노-바이오 응용
Nano-Bio Applications Using Carbon Nanotube-Biomolecule Conjugates 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.3 = no.180, 2006년, pp.179 - 186

황응수 (서울대학교 의과대학) , 조승범 (성균관대학교 기계공학과) , 홍상현 (성균관대학교 기계공학과) , 정혜진 (서울대학교 의과대학) , 차창용 (서울대학교 의과대학) , 최재붕 (성균관대학교 기계공학과) , 김영진 (성균관대학교 기계공학과) , 백승현 (성균관대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Single-walled carbon nanotubes (SWNT) exhibit strong Raman signals as well as fluorescence emissions in the near infrared regions where most biomolecules are transparent. Such signals do not blink or photobleach under prolonged excitation. which is advantageous to optical nano-bio marker applications. In this paper, single walled carbon nanotubes are conjugated with specific types of single-stranded DNA in order to detect oligonucleotides of corresponding complimentary sequences. Dot blotting experiments and comparative Raman spectroscopy observations demonstrated excellent sensitivity and specificity of carbon nanotube-DNA probes. The results show the possibility of using SWNT as generic nano-bio markers for the precise detection of specific kinds of genes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 HiPco 방법 9 으로 제작된 단일 벽 탄소 나노튜브(single walled carbon nanotubes: SWNT)와 올리고 뉴클레오타이드 (oligonucleotide) 로 만들어진 나노一바이오 복합체를 프로브로 이용하여 나노一바이오 마커로서 사용할 수 있는가를 알아보았다.
탄소 나노튜브는 큰 라만 단면적을 가지고 있으므로, G peak 신호를 이용하면 나노튜브의 존재유무를 미세하게 측정할 수 있다. 본 연구에서는 G peak 신호를 이용하여 나노튜브의 존재유무를 판단함으로서나노一 바이오 마커를 개발하였다. 약 1330 cm'1 의 D 모드는 탄소 나노튜브 벽에 흡착된 분 자가공유결합을 하여 그라파이트 구조의 Sp2 결합이 sp3 결합으로 바뀜에 따라 야기되는 특성이다.
따라서, 나노튜브의 G peak 라만 신호를 이용하면 SWNT-ssDNA 프로브의 존재유무를 알수있고, 이를 바탕으로 human fibroblast DNA 의 존재유무를 파악할 수 있게 된다. 본 연구에서는 라만분광기로 나노튜브의 라만 G peak 를측정함으로서 선택적인 결합여부에 대한 증거를 제시하였다.

가설 설정

복합체 제작 연구가 보고된 바 있다. 7 먼저, 분말 상태의 SWNT 를 2 wt. % cholate 玮0용액에넣은 다음 혼합기(mixer)로 균일하게 섞는다.

제안 방법

2. SWNT- ssDNA 복합체 프로브를 이 용하여 상 보성 염기서열을 가지는 ssDNA 와의 성공적인 선택적 결합을 수행하였다. 이러한 결합방식의 선택성은 바이오 연구에서 유용하게 사용될 수 있으며, 나노튜브의 광학신호를 이용하여 특정한 염기서열의 DNA 를 추적하여 측정하는 것이 가능하다.
3 은 강한 초음파처리과정으로 인하여 변성된 dsDNA 의 전기영동 결과를 보여준다. 20 base pair 를 가지는 두개의 ssDNA 를 결합시켜 dsDNA 를 제작하였다. 레인 M 은 DNA base pair 크기를 측정하기 위하여 사용된 마커이다.
SWNT-ssDNA 복합체 프로브에서 발생하는 나노튜브의 라만 G peak 를 이용하여 프로브의 존재유무를판단함으로서 바이오 마커로 활용하였다. 서던블롯 (southern blot) 실험 및 라만 신호 (raman signal)를 측정한 결과 SWNT- ssDNA 복합체는 우수한 선택성 및 민감도를 가지고 있어나노一 바이오 프로브로 사용될 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
SWNT-ssDNA 복합체 프로브의 나노튜브 라만 신호를 이용하여 상보성 염기서열을 가지는 ssDNA 를 측정하는 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
씻어내면 표적 DNA 염색체에 결합이 된 SWNT- ssDNA 복합체 프로브는 NC membrane 위에 부착이 되어 있고, 결합이 되지 않은 프로브와 올리고 뉴클레오타이드 및 여러 가지 분석물들은제거된다. 마지막으로 라만 분광기를 이용하여 NC membrane 위의 분석물들에 대한 라만 신호측정을 수행하였다. 측정은 Reinishaw 에서 제작된 Micro — Raman System 을 이용하였고, 레이저 파장은 633 nm, 파워 는 17.
만들어진 SWNT—ssDNA 복합체 프로브를 이용하여 다양한 종류의 ssDNA 와의 선택적인 결합(hybridization)을 검증하기 위해 Fig. 5 와 같이 서던 블롯 실험을 수행하였다. 표적 DNA 는 human fibroblast DNA > 사용하였으며, 선택성을 확인하기 위하여 대장균 (Escherichia coli:E.
본 연구에서는 초음파처리 및 원심분리 과정을 거쳐 제작된 SWNT- single stranded DNA (SWNT-ssDNA) 복합체를 이용하여 상보성 염기서열을 가지는 표적 ssDNA 를 변성 (denaturing) 및 상동결합 (annealing)과정을 통하여 선택적으로 추적 및 측정하였다. SWNT-ssDNA 복합체 프로브에서 발생하는 나노튜브의 라만 G peak 를 이용하여 프로브의 존재유무를판단함으로서 바이오 마커로 활용하였다.
신호 대 노이즈 비를 증가시키기 위하여 nitrogen-celluiose (NC) membrane, nylon membrane, polyvinyl-difluoride (PVDF) membrane 을 이용하여 각각 서던 블롯 실험을 수행하였다. 이 중에서 NC membrane 의 신호 대 노이즈 비가 가장 컸으며 그 결과가 Fig.
같은 처리과정을 사용한다. 이미 만들어진 SWNT 디캔트와 GOx 를 일정한 질량비로 혼합한 다음 투석 (dialysis) 과정을 거친다. 결과적으로 분자량이 작은 cholate 은 서서히 투석 카트리지 (cut off 분자량: 10000) 밖으로 나오게 되고분자량이 상대적으로 큰 GOx 는 카트리지 안에 남게 되며 SWNT 를 비공유결합 형식으로 친화적으로 둘러싸게 된다.
coli 에 대 한 서 던블롯 결과물의 라만 신호를 보여준다. 탄소나노튜브 표면의 탄소一 탄소 결합에 의 해 발생하는 1593 cm'1 라만 주파수에서 나타나는 G peak 를 이용하여 SWNT-ssDNA 복합체 프로브의 존재 여부를 검증하였다. Fig.
60 W 에서 약 2 시간 동안 초음파처리를 하기 전.후의 dsDNA 를 각각 전기영동 하였다. 레인(lane) 1 은 초음파처리 전 dsDNA 전기영동 결과이고, 레인 2 는 초음파처 리후 전기영 동 결과이 다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 SWNT—ssDNA 복합체는 Fig. 2 와 같은 절차로 제작되었다. 먼저 표적 DNA 에 대응하는 상보성 염기서열을 갖고 SWNT 에 친화적인 ssDNA 를 준비한다.
원심분리를 수행하게 되면, 비중이 1 보다 큰 나노튜브 덩어리(aggregates)는 시험관 밑으로 가라 앉게 되고, 이를 제외한 상층부의 supernatant 만이 실험에 사용되었다. 여기서 cholate 대신 DNA, sodium dodecyl sulfate(SDS)를 사용해도 비슷한 결과물을 얻을 수 있으며, 2.2 절에서 설명하는 바와 같이 DNA 를 이용하여 분산된 나노튜브가 본 연구에 사용되었다.
1 은 SWNT- GOx 복합체 의 라만 신호 및 근적외선 형광신호를 보여주며, DNA 를 비롯한 다른 생체 분자를 사용하여도 유사한 신호를 관측할 수 있다. 측정은 Kaiser Optics 사에서 제작된 Holographic Raman System 을 이용하여 수행되었고, 레이저 파장은 785 nm 이다. 광학 신호는 CCD camera < 이 용하여 측정 되었고, Raman shift 3500 cm" 까지 측정이 가능하였다.
마지막으로 라만 분광기를 이용하여 NC membrane 위의 분석물들에 대한 라만 신호측정을 수행하였다. 측정은 Reinishaw 에서 제작된 Micro — Raman System 을 이용하였고, 레이저 파장은 633 nm, 파워 는 17.65 mW, 100 배율의 대물렌즈가 사용되었다.

이론/모형

5 와 같이 서던 블롯 실험을 수행하였다. 표적 DNA 는 human fibroblast DNA > 사용하였으며, 선택성을 확인하기 위하여 대장균 (Escherichia coli:E.coli) DNA 를 Control 로 사용하였다. Fig.

성능/효과

1. SWNT—ssDNA 복합체는 미세 량만 존재하여도 민감한 라만신호를 보여준다. 나노튜브의 광학 신호는 광표백 현상이 발생하지 않으며, 나노튜브의 크기는 생체분자의 크기와 상응하기 때문에 우수한 바이오 마커로서 而발될수 있다.
이미 만들어진 SWNT 디캔트와 GOx 를 일정한 질량비로 혼합한 다음 투석 (dialysis) 과정을 거친다. 결과적으로 분자량이 작은 cholate 은 서서히 투석 카트리지 (cut off 분자량: 10000) 밖으로 나오게 되고분자량이 상대적으로 큰 GOx 는 카트리지 안에 남게 되며 SWNT 를 비공유결합 형식으로 친화적으로 둘러싸게 된다. GOx 는 pH 7.
dsDNA 와 나노튜브를 결합시 키 기위해서는 강한 초음파 처리과정이 필요하였다. 또한 ssDNA 중에서도 Guanine(G)-Thymine(T) 서열이 반복되며, base pair 길이가 10 에서 45 인 경우에 결합 효율이 가장 좋았다.
SWNT-ssDNA 복합체 프로브에서 발생하는 나노튜브의 라만 G peak 를 이용하여 프로브의 존재유무를판단함으로서 바이오 마커로 활용하였다. 서던블롯 (southern blot) 실험 및 라만 신호 (raman signal)를 측정한 결과 SWNT- ssDNA 복합체는 우수한 선택성 및 민감도를 가지고 있어나노一 바이오 프로브로 사용될 수 있음을 실험적으로 검증하였다.

후속연구

이 신호들은 근적외선 영역에서 발생되며, 반도체성나노튜브가 각각 분산되어 있을때만 발생하여 분산의 정도를 정량적으로 측정하는데 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 근적외선 형광신호는 나노- 바이오 센서 및 마커를 개발하는데 사용될 수 있다. 章

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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