[논문]DNA 염기서열 분석을 위한 전기화학적 신호 검출 방법

조성보; 홍진섭; 양송주; 권광민; 한승오; 김영미; 박정호

DNA 염기서열 분석을 위한 전기화학적 신호 검출 방법
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조성보 (고려대학교 전기공학과) , 홍진섭 (국립 보건원) , 양송주 (국립 보건원) , 권광민 (고려대학교 전기공학과) , 한승오 (고려대학교 전기공학과) , 김영미 (국립 보건원) , 박정호 (고려대학교 전기공학과)

DNA 센서의 중요한 역할 중의 하나는 염기서열을 분석함으로써 유전적인 질병이나 돌연변이를 찾아낸다는 점이다. 염기서열 분석법으로 질량, 광학, 전기 화학적 측정법 등이 있는데, 그 중 전기 화학적 측정방법이 타 방법에 비해 간편하고 비용도 저렴해서 전망이 매우 밝다. 전기 화학적 측정을 위해서는 전극의 표면 처리 공정과 전극 표면에서의 DNA immobilization, hybridization 공정 및 전기적 신호를 발생시키는 intercalator, 그리고 전기적 신호 검출을 위한 측정 장비가 필요하다. 본 논문에서는 전극의 표면 처리 물질로서 2-mercaptoethanol을 사용했고 double strand DNA의 intercalator로써 methylene blue를 사용했으며, methylene blue의 환원 전류값을 측정하여 double strand DNA를 bare Au 또는 single strand DNA와 구분할 수 있었다. 이러한 연구 결과를 토대로 하여 전기 화학적 신호 검출을 이용한 DNA 센서의 가능성과 개발 방향을 제시하고자 한다.

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문제 정의

본 논문에서는 측정 전극으로 Au를, 전극 표면 처리물질로서 2-mercaptoethanol-e, double strand DNA의 intercalatoi■로서 methylene blue를 사용하는 경우의 전기 화학적 측정 방법 및 연구 결과를 설명하고자 한다. 이 결과로부터 double strand DNA와 single strand DNA를 판별할 수 있는 가능성을 보이고 이러한 전기 화학적 신호 검출을 이용한 DNA 센서의 가능성과 개발 방향을 제시하고자 한다.
한다. 이 결과로부터 double strand DNA와 single strand DNA를 판별할 수 있는 가능성을 보이고 이러한 전기 화학적 신호 검출을 이용한 DNA 센서의 가능성과 개발 방향을 제시하고자 한다.

제안 방법

이를 위해 본 실험에서는 전극의 재료로 Au를 선택했고 Au 전극면에 2-ME층을 형성하였다. 2-ME 전극에 probe DNA를 immobilization 한 후, 동일 농도의 target DNA로 probe DNA와 hybridization 하였다. 각각의 공정 상에서 제작된 2-ME, ss-DNA, ds-DNA 전극을 potassium ferricyanide와 methylene blue 가 포함된 전해질 용액에 10분 동안 담가 두었다.
2-ME 전극에 probe DNA를 immobilization 한 후, 동일 농도의 target DNA로 probe DNA와 hybridization 하였다. 각각의 공정 상에서 제작된 2-ME, ss-DNA, ds-DNA 전극을 potassium ferricyanide와 methylene blue 가 포함된 전해질 용액에 10분 동안 담가 두었다. 이과정에서 methylene blue는 double strand DNA의염기 사이에 결합이 된다.
BAS) 을 끓는 2 M NaOH 용액과 질산으로 세척한후 물 속에서 3분간 2번 sonication한다. 전극을 0.1 M 황산용액에서 전기화학 분석기 (CV-50W, BASX 이용하여 -0.1 V에서 -1.5 V까지 (vs. Ag/AgCl) cyclic voltammogram을 측정한다. 이상의 과정에서일정한 산화-환원 곡선이 얻어진 전극을 1 mM 의 2-mercaptoethanol (2-ME) 수용액에 2시간 동안 담궈 Au 쳐극 면에 2-mercaptoethanol 층을 형성시킨다 (2-ME 전극)〔5〕.

대상 데이터

이를 위해 본 실험에서는 전극의 재료로 Au를 선택했고 Au 전극면에 2-ME층을 형성하였다. 2-ME 전극에 probe DNA를 immobilization 한 후, 동일 농도의 target DNA로 probe DNA와 hybridization 하였다.

성능/효과

컴퓨터. 3전극 시스템만으로 전기 화학적 신호 검출을 이용하여불과 수초 이내에 double strand DNA 와 sin 이 e strand DNA 및 bare Au의 구분이 가능함을 확인할수 있었다. 이는 기존의 질량, 광학적 염기 서열 분석법들에 비해 경비와 시간의 소요를 크게 절감시킨다.
흰 사각형은 5초 후에 측정한 값들의 평균이고, 검온 사각형은 10초 후에 측정한 값들의 평균이며, 직선으 측정값들의 편차를 나타낸다. 결과로부터 5초 후에 측정 시 methylene blue의 평균 전하량은 1.4μc(2-ME), 2.4 UC (ss-DNA). 3.
Methylene blue는 - 220 mV 정도에서 최대 환원 전류 값을 나타내었는터】, 6회 반복한 실험에서 평균값과편차를 계산하여 각각 검은 사각형과 직선으로 표시하였다. 결과로부터 methylene blue의 최대 환원 전류의평균값들은 18 nA (2-ME), 22 nA (ss-DNA), 124 nA (ds-DNA) 정도임을 볼 수 있다. 따라서 methylene blue가 double strand DNA에 선택적으로 결합하는 것을 확인할 수 있었다.
0 PC (ds-DNA) 정도임을 볼 수 있다. 그러므로 ehrgocouiometry에 의해서도 ds-DNA 예 methylene bhi얀가 선택적으로 결합된다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 앞서 실험했던 cyclic Voltammetry에 의한 결과를 뒷받침 홰준다.
결과로부터 methylene blue의 최대 환원 전류의평균값들은 18 nA (2-ME), 22 nA (ss-DNA), 124 nA (ds-DNA) 정도임을 볼 수 있다. 따라서 methylene blue가 double strand DNA에 선택적으로 결합하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 3초 이내에 double strand DNA와 single strand DNA 및 bare Au를 구분 할 수 있는 DNA sensor의제작이 가능하다.
둘째 측정 절차가간단하며 결과를 빠르게 얻을 수 있다. 마지막으로, 출력되는 신호는 전기 신호이므로 전기적 시스템과의 호환성이 높다. 이러한 전기 화학적 측정을 위해서는 전극의선택 및 전극의 표면 처리 공정, 표면 처리된 전극 면에 probe DNA 를 immobilization 하는 공정, probe DNA에 target DNA를 hybridization하는 공정 및 hybridization된 DNA에 선택적으로 결합할 수 있는 intercalator가 필요하며 이 물질을 산화시켜 발생된전자를 측정할 수 있는 장비가 필요하다.
따라서 methylene blue가 double strand DNA에 선택적으로 결합하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 3초 이내에 double strand DNA와 single strand DNA 및 bare Au를 구분 할 수 있는 DNA sensor의제작이 가능하다.

후속연구

향후 연구방향으로서 미세한 크기의 출력 전류 신호를탐지하고 분석하는 전기 제어 시스템과 MEMS 기술을응용한 초소형 전극을 제작한다면 출력 신호가 줗은 초소형화돤 칩 제작이 가능하리라고 본다. 이러한 전기 화학적인 방법을 이용하여 염기 서열을 분석하고 유전적질병이나 돌연변이의 검출을 통해 생명체의 손상된 기능을 복원하거나 향상시키는 날이 머지 않았다고 본다.

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