기존 거대한 분자를 이용한 바이오센서는 초분자체에 항체를 고정하여 알아내고자 하는 물질과의 반응으로 나타나는 형광신호를 측정해 검출하는 방식입니다.
그러나 이는 표적물질의 양이 매우 적으면 외부자극이 약해 신호가 낮아 진단할 수 없는 단점이 있었습니다.
고려대 심상준 교수팀이 초분자체 형광반응 기반 바이오센서에 자성입자와 영구자석으로 신호를 증폭시켜 질병을 진단하는 시스템을 개발했습니다.
심 교수팀이 개발한 바이오센서는 항체와 자성입자를 결합시켜 기존의 항원-항체 반응 이외에도 자성입자의 무게로 외부의 힘을 증가시킴으로써 1차적으로 신호를 증폭시켜 검출할 수 있는 범위를 확대했습니다.
또한 칩 아래 영구자석을 대면 자기력이 자성입자를 끌어당기면서 발생하는 물리적 힘으로 강한 외부자극을 주어, 2차적으로 형광신호를 증폭시켜 적은 양의 표적물질도 진단할 수 있도록 했습니다.
(B) (i)자성입자가 결합되었을 때 형광신호와 형광 이미지,
(ii)영구자석을 이용하여 자성입자를 끌어당김으로써 증가된 형광 신호와 형광 이미지
초분자체 형광센서 칩을 사용하여 초기 항원-항체 반응으로 회색 막대그래프의 신호세기와 형광이미지 i)를 얻었으며, 자성입자와 결합된 2차 항체가 항원과 반응하여 1차적인 형광신호의 증가를 파란색 막대그래프와 형광이미지 ii)를 통하여 확인하였다.
마지막으로 빨간색 막대그래프와 형광이미지 iii)에서 보듯이 영구자석을 활용한 2차적인 신호증폭을 통해 전립선암 표적물질이 최소 0.01 ng/mL 의 농도까지 검출이 가능하며, 이 방법을 통해 효과적으로 센서의 민감도를 높였으며 전체적인 신호도 향상됨을 확인할 수 있다.
연구팀은 전립선암 진단 표지물질(PSA-ACT complex)에 이 기술을 이용하여 극미량(0.01 ng/mL)의 표적물질을 정확히 식별해냄으로써 진단 센서로서의 유용성도 검증했습니다.
특히 기존과는 달리 형광센서에 추가적인 처리를 할 필요가 없어, 신속하면서도 편리한 고감도 질병 진단 원천기술로 평가되고 있습니다.
이번 연구결과는 독일 나노분야의 권위지인 'Small'지(1월 23일자)에 표지논문으로 게재되었다.
(논문명 : Signal amplification by magnetic force on polydiacetylene supramolecules for detection of prostate cancer)
자성입자와 영구자석을 이용한 초분자체 형광센서 칩의 신호증폭 모식도. (Small지 2012년 2호 cover 이미지)
용 어 설 명
자성입자 (磁性粒子, Magnetic particle) :
자기적인 성질을 띠는 물질로 외부에서 가해지는 자기장에 반응하는 양상을 가지며, 자성체가 되었을 경우에 그 재료가 나타내는 자기적인 여러 특성을 지닌 다. 즉, 자석에 의해 끌어 당겨지거나 하는 성질을 지닌 입자를 말한다.
초분자 (超分子, Supramolecule) :
공유결합에 비해 상대적으로 미약한 수소결합, 정전기적 상호작용, 반데르 발스 인력 (Van der Waals force) 등 분자 간 결합 또는 인력을 통해 둘 또는 그 이상의 작은 분자들이 모여 생성된 거대한 분자들의 집합이다.
표적물질 (Polydaicetylene) :
생물·화학적인 분석, 검사, 실험 등을 하기 위하여 쓰는 목표로 삼아 검출하고자 하는 물질.
PSA-ACT complex (Prostate specific antigen-α1-antichymotrypsin) : 그림1. 영구자석과 자성입자를 이용한 초분자체 기반 형광센서 칩의 질병 검지 시스템 모식도 본 연구에서 제안된 자성입자와 영구자석을 이용한 초분자체 형광센서는 기존의 센서에 비해 다음의 우수한 특성을 나타낸다. 본 연구에서 제안한 신호증폭 시스템은 간단한 단계를 거쳐 기존 시스템의 단점을 보완하여 신호를 효과적으로 증가시켜 센서의 민감도를 높이고, 검출영역을 확대함으로써 진일보한 센서 시스템의 토대를 마련하였으며, 이를 이용하여 다양한 질병의 검지와 조기진단 등 광범위한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
전립선암 진단 표적물질, 일반적으로 전립선암 특이항원(PSA-ACT complex) 수치가 4.0 ng/mL 이상이면 정상이 아닌 것으로 판정한다.
영구자석(permanent magnet) :
강한 자화상태를 오래 보존하는 자석으로, 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않아도 자성을 안정되게 유지함
<연 구 개 요>
색 전이와 형광발현 특성을 이용한 폴리디아세틸렌(Polydiacetylene) 초분자체는 다양한 자극에 의해 반응하기 때문에 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
이 초분자체는 3중 결합이 번갈아 있는 디아세틸렌(diacetylene) 단량체의 고분자를 의미한다.
고분자를 이루는 단량체는 소수성의 탄화수소 사슬과 친수성 말단기를 가지고 있는 양쪽성 성질로 인하여 수용액 상에서 리포좀, Langmuir-Blodgett (LB) 또는 Langmuir-Schaeffer (LS) 단분자막과 같은 초분자체를 자가 조립으로 쉽게 형성하며, 카르복실기가 표면을 이루고 있기에 쉽게 아민기와 아미노 결합을 유도할 수 있다.
리포좀 형태의 초분자체는 254 nm의 UV 광에 노출될 경우, 인접 단량체간의 고분자화 반응이 일어나면서 파란색을 띠게 된다.
여기서 고분자 결합의 색은 고분자 중추(backbone)의 배열과 밀접한 관련이 있으며, 외부 자극에 의해 고분자 중추나 단량체들의 재배열이 일어나 자극의 정도에 따라 점차 붉은 색으로의 색 전이와 형광발현을 보인다.
색 전이와 형광발현을 일으킬 수 있는 일반적인 자극은 온도, pH, 표면 마찰, 물리적인 힘, 유기 용매 또는 계면 활성제와의 상호 작용이 있으며, 그 외 초분자체의 단량체들을 화학적으로 변형하여 리셉터가 초분자체 계면에 도출되도록 설계할 경우 리셉터가 리간드와 반응하여 형광발색이 유도되는 생화학적 분석기술로 이용될 수 있다.
이를 이용하여 리포좀 형태의 초분자체에 항체를 고정화하여, 표적 물질과의 반응으로 나타나는 형광 신호를 측정하여 농도에 따른 검출을 할 수 있고 다양한 형태의 센서 제조가 가능하다.
그러나 저분자성 물질과 극미량의 표적 물질에 대해서는 약한 자극으로 인해 검출물질에 대한 신호가 낮다는 심각한 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 농도에 따른 항원-항체 반응으로 형광신호를 측정하였고, 2차 항체와 자성입자를 결합시켜 항원-항체 반응 후, 추가적인 항원-2차 항체 반응과 자성입자의 무게로 인해 더 큰 물리적, 기계적인 힘을 증가시켜 1차적인 신호를 증가시킴으로써 검출 농도를 확대하였다.
더 나아가 영구자석을 센서 칩의 하단부에 위치시켜 자기력에 의한 자성입자의 이끌림 현상을 이용하였고, 이때 생기는 물리적인 압력, 기계적인 자극이 리포좀 형태의 초분자체에 작용하여 2차적인 형광신호의 증가가 일어남을 확인하였으며, 이를 통해 초고감도 모델 질병검지를 가능하게 하였다.
본 연구실에서는 이런 샌드위치 기법을 활용한 초분자체 형광반응 기반 센서를 이용하여 극미량 (0.01 ng/mL)의 전립선암 진단물질 검지 기술을 확보하였다.
1) 초분자체의 특성으로 인해 다른 표지화가 필요하지 않고, 실시간으로 분석이 가능하며, 칩 형태로 소형화 및 휴대용 센서의 개발에 용이하다.
2) 추가적인 단계와 시설의 증가 없이 편리하고 신속하게 신호를 증폭시켜 신뢰도가 높고 고민감도의 센서를 구현할 수 있다.
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