암 단백질 마커, 바이러스를 쉽게 탐지할 수 있는 새로운 도구

Checked_Mis/iStock

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연구자들은 수천 개의 분자에 대한 신속한 유전자 검사를 수행할 수 있는 잠재력을 지닌 실리콘 블록으로 구성된 작은 바이오칩을 개발했습니다.

사이언스(Science) 보고서에 따르면, 이 도구는 단일 제곱센티미터 공간에서 160,000개 이상의 서로 다른 분자를 식별할 수 있습니다.

이 혁신적인 기술은 암 단백질 표지 검출 및 호흡기 감염의 임상 진단을 포함하여 광범위한 의료 분야에 영향을 미칩니다.

대부분의 유전자 테스트 센서는 표적 유전자에 결합하도록 설계된 표적 분자의 빛 흡수 또는 방출을 모니터링하는 데 의존합니다.

이러한 방법은 중합효소 연쇄 반응을 사용하여 표적 식별을 시도하기 전에 표적의 수많은 복사본을 생성하므로 테스트 비용과 기간이 늘어납니다.

더욱이, 이전의 유전자 스크리닝 센서는 다양한 표적 화합물을 식별할 수 없었으며 표적 서열을 검출하기 위해 광학 태깅이 필요했습니다.

스탠포드 대학의 저자들은 연구에서 다음과 같이 썼습니다. "우리는 핵산 단편으로 기능화된 고품질(고Q) 인자 실리콘 나노안테나를 기반으로 한 라벨이 없는 유전자 검사 플랫폼을 소개합니다."

이 도구를 개발하기 위해 과학자들은 작은 실리콘 상자로 만들어진 메타표면을 기반으로 하는 광학 감지 기술을 사용했습니다. 이 작은 실리콘 어레이는 높이가 약 500나노미터, 길이가 600나노미터, 너비가 160나노미터입니다.

실리콘 상자는 나노안테나 덕분에 윗면에 근적외선 빛을 집중시킬 수 있습니다. “이러한 메타표면은 원거리 산란에 대한 정확한 제어를 제공하면서 근거리 장의 빛을 강력하게 가두는 파장 이하의 나노안테나로 구성됩니다.”라고 연구는 설명했습니다.

과학에 따르면 이 접근 방식을 사용하면 기본 광학 현미경으로 상자 위에 있는 분자에 따라 달라지는 각 실리콘 블록에서 나오는 빛의 파장 변화를 측정할 수 있습니다.

도구를 테스트하기 위해 연구자들은 22개의 뉴클레오티드 길이의 단일 가닥 유전자 조각을 실리콘 상자에 부착하고 어레이를 완충 용액에 담갔습니다.

상보적인 DNA 가닥이 용액에 도입되자 즉시 묶인 DNA 가닥에 결합되어 각 상자 표면에서 방출되는 빛의 파장이 이동했습니다.

저자에 따르면 이 도구는 마이크로리터당 4000개의 표적 유전자 사본을 쉽게 식별할 수 있다고 합니다.

이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.

연구 개요:

유전자 분석 방법은 맞춤형 의학을 발전시키고, 질병 진단을 가속화하며, 유기체와 생태계의 건강을 모니터링하는 데 기초가 됩니다. 중합효소연쇄반응(PCR) 및 차세대 염기서열분석(NGS)과 같은 현재의 핵산 기술은 시료 증폭에 의존하며 억제 문제를 겪을 수 있습니다. 여기서는 핵산 단편으로 기능화된 고품질(high-Q) 인자 실리콘 나노안테나를 기반으로 한 라벨 없는 유전자 스크리닝 플랫폼을 소개합니다. 각각의 높은 Q 나노안테나는 생리학적 완충액에서 2,200의 평균 공진 품질 인자를 나타냅니다. 우리는 DNA 혼성화를 통해 높은 특이도로 SARS-CoV-2 봉투(E)와 오픈 리딩 프레임 1b(ORF1b)라는 두 가지 유전자 단편을 정량적으로 검출합니다. 우리는 또한 5분 이내에 완충액에서 펨토몰 민감도를 보여주고 스파이크된 비인두 용출액에서 나노몰 민감도를 보여줍니다. 나노안테나는 cm2당 160,000개의 장치 밀도로 패턴화되어 고도로 다중화된 감지에 대한 향후 작업을 가능하게 합니다. 복잡한 시료 처리의 발전과 결합하여 당사의 작업은 신속하고 컴팩트하며 증폭이 필요 없는 분자 분석을 위한 기반을 제공합니다.