Label-Free DNA Aptasensor for Sensitive Detection of Adenosine and Oxidation of Olefins by Biomimetic Manganese Complexes

Abstract

본 논문에서는 별도의 라벨링 과정 없이, 아데노신 (adenosine)과 결합함에 따라 구조가 변화하고, 이에 따라 전기화학적 신호가 변하는 앱타머 (aptamer)와 관련된 연구를 하였고, 측정을 위하여 cyclic voltammetry를 이용하였다. 앱타머 내의 구아닌 (guanine)이 전자를 전달하는 특징을 가지는데, 이런 구아닌을 포함하는 앱타머와 전극 사이의 신호를 증폭시키기 위하여 Ru(bpy)₃^(2+) 화합물을 mediator로 사용하였다. 앱타머로 인하여 증폭된 전류를 보이던 Ru(bpy)₃^(2+)의 cyclic voltammograms가, 아데노신을 농도 별로 넣어줌에 따라 이와 반응한 앱타머의 구조적 변화를 유발하고, 이에 따라 구조적으로 변하기 전에 비하여 앱타머 상의 구아닌의 전자전달 기작이 방해를 받음에 따라 전류의 증폭된 정도가 감소함을 알 수 있었다. 아데노신을 앱타머 농도의 100 배 넣어주었을 때 전류가 최대한으로 감소하였고, 그 이상 농도의 아데노신을 넣어주었을 때에는 100 배 넣어준 것과 전류의 감소 정도에 큰 차이가 없었다. 또한 아데노신 대신에 다른 뉴클레오시드 (nuleosides)나 아데노신 앱타머 대신에 다른 oligonucleotide를 아데노신과 반응시킨 control 실험을 통하여, 아데노신 앱타머와 아데노신은 서로에게만 선택적으로 결합, 구조적으로 변하여 전기적 신호의 변화를 유발함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 생체 내 중요성을 가지는 아데노신 검출에 도움을 줄 수 있을 것이다. Metalloenzymes은, 일반적인 조건에서 높은 위치적, 입체적 선택성을 가지고 oxygenation 반응을 촉진하기 때문에 합성 화학 분야나 산업 과정에 있어서 매우 중요하다. 또한 금속을 포함한 model 화합물을 이용해 생체 모방의 oxygenation 반응을 연구하는 것은 생무기분야와 산화 화학 (oxidation chemistry) 분야에 있어서 매우 흥미로운 주제이다. 본 논문에서는 이러한 metalloenzymes의 일종인 새로운 단핵의 non-heme manganese 화합물 Mn(BQEN)(CF₃SO₃)₂을 합성하여 ESI MS, EPR, 결정 분석 등을 통하여 characterization 하였다. 그리고 Mn(BQEN)(CF₃SO₃)₂와 PhIO, CH₃CO₃H 산화제를 이용하여 산화반응을 하였다. 그 결과 일반적인 실험 조건에서 올레핀, 알코올의 산화 반응을 하였을 때에 높은 입체적, 위치적 선택성의 product 수득률을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 기존에 연구된 Mn(BPMEN)(CF₃SO₃)₂, Mn(BPMCN)(CF₃SO₃)₂ 촉매 화합물과의 산화 반응성을 비교해 본 결과, PhIO와 CH₃CO₃H의 산화제를 이용한 반응에서는 Mn(BQEN)(CF₃SO₃)₂가 다른 것들에 비해 비교적 높고, 선택적인 수득률을 가짐을 볼 수 있었다.;Aptamer is the single strand DNA or RNA which can recognize various targets due to their high selectivity and strong affinity. Part I presents a new approach to detect small molecules utilizing the aptamer in a single experiment without any labeling procedures. The study has introduced an electrochemical method for the selective label-free analysis of adenosine by the conformational difference between the adenosine aptamer and an aptamer-adenosine complex. The formation of the adenosine-aptamer complex affects the current in the cyclic voltammetry of the Ru(bpy)₃^(2+) mediator relative to the condition of the aptamer alone due to difference in electron transfer rates. This allowed the current readout of the operation of the aptasensor to be selective from other mono nucleosides, such as cytidine, uridine. This method would be also feasible for the analysis of other small substrates such as potassium, cocaine, ATP by corresponding aptamers. In part II, as metalloenzymes catalyze the oxygenation reactions with high regio- and stereoselectivity under mild conditions, biomimetic oxygenation reactions using their model compounds have attracted much attention in the communities of bioinorgnaic and oxidation chemistry. Here, we have studied about the oxygenation reactivities using new manganese metalloenzyme complexes, Mn(BQEN)(CF₃SO₃)₂ with PhIO, CH₃CO₃H oxidants in mild conditions. Through the comparison with other manganese complexes, such as Mn(BPMEN)(CF₃SO₃)₂ and Mn(BPMCN)(CF₃SO₃)₂, Mn(BQEN)(CF₃SO₃)₂ has afforded high yields and regio-, stereoselectivities of products in olefin epoxidation and alcohol oxidation.