Label-free Assay of DNA Sequences and Potassium Ions Using an Aptamer Probe Light Switch Complex and a Gold-Nanoparticle-Based Sensing Systems

Abstract

본 논문에서는 별도의 라벨링 과정 없이, 칼륨이온과 결합함에 따라 구조가 G-quadruplex 구조로 변화하고, 이에 따라 형광세기가 변하는 aptasensor와 관련된 연구를 하였다. Part 1.에서는 DNA 에 별도의 라벨링 과정 없이 칼륨이온과 결합함에 따른 구조변화를 응용한 형광 앱타센서를 이용하였다. 이 연구는 target oligonucleotide와 칼륨이온의 선택적이고 민감한 감지를 위해 Ru(phen)2dppz2+ 와 칼륨이온에 반응하는 앱타머(aptamer)를 이용한 새로운 분석방법이다. Ru(phen)₂dppz²^(+) 화합물이 이중나선 DNA 에 층간삽입되었을 때의 형광 변화를 비교하기 위하여 칼륨이온 대신에 여러가지 이온(나트륨, 세슘, 루비듐, 칼슘, 마그네숨, 암모늄 이온)과 앱타머를 반응시킨 비교실험을 통하여 칼륨이온과 포타슙 앱타머는 서로에게만 선택적으로 결합하고 그 구조로 형광 변화를 유발함을 증명할 수 있었다. Part 2.에서는 금나노입자에 형광물질인 Rhodamine B의 흡착현상을 이용하여 실온에서 칼륨 이온의 농도를 빠른 시간 내에 감지하는 방법에 대해 연구하였다. 단일나선 DNA (ssDNA)가 둘러싸고 있는 AuNPs에 Rhodamine B는 ssDNA에 가로막혀 AuNPs 표면에 흡착하지 못하여 큰 형광세기를 얻을 수 있다. 하지만 포타슘 앱타머가 칼륨 이온과 반응하여 G-quadruplex 구조를 형성하면, 고정된 G-quadruplex 구조 때문에 ssDNA 보다 상대적으로 AuNPs 표면에 흡착되기 어렵다. 따라서 용액 내에 있던 Rhodamine B가 ssDNA 와 반응하지 못한 AuNPs 표면에 흡착하면서 Rhodamine B의 형광세기의 변화를 유발함을 증명할 수 있었다. 이러한 결과는 생체내 중요성을 가지는 칼륨이온 검출에 도움을 줄 수 있을 것이다.;This study used Ru(phen)₂(dppz)²^(+) , Rhodamine B and a K^(+)-binding aptamer for the selective and sensitive detection of a target oligonucleotide and potassium ions, based on reduction in fluorescence emission according to the formation of the G-quadruplex structure from the aptamer in the presence of K^(+). In Part 1, we has developed a facile method for the sensitive fluorometric detection of a target DNA strand and potassium ions, using the 21-mer oligonucleotide MS as the sensing element. The G-quadruplex aptamer MS in the folded state can form the double-stranded DNA upon the addition of the complementary strand at room temperature. This method can even distinguish strands that bear a single-base mismatch in the middle of the complementary strand. In addition, the use of a fast cooling technique after incubation of the duplex MS/T1 in the titration of K^(+) provides a simple label-free approach to sensing K^(+) with a detection limit of 0.05 μM. In Part 2, we have developed a facile method for the sensitive fluorometric detection of potassium ions, using Rhodamine B and 21-mer oligonucleotide MS, and AuNPs as the sensing element. RB molecules that are highly fluorescent in bulk solution fluoresce weakly when they are adsorbed onto AuNP surfaces as a result of fluorescence resonance energy transfer and collision with AuNPs. Random-coil DNA molecules adsorb onto AuNP surfaces through electrostatic attraction. In the presence of RB, ssDNA on the surfaces of AuNPs remains in a random-coil structure, protected from adsorption of RB. However, this stabilization effect was insignificant in the presence of K^(+), the facilitator for the formation of G-quadruplex. AuNPs treated with G-quadruplex will change the fluorescence of RB, suggesting that the G-quadruplex structure did not significantly adsorb to AuNPs. This method requires no covalent modification of the AuNPs, and uses only commercially available materials, but it exhibits higher sensitivity and more convenient than similar approaches for K^(+) detection.