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주요연구성과

제목 서울대, 초고감도-고신뢰도 유전자검지 및 세포이미징용 라만 나노프로브 개발 등록일 2020.03.09 14:10
  • 서울대, 초고감도-고신뢰도 유전자검지 및 세포이미징용 라만 나노프로브 개발

  • 남좌민 (서울대학교)
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성과개요

연구기관/연구책임자 서울대학교 / 남좌민
과제명 플라즈모닉 나노갭 프로브 기반 라만 바이오검지 시스템 개발
성과개요 금/은 합금 구조체에서 은 원자를 선택적으로 제거하는 탈합금화(dealloying) 반응을 통해, 기존의 중간층(DNA, polymer 등)을 매개로 한 나노갭 입자 합성법 대비 저비용/고수율로 더 쉽고 간편하게 플라즈모닉 나노갭 라만나노프로브를 합성하는 기술을 개발.
플라즈모닉 나노갭 라만 나노프로브의 뛰어난 라만 산란 신호 증폭 효과를 확인하고 반복적/연속적인 레이저 노출 환경에서도 장시간에 걸쳐 안정적이고 재현성이 뛰어난 광학 신호를 내는 특성을 확인함으로써, 체외 진단용 초고감도 타겟 DNA 검지 및 표적 종양 세포 이미징용 라만 나노프로브로서의 활용성을 제시.

성과내용

주요내용

  • 금/은 합금 구조체에서 선택적으로 은 원자를 제거하는 탈합금화 반응을 통해, 중간층 (DNA, polymer 등)이 없더라도 입자 내부에 강한 라만신호를 낼 수 있는 약 2 nm 수준의 나노갭을 저비용/고수율로 간편하게 합성하는 방법을 제시함.
  • 라만 물질을 입자 내부에 안정적으로 도입시킴으로써, 반복적이고 연속적인 레이저 노출 환경에서도 장시간에 걸쳐 안정적이고 재현성이 우수한 라만 산란 신호를 검출함.
  • 이론적 계산과 실험적 결과 분석을 통해 플라즈모닉 나노갭 입자의 내부갭에 기인한 라만 산란 신호 증폭 메커니즘을 제시함.
  • 플라즈모닉 나노갭 입자의 우수한 라만 산란 신호 증강율 (enhancement factor: >108) 및 좁은 라만 산란 신호 증강 분포도(약 90%의 입자들의 라만 신호가 10배 내의 범위 내에 분포)를 단일 입자 수준에서 확인 함 (일반적으로 수천-수백만 배까지도 신호차이가 남).
  • 우수한 라만 산란 신호 증폭 및 정량적이며 안정적인 라만 산란 신호를 재현하는 플라즈모닉 내부 나노갭 입자를 이용하여 라만 산란 신호 기반의 표적 핵산 (A형 간염 DNA) 초고감도 검지 및 표적 종양 U87MG세포 (U87MG) 이미징에 활용함.
  • 핵산으로 표면 처리 된 플라즈모닉 나노갭 입자를 이용하여 비특이적인 결합에 의한 위양성 신호 없이 약 100 aM 농도 이하 수준의 아주 적은 양의 타겟 DNA까지도 초고감도로 검지함.
  • 단백질로 표면 처리 된 플라즈모닉 나노갭 입자를 이용하여 표적 종양 세포를 특이적이면서 고감도로 실시간 이미징 함. 특히, 낮은 세기의 레이저에 짧은 시간 동안만 노출되더라도 정확하게 표적 종양 세포를 실시간 이미징 함으로써, 세포 조직을 손상시키지 않으면서 장시간 동안 안정적으로 고정량성을 가지고 이미징이 가능하여 세포이미지에 새 전기 마련.

    혁신성

    기존 지식/기술 대비 성과의 차별성 :
  • 새로운 탈합금화 기반의 플라즈모닉 나노갭 입자 합성법을 활용하여 안정적이며 강한 라만 산란 신호를 발생시키는 나노구조체를 손쉽고 저비용으로 고수율 합성하였고, 고감도-고정량성-고재현성 DNA 검지 및 실시간 고감도-고정량 실시간 표적 종양 세포 이미징에 활용하였음. 특히, 내부갭을 형성시키기 위해 중간층을 필요로 했던 기존의 합성법보다 저비용/고수율로 보다 간편하게 나노입자를 합성하는 합성 protocol을 세계 최초로 제시함.

    우수성

    세계최고 수준의 성과와 비교 :
  • 라만 산란 신호 기반 DNA 검지와 세포이미징에 있어서 세계 최고 수준의 검지능과 재현성을 보이며, 라만 센서로는 이례적으로 높은 특이도, 높은 재현성 그리고 고정량성을 보임.

    주요 기능/사양

    주요기능/사양 내용
    플라즈모닉 나노갭 라만프로브 기반 초고감도 DNA 검지 및 표적 종양 세포 이미징 탈합금화 반응을 통해 내부갭을 가지는 플라즈모닉 나노구조체를 고수율로 쉽게 합성하는 방법을 개발하고, 내부갭 구조에 기인한 강한 라만 산란 신호 증폭 효과를 통해 타겟 DNA의 검지능 및 결과의 재현성을 크게 향상시켰으며, 장시간 동안 안정적으로 표적 종양 세포를 고감도로 이미징 함.

기대효과 및 향후계획

학술적/기술적 기대효과 고수율로 간편한 합성방법에 의해 합성된 내부 나노갭 구조에 의한 라만 산란 신호 증폭 및 조절은 전세계 학계에 널리 쓰일 수 있는 합성방법이고 새로운 광학신호 증강 나노갭 구조에 대한 방향을 제시할 것으로 기대가 된다. 또한, 바이오검지에 있어서 최적의 나노구조체 디자인을 제시하고, 라만 산란 신호의 강한 증폭 효과를 야기하는 본 연구에서의 기술력을 바탕으로 하여 체외 진단용 초고감도 타겟 DNA 검지 및 세포이미징 분야에 기존에 널리 쓰이는 형광 기술에 대비해 더 감도가 좋고 더 고신뢰도와 고정량성 부분을 향상시켜서 새로운 대안을 제시할 것이다. 라만 기반 바이오검지/이미징 시스템은 아직 세계적으로 상용화가 되지 않아서 본 연구의 의미는 아주 크다고 할 수 있겠다.
경제적 기대효과 플라즈모닉 나노갭 입자의 뛰어나고 조절 가능한 라만 산란 신호 증폭 효과에 기반하여 극미량의 타겟 DNA를 높은 민감도로 고신뢰도-고정량성을 가지고 검출할 수 있기 때문에, 검지하고자 하는 질병의 조기 진단에 활용함으로써 PCR 등 기존의 검지법을 대체 또는 보완하여 질병 진단 시스템 관련 글로벌 시장 선점, 대체 효과가 기대된다.
기타 기대효과 다양한 패턴(종류)의 라만 산란 신호를 특이적으로 구분 및 분석하여, 다종의 질병을 손쉽게 검지할 수 있도록 여러 가지 질병의 동시 다중진단에 활용이 기대된다.
향후 계획 국민 보건을 위협하는 감염성 질환의 초기 검지에 신속하게 대처하여 질병의 확산을 조기에 막고, 저비용 고효율의 진단 시스템 구축을 통해 초고감도-다중검지 질병 검지 및 분석 플랫폼으로 활용할 것이며 라만 검지시스템 상용화를 위해 기업체와 협력하고 있음.

성과근거자료

주요연구실적

  • 국내특허출원(1건) : 특허번호 10-2018-0003556
  • 학술지 게재 : 미국화학회(ACS)에서 화학 기반 다학제 연구의 최정상급 flagship 저널로 만든 ACS Central Science (Article ASAP, DOI: 10.1021/acscentsci.7b00584); *2018년 2월호 표지(Front Cover) 논문으로 선정; *주목해야 할 논문(First Reactions, ACS Central Science-Gapping into Ultrahigh Surface-Enhanced Raman Scattering Amplification, K. Y. Loh and X. Liu, DOI: 10.1021/acscentsci.8b00045)으로 선정
  • 언론보도(2건) : 1. 서울대, 초고감도-고신뢰도 유전자검지 및 세포이미징용 라만 나노프로브 개발(2018.01.24., 베리타스 알파)2. 서울대 자연과학대학, 초고감도-고신뢰도 유전자검지 및 세포이미징용 라만 나노프로브 개발 (2018.01.24., 비즈트리뷴)

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