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특정 조건에서 표적 물질과 결합하는 압타머로 질병 진단 방법 개선
형광 물질 차단하는 퀜처와 재료 DNA 분해하는 Taq 중합 효소를 이용해 기존보다 DNA 검출 방법 비용 낮추고 효율 높여
[411호] 2015년 09월 22일 (화) 권민성 기자 bnt2080@kaist.ac.kr

생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 압타머를 활용한 질병 진단 방법을 발표했다. 이번 연구를 통해 질병 보균자를 효율적으로 가릴 수 있어, 감염병 발병 시 큰 도움이 될 것으로 보인다. 관련 논문은 지난 6월 21일 자 <케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications)>의 후면 표지 논문으로 게재되었다.

표적 물질과 결합하는 DNA, 압타머
간염이나 중동호흡기증후군은 체내의 바이러스가 일으키는 치명적인 질병이다. 이에 대비하려면 정확한 진단법이 필요하다. 이때 어느 바이러스든 핵산을 가지므로, 질병을 진단할 때는 병을 유발하는 바이러스의 핵산이 체내에 있는지 조사한다.
최근 DNA의 염기 서열을 조절하는 DNA 염기서열결정법(DNA se-quencing)을 진단에 활용하려는 연구가 활발하다. 표적에 특이적으로 결합하는 DNA인 압타머(aptamer)를 생산해 핵산 탐지에 이용하려는 것이다. 하지만 기존의 압타머는 표적 물질과 결합하고 분리하는 것을 조절하기 쉽지 않아 표적을 탐지하는 데 사용하기는 어려웠다. 박 교수팀은 특정 조건에서만 DNA 중합 효소와 결합하는 압타머를 개발했다.

특정 조건에서 반응하는 압타머 개발해
한 물질과 특이적으로 결합하는 압타머는 다양하다. 이러한 압타머는 공통 염기 서열을 가지며, 이를 보존 영역(conserved region)이라고 부른다. 또한, 특정 물질에 대한 보존 영역이 있는 압타머는 해당 물질에 대한 특이성을 가진다. 즉, 보존 영역은 압타머의 핵심 요소로 볼 수 있다. DNA 중합 효소에 대한 압타머의 보존 영역은 이미 알려졌다.
박 교수팀은 DNA 중합 효소에 특이적으로 반응하는 보존 영역을 개선해 결합을 조절할 수 있는 압타머를 생산했다. 이 압타머는 보존 영역이 아닌 부분이 다른 DNA 가닥과 결합하고 있지 않을 때 DNA 중합 효소와 반응하지 않는다.

연구에 이용된 퀜처와 Taq 중합 효소
이번 연구는 압타머, 퀜처*, Taq 중합 효소**를 활용한 두 가지 탐지 방법을 제시했다. 첫 번째 방법은 표적 DNA가 없을 때 형광 물질이 빛을 내도록 하는 방법이다.
우선 표적 DNA와 상보적인 염기 서열을 갖는 압타머와 Taq 중합 효소를 한 용액 안에 준비한다. 이때 표적 DNA가 용액 속에 존재하지 않으면 압타머와 표적 DNA가 결합하지 않으므로, 보존 영역이 아닌 염기 서열은 단일 가닥으로 남아 있다. 따라서 압타머는 Taq 중합 효소와 결합할 수 없다. 여기에 형광 물질과 퀜처가 부착된 짧은 DNA 가닥을 넣으면, Taq 중합 효소는 투입한 DNA를 재료로 DNA를 합성한다. 이 과정에서 형광 물질과 퀜처가 연결된 DNA 조각은 분해되어 두 물질의 거리가 멀어지며, 형광 물질은 빛을 낸다.

 

   
▲ 박 교수팀의 압타머를 이용한 두 번째 탐지 방법 | 박현규 교수 제공

블로커 DNA 활용해 표적 DNA 찾아
두 번째 방법은 표적 DNA가 존재할 때 형광 물질이 빛나게 하는 방법이다. 우선 압타머의 보존 영역이 아닌 염기 서열을 표적 DNA와 완전히 상보적이지는 않도록 설계한다. 그다음 압타머보다 표적 DNA와 더 상보적인 DNA를 제작한다. 즉, 압타머와 표적 DNA에 모두 반응하지만, 표적 DNA와 잘 결합하는 DNA 가닥을 제작한다. 이를 블로커 DNA(blocker DNA)라고 부른다. 그 후 블로커 DNA와 결합한 압타머와 Taq 중합 효소를 한 용액 속에 넣는다. 이 경우 표적 DNA가 용액 속에 존재하면 블로커 DNA는 표적 DNA와 결합하기 위해 압타머에서 분리되므로, 압타머는 Taq 중합 효소와 결합할 수 없다. 여기에 형광 물질과 퀜처가 부착된 DNA 조각을 넣으면 Taq 중합 효소가 DNA를 합성하며 형광 물질에서 빛이 나는 것을 관찰할 수 있다.

이번 연구는 압타머 관련 분야의 발전에 공헌한 점에서 의의가 크다. 이번 연구에 참여한 이창열 학우는 “효율적이고 값싼 DNA 탐지 수단을 확보해 바이러스로 인한 질병 대처에 도움이 될 것이다”라고 밝혔다.

 

퀜처(quencher)
가까이 있는 형광 물질이 빛을 내지 못하게 막는 물질.

Taq 중합 효소
DNA 중합 효소의 일종. DNA 합성 시 주위에 DNA가 있으면 이를 dNTP로 분해해 재료로 사용한다.

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