간단한 DNA 검출을 위한 레이저 기반 도구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

DNA뿐만 아니라, 알츠하이머와 같은 다른 질병, 그리고 암의 잠재적 생물지표를 감지하는 간단한 도구가 일본의 요코하마 국립 대학(Yokohama National University)의 연구진에 의해 곧 실현될 것이다. Applied Physics Letters에 발표된 논문을 따르면, 연구진은 레이저의 파장 변화에 기반을 두어, 생체 분자 흡착의 감지가 가능한 포토닉 결정 나노레이저 바이오센서(photonic crystal nanolaser biosensor)를 개발했다. 이 나노레이저 바이오센서가 레이저 발광 강도를 이용하여 표면 전하 검출이 가능하며, 또한 생체 분자의 흡착을 감지하는 데도 사용될 수 있다. 생체 분자를 감지하기 위하여, 레이저 강도를 사용하는 것은 일반적으로 바이오센서에 사용되는 형광 꼬리표(fluorescent tagging)나 분광학 기술(spectroscopy techniques)보다 간단한 과정으로 잠재적으로 더 저렴하다. 연구진이 처음으로 포토닉 결정 나노레이저 센서를 탐구하기로 결정했을 때, 그들은 레이저 발광의 강도에 초점을 맞추지 않았다. 왜냐하면, 그것은 제작된 레이저의 품질에 민감하므로, 솔직히 말하자면, 그것이 감지 신호를 보일 것이라고 예측하지 않았기 때문이다. “처음에, 우리는 파장 행동에 초점을 맞추었지만, 이 레이저 발광 강도가 pH나 폴리머 모두에 영향을 받는다는 것을 곧 인식했다”고 요코하마 국립 대학 전기 및 컴퓨터 공학부 교수인 Toshihiko Baba가 말했다. “우리의 결과는 재생할 수 있다. 또한, 흥미롭게도, 우리는 파장과 강도의 행동이 매우 독립적이라는 것을 발견했다”고 그는 덧붙였다. 연구진은 지르코늄 디옥사이드(zirconium dioxide, ZrO2) 보호 박막을 원자층 증착(atomic layer deposition)을 통해서 장비에 증착했을 때 나타난 이러한 결과에 매우 놀랐으며, 전하 고분자에 담겨있는 액체나, 높거나 낮은 pH의 액체를 감지하려 노력하였다. 코팅은 손상과 원치 않은 파장 이동으로부터 나노레이저를 보호하는데 필수적이다. 이 나노레이저 장치는 표면 전하를 감지할 수 있다. 왜냐하면, 표면 전하는 나노레이저 반도체의 표면 상태에서 전자의 점유 비율을 변경할 수 있기 때문이다. 이것은 반도체의 발광 효율을 수정한다”고 Baba가 설명했다. 지금까지, 이들의 연구는 그러한 광센서를 이용한 표면 전하의 감지를 처음으로 발표한 것이었다. “이는 파장이나 강도의 측면에서 모두, 나노레이저 바이오센서로부터의 생체 분자 흡착의 검출을 가능케 한다”고 Baba가 말했다. 여기에는 서로 다른 물리적 매개 변수가 포함되기 때문에, 연구진은 생체 분자의 세부 사항을 검사할 수 있다. 이 도구는 또한 오직 그것의 강도만을 측정하여, 흡착을 검출할 수 있으며, 이는 기존의 도구와 비교하여 상당한 이점을 제공한다”고 Baba가 덧붙였다. 기존의 바이오센서 장치는 사전에 생체 분자를 기능화하는 형광 꼬리표에 의존한다. 우리는 광여기(photoexcitation)를 사용하여, 쉽게 목표하는 생체 분자를 볼 수 있다. 이는 오늘날의 생명과학이나 의료 진단에 사용되는 사실상의 표준 도구이다. 단점이라면, 이러한 형광 꼬리표 기능화 과정이 비싸다는 것이다. 이러한 이유로, 많은 연구진은 광학 캐비티나 플라즈몬 상태에서 공명을 사용하는 것과 같은 무표지 검출 방법을 개발했다. 그러나 이러한 것들은 파장의 분광법이나 공명 광학 각(resonance optical angle)과 같은 도구를 사용한 스펙트럼 분석이 필요하며, 이 또한 비용이 많이 든다. 대조적으로, 연구진의 나노레이저 바이오센서는 그것들이 강도 변화를 사용하는 한, 표지나 분광계가 필요치 않다. 이는 검출을 크게 단순화시켰으며, 연구진은 이미 DNA에서도 이를 입증하였다. 나노레이저 바이오센서가 가진 많은 잠재적 응용에서, 연구진은 이 도구를 DNA나 암의 생물 지표 단백질 검출, 그리고 알츠하이머 등에 적용하길 희망한다. 이는 지금까지의 어떤 도구보다도 간단한 과정을 제공할 것이다. 다음 단계로, 우리는 감도나 선택성, 그리고 이러한 현상의 안정성 등을 조사할 계획이다. 만약 이러한 문제가 해결된다면, 이 도구는 실용적 사용을 위한 다음 단계로 넘어갈 것이다. 우리의 연구 프로젝트는 2012년부터 2016년까지이며, 궁극적으로 생물 지표 검출을 위한 포토닉 결정 나노레이저 센서의 개발을 목표로 하고 있다. 우리는 이 센서를 좀 더 단순화하고 향상시키는 연구를 계속할 것이며, 몇 년 안에 실제적 사용을 위한 준비에 노력할 것”이라고 Baba가 말했다. (그림) 그림의 중앙에 보이는 수평선은 센서의 주요 부분이다. 규칙적으로 배열된 구멍은 광 결정을 형성하고 있다. 구멍의 크기가 변화하는 것처럼 보이지만, 레이저 발광이 효과적으로 추출되기 위하여, 그것들은 의도적으로 수정된다. PCF.jpg http://phys.org/news/2015-01-photonic-crystal-nanolaser-biosensor-dna.html