Graphene Nanosheets for Target Detection

Abstract

이 논문은 reduced graphene oxide (rGO)를 이용한 광학 기반 바이오센서의 제조 및 특이적 타겟 검출 방법을 소개하고 있다. 형광 인자가 부착 된 이중나선 앱타머를 rGO에 부착한 후, 타겟 물질에 노출되었을 때의 형광 세기의 변화로 검출을 확인하는 바이오센서이다. 본 연구에서는 검출 물질로 인터페론 감마를 선정하였고 그와 특이적으로 결합하는 인터페론 감마 앱타머를 이용하였다. 이중나선 앱타머의 한 쪽 끝에는 rGO 부착 물질을 결합시키고 다른 쪽 끝에는 형광 인자를 결합시킨 상태로 rGO와 반응시켜주면, rGO의 표면에 앱타머들이 부착된 형태의 바이오센서가 제조된다. 사용된 앱타머의 길이는 36 bp로 rGO의 형광 소거 효과 범위를 벗어나게 된다. 그러므로 검출 물질 반응 전 바이오센서는 형광을 발하는 상태이다. 하지만 검출 물질, 본 연구에서의 인터페론 감마를 바이오센서에 노출시키게 되면, 앱타머 가닥이 이의 상보적인 핵산서열보다 강한 친화력으로 타겟 물질과 반응하면서 단일나선구조 형태로 타겟 물질과 복합체를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 복합체는 rGO의 형광 소거 효과 범위로 들어오게 되어 결국 형광을 소실하게 된다. 이와 같은 형광 소실을 기반으로 하여 타겟 물질을 정량적으로 검출할 수 있는 광학 기반 바이오센서이다. 본 논문에서는 이 바이오센서를 이용하여 PBS와 세럼에서의 인터페론 감마를 100 pg/ml부터 10 ug/ml까지 성공적으로 측정 가능함을 확인하였다. 또한, 다른 사이토카인과는 반응성을 보이지 않으며 타겟 물질인 인터페론 감마만 특이적으로 검출함도 확인하였다. 마지막으로 실질적 가용성 평가를 위해 인터페론 감마 농도가 높아지는 것으로 알려져 있는 HIV 초기 감염 환자의 세럼에서의 인터페론 감마 농도 측정도 짧은 시간 내에 가능함을 확인하였다. 이처럼 본 연구에서는 기존의 검출 방법들에 비해 제조공정 및 검출 방법이 간편하고, 정량적 측정이 수분 내에 완료되며, 저농도의 타겟 물질도 뛰어난 감도로 용이하게 검출할 수 있는 새로운 방식의 바이오센서를 소개하고 있다.

Here, we report a double stranded and dual anchored fluorescent aptamer on reduced graphene oxide (rGO) for sensitive and selective detection of interferon-gamma (IFN-g) in biological samples. The aptasensor is composed of IFN-g specific fluorescent aptamer with BHQ1 as one anchoring moiety, which forms double stranded sequences with complementary oligonucleotide sequence with BHQ1 as the other anchoring moiety, and rGO nanosheets. The double stranded and dual anchored fluorescent aptamer on rGO (AptasensorGO) showed 7.3 and 4.7-fold higher fluorescence intensity compared to single stranded and single anchored fluorescent aptamer on rGO, and double stranded and single anchored fluorescent aptamer on rGO, respectively. The fluorescence intensities of AptasensorGO were influenced by the length of DNA aptamer sequences, showing the highest intensity at 36 bp. AptasensorGO was specifically sensitive to IFN-g in buffer and human serum. AptasensorGO detected IFN-g in buffer and human with linearity ranges over 5 orders of magnitude (from 100 pg/ml to 10 mg/ml), showing the regression coefficient of 0.9982 and 0.9838, respectively. Moreover, AptasensorGO showed fluorescence intensity changes to IFN-g, but not to non-target proteins such as interluekin-2 and tumor necrosis factor-a. Only after 30 min of incubation with AptasensorGO, the levels of IFN-g in human immunodeficiency virus-positive patient plasma samples were quantified to range from 250 to 500 ng/ml. Taken together, the nano-rGO platform of double stranded and dual anchored fluorescence aptasensor provides new opportunities for detection of cytokines such as IFN-g and could be applied to rapidly monitor the cytokine levels in human patient samples.