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KR101915675B1 - 초고속 핵산 추출 장치, 및 이를 이용하는 핵산 추출 방법 - Google Patents

초고속 핵산 추출 장치, 및 이를 이용하는 핵산 추출 방법 Download PDF

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KR101915675B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 핵산 추출 장치에 관한 것으로서, 이에 따르면 핵산 추출에 있어서, 자동화, 초소형화 및 초고속화가 가능하고, 객담, 혈액, 세포, 유린, 침, 조직 등 생물학적 시료에 제한되지 않고, 샘플 용액의 소모량을 최소화하고, 아울러 신뢰성 있는 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선할 수 있다.

Description

초고속 핵산 추출 장치, 및 이를 이용하는 핵산 추출 방법{ultra-fast device for the extraction of nucleic acids, and the method for the extraction of nucleic acids using the same}
본 발명은 객담, 혈액, 세포, 유린, 침, 조직 등 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치에 관한 것이다.
최근 유전자 수준에서 질병을 진단, 치료, 또는 예방하기 위하여 세포, 박테리아, 또는 바이러스와 같은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 기술이 핵산 증폭 반응 기술과 연계되어 널리 활용되고 있다. 또한, 질병의 진단, 치료, 또는 예방 이외에도 맞춤형 신약 개발, 법 의학, 환경 호르몬 검출 등 다양한 분야에서 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
종래 핵산 추출 기술의 일 예로서는 세포를 포함하는 시료를 SDS나 프로테이나아제(proteinase) K로 처리하여 가용화한 후 페놀로 단백질을 변성 제거하여 핵산을 정제하는 방법이 있었다. 그러나, 페놀 추출법은 많은 처리 단계를 수행해야 하기 때문에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 핵산 추출 효율이 연구자의 경험과 노련성에 의해 크게 좌우되어 신뢰성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다. 최근에는 이러한 문제를 해소하기 위해 핵산과 특이적으로 결합하는 실리카나 유리섬유를 이용하는 키트가 사용되기도 한다. 상기 실리카나 유리섬유는 단백질, 세포 대사 물질들과 결합 비율이 낮으므로 상대적으로 높은 농도의 핵산을 얻을 수 있다. 이와 같은 방법은 페놀법과 비교했을 때 간편하다는 장점은 있지만, 중합효소 연쇄 반응(PCR) 등의 효소 반응을 강하게 저해시키는 카오트로픽 시약이나 에탄올을 이용하기 때문에 이들 물질을 완전히 제거해야 하며, 이를 이유로 조작이 매우 번거롭고 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 최근 필터를 사용하여 핵산을 직접 정제하는 방법이 국제 공개특허 제00/21973호에 개시되었는데, 이 방법은 시료를 필터에 통과시켜 세포를 필터에 흡착시킨 후 필터에 흡착된 세포를 용해시키고 필터로 여과시킨 후 필터에 흡착된 핵산을 세척 및 용출시키는 것이다. 그러나 세포를 필터에 흡착시킨 후 핵산을 용출시키기 위해서는 세포의 종류에 따라 필터를 선택해야만 한다는 문제가 있고, 사용 장치들이 대형이고 복잡하여 연구자가 용이하게 사용할 수 없는 단점이 있다.
상기와 같은 종래 핵산 추출 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 기존의 핵산 추출 장치 및 핵산 추출 방법과는 달리, 자동화, 초소형화 및 초고속화가 가능하고, 객담, 혈액, 세포, 유린, 침, 조직 등 생물학적 시료에 제한되지 않고, 샘플 용액의 소모량을 최소화하고, 아울러 신뢰성 있는 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선할 수 있는 핵산 추출 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예는 기판; 상기 기판 상부 면에 배치되고, 핵산 추출용 미세유동 칩의 하부 면이 밀착 접촉되도록 수평 면이 구비된 판 형상의 칩 수용부를 포함하는 칩 지지체; 및 상기 칩 수용부의 수평 면에 배치되되, 상기 칩 수용부에 장착되는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 하부 전면 중 일부에 열을 가할 수 있도록 구현된 히터를 포함하는, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,
상기 히터는 접촉식 판 형상의 열 블록일 수 있다.
또한, 상기 칩 지지체의 상부에는 상기 칩 수용부에 장착되는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 상부 면이 밀착 접착되도록 수평 면이 구비된 칩 커버가 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 칩 수용부에 장착되는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 수용된 반응 용액의 흐름을 제어하도록 구현된 유체 제어 모듈(900)이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 칩 수용부에 장착되는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 수용된 반응 용액에 제공되는 열량을 제어하도록 상기 히터와 연결된 열 제어 모듈이 더 포함될 수 있다.
또한, 유입부; 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 배치되되, 상기 유입부를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부; 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터; 상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부; 상기 핵산 분리부와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터; 및 상기 제2 필터와 연결된 유출부를 포함하는 것으로서, 상부 수평 면 및 하부 수평 면을 구비하는 판 형상으로 구현된, 핵산 추출용 미세유동 칩을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널은 유체 소통 가능하게 구현되되, 상기 채널의 폭(width) 및 깊이(depth)는 각각 0.001 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현될 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제1 필터 및 제2 필터는 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비하되, 0.01 내지 10 밀리미터(mm) 범위의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제1 필터 및 제2 필터는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖는 포어를 구비하되, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm)의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 핵산 분리부는 핵산 결합 물질로서 그 표면에 핵산 결합 작용기가 부착된 비드(bead)가 구비되어 있을 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 핵산 결합 작용기가 부착된 비드는 0.001 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내의 직경을 가질 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 핵산 분리부는 1 마이크로그램(㎍) 내지 200 밀리그램(mg) 범위 내에서 핵산 결합 작용기가 부착된 비드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩은 플라스틱 재질로 구현될 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩은 제1 판; 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널이 배치된 제2 판; 및 상기 제2 판 상에 배치되되 상기 유입부 및 상기 유출부가 배치된 제3 판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 상기 제1 판 및 제3 판은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질을 포함하고, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제2 판은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제3 판의 유입부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 유출부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제1판 및 제3 판의 두께는 0.01 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되며, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 제2 판의 두께는 30 마이크로미터(㎛) 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 핵산 추출 장치에 따르면, 핵산 추출에 있어서, 자동화, 초소형화 및 초고속화가 가능하고, 객담, 혈액, 세포, 유린, 침, 조직 등 생물학적 시료에 제한되지 않고, 샘플 용액의 소모량을 최소화하고, 아울러 신뢰성 있는 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 2는 칩 커버를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 3은 유체 제어 모듈을 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 4는 열 제어 모듈을 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩의 단면도 및 평면도를 도시한다.
도 7은 도 5에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩이 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치에 장착된 상태를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 이하 기술된 설명은 본 발명의 일 실시예들을 쉽게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 그러한 설명으로부터 본 발명의 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 1에 따르면, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치는 기판(500); 상기 기판(500) 상부 면에 배치되고, 핵산 추출용 미세유동 칩(도시되지 않음)의 하부 면이 밀착 접촉되도록 수평 면이 구비된 판 형상의 칩 수용부(650)를 포함하는 칩 지지체(600); 및 상기 칩 수용부(650)의 수평 면에 배치되되, 상기 칩 수용부(650)에 장착되는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 하부 전면 중 일부에 열을 가할 수 있도록 구현된 히터(700)를 포함한다.
상기 핵산 추출 장치는 핵산 추출을 위한 모든 단계를 수행할 수 있도록 구현된 장치를 의미하고, 본 명세서에서 언급되지 아니한 것이라도 핵산을 추출하기 위해 요구되는 다양한 모듈을 더 포함할 수 있음은 물론이다.
상기 기판(500)은 상기 기판(500) 내에 배치된 이하 상세하게 설명될 히터(700)의 가열 및 온도 유지로 인해 그 물리적 및/또는 화학적 성질이 변하지 않고, 상기 기판(500) 내에 히터 이외의 부분에 열 전도에 의해 변형이 이루어지지 않게 하는 모든 재질로 구현될 수 있다. 상기 기판(500)은 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 재질로서, 투명 또는 반투명하게 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 기판(500)은 다양한 형상으로 구현될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치의 소형화를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 수평한 면을 구비하는 판 형상으로 구현되는 것이 바람직하다.
상기 칩 지지체(600)는 이하 상세하게 설명될 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩이 장착 및 고정되는 부분으로서, 상기 기판(500) 상부 면에 배치되고, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩(도시되지 않음)이 안정적으로 장착 및 고정될 수 있도록 하는 재질로 구현될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 칩 지지체(600)는 핵산 추출용 미세유동 칩(도시되지 않음)의 하부 면이 밀착 접촉되도록 수평 면이 구비된 판 형상의 칩 수용부(650)를 구비한다. 상기 칩 수용부(650)가 판 형상으로 구현됨으로써, 이와 핵산 추출용 미세유동 칩의 하부 면이 밀착 접촉되고, 그에 따라 이하 상세하게 설명될 히터(700)로부터 전달되는 열 접촉 면적이 넓어지고, 열 전달 속도가 증가하며, 핵산 추출용 미세유동 칩 내부에 수용되는 반응 용액의 안정적인 유체 제어가 가능하고, 소량의 반응 용액으로도 핵산 추출 반응을 수행할 수 있게 된다.
상기 히터(700)는 핵산 추출용 미세유동 칩(도시되지 않음)이 상기 칩 지지체(600)에 장착되었을 때 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 일 부분에 열을 공급하기 위한 모듈이다. 상기 히터(700)는 다양하게 구현될 수 있으나, 핵산 추출용 미세유동 칩의 가능한 넓은 표면적에 열을 전달하고, 열 전달 속도를 증가시키기 위해 접촉식 판 형상의 열 블록(plate-type heating block)이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 히터(700)는 상기 칩 수용부(600)의 수평 면에 배치되되, 상기 칩 수용부(600)에 장착되는 핵산 추출용 미세유동 칩의 하부 전면 중 일부에 열을 가할 수 있도록 구현된다.
도 2는 칩 커버를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 2에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치는 상기 칩 지지체(600)의 상부에 상기 칩 수용부(650)에 장착되는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩(도시되지 않음)의 상부 면이 밀착 접착되도록 수평 면이 구비된 칩 커버(800)를 더 포함할 수 있다. 상기 칩 커버(800)는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩의 안정적인 장착을 지지하고, 상기 핵산 추출용 미세유동 칩으로부터 열이 방출되는 것을 차단하여 상기 핵산 추출용 미세유동 칩 내에서 신속한 핵산 추출 반응이 일어나도록 한다. 상기 칩 커버(800)는 위와 같은 목적을 달성하기 위해 다양한 형상으로 구현될 수 있으나, 판 형상으로 구현되는 것이 바람직하다.
도 3은 유체 제어 모듈을 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 3에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치는 상기 칩 수용부(650)에 장착되는 핵산 추출용 미세유동 칩에 수용된 반응 용액의 흐름을 제어하도록 구현된 유체 제어 모듈(900)을 더 포함할 수 있다. 상기 유체 제어 모듈(900)은 상기 칩 지지체(600)에 장착되는 핵산 추출용 미세유동 칩의 유입부 및/또는 유출부와 연결되어 상기 핵산 추출용 미세유동 칩 내부로 핵산 추출을 위한 용액을 도입하거나 및/또는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩 내부에 존재하는 용액을 외부로 배출할 수 있도록 구현되거나 및/또는 상기 핵산 추출용 미세유동 칩 내부에서 반응 용액의 이동을 제어하도록 구현될 수 있다. 상기 유체 제어 모듈(900)은 다양한 구성요소를 포함할 수 있는데, 예를 들어 유체 이동 통로인 미세 채널, 유체 이동의 구동력을 제공하는 공압 펌프, 유체 이동의 개폐를 제어할 수 있는 밸브, 및 핵산 결합 버퍼, 용출 버퍼, 실리카 겔(silica gel), 증류수(DW) 등 핵산 추출을 위해 요구되는 다양한 용액을 포함하는 저장 챔버 등을 더 포함할 수 있음은 물론이다.
도 4는 열 제어 모듈을 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치를 도시한다.
도 4에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치는 상기 칩 수용부(650)에 장착되는 핵산 추출용 미세유동 칩에 수용된 반응 용액에 제공되는 열량을 제어하도록 상기 히터(700)와 연결된 열 제어 모듈(750)을 더 포함할 수 있다. 상기 열 제어 모듈(750)은 상기 히터(700)에 전력 공급을 제어함으로써, 상기 히터(700)의 발열 또는 냉각을 제어하여 상기 핵산 추출용 미세유동 칩 내에서 미리 결정된 온도 및 순서에 의해 핵산 추출 반응이 일어나도록 한다. 한편, 도 4에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치는 상기 히터(700), 상기 커버(800), 상기 유체 제어 모듈(900), 및 상기 열 제어 모듈(750)을 자동으로 제어하기 위한 전자 제어 모듈(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 제어 모듈은 미리 저장된 프로그램에 따라 핵산 추출용 미세유동 칩 내에서 정량의 핵산이 추출될 수 있도록 상기 각 모듈들을 정밀하게 제어할 수 있다. 상기 미리 저장된 프로그램이라 함은 예를 들어, 핵산 추출에 관한 일련의 단계들에 관한 프로그램을 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 도시한다.
도 5에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1)은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 것으로서, 유입부(10); 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 배치되되, 상기 유입부(10)를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부(20); 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터(30); 상기 제1 필터(30)와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45)이 구비되어 있는 핵산 분리부(40); 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터(50); 및 상기 제2 필터(50)와 연결된 유출부(60)를 포함한다.
상기 핵산 추출용 미세유동 칩(microfluidic chip)이라 함은 핵산 추출을 위한 구성요소, 즉 유입부(inlet), 유출부(outlet), 상기 유입부 및 유출부를 연결하는 채널(channel), 제1 필터, 및 제2 필터 등의 규격이 밀리미터(mm) 또는 마이크로미터(㎛) 단위에서 구현되는 초소형 칩(chip)을 말한다.
상기 생물학적 시료는 DNA 또는 RNA 등과 같은 핵산을 포함하는 생물학적 물질로서, 예를 들어, 동물 세포, 식물 세포, 병원균, 곰팡이, 박테리아, 바이러스 등을 포함하는 액체 시료일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유입부(10)는 상기 생물학적 시료 또는 핵산 추출을 위한 용액 등이 상기 미세유체 칩 내부로 도입되는 부분이고, 상기 유출부(60)는 상기 생물학적 시료로부터 획득된 핵산, 핵산 추출을 위한 용액, 기타 폐기물(waste) 등이 상기 미세유체 칩 외부로 배출되는 부분이다. 이 경우 필요에 따라 유입부(10)과 유출부(60)은 각각 유출부 및 유입부의 역할을 수행할 수 있다. 상기 핵산 추출을 위한 용액은 핵산 추출 시 요구되는 모든 용액을 포함하고, 예를 들어 증류수, 핵산 결합 버퍼(binding buffer), 용출 버퍼(elution buffer) 등일 수 있다. 한편, 상기 유입부(10) 및 상기 유출부(60)는 채널(70)에 의해 유체 소통 가능하게 연결되고, 이하 상세하게 설명될 가열부(20), 제1 필터(30), 핵산 분리부(40), 제2 필터(50) 등의 구성요소는 상기 채널(70)에 구동가능하도록 배치되어 각 기능을 수행하게 된다. 상기 채널(70)은 다양한 규격으로 구현될 수 있지만, 상기 채널의 폭(width) 및 깊이(depth)는 각각 0.001 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되는 것이 바람직하다. 이하 설명될 제1, 제2, 제3, 제4 채널 영역은 상기 유입부(10)으로부터 상기 유출부(60)까지의 순차적 배치를 의미할 뿐, 상기 채널(70) 내의 특정 위치로 제한되는 것은 아니다.
상기 가열부(20)는 상기 유입부(10)를 통해 도입된 용액(생물학적 시료 포함)에 외부로부터 얻어진 열이 가해지는 부분으로서, 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 배치된다. 예를 들어, 상기 유입부(10)를 통해 세포, 박테리아, 또는 바이러스를 포함하는 시료가 도입되는 경우 상기 세포, 박테리아, 또는 바이러스가 상기 가열부(20)에 도달하면 순간적으로 약 80 내지 100도(℃)로 가열되기 때문에 상기 세포, 박테리아, 또는 바이러스의 외벽이 파괴되고 그 세포 내 물질이 외부로 방출되게 된다(cell lysis). 상기 가열부(20)는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치의 히터(70)로부터 접촉 방식으로 열을 공급받는다.
상기 제1 필터(30)는 일정한 크기의 포어(pore)를 갖는 구조체로서, 유체 흐름 방향으로 상기 포어를 통해 크기별로 통과 물질과 비-통과 물질을 구별해 주는 역할을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 필터(30)는 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되고, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있도록 구현된다. 상기 제1 필터(30)는 상기 가열부(20)에서 가열에 의해 생긴 용해 산물 중 핵산보다 큰 크기의 물질을 상기 가열부(20)에 포집하되, 핵산 및 그에 상응하는 크기를 갖는 물질은 여과하여 이하 설명될 핵산 분리부(40)로 이동시킨다. 상기 제1 필터(30)는 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비하되, 0.01 내지 10 밀리미터(mm) 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 제1 필터(30)는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖는 포어를 구비하되, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm)의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 핵산 분리부(40)는 핵산 또는 이에 상응하는 크기를 갖는 물질 중에서 상기 핵산을 선택적으로 분리하기 위한 것이다. 도 5에 따르면, 상기 핵산 분리부(40)는 상기 제1 필터(30)와 이하 설명될 제2 필터(50) 사이의 공간으로서, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45)이 구비되어 있다. 상기 핵산 결합 물질(45)은 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 모든 물질을 포함한다. 상기 핵산 결합 물질(45)은 핵산 결합 작용기가 부착된 것으로서, 예를 들어, 실리카(SiO2) 비드, 바이오틴(biotin) 또는 스트렙타비딘(strptavidin) 부착 비드일 수 있다. 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드는 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.001 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 핵산 분리부(40)는 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드를 다양한 함량으로 포함할 수 있으나, 1 마이크로그램(㎍) 내지 200 밀리그램(mg) 범위 내에서 포함하는 것이 바람직하다. 상기 핵산 결합 물질(45)에 핵산이 특이적으로 결합된 후 상기 핵산 분리부(40)의 내부를 세척하여 이물질을 제거하면 상기 핵산 결합부(40)에는 표적 핵산-핵산 결합 물질(45)의 복합체(complex)만 남아 있게 된다. 그 후 상기 핵산 분리부(40)에 용출 버퍼(elution buffer)가 제공되면 상기 표적 핵산이 상기 복합체로부터 분리된다.
상기 제2 필터(50)는 이미 설명된 제1 필터(30)과 같이, 일정한 크기의 포어(pore)를 갖는 구조체로서, 유체 흐름 방향으로 상기 포어를 통해 크기별로 통과 물질과 비-통과 물질을 구별해 주는 역할을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 필터(50)는 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 제4 채널 영역에 배치되고, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있도록 구현된다. 상기 제2 필터(50)는 상기 핵산 분리부(40)에서 상기 핵산 결합 물질(45)은 포집하되, 상기 핵산 결합 물질(45)로부터 분리된 핵산은 여과하여 상기 유출부(60)로 이동시킨다. 상기 제2 필터(50)는 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비하되, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm) 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 제2 필터(50)는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖는 포어를 구비하되, 0.3 밀리미터(mm)의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩의 단면도 및 평면도를 도시한다.
도 6에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1)은 은 제1 판(100); 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널(70)이 배치된 제2 판(200); 및 상기 제2 판(200) 상에 배치되되 상기 유입부(10) 및 상기 유출부(60)가 배치된 제3 판(300)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 플라스틱 재질로 구현될 수 있다. 이와 같이, 플라스틱 재질을 사용하는 경우 플라스틱 두께 조절만으로 열 전달 효율을 증대시킬 수 있고, 제작 공정이 단순하여 제조 비용을 크게 절감시킬 수 있다. 한편, 상기 제1 판(100) 및 제3 판(300)은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질을 포함하고, 상기 제2 판(200)은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3 판의 유입부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 유출부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 제1판 및 제3 판의 두께는 0.01 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되며, 상기 제2 판의 두께는 30 마이크로미터(㎛) 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 필요에 따라 2 이상의 유입부, 유출부, 및 이를 연결하는 채널로 구현될 수 있고, 이 경우 하나의 칩 상에서 2 이상의 생물학적 시료로부터 핵산을 추출할 수 있어서 신속하고 효율적으로 핵산을 추출할 수 있다.
도 7은 도 5에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩이 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 장치에 장착된 상태를 도시한다.
도 7에 따르면, 판 형상의 핵산 추출용 미세유동 칩(1)이 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치의 상기 칩 수용부(650)에 밀착 장착된 상태에서 핵산 추출 반응이 진행될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치를 이용하여 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1)을 제공하는 단계(미세유동 칩 제공 단계); 상기 미세유동 칩(1)의 유입부를 통해 객담, 혈액, 세포, 유린, 침, 조직 등 생물학적 시료를 도입하는 단계(생물학적 시료 도입 단계); 상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩(1)의 가열부로 이동시킨 후 상기 히터(700)를 통해 상기 미세유동 칩(1)의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 단계(생물학적 시료 용해 단계); 상기 용해 단계로부터 획득된 물질을 상기 미세유동 칩(1)의 제1 필터로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통해 통과시키고, 상기 제1 필터를 통과하지 아니한 물질을 제거하는 단계(제1 필터를 통한 여과 단계); 상기 제1 필터를 통과한 물질을 상기 미세유동 칩(1)의 핵산 분리부로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통과한 물질 중 핵산을 상기 핵산 결합 물질에 결합시키고, 상기 핵산 결합 물질에 결합되지 아니한 물질을 제거하는 단계(핵산 분리 단계); 상기 핵산 결합 물질로부터 상기 핵산을 분리시키고, 상기 분리된 핵산을 상기 제2 필터로 이동시킨 후 제2 필터를 통해 통과시키는 단계(제2 필터를 통한 여과 단계); 및 상기 제2 필터를 통과한 물질을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계(핵산 추출 단계)를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 핵산 추출용 장치를 이용하면, 핵산 추출 반응에 있어서, 자동화, 초소형화 및 초고속화가 가능하고, 객담, 혈액, 세포, 유린, 침, 조직 등 생물학적 시료에 제한되지 않고, 샘플 용액의 소모량을 최소화하고, 아울러 신뢰성 있는 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선할 수 있다.
실험예 . 핵산 추출의 산출량 및 진행시간 확인
먼저, 결핵균주 세포를 대상으로 일반적인 튜브(tube)를 사용하는 핵산 추출 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 사용하는 핵산 추출 장치를 각각 이용하여 DNA를 추출한 후 그 산출량 및 진행시간을 확인하였다.
일반적인 핵산 추출 단계는 아래와 같다. 결핵균주 세포를 준비하고, 상기 결핵균주 세포를 6% NaOH 및 4% NaLC와 1:1:1 비율로 혼합하여 샘플 용액으로 제조하였다. 그 후, 상기 샘플 용액을 원심분리하여 상층액을 제거하였다(20분, 4300 rpm, 4℃). 그 후, 샘플 용액에 증류수(DW) 1 ㎖를 첨가하고, 볼텍싱(vortexing)한 후 상기 샘플 용액을 다른 튜브에 옮겼다. 그 후, 상기 샘플 용액을 재차 원심분리 후 상층액을 제거하였다(3분, 12000 rpm, 상온). 그 후, 상기 샘플 용액에 증류수(DW) 1 ㎖를 첨가하고, 볼텍싱(vortexing)하였다. 그 후, 상기 샘플 용액에 증류수(DW) 500 ㎕를 첨가하고, 유전체 DNA를 획득하였다(이 경우 상업적으로 이용가능한 QIAamp DNA Kit를 사용함). 그 결과, 최종 DNA 산물은 약 100 ㎕가 획득되었고, 최종 DNA 산물을 획득하는데 약 1시간 이상이 소요되었다.
뒤이어, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1) 및 핵산 추출 장치를 이용하여 동일한 결핵균주 세포로부터 핵산을 추출하였는데, 상세 과정은 아래와 같다. 결핵균주 세포를 준비하고, 상기 결핵균주 세포를 6% NaOH 및 4% NaLC와 1:1:1 비율로 혼합하여 샘플 용액으로 제조하였다. 그 후, 도 1에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩{25×72×2mm, 실리카 비드(OPS Diagnostics, LLC), 필터(Whatman)}의 유입부에 실린지를 이용하여 상기 샘플 용액을 도입하였다(약 1분 소요). 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유입부에 실리카 겔(silica gel) 및 1X DNA 결합 버퍼(binding buffer) 300 ㎕을 도입한 후 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 가열부를 95℃로 급속 가열하였다(약 1분 30초 소요). 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유입부를 통해 샘플 용액 중 폐기물을 제거하고 용출 버퍼(elution buffer) 100 ㎕를 도입하였다(약 30초 소요). 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유출부를 통해 최종 산물을 획득하고, 확인한 결과 최종 DNA 산물은 약 100 ㎕가 획득되었고, 최종 DNA 산물을 획득하는데 전체 약 7분 정도가 소요되었다. 이 경우 상기 실험을 수작업이 아닌 자동화 핵산 추출 장치로 진행했을 경우 그 소요시간은 약 5분 이내로 감소할 것임은 자명하다.
상기 실험 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩 및 핵산 추출 장치를 이용하면, 핵산 추출 산물의 양은 그대로 유지될 수 있는데 반해, 기존 핵산 추출 방법과는 달리 총 소요시간은 크게 단축시킬 수 있다는 점을 확인할 수 있다.

Claims (16)

  1. 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치로서,
    기판;
    미세유동 칩;
    칩 지지체; 및
    히터를 포함하고,
    상기 미세유동 칩은,
    유입부;
    유출부; 및
    상기 유입부와 상기 유출부를 연결하는 채널을 포함하며,
    상기 채널은,
    상기 유입부로부터 연장되는 제1 채널 영역;
    상기 제1 채널 영역으로부터 연장되고 제1 필터를 갖는 제2 채널 영역;
    상기 제2 채널 영역으로부터 연장되고 핵산 결합 물질을 갖는 제3 채널 영역; 및
    상기 유출부와 연결되고, 상기 제3 채널 영역으로부터 연장되며, 제2 필터를 갖는 제4 채널 영역을 포함하고,
    상기 칩 지지체는, 상기 기판의 일 면에 배치되고, 그 내부에 상기 미세유동 칩을 수용하는 칩 수용부를 포함하고,
    상기 히터는, 상기 기판에 배치되고, 상기 제1 채널 영역에 바로 인접하게 배치되어 상기 제1 채널 영역에 열을 가하도록 구성되며,
    상기 제3 채널 영역의 상기 핵산 결합 물질은 핵산 결합 작용기를 갖는 비드(bead)들을 포함하고,
    상기 비드들은 상기 제1 필터와 상기 제2 필터 사이에 끼워지고,
    상기 제1 필터 및 상기 제2 필터 각각은 복수의 포어(pore)들을 포함하며,
    상기 제1 필터, 상기 제2 필터 및 상기 비드들은 함께 핵산 추출을 위해 구성되는 상기 미세유동 칩의 일 구성요소를 형성하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는 접촉식 판 형상의 열 블록인 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 칩 지지체의 상부에는 상기 칩 수용부에 장착되는 상기 미세유동 칩의 상부 면이 밀착 접착되도록 수평 면이 구비된 칩 커버가 더 포함되는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 칩 수용부에 장착되는 상기 미세유동 칩에 수용된 반응 용액의 흐름을 제어하도록 구현된 유체 제어 모듈이 더 포함되는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 칩 수용부에 장착되는 상기 미세유동 칩에 수용된 반응 용액에 제공되는 열량을 제어하도록 상기 히터와 연결된 열 제어 모듈이 더 포함되는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은;
    상기 유입부와 연결된 상기 제1 채널 영역에 배치되되, 상기 유입부를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부; 및
    상기 제1 필터와 연결된 상기 제3 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 더 포함하고,
    상기 미세유동 칩은, 상부 수평 면 및 하부 수평 면을 구비하는 판 형상으로 구현되는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 제1 채널 영역 내지 상기 제4 채널 영역을 포함하는 상기 채널은 유체 소통 가능하게 구현되되, 상기 채널의 폭(width) 및 깊이(depth)는 각각 0.001 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 제1 필터 및 상기 제2 필터에 포함된 상기 포어는 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖고, 0.01 내지 10 밀리미터(mm) 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 제1 필터 및 상기 제2 필터에 포함된 상기 포어는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖고, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm)의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 핵산 분리부는 상기 핵산 결합 물질로서 그 표면에 핵산 결합 작용기가 부착된 비드(bead)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드는 0.001 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 핵산 분리부는 1 마이크로그램(㎍) 내지 200 밀리그램(mg) 범위 내에서 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 플라스틱 재질로 구현되는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 제1 판; 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널이 배치된 제2 판; 및 상기 제2 판 상에 배치되되 상기 유입부 및 상기 유출부가 배치된 제3 판을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 상기 제1 판 및 제3 판은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질을 포함하고,
    상기 미세유동 칩의 제2 판은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 제3 판의 유입부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 미세유동 칩의 유출부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되며, 상기 미세유동 칩의 제1 판 및 제3 판의 두께는 0.01 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 미세유동 칩의 제2 판의 두께는 30 마이크로미터(㎛) 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되는 것을 특징으로 하는,
    생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.
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