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KR102159737B1 - Streptactin conjugated quantum dot and process for preparing the same - Google Patents

Streptactin conjugated quantum dot and process for preparing the same Download PDF

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KR102159737B1
KR102159737B1 KR1020180172929A KR20180172929A KR102159737B1 KR 102159737 B1 KR102159737 B1 KR 102159737B1 KR 1020180172929 A KR1020180172929 A KR 1020180172929A KR 20180172929 A KR20180172929 A KR 20180172929A KR 102159737 B1 KR102159737 B1 KR 102159737B1
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biotin
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quantum dot
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유이슬
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김한울
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강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점, 이의 단백질 표지/이미징화 용도 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 스트렙택틴 접합된 양자점, 이의 단백질 표지/이미징화 용도 및 이의 제조방법은 단백질 재조합 및 생명공학 분야에서 단백질 표지 및 분자 이미징화 기술로 유용하게 사용될 수 있다.
The present invention provides a quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dot having a streptactin structure, a use of the protein labeling/imaging thereof, and a method for producing the same.
Streptactin-conjugated quantum dots of the present invention, the use of protein labeling/imaging thereof, and a method for preparing the same can be usefully used as protein labeling and molecular imaging techniques in the field of protein recombination and biotechnology.

Description

스트렙택틴 접합된 양자점 및 그 제조방법{Streptactin conjugated quantum dot and process for preparing the same}Streptactin conjugated quantum dot and process for preparing the same}

본 발명은 스트렙택틴 접합된 양자점 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PEG 링커를 도입하여 단백질 친화도를 개선시킨 스트렙택틴 접합된 양자점 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a streptactin-conjugated quantum dot and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a streptactin-conjugated quantum dot and a method for producing the same, in which protein affinity is improved by introducing a PEG linker.

아비딘은 흰자 유래 단백질, 스트렙트아비딘은 방선균(Streptomyces avidinii) 유래의 단백질이다. 아비딘 또는 스트렙트아비딘은, 비오틴과의 친화성이 매우 높고(Kd=10-15~-14 M), 생체 2분자 사이의 상호작용으로서는, 가장 강한 상호작용의 하나이며, 분자량은 60kDa 정도이다. 현재, 아비딘/스트렙트아비딘-비오틴 상호작용은, 생화학, 분자생물학, 혹은 의학의 분야에서 넓게 응용되고 있다. 스트렙타비딘 또는 아비딘과 비오틴 간의 이러한 매우 강하고 특이적인 상호작용은 나노구조 조립체에 대한 바이오-인터페이스(interfaces) 및 분자 표지와 같은 다양한 응용분야에 적용되어 왔다.Avidin is a protein derived from white, and streptavidin is a protein derived from Streptomyces avidinii. Avidin or streptavidin has a very high affinity with biotin (Kd = 10 -15 to -14 M), and as an interaction between two molecules in a living body, it is one of the strongest interactions, and its molecular weight is about 60 kDa. Currently, the avidin/streptavidin-biotin interaction is widely applied in the fields of biochemistry, molecular biology, or medicine. This very strong and specific interaction between streptavidin or avidin and biotin has been applied in a variety of applications such as bio-interfaces and molecular labeling for nanostructure assembly.

한편, 형광현미경(FLM)은 형광체가 특정 파장의 빛을 흡수하면 형광을 발산하는 원리를 이용한 것으로, 샘플 시료에 형광물질을 도포한 후 액체질소를 이용하여 냉각하고, 이와 같이 전처리된 시료에 형광물질의 흡수 파장의 광을 조사하여 시료로부터 발산되는 방사광을 통해 시료를 관찰하는 장치이다. 형광현미경은 시료 자체가 형광성을 가지거나, 형광물질을 흡착할 수 있는 시료에 유효하게 사용될 수 있으며, 이에 따라 박테리아나 단백질과 같은 생물학적 물질이나 생체시료의 검사에 많이 이용된다.On the other hand, a fluorescence microscope (FLM) uses the principle of emitting fluorescence when a phosphor absorbs light of a specific wavelength. After applying a fluorescent material to a sample sample, cooling it with liquid nitrogen, It is a device that observes a sample through radiation light emitted from the sample by irradiating light at the absorption wavelength of the material. Fluorescence microscopes can be effectively used for samples in which a sample itself has fluorescence or can adsorb a fluorescent material. Accordingly, it is widely used for testing biological materials such as bacteria and proteins or biological samples.

이와 같이, 시료 내 표적 물질을 검출하거나 재조합 기술 등에 의해 제조된 단백질을 이미징화하는 기술은 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 영상 장비를 이용한 세포 내 단백질 분석 등에 형광 나노 입자가 활용되고 있다. 이러한 형광 나노 입자를 이용한 재조합 단백질의 검출/이미징 수단으로서 종래에 스트렙타비딘-비오틴 결합을 이용한 양자점[Qdot® ITK™ streptavidin quantum dots, (A10196, Thermo)]이 사용되고 있으나, 구조적인 한계에 의해 표적 단백질에 대한 친화성이 낮아서 분자이미징 효율이 낮다는 문제점이 있다.As described above, technologies for detecting a target substance in a sample or imaging a protein produced by recombinant technology are used in various fields, and fluorescent nanoparticles are used for intracellular protein analysis using imaging equipment. Conventionally, quantum dots [Qdot® ITK™ streptavidin quantum dots, (A10196, Thermo)] using streptavidin-biotin bonds have been used as a means of detection/imaging of recombinant proteins using these fluorescent nanoparticles, but targets due to structural limitations There is a problem in that molecular imaging efficiency is low due to low affinity for proteins.

한국공개특허 제10-2018-0108567호 (2018.10.04.)Korean Patent Publication No. 10-2018-0108567 (2018.10.04.) 미국공개특허 US2011165647A1 (2011.07.07.)US published patent US2011165647A1 (2011.07.07.) 미국공개특허 US20170212121A1 (2017.07.27.)US published patent US20170212121A1 (2017.07.27.)

본 발명의 발명자들은 종래에 세포 내 단백질 분석 및 세포 이미징 기법 등에 형광 나노 입자가 사용되고 있으나, 이미징화 대상 단백질에 대한 친화도가 낮아서 이를 개선하기 위한 양자점 구조에 대하여 연구하던 중, 비오틴 수식화된 양자점에 PEG를 링커로 사용하여 스트렙택틴을 결합시킨 기능화 양자점이 기존의 스트렙타비딘 결합 양자점에 비하여 단백질 친화도가 현저히 개선된다는 것을 발견하였다.The inventors of the present invention have conventionally used fluorescent nanoparticles for intracellular protein analysis and cell imaging techniques, but the affinity for the protein to be imaged is low, so while studying the quantum dot structure to improve this, biotin-modified quantum dots It was found that the functionalized quantum dots in which streptactin was bound by using PEG as a linker was significantly improved compared to the existing streptavidin-bound quantum dots.

따라서, 본 발명은 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점, 이의 분자 이미징화 용도 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dot having a streptactin structure, a use of molecular imaging thereof, and a method for producing the same.

본 발명의 일 측면에 따라, 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점이 제공된다.According to an aspect of the present invention, a quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dot having a streptactin structure is provided.

일 구현예에서, 상기 폴리에틸렌글리콜 링커는 -CH2CH2O-를 5 내지 15 정수 단위로 갖는 것일 수 있다.In one embodiment, the polyethylene glycol linker may have -CH 2 CH 2 O- in 5 to 15 integer units.

일 구현예에서, 상기 스트렙택틴은 4합체일 수 있다.In one embodiment, the streptactin may be a tetramer.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 스트렙택틴 접합된 양자점을 포함하는 단백질 표지용 조성물 및 스트렙택틴 접합된 양자점을 이용하는 단백질 표지방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a composition for labeling a protein comprising the quantum dots conjugated to streptactin and a method for labeling proteins using the quantum dots conjugated to streptactin are provided.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, (a) 양자점에 폴리에틸렌글리콜 링커를 포함한 비오틴을 수식하는 단계; 및 (b) 비오틴 수식된 양자점에 스트렙택틴을 접합시키는 단계를 포함하는 스트렙택틴 접합된 양자점의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) modifying biotin including a polyethylene glycol linker in the quantum dot; And (b) there is provided a method of manufacturing streptactin-conjugated quantum dots comprising the step of conjugating streptactin to the biotin-modified quantum dots.

일 구현예에서, 상기 단계(a)는 붕산염 버퍼 중에서 수행될 수 있다.In one embodiment, step (a) may be performed in a borate buffer.

일 구현예에서, 단계(a)에서 비오틴 : 양자점의 반응 비율은 20 ~ 30일 수 있다.In one embodiment, the reaction ratio of biotin: quantum dots in step (a) may be 20 to 30.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 비오틴 수식된 양자점은 농도 50 ~ 500 pM일 수 있다.In one embodiment, the biotin-modified quantum dots in step (b) may have a concentration of 50 to 500 pM.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 스트렙택틴은 비오틴 수식된 양자점 대비 100 ~ 20000배의 몰 농도 비율로 사용될 수 있다.In one embodiment, the streptactin of step (b) may be used in a molar concentration ratio of 100 to 20000 times that of biotin-modified quantum dots.

일 구현예에서, 단계(b)에서 BSA 및 트윈20이 추가로 첨가되어 수행될 수 있다.In one embodiment, in step (b), BSA and Tween 20 may be additionally added and performed.

본 발명에 의해, 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점은 형광현미경의 형광표지와 전자현미경의 구조지표가 동시 가능한 양자점(Qdot)을 항체-PEG(Ab-PEG)와 합성시킨 구조로서, 기존의 스트렙타비딘 결합 양자점에 비하여 약 1000배의 친화성 증가를 나타내어, 연계형 현미경 기법과 면역전자현미경(Immuno-electron microscopy)에서 분자 이미징에서의 표적 단백질의 표지를 위한 기술로 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다.According to the present invention, the streptactin-conjugated quantum dot having a quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin structure is a quantum dot (Qdot) capable of simultaneous fluorescent labeling of a fluorescence microscope and structural indicators of an electron microscope, and antibody-PEG (Ab-PEG). ), and it shows a 1000-fold increase in affinity compared to the existing streptavidin-binding quantum dots, so that the labeling of the target protein in molecular imaging is performed by linked microscopy technique and Immuno-electron microscopy. It turns out that it can be used as a technique for

따라서, 본 발명의 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점, 이의 단백질 표지 용도 및 이의 제조방법은 단백질 재조합 및 생명공학 분야에서 단백질 표지 및 분자 이미징화 기술로 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dot having the structure of the present invention, its use for protein labeling, and its preparation method are useful as protein labeling and molecular imaging technology in the field of protein recombination and biotechnology. Can be used.

도 1은 양자점 표면의 카르복실기에 구조비개입 크로스링커(zero-length crosslinker)인 EDC[1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide]를 이용하여 비오틴을 수식화하는 과정을 도식화한 것이다.
도 2는 스트렙택틴-기능화된 본 발명의 양자점 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 양자점에 비오틴 수식시 버퍼 조성 및 반응물 비율에 따른 젤 시프트 어세이(gel shift assay) 결과를 나타낸 것으로서, 버퍼로서 PBS를 사용한 경우(a), 붕산염(borate) 버퍼 및 MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) 버퍼를 사용한 경우(b)이고, 250 nM 카복실 양자점 625에 3,000배 많은 EDC를 사용하여 수식화하는 단계에서 양자점에 대한 비오틴의 반응 비율(25 ~ 500 배)을 조절하면서 양자점 표면에 실제로 결합하는 비오틴 양의 변화를 HABA assay(HABA/avidin reagent, Sigma)를 통해 확인한 결과(c)이다.
도 4는 비오틴 수식된 양자점에 스트렙택틴 접합시킨 결과를 젤 시프트 어세이로 확인하여 스트렙택틴 단백질 접합이 이루어졌음을 확인한 결과이다. 접합 반응은 50 mM 붕산염, pH 8.3 버퍼에서 진행하였으며, 반응 시 양자점의 농도는 100 pM로 진행하였고 스트렙택틴은 결합된 비오틴 대비 500배의 몰 농도 비율로 반응시켰으며, 안정적인 반응을 위해 용액에 2 mg/ml BSA(bovine serum albumin)와 0.05% 트윈-20(Tween-20)을 첨가하여 진행하였다.
도 5는 (a) 종래의 스트렙타비딘-비오틴 결합 양자점(시판 물질, A10196, Thermo)을 이용하여 얻은 세포의 형광 이미지, (b) 본 발명의 기능화된 양자점[폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 결합 양자점]을 이용하여 얻은 세포의 형광 이미지, (c) 본 발명의 기능화된 양자점을 이용하여 얻은 면역전자현미경(Immuno-electron microscopy) 이미지이다.
1 is a schematic diagram of a process of formulating biotin using EDC [1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide], which is a zero-length crosslinker in a carboxyl group on the surface of a quantum dot.
Figure 2 schematically shows the structure of a streptactin-functionalized quantum dot conjugate of the present invention.
3 shows the results of a gel shift assay according to the buffer composition and reactant ratio when biotin is modified in quantum dots. When PBS is used as a buffer (a), a borate buffer and MES (2-( In the case of using N-morpholino)ethanesulfonic acid) buffer (b), in the step of formulating using 3,000 times more EDC for 250 nM carboxyl quantum dots 625, while controlling the reaction ratio of biotin to the quantum dots (25 ~ 500 times) This is the result of confirming the change in the amount of biotin actually bound to the surface through the HABA assay (HABA/avidin reagent, Sigma) (c).
4 is a result of confirming the result of conjugation of streptactin to biotin-modified quantum dots using a gel shift assay to confirm that the conjugation of streptactin protein was achieved. The conjugation reaction was carried out in 50 mM borate, pH 8.3 buffer, and the concentration of the quantum dots was 100 pM during the reaction, and the streptactin was reacted at a molar ratio of 500 times compared to the bound biotin. This was carried out by adding mg/ml bovine serum albumin (BSA) and 0.05% Tween-20.
5 is a fluorescence image of cells obtained using (a) conventional streptavidin-biotin-binding quantum dots (commercial material, A10196, Thermo), (b) functionalized quantum dots of the present invention [polyethylene glycol linker-biotin-streptactin Fluorescence images of cells obtained using [Coupled Quantum Dots], (c) Immuno-electron microscopy images obtained using the functionalized quantum dots of the present invention.

본 명세서에서, "스트렙택틴(streptactin)"이라 함은 스트렙트아비딘(streptavidin)의 유사체로서 올리고머 돌연변이체 스트렙타비딘을 의미하며, 스트렙-택틴®(Strep-Tactin®)으로 상업적으로 시판되고 있다. 비오틴에 강한 결합력을 갖는 단백질이다.In the present specification, the term "streptactin" refers to an oligomeric mutant streptavidin as an analog of streptavidin, and is commercially available as strep-tactin ® (Strep-Tactin ® ). It is a protein that has strong binding power to biotin.

본 발명의 일 측면에 따라, 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점이 제공된다. According to an aspect of the present invention, a quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dot having a streptactin structure is provided.

본 발명에서 사용되는 양자점(Quantum dot, QD)은 통상적으로 사용되는 양자점을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 QD 625를 사용할 수 있다. 본 발명의 스트렙택틴 접합된 양자점은 양자점-PEG-비오틴-스트렙택틴의 구조로 이루어진 기능화 양자점으로서, 상기 폴리에틸렌글리콜 링커는 -CH2CH2O-를 5 내지 15 정수 단위, 바람직하게는 9 내지 13 정수 단위, 가장 바람직하게는 11 정수 단위로 갖는 것일 수 있다. 또한, 상기 스트렙택틴은 4합체일 수 있다.Quantum dots (QD) used in the present invention may use commonly used quantum dots, preferably QD 625. The streptactin-conjugated quantum dot of the present invention is a functionalized quantum dot composed of a structure of quantum dot-PEG-biotin-streptactin, and the polyethylene glycol linker contains -CH 2 CH 2 O- in 5 to 15 integer units, preferably 9 to 13 It may have an integer unit, most preferably 11 integer units. In addition, the streptactin may be a tetramer.

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 스트렙택틴 접합된 양자점을 포함하는 단백질 표지용 조성물 및 스트렙택틴 접합된 양자점을 이용하는 단백질 표지방법이 제공된다. 본 발명의 QD-PEG-비오틴-스트렙택틴의 구조로 이루어진 기능화 양자점은 기존의 스트렙타비딘 결합 양자점에 비하여 약 1000배의 친화성 증가를 나타내어 단백질 재조합 및 검출/이미징 기술 분야 등에 유용하게 사용될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a composition for labeling a protein comprising the quantum dots conjugated to streptactin and a method for labeling proteins using the quantum dots conjugated to streptactin are provided. The functionalized quantum dots made of the structure of the QD-PEG-biotin-streptactin of the present invention exhibit an affinity increase of about 1000 times compared to the existing streptavidin-binding quantum dots, and thus can be usefully used in the field of protein recombination and detection/imaging technology. .

본 발명의 또 다른 측면에 따라, (a) 양자점에 폴리에틸렌글리콜 링커를 포함한 비오틴을 수식하는 단계; 및 (b) 비오틴 수식된 양자점에 스트렙택틴을 접합시키는 단계를 포함하는 스트렙택틴 접합된 양자점의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) modifying biotin including a polyethylene glycol linker in the quantum dot; And (b) there is provided a method of manufacturing streptactin-conjugated quantum dots comprising the step of conjugating streptactin to the biotin-modified quantum dots.

본 발명의 제조방법에서는 카복실 QD와 EDC 그리고 아민(amine)-PEG-비오틴의 화학적 결합 반응을 진행하고, 비오틴이 수식화된 QD에 스트렙택틴 단백질을 붙이는 과정을 진행하여 스트렙택틴 접합된 양자점을 제조할 수 있다. QD는 바람직하게는 QD 625를 사용할 수 있으며, 각 반응 단계에서의 최적의 버퍼 조성 및 반응물 비율을 결정하여 수행할 수 있고, 제조된 최종 양자점에 스트렙택틴 단백질이 접합되었는지 여부는 젤 시프트 어세이를 이용하여 확인할 수 있다.In the manufacturing method of the present invention, a chemical binding reaction between carboxyl QD and EDC and amine-PEG-biotin is performed, and a process of attaching a streptactin protein to the biotin-modified QD is performed to prepare streptactin-conjugated quantum dots. I can. QD is preferably QD 625, and can be performed by determining the optimum buffer composition and reactant ratio in each reaction step, and whether or not streptactin protein is conjugated to the prepared final quantum dot is determined by using a gel shift assay. Can be used to check.

일 구현예에서, 상기 단계(a)는 붕산염 버퍼 중에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1~50 mM 붕산염(borate), pH 7.0 ~ 7.8 버퍼에서 수행될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 mM 붕산염(borate), pH 7.4 버퍼에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the step (a) may be performed in a borate buffer, preferably 1 to 50 mM borate, pH 7.0 to 7.8, and more preferably 10 mM borate ( borate), pH 7.4 buffer.

일 구현예에서, 단계(a)에서 비오틴 : 양자점의 반응 비율은 20 ~ 30일 수 있다.In one embodiment, the reaction ratio of biotin: quantum dots in step (a) may be 20 to 30.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 비오틴 수식된 양자점은 농도 50 ~ 500 pM일 수 있다.In one embodiment, the biotin-modified quantum dots in step (b) may have a concentration of 50 to 500 pM.

일 구현예에서, 단계(b)의 상기 스트렙택틴은 비오틴 수식된 양자점 대비 100 ~ 20000배의 몰 농도 비율로 사용될 수 있다. 이러한 경우에 반응 과정 중 스트렙택틴의 4합체 구조로 인하여 발생되는 양자점끼리의 응집현상을 방지할 수 있다.In one embodiment, the streptactin of step (b) may be used in a molar concentration ratio of 100 to 20000 times that of biotin-modified quantum dots. In this case, it is possible to prevent the agglomeration of quantum dots generated due to the tetramer structure of streptactin during the reaction process.

일 구현예에서, 단계(b)에서 BSA 및 트윈20이 안정화제로서 추가로 첨가되어 반응이 수행될 수 있다.In one embodiment, in step (b), BSA and Tween 20 are additionally added as stabilizers to carry out the reaction.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

1. 스트렙택틴 접합된 양자점의 제조1. Preparation of streptactin-conjugated quantum dots

(1) 카복실 양자점(QDot) 표면의 비오틴 수식화(1) Formulation of biotin on the surface of carboxyl quantum dots (QDot)

카복실 양자점 625(Qdot ITK carboxyl quantum dot 625, Invitrogen) 표면의 카르복실기와 PEG 링커를 갖는 비오틴(Amine-PEG11-biotin, Thermo)의 아미노기 사이의 화학적 결합 반응을 크로스링커(zero-length crosslinker)인 EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide, Thermo)를 이용하여 수행하였다(도 1 참조). 이 과정에서 각 재료들이 안정적으로 존재하며 반응이 잘 일어나는 최적의 버퍼를 알아내었고, 최종적으로 10 mM 붕산염(borate), pH 7.4 버퍼를 선정하였다.The chemical bonding reaction between the carboxyl group on the surface of the Qdot ITK carboxyl quantum dot 625 (Invitrogen) and the amino group of biotin (Amine-PEG 11 -biotin, Thermo) having a PEG linker was carried out as a crosslinker, EDC It was carried out using (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide, Thermo) (see Fig. 1). In this process, each material stably exists and an optimal buffer in which the reaction occurs well was found, and finally, a buffer of 10 mM borate and pH 7.4 was selected.

상기 버퍼 조건에서, 250 nM 카복실 양자점 625에 3,000배 많은 EDC를 사용하여 수식화하는 비오틴 : 양자점의 반응 비율(25 ~ 500 배)을 조절하면서 양자점 표면에 실제로 결합하는 비오틴 개수의 변화를 HABA assay(HABA/avidin reagent, Sigma)를 통해 확인하였다. 반응 시간은 상온에서 2시간 동안 수행하였으며, 이후 반응에 참여하지 않은 비오틴을 제거하기 위해 원심분리기를 이용하여 필터[Nanosep-100 K filter (Pall)]로 5번 세척하였다. 세척시 사용한 용액은 50 mM 붕산염(pH 8.3) 버퍼로서, 이 버퍼로 세척할 때 필터 표면에 양자점이 들러붙지 않고 안정적으로 세척된다는 것을 확인하였다. 반응이 완료된 비오틴-양자점은 빛을 차단하여 4 ℃에 보관하였다.In the above buffer conditions, biotin formulated using 3,000 times as many EDCs in 250 nM carboxyl quantum dots 625: while controlling the reaction ratio (25 to 500 times) of the quantum dots, the change in the number of biotin actually bound to the quantum dot surface was determined by HABA assay (HABA). /avidin reagent, Sigma). The reaction time was carried out for 2 hours at room temperature, and then washed 5 times with a filter [Nanosep-100 K filter (Pall)] using a centrifuge to remove biotin that did not participate in the reaction. The solution used for washing was a 50 mM borate (pH 8.3) buffer, and when washing with this buffer, it was confirmed that quantum dots did not adhere to the filter surface and were stably washed. The biotin-quantum dot after the reaction was completed was stored at 4 °C by blocking light.

(2) 비오틴으로 수식화된 양자점과 스트렙택틴(streptactin) 단백질의 접합(2) Biotin-modified quantum dots and streptactin protein conjugation

다음으로 비오틴이 수식화된 양자점에 스트렙택틴 단백질을 고정화시키는 단계를 진행하였다(도 2 참조). 스트렙택틴은 스트렙트아비딘(streptavidin)의 유사체로 비오틴에 강한 결합력을 갖는 단백질이다. 반응 과정 중 스트렙택틴의 4합체 구조로 인하여 양자점끼리의 응집현상이 발생하였고, 이를 방지하기 위하여 반응 조건을 최적화하였다. 반응은 50 mM 붕산염, pH 8.3 버퍼에서 진행하였으며, 반응 시 양자점의 농도는 100 pM로 진행하였고 스트렙택틴은 결합된 비오틴 대비 500배의 몰 농도 비율로 반응시켰다. 안정적인 반응을 위해 용액에 2 mg/ml BSA와 0.05% Tween-20을 첨가하였다. 반응은 교반기를 이용하여 양자점 용액을 서서히 떨어뜨리면서 상온에서 1시간 반응 후, 교반기 없이 4 ℃에서 밤새 보관하였다. 이후, 반응에 참여하지 않은 스트렙택틴을 제거하기 위해 원심분리기를 이용하여 필터[Nanosep-100 K filter (Pall)]로 4번 세척하였다. 사용한 세척 버퍼는 50 mM 붕산염, pH 8.3에 2 mg/ml BSA와 0.05% Tween-20이 첨가된 버퍼이며 최종적으로 만들어진 스트렙택틴-양자점 접합체의 보관 용액은 50 mM 붕산염, pH 8.3에 130 mM NaCl이 들어있는 버퍼이다. 세척이 끝난 용액은 0.22 μm centrifugal filter(Millipore)를 이용하여 필터링 해준 뒤 빛을 차단하여 4 ℃에 보관하였다.Next, the step of immobilizing the streptactin protein on the biotin-modified quantum dots was performed (see FIG. 2). Streptactin is an analog of streptavidin, a protein that has a strong binding power to biotin. During the reaction process, an aggregation phenomenon occurred between quantum dots due to the tetramer structure of streptactin, and the reaction conditions were optimized to prevent this. The reaction was carried out in 50 mM borate, pH 8.3 buffer, the concentration of the quantum dots during the reaction was carried out at 100 pM, and streptactin was reacted at a molar ratio of 500 times that of the bound biotin. For stable reaction, 2 mg/ml BSA and 0.05% Tween-20 were added to the solution. The reaction was carried out for 1 hour at room temperature while gradually dropping the quantum dot solution using a stirrer, and then stored overnight at 4° C. without a stirrer. Thereafter, in order to remove streptactin that did not participate in the reaction, it was washed four times with a filter [Nanosep-100 K filter (Pall)] using a centrifuge. The washing buffer used was 50 mM borate, pH 8.3 with 2 mg/ml BSA and 0.05% Tween-20 added. This is the buffer that contains. The washed solution was filtered using a 0.22 μm centrifugal filter (Millipore), and then the light was blocked and stored at 4°C.

(3) 젤 시프트 어세이(gel shift assay)(3) gel shift assay

각 반응이 잘 진행되었는지를 젤 시프트 어세이를 통해서 확인하였다. 0.5% 아가로오즈(agarose, Lonza), 0.5 X TBE 젤을 이용하여 100 V에서 20 분간 전개시킨 뒤 양자점의 형광을 젤로 확인함으로써 반응 여부를 확인하였다.Whether each reaction proceeded well was confirmed through a gel shift assay. Using 0.5% agarose (Lonza), 0.5 X TBE gel, it was developed at 100 V for 20 minutes and then the fluorescence of the quantum dots was checked with a gel to confirm the reaction.

도 3의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 3가지 버퍼 중 PBS, MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) 버퍼에서는 비오틴 수식화가 일어나지 않았고 붕산염 버퍼에서만 진행되는 것을 확인하였다. 이것은 버퍼 상의 양자점의 안정성, 그리고 반응 효율이 높은 pH등이 영향을 준 것으로 보인다.As shown in (a) and (b) of FIG. 3, it was confirmed that biotin formulation did not occur in PBS and MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) buffer among the three buffers, and proceeded only in the borate buffer. This seems to have been influenced by the stability of the quantum dots in the buffer and the pH with high reaction efficiency.

(4) 비오틴 : 양자점 비율에 따라 결합된 비오틴의 양 조절(4) Biotin: Adjusts the amount of biotin bound according to the quantum dot ratio

비오틴 : 양자점 비율이 25 ~ 500 배로 높아질수록 그에 따른 결합된 비오틴의 개수도 많아지면서 젤 시프트 정도가 비례하여 일어나는 결과가 도 3의 (c)에 나타나 있다. HABA 어세이를 통해 반응 비율의 약 50%가 실제로 양자점에 결합하는 것을 알 수 있었다. 이후 반응에서는 비오틴을 25배의 반응 비율로 고정하여 수행하였다.As the biotin: quantum dot ratio increases to 25 to 500 times, the number of bound biotin increases accordingly, and the result that the gel shift degree is proportional is shown in FIG. 3(c). The HABA assay revealed that about 50% of the reaction rate actually binds to the quantum dots. In the subsequent reaction, biotin was fixed at a reaction rate of 25 times.

(5) 스트렙택틴 접합된 양자점의 제작(5) Fabrication of streptactin-conjugated quantum dots

최적화된 반응 조건으로 진행했을 시, 응집 현상 없이 스트렙택틴-양자점이 잘 만들어지는 것을 젤 시프트를 통하여 확인하였다(도 4 참조). 스트렙택틴 단백질의 크기로 인해 상대적으로 큰 젤 시프트를 확인할 수 있다. 또한, 원 밴드로 균일하게 잘 만들어 진다는 것도 알 수 있다.When proceeding with the optimized reaction conditions, it was confirmed through gel shift that streptactin-quantum dots were well made without aggregation (see FIG. 4). A relatively large gel shift can be confirmed due to the size of the streptactin protein. In addition, it can be seen that it is made well uniformly with a circle band.

2. 형광 표지 및 면역전자현미경 이미징 결과2. Fluorescent labeling and immunoelectron microscopy imaging results

상기 제작된 스트렙택틴-양자점을 이용하여 세포의 형광 이미지와 면역전자현미경(Immuno-electron microscopy) 이미징 작업을 수행하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 비교군으로서 종래의 스트렙타비딘-비오틴 결합 양자점(시판 물질, A10196, Thermo)을 이용하여 세포의 형광 이미지를 얻었다. 도 5의 형광 이미지는 표적물질과 스트렙택틴-양자점 간의 결합 후, 5회 세척한 후의 결과이다.Fluorescent images and immunoelectron microscopy (Immuno-electron microscopy) imaging of cells were performed using the prepared streptactin-quantum dot, and the results are shown in FIG. 5. Fluorescent images of cells were obtained using conventional streptavidin-biotin-coupled quantum dots (commercial material, A10196, Thermo) as a comparative group. The fluorescence image of FIG. 5 is the result of washing 5 times after binding between the target material and streptactin-quantum dot.

도 5에 나타난 바와 같이, 현재 시판되고 있는 스트렙타비딘-비오틴 결합 양자점(시판 물질, A10196, Thermo)을 사용하여 얻은 세포의 형광 이미지(a)는 세포내외 전반적으로 비특이적 상호작용(non-specific interaction)으로 인해 형광 이미지에서 표적 단백질을 명확히 구분하기 어렵다는 것을 알 수 있다. 반면에, 본 발명의 스트렙택틴-양자점을 사용한 형광 이미지(b)에서는 표적 단백질의 타겟 이미징 지점(흰색 화살표로 표시함)을 명확히 확인할 수 있으며, 더 높은 배율로 얻은 면역전자현미경(Immuno-electron microscopy, Immuno-EM) 결과(c)에서는 미토콘드리아 주변에 양자점이 존재하는 것(흰색 화살표로 표시된 검은색 점)과 양자점 주변의 전자 밀도(electron density)를 통해 표적 단백질이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in Figure 5, the fluorescence image (a) of cells obtained using the currently commercially available streptavidin-biotin-binding quantum dots (commercial material, A10196, Thermo) is a non-specific interaction within and outside the cell. ), it can be seen that it is difficult to clearly distinguish the target protein from the fluorescence image. On the other hand, in the fluorescence image (b) using the streptactin-quantum dot of the present invention, the target imaging point (indicated by the white arrow) of the target protein can be clearly identified, and the immunoelectron microscopy (Immuno-electron microscopy) obtained at a higher magnification , Immuno-EM) In the result (c), it was confirmed that the target protein was present through the presence of quantum dots around the mitochondria (black dots indicated by white arrows) and electron density around the quantum dots.

Claims (11)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점을 포함하는 단백질 표지용 조성물.Quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dots having a streptactin structure for labeling proteins. 양자점-폴리에틸렌글리콜 링커-비오틴-스트렙택틴 구조를 갖는 스트렙택틴 접합된 양자점을 이용하는 단백질 표지방법.Quantum dot-polyethylene glycol linker-biotin-streptactin-conjugated quantum dots having a streptactin structure. (a) 양자점에 폴리에틸렌글리콜 링커를 포함한 비오틴을 수식하는 단계; 및
(b) 비오틴 수식된 양자점에 스트렙택틴을 접합시키는 단계
를 포함하는 제4항 조성물의 제조방법.
(a) modifying biotin containing a polyethylene glycol linker in the quantum dots; And
(b) conjugating streptactin to biotin-modified quantum dots
The method of manufacturing the composition of claim 4 comprising a.
제6항에 있어서, 단계(a)가 붕산염 버퍼 중에서 수행되는 것을 특징으로 하는 제4항 조성물의 제조방법.The method of claim 6, wherein step (a) is carried out in a borate buffer. 제6항에 있어서, 단계(a)에서 비오틴 : 양자점의 반응 비율이 20 ~ 30 : 1인 것을 특징으로 하는 제4항 조성물의 제조방법.The method of claim 6, wherein the reaction ratio of biotin: quantum dots in step (a) is 20 to 30:1. 제6항에 있어서, 단계(b)의 상기 비오틴 수식된 양자점이 농도 50 ~ 500 pM인 것을 특징으로 하는 제4항 조성물의 제조방법.The method of claim 6, wherein the biotin-modified quantum dots in step (b) have a concentration of 50 to 500 pM. 제6항에 있어서, 단계(b)의 상기 스트렙택틴이 비오틴 수식된 양자점 대비 100 ~ 20000배의 몰 농도 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 제4항 조성물의 제조방법.The method of claim 6, wherein the streptactin in step (b) is used in a molar concentration ratio of 100 to 20000 times that of biotin-modified quantum dots. 제6항에 있어서, 단계(b)에서 BSA 및 트윈20이 추가로 첨가되어 수행되는 것을 특징으로 하는 제4항 조성물의 제조방법.The method of claim 6, wherein in step (b), BSA and Tween 20 are additionally added and performed.
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