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단일가닥 DNA분자, DNA aptamer를 이용한 코카인, 헤로인, 펜타닐 분자의 검출
앱타머(Aptamer)는 특정한 분자에 결합하는 짧은 단일 가닥 DNA나 RNA 또는 유사 뉴클레오타이드 XNA를 말합니다. 길이는 20에서 100개 염기 정도로 다양하며 결합하는 물질에 따라 염기서열도 다양하죠. Aptamer를 골라내는 과정은 마치 진화과정을 연상캐 하는데요. Random한 염기서열을 갖는 DNA나 RNA 분자를 표적 분자에 결합시켜 그 중 잘 결합하는 DNA, RNA분자들만을 골라내는 것입니다. 즉, 표적 분자를 컬럼 bead나 플라스틱 표면, 또는 Nitrocellulose 필터 등에 붙인 후 여기에 random sequence를 가진 DNA나 RNA 혼합액을 흘려 그 중 표적 분자에 붙는 것만 모아 다시 PCR을 통해 증폭하고 이를 다시 컬럼에 통과시켜 더 잘 붙는 염기서열이 증폭되도록 하는 것입니다. 이 과정을 Systematic Evolution of Lignads by EXponential enrichment (SELEX)라고 하며 1990년대 처음으로 도입되어 이제 아래 글에서 소개했듯이 아주 유용한 aptamer들을 발견(?)하게 된 것이죠. Aptamer의 아이디어는 무려 1967년으로 거슬러 올라갑니다. RNA로 만들어진 효소, ribozyme이 가능한지 알아보기 위해 random sequence를 가진 다양한 RNA분자를 만들기 시작한 것이 시초라고 할 수 있습니다. 이후 aptamer가 완성되기 까지 수 많은 아이디어와 실험들이 진행된 것은 말할 필요도 없겠지요. 단백질이 아니고 DNA로 만들어졌다는 것은 안정성을 높이고 다른 분자 들과의 결합 가능성을 낮추어 특정 분자의 유무를 검출하는 도핑검사이나 진단 분야에 획기적인 발전을 줄 것으로 기대됩니다. 또한 아직 개발의 여지가 많이 남아 있는 분야라는 생각이 드는 군요.
DNA 앱타머를 이용한 코카인, 헤로인, 그리고 펜타닐의 검출법-다른 약품과 섞여 있을 때도 가능하다.
North Carolina State University의 연구자들은 고성능 DNA aptamer를 이용한 코카인(cocain)과 다른 아편계 약물(opioid)에 대한 새로운 검출법을 개발했다. 이 검출기는 약품에 선택적이며 적은 양의 펜타닐(fentanyl), 헤로인(heroin), 그리고 코카인이 다른 약물과 섞여 있어도 감지할 수 있다. 이 검출기의 용도는 건강 관련업 종사자는 물론 법집행인 들에게도 매우 유용할 것이다.
“이 작업은 건강관련업이나 법집행부처에서 요구하는 개선된 검출법을 제공해줄 것입니다.”NC State의 화학과 부교수이며 이를 발표한 논문 2편의 공저자 이기도 한 Yi Xiao의 말이다.
“예를 들면 법집행기관에서 검출에 사용하고 있는 방법은 100년 가까이 오래된 화학반응을 통해 이루어지며 이는 선택성이 떨어져 그들이 확인하고자 하는 화합물이 아닐 수도 있다는 겁니다.” Xiao가 말을 이었다.
“그리고 현재 사용중인 코카인에 대한 aptamer는 선택적이지도 민감하지도 않아 혈액과 같은 생체조직에서 임상수준의 양을 검출할 수가 없슴니다. 하지만 우리가 개발한 검출기는 혈액내 코카인을 nanomolar 수준(이는 마이크로몰의 1/1000에 해당하는 농도이다)에서 검출할 수 있다는 거죠.”
각각 Journal of the American Chemical Society(JACS)와 JACS au에서 볼 수 있는 두 연구 결과에서, Xiao는 코카인, 헤로인, 코데인(codein), 펜타닐 그리고 다른 불법 약품들에 대한 aptamer-기반 검출기를 개발해 냈다.
앱타머(Aptamer)는 짧은 단일 가닥의 DNA 또는 RNA사슬로 특정 분자와 선택적으로 높은 친화력으로 결합한다. 즉, 다른 분자와는 결합하지 않는다는 것을 의미한다. 이 연구자들은 흥미를 갖는 물질을 임의로 만들어진 DNA 서열에 붙여보는 것으로 이 연구를 시작했다. 이렇게 어떤 aptamer가 이들 분자에 결합하는지 알아봤다.
“우리는 이 과정을 ‘bio-panning’이라고 불렀어요 왜냐하면 이건 강에서 금을 찾기 위해 강바닥 침전물을 후라이팬을 이용해 체질 하는 것과 비슷했기 때문이죠.” NC Satae의 대학원생이며 논문의 공동저자인 Obtin Alkhamis의 말이다. “일단 결합한 것과 결합하지 않은 것을 분리하면, 선택적으로 원하는 분자에만 결합하는지 확인하기 위해 그 aptamer를 다른 방해가 되는 분자들과 결합하는지 아주 심할 정도로 조사한 겁니다.”
그리고 이렇게 선택된 aptamer를 약물 복합체, 알약 그리고 혈액 등에 결합하는지 검사했다. 혹시 다른 약물이나 단백질등에 결합하는지 확인해본 것이다.
Xiao의 연구진은 혈청내 10 nanomolar (약 30 nanogram/mL의 농도) 수준의 cocaine을 검출하는데 성공하였다. 이는 예전에 50% 혈청액 속에 최저 10 micromolar 농도의 코카인을 검출할 수 있었던 과거의 aptamer보다 1000배 정도 민감한 것이다.
이에 더해 University of California Santa Barbara의 협력팀은 이 aptamer를 전극에 삽입할 수 있었고 이를 이용해 쥐의 혈액내 (정맥) 약물 농도를 10초 간격으로 실시간으로 측정할 수 있었다. 이는 남용 약물의 약물학적 측정이 가능하게 된 최초의 연구라고 할 수 있다.
아편-특이적 aptamer는 발색반응에 활용되어 용액내 헤로인, 옥시코돈(oxycodone) 등을 0.5 micromolar농도까지 측정할 수 있었다. 발색반응 정량은 표적 물질에 결합하면 색이 바뀌는 것이다. 이 정량법은 아편계물질이 복잡한 화학매질(알약이나 의약품 복합물 등)에 있어도 수 초 안에 검출할 수 있다.
비교하자면, 법조계에서 사용하는 “Marquis test”는 다른 화합과 섞여 있는 경우 아편을 검출할 수 없다.
이 연구자들은 이 aptamer가 건강분야나 법조계에 유용하게 활용될 것이라고 믿는다.
“이 aptamer들은 대량 생산이 가능합니다. 또한 보관 기간도 길고, 화학적 변형도 용이하여 개발중인 검출기에 쉽게 적용시킬 수 있습니다.” Xiao의 말이다. “이 물질들은 시험용지에 묻힐 수도 있어 현장에서 일하는 경찰들이나 가정에서나 또는 의사들이 환자에 대해서도 사용이 가능하게 만들 수 있죠.”
“임상 수준에서의 검출이 가능하기 때문에 응급실에서 환자가 어떤 약물을 복용 또는 투약했는지 피 한 방울로 알 수 있습니다. 예전에는 혈액을 채취하고 실험실에 보내야 가능했던 일이죠.” Alkhamis의 말이다. “사용 가능성에 정말 흥분됩니다.”
<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
DNA aptamer drug sensors can instantly detect cocaine, heroin and fentanyl—even when combined with other drugs (2024, March 4) retrieved 8 March 2024 from https://medicalxpress.com/news/2024-03-dna-aptamer-drug-sensors-instantly.html
<원 기사의 refences>
More information: Obtin Alkhamis et al, High-Affinity Aptamers for In Vitro and In Vivo Cocaine Sensing, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c11350
Juan Canoura et al, Developing Aptamer-Based Colorimetric Opioid Tests, JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.3c00801
