DNA-grafted Hydrogel for Sensing Bi-stimuli of Homeostasis

Abstract

평균 수명이 증가함에 따라 건강에 대한 관심이 높아지면서 개인의 건강 상태를 알고 질병을 예방하는 것에 대한 중요성이 강조되고 있다. 이에 항상성을 확인하는 바이오센서에 대한 연구들이 이루어져 왔고, 그 중에서도 차세대 바이오센서로 DNA 하이드로젤 바이오센서에 대한 연구가 진행되고 있다. 지금까지 연구된 DNA 하이드로젤 바이오센서는 체내 항상성의 지표로 나타나는 온도 및 pH, 이온 농도, 체내 물질 등에 대한 감지 기능을 갖추고 있다. 그러나 신체에서 일어나는 일들은 독립적으로 일어나지 않기에, 단일 지표로는 읽어낼 수 없는 영역들에 대해서 다중 자극 감응 센서의 필요성이 요구된다. 지금까지 연구된 다중 물질 감지가 가능한 DNA 하이드로젤 바이오센서의 경우 특정 pH 및 온도에서 감응하는 센서나 두가지의 온도에서 감응하는 센서 등이 있으나, 복잡한 기전에 대한 감지 능력을 가진 센서에 대한 연구는 매우 부족한 상황이다. 앞서 언급한 다양한 자극 중에서도, 가장 기본적인 건강의 지표인 pH와 이와 관련된 자극에 의한 질병에 대해 관심을 가지고 보았다. 우리 몸은 혈중 pH가 낮아져 산성화가 됨에 따라 항상성으로 염기성화의 역할을 하는 칼슘 이온의 혈중 농도가 높아지게 되는 현상이 나타난다. 일반적으로 건강한 상태라면 다시 pH 균형을 찾아가지만, 신장의 기능장애로 인해 신세관산증 (RTA, Renal tubular acidosis)이 일어나게 되면 혈중 pH가 낮은 상태의 지속화로 혈중 칼슘 농도 또한 높은 상태로 유지되게 되고, 이는 자연스레 혈중 및 소변 내 pH와 칼슘 농도에도 영향을 주게 된다. 결과적으로 신장 내의 고농도의 칼슘은 신담석 등 신장의 기능을 떨어트리고 기관의 손상을 가져오는 결과를 초래하게 된다. 이에, 본 연구에서는 pH에 특화된 다중 물질 감응 센서로서 작용할 수 있는 DNA 하이드로젤을 제작하였다. 이러한 pH 변화를 감지하는 시스템은, pH 5~6에서 구조를 변형하는 i-motif라는 DNA로 이루어진 모노머와 칼슘에 대한 높은 반응성을 보이는 카르복실기로만 이루어진 소듐 아크릴레이트 모노머를 이용하여 pH 및 칼슘 이온에 둘다 감응하도록 디자인되었다. 이를 바탕으로, 아무런 자극이 없는 상태 (pH~7.4, Ca2+↓), pH만 자극으로 주어진 상태 (pH<7.4, Ca2+↓), 칼슘 이온만 자극으로 주어진 상태(pH~7.4, Ca2+↑), 그리고 pH와 칼슘 이온 모두가 자극으로 주어진 상태(pH<7.4, Ca2+↑)에서의 네 가지 상이 생길 것임을 예상하였다. 각 상태에서 각기 다른 상을 가짐을 확인하기 위하여 pH 및 칼슘 이온에 대한 감응성 테스트를 하였다. pH 감응성을 확인하기 위하여, 폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 (PAGE)을 통하여 중성과 산 조건에서 기능함을 확인한 후 동적광산란 (DLS)를 통하여 다양한 pH 조건에서 어떻게 나타나고 얼마나 민감하게 감응하는지 확인하였다. 마찬가지로 칼슘 이온 감응성 또한, PAGE를 통하여 칼슘 이온을 중심으로 일가 이온, 이가 이온, 삼가 이온 등 다양한 이온에 대한 감응성을 보았고, 추가적으로 이가 이온 중 칼슘 이온에 대한 선택성을 확인하기 위해 DLS를 통해 칼슘 이온에 대한 선택적 감응성을 확인하였다. 추가적으로, pH와 칼슘 이온이 둘다 주어졌을 때 앞선 조건들과 다른 상을 가지는지 확인하기 위하여, pH와 칼슘 이온이 모두 자극으로 주어지는 상태에서 DLS를 측정하였다. 그 결과 앞선 상태와 비교하여 모든 자극이 주어질 경우 가장 작은 크기 입자의 상을 이루는 것을 확인하였고, 이는 앞서 예상한 대로 이 시스템이 네 가지 상을 갖는 다는 것을 말한다. 본 연구를 통하여 다중 감응성 센서로서의 가능성을 확인하였다. 이를 기반으로 센서로서의 제대로 된 기능을 하기 위해서는, 실제 적용 가능한 범위에서의 pH 및 칼슘 이온 농도에 대한 최적화와 동시에 센서 플랫폼을 구축을 통한 전기적 신호의 데이터를 얻는 연구까지 진행되어야 할 것이다.

Biosensors for detecting homeostasis of body have drawn attention as interests in healthcare increased. Especially biosensors based on DNA hydrogel have been studied as a next generation biosensor taking advantages of homeostasis-friendly bio-targets such as temperature, pH, ion concentration, and biomolecules. However, for more specific detection of body functioning condition, biosensors are required to detect multi-stimuli in relations due to their bio-complexity in mechanisms, which is not satisfied by the previous studies. In this work, I synthesized sodium polyacrylate–graft-DNA(PANa-g-DNA) hydrogel via free radical polymerization as a one-pot-reaction. Two types of PANa-g-DNA copolymers were prepared, PANa-g-DNAi with i-motif sequence of DNA and PANa-g-DNAc with complementary sequence of DNA, and the gel was built by mixing the two types of prepared polymer solution. Intendedly, sodium polyacrylate (PANa) as a conducting anionic polymer backbone was used for responding calcium ion, and DNA as a cross-linker moiety for responding pH, so that the gel responses in high concentration of calcium ion or acidic condition respectively. The PANa-g-DNA copolymers were described by gel permeation chromatography (GPC) and nuclear magnetic resonance (NMR). Then the sol-gel transition properties of the hydrogel as responding to stimuli of pH and calcium ion were investigated by polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE), and dynamic light scattering (DLS). Finally, the performance of gel in both calcium ion and acidic conditions were checked. I found the bi-stimuli responsive DNA hydrogel having four different phases according to normal condition, acidic condition, high calcium ion condition, and acidic and high calcium condition.