KR100557206B1 - 컴퓨터의 디지털 방식 인식을 위한 올리고뉴클레오타이드프로브 어레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ⅰ) 컴퓨터로 판독되는 표본 DNA의 신원확인을 위한 정보를 나타내는, 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소를 포함한 어레이의 라벨 부분; 및 ⅱ) 적어도 100∼100,000 열로 구성되고, 각각의 열 내에는 4개 컬럼의 프로브 어레이를 포함하고, 각각의 컬럼은 2개의 심볼 즉, 컴퓨터에 의해 디지털 방식으로 인식되기 위한 검출가능 마커를 지닌 대조군 심볼과 각 컬럼 내에서 점돌연변이를 검출하고자 하는 타겟 염기를 A C G T 로 치환시킨 5∼30 염기 길이의 올리고뉴클레오타이드 프로브로 구성된 하이브리디제이션 심볼로 이루어진 어레이의 로직 부분으로 구성된, 피험자의 DNA 표본의 점돌연변이를 검출하기 위한 솔리드 서포트 상의 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이에 관한 것이다.

디지털, 올리고뉴클레오타이드, 프로브, 어레이, 컴퓨터, 판독, 라벨, 로직

Description

컴퓨터의 디지털 방식 인식을 위한 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이{Arrays of oligonucleotide probes for digital recognition by computer}

본 발명은 컴퓨터의 디지털 방식 인식을 위해 표본 내 타겟 핵산에 포함된 특정한 핵산 서열을 검출하는 칩 상에 미세가공된 패턴으로 고정된 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이를 제공한다. 따라서 본 발명은 분자 상호작용의 성질에 의해 영향받는 화학, 생물학, 의학 및 의학 진단을 포함한 다양한 분야에 관련된다.

DNA 칩은 일반적으로 유전자 발현 또는 DNA 서열 차이의 검출을 위해 DNA 프로브를 이용하는 마이크로-어레이(micro-array) 기술로 정의된다.

프로브 분자는 단백질 또는 올리고뉴클레오타이드에 의해 대치될 수 있다. 이러한 경우 마이크로어레이는 바이오칩(biochip)으로 불린다. 따라서 바이오칩은 매우 농축된 방식으로 생체 분자의 검출을 위한 더욱 넓은 터미놀로지(terminology)를 포함한다. 일반적으로 DNA 칩은 용법과 사용된 프로브에 따라 ⅰ) c-DNA 칩 및 ⅱ) 올리고뉴클레오타이드-칩으로 분류될 수 있다.

최근 몇 년간 일반적으로 DNA 칩에 초점을 맞춰져서, 생물공학 분야, 특히 게노믹(genomics) 분야에 큰 진보가 있었다. 인간 게놈의 서열을 판명하는 인간 게놈 프로젝트가 거의 완성되었고, 인간 유전자의 서열에 대한 많은 정보 원료가 있다. 프로브가 매우 작은 공간에 점찍어 질 수 있고, 검출이 매우 높은 병렬 완성도로 쉽게 개조가능하게 보이기 때문에 즉, 많은 데이터가 동시다발적으로 생성되기 때문에 DNA 칩은 대규모 서열 정보의 검출을 위한 신규한 기술로서 나타나고 있다.

지금까지 DNA 칩은 수백 또는 수천 개의 프로브를 좁은 공간으로 옮기는 로봇 기계에 의해 또는 포토리토그래피(photolithography) 또는 전자 어레이와 같은 다른 방법에 의해 수행되었다. 그러나 이들이 사용하는 것이 무엇이든지 최종 생성물은 항상 동일하다.

칩 내에는 다트(dot)(점찍힌 구역)의 단순한 어레이가 있다. 이들 다트는 프로브가 그곳에 있고, 하이브리디제이션할 준비가 되어있음을 바로 나타낸다. 하이브리디제이션이 이루어지면 연구자는 그 스스로 패턴을 관찰하고, 하이브리디제이션 결과에 의미를 부여해야 한다.

연구자가 데이터를 재-구성하기 전까지는 이들 다트 자체가 어떤 문자상의 의미나 상징도 나타내지 않기 때문에 다트를 관찰한 후, 부여된 의미를 판독해야 한다. 하이브리디제이션이 이루어진 후 칩 내의 다트는 콘-포컬 레이저 스캐너(con-focal laser scanner)로 스캔되어야 한다. 또한 결과의 해석은 결과를 관찰한 연구사에 전부 달려있다.

이러한 절차는 실제로 지루한 작업이고, 이들 다트는 어떤 문자상의 의미도 지니지 않기 때문에 자동화 방식으로 만드는 것이 불가능하다.

본 발명의 목적은 ⅰ) 컴퓨터로 판독되는 표본 DNA의 신원확인을 위한 정보를 나타내는, 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소를 포함한 어레이의 라벨 부분; 및 ⅱ) 적어도 100∼100,000 열로 구성되고, 각각의 열 내에는 4개 컬럼의 프로브 어레이를 포함하고, 각각의 컬럼은 2개의 심볼 즉, 컴퓨터에 의해 디지털 방식으로 인식되기 위한 검출가능 마커를 지닌 대조군 심볼과 각 컬럼 내에서 점돌연변이를 검출하고자 하는 타겟 염기를 A C G T 로 치환시킨 5∼30 염기 길이의 올리고뉴클레오타이드 프로브로 구성된 하이브리디제이션 심볼로 이루어진 어레이의 로직 부분으로 구성된, 피험자의 DNA 표본의 점돌연변이를 검출하기 위한 솔리드 서포트 상의 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이를 제공하는 것이다.

피험자의 DNA 표본의 점돌연변이를 검출하기 위한 솔리드 서포트 상의 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이는 컴퓨터의 편리한 인식을 위해 둥근 디스켓의 형태 즉, CD-ROM의 형태로 제작될 수 있다.

물론 어레이의 라벨 부분은 컴퓨터의 디지털 방식 인식을 위해 바코드 형태로 구성될 수 있다.

또한 본 발명의 라벨 부분 및 로직 부분에 대한 정보는 컴퓨터에 의해 저장되거나 인터넷을 통해 다른 연구자들에게 전달될 수 있다.

도 1은 본 발명의 개발 전략을 나타내는 개략도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 디지털 DNA 칩의 구성의 예를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소를 포함한 라벨 부분의 코드 타입의 또다른 예를 나타낸 것이다.

도 4는 유전자 번호 및 본 발명의 로직 부분의 예를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 DNA 칩의 실시태양을 나타낸 것이다.

도 6은 하이브리디제이션 전 본 발명의 DNA 칩의 사진을 나타낸 것이다.

도 7은 하이브리디제이션 후 본 발명의 DNA 칩의 사진을 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시태양으로서의 둥근 형태의 DNA 칩을 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명의 둥근 형태의 DNA 칩 내의 구역 1, 구역 2 및 구역 3을 나타낸 것이다.

도 10은 본 발명의 컴퓨터에 의한 DNA 칩의 데이터 분석 및 해석을 나타낸 것이다.

본 발명에서 바코드 또는 단순한 논리 연산자와 같은 일부 심볼이 컴퓨터에 의해 판독되거나 디지털 방식의 정보로 해석되도록 프로브 다트의 집합에 의해 고안되고 구성된다.

디지털 방식에 있어서, 칩은 2개 부분 즉, 라벨 부분과 로직 부분으로 구성된다. 라벨 부분은 숫자 또는 디지털 방식의 정보로 해석되는 바코드에 의해 표현되는 반면 로직 부분은 단지 2개의 심볼 (+) 또는 (-)에 의해 표현될 수 있는 바코드 타입의 프로브에 의해 표현된다.

로직 부분에서 기본적으로 4개의 컬럼과 수백 또는 수천 개의 열로 이루어진다. 각각의 열은 한 컬럼 내에 2개의 심볼을 지닌 8개 심볼(8 비트)로 구성된다.

한 컬럼 내의 첫 번째 심볼은 하기 연산자 심볼을 결정하거나 제어하는 대조군 심볼이다. 이러한 심볼은 다음 심볼을 제어하도록 고안되었기 때문에 첫 번째 심볼은 하이브리디제이션 전에 고정된 (+) 또는 (-)의 역할을 한다. 또한 다음 심볼(연산자)은 하이브리디제이션 후 (+) 또는 (-)을 나타내도록 고안되었다. 이러한 사실은 메모리에 사용된 DRAM이 하나의 CMOS(첫 번째 심볼)과 하나의 카파시턴스(capacitance)(두 번째 심볼)로 구성되었음을 상기시킨다.

하이브리디제이션 후, 타겟의 유전 정보(일반적으로 환자의 DNA 서열)가 칩 상에서 분명해진다. 이러한 칩 내의 정보는 분리된 디지털 방식의 정보이기 때문에 정보는 판독될 수 있고, 아날로그에서 디지털로의 전환없이 기계 장치에 의해 디지털 방식의 정보를 번역될 수 있다.

따라서 정보를 번역해야하는 인간의 노력할 필요가 없다. 또한 판독 정보는 사진 파일이나 이미지 파일이 아닌 작은 메모리로서 세계의 어느 컴퓨터로도 전달될 수 있다. 우리는 우리의 디지털 방식으로서의 정보 저장 방법이 메모리 용량을 극적으로 감소시킨다고 믿는다.

이러한 실제적인 칩에 있어서, 우리는 서열번호, 바코드의 시작 및 끝을 포함한 메모리 부분에 일부 다른 파라미터를 포함한다. 또한 패리티(parity)(오류 보정)를 위한 코드가 있다. 물론 대부분의 부분은 앞서 설명한 바와 같이 2개의 심볼로 구성된다.

라벨 부분에서 우리는 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소를 포함한 바코드로서의 일부 아이템을 포함한다.

카탈로그 번호는 우리가 수행하는 칩의 종류를 나타낸다. 유전자 서열번호는 접근번호를 지닌 유전자의 명칭을 설명한다. 동일한 서열이 여러 연구자들에 의해 제출될 수 있기 때문에 접근번호는 중요하다. 따라서 다른 접근번호는 동일한 유전자 내에 존재한다. 또한 각각의 접근번호는 동일한 유전자더라도 다른 시작 번호를 지닌다.

ID 번호는 시험되는 사람을 확인하도록 쓰여진다. 하이브리디제이션 전 칩을 이용할 사람이 누구인지 모르기 때문에 ID 번호의 정보는 나중에 서버로 보내지게 되고 정보는 병합될 것이다.

명령어는 긴급 정보를 나타내는 짧은 프로그램을 지시한다. 칩의 제한된 공간 때문에 칩 내의 심볼은 서버 내에서 메인 프로그램을 보충하여 장치를 검출하는 짧은 메시지이다. 우리는 명령어의 하나의 예를 포함한다.

또한 궁극적인 유전 정보가 저장된 IP 주소에 대한 정보가 있다. 모든 정보는 디지털화되고, 메인 컴퓨터로 용이하게 보내지기 때문에 디지털 방식의 칩이 유전자 분석에 사용된다면 유전 정보의 손실은 없을 것이다.

어떤 실험적 데이터도 손실되지 않고, 데이터의 획득이 자동식이고, 긴급 정보가 칩 내에서 프로그램에 의해 실시간으로 표현되기 때문에 본 발명의 모든 설명이 실현된다면 우리는 유전 정보의 또다른 시대에 진입하게될 수 있다. 우리의 보관 데이터는 통상의 DNA 칩 기술에 의해 생성된 이미지 파일 또는 사진 파일과 비교하여 작은 메모리를 지니기 때문에 데이터의 축적이 크게 용이해 질 수 있다.

인간 게놈이 3 ×10⁹ 염기쌍을 포함하고, 각각의 염기가 4개의 다른 염기(아데닌, 구아닌, 시토신 및 티민)를 지닐 수 있다고 고려하면 인간 게놈의 실질적인 메모리는 4 ×3 ×10⁹ 바이트 = 12 기가 메모리이다. 따라서 가능한 최소한의 메모리의 유전 정보를 저장하고자 하는 우리의 시도는 방법이 될 것이고, 올리고뉴클레오타이드 DNA 칩을 고안하는데 세계 표준이 될 수 있다.

도면을 참조하여 본 발명의 실시태양이 하기와 같이 설명될 수 있다.

도 1에서 본 발명의 DNA 칩의 개발 전략이 나타나 있다.

첫 번째 단계에서 게놈 DNA 제조는 시험 재료로서 제조된다. 다음으로 상기 DNA 단편은 형광 표지된 프라이머에 의해 증폭된다. 이후 증폭된 DNA 단편은 하이브리디제이션되도록 칩 상에 놓인다. 마지막으로 하이브리드되고, 형광의 DNA 단편이 콘-포칼 레이저 스캐너를 이용하여 검출된다.

도 2에 나타난 바와 같이 본 발명의 디지털 DNA 칩은 ⅰ) 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소를 포함한 라벨 부분; 및 ⅱ) 4개의 컬 럼을 포함한 로직 부분으로 구성된다.

또한 도 3은 바코드 타입의 라벨 부분의 예를 나타낸 것이다. 따라서 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소에 대한 정보는 바코드에 의해 표현될 수 있고, 컴퓨터가 이를 자동으로 판독하는 것이 가능하다.

도 4는 유전자 번호 및 본 발명의 로직 부분의 예를 나타낸 것이다. 로직 부분은 적어도 100∼100,000 열로 구성되고, 각각의 열 내에는 4개의 컬럼의 프로브 어레이로 구성되며 각각의 컬럼은 2개의 심볼 즉, 컴퓨터에 의해 디지털 방식으로 인식되기 위한 검출가능 마커를 지닌 대조군 심볼과 각 컬럼 내에서 점돌연변이를 검출하고자 하는 타겟 염기를 A C G T 로 치환시킨 5∼30 염기 길이의 올리고뉴클레오타이드 프로브로 구성된 하이브리디제이션 심볼로 이루어진다. 정상 유전자의 경우 하이브리디제이션 심볼만 검출되고 점돌연변이 유전자의 경우 대조군 심볼과 하이브리디제이션 심볼 모두가 검출된다.

유전자 번호에 관하여 점돌연변이가 발생했는지 여부를 검출하고자 하는 올리고뉴클레오타이드의 서열위치 숫자를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 DNA 칩의 실시태양을 나타낸 것이다.

이는 하이브리디제이션을 위한 바코드 타입의 라벨 부분과 로직 부분을 나타낸다.

도 6은 하이브리디제이션 전 본 발명의 DNA 칩의 사진을 나타낸 것이다.

하이브리디제이션 심볼과 피험자의 표본 DNA 사이에 어떤 하이브리디제이션도 없기 때문에 우리는 로직 부분의 대조군 심볼만을 볼 수 있다.

도 7은 하이브리디제이션 후 본 발명의 DNA 칩의 사진을 나타낸 것이다.

우리는 피험자의 표본 DNA의 하이브리디제이션 지점을 나타내는 하이브리디제이션 심볼을 볼 수 있다. 이러한 사진에 나타난 바와 같이 로직의 첫 번째 열에서 A(아데닌)의 첫 번째 컬럼이 하이브리다이즈되고; 두 번째 열에서 T(티민)의 네 번째 컬럼이 하이브리다이즈되고; 세 번째 열에서 C(시토신)의 두 번째 컬럼이 하이브리다이즈된다.

따라서 대조군 심볼과 하이브리디제이션 심볼 모두 검출되는 첫 번째 및 두 번째 열은 피험자의 DNA의 점돌연변이를 나타내는 반면 세 번째 열은 단지 하이브리디제이션 심볼만 검출되기 때문에 정상 DNA를 나타낸다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시태양으로서의 둥근 형태의 DNA 칩을 나타낸 것이다.

도 8은 둥근 형태의 DNA 칩이 팬(fan) 모양의 8개 섹터(sector)로 구성됨을 나타낸다. 섹터에서 구역 1, 2 및 3이 포함되고, 헤드 부분, 데이터 부분 및 테일 부분으로 구성된다.

이러한 형태의 DNA 칩에서 라벨 부분은 구역 1 및 구역 2에 상응해야 한다. 이 구역에서 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소에 관한 정보는 컴퓨터에 의한 디지털 방식으로 인식되도록 구조되어야 한다.

도 9에 나타난 바와 같이 구역 1은 인덱스 및 여분의 공간으로 구성되고, 구역 2는 작동 코드 및 코드 정보로 구성되며 구역 2는 헤더(header) 및 하이브리디제이션을 위한 로직 부분으로 구성된다.

도 10은 본 발명의 컴퓨터에 의한 DNA 칩의 데이터 분석 및 해석을 나타낸 것이다.

이러한 DNA 칩은 컴퓨터에 의해 판독가능하고, 이러한 컴퓨터에 의해 판독된 정보는 컴퓨터의 하드 디스크 내에 저장될 수 있다. 또한 이러한 정보는 인터넷 시스템에 의해 정보에 접근하고자 하는 사람 누구에게나 전달될 수 있다.

Claims (4)

1. ⅰ) 컴퓨터로 판독되는 표본 DNA의 신원확인을 위한 정보를 나타내는, 카탈로그 번호, 유전자 서열번호, ID 번호, 명령어 및 IP 주소를 포함한 어레이의 라벨 부분; 및

   ⅱ) 적어도 100∼100,000 열로 구성되고, 각각의 열 내에는 4개 컬럼의 프로브 어레이를 포함하고, 각각의 컬럼은 2개의 심볼 즉, 컴퓨터에 의해 디지털 방식으로 인식되기 위한 검출가능 마커를 지닌 대조군 심볼과 각 컬럼 내에서 점돌연변이를 검출하고자 하는 타겟 염기를 A C G T 로 치환시킨 5∼30 염기 길이의 올리고뉴클레오타이드 프로브로 구성된 하이브리디제이션 심볼로 이루어져 정상 유전자는 하이브리디제이션 심볼만 검출되고 점돌연변이 유전자는 대조군 심볼 및 하이브리디제이션 심볼 모두가 검출 인지되는 어레이의 로직 부분으로 구성된,

   피험자의 DNA 표본의 점돌연변이를 검출하기 위한 솔리드 서포트 상의 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 어레이의 라벨 부분은 컴퓨터의 디지털 방식 인식을 위해 바코드 형태로 구성됨을 특징으로 하는 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이
4. 제 1항에 있어서, 상기 라벨 부분 및 로직 부분에 대한 정보는 컴퓨터에 의해 저장되거나 인터넷을 통해 다른 연구자들에게 전달됨을 특징으로 하는 올리고뉴클레오타이드 프로브 어레이

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