Quantification of Fewer Than Ten Copies of a DNA Biomarker without Amplification or Labeling

Yoonhee Lee, Youngkyu Kim, Donggyu Lee, Dhruvajyoti Roy, and Joon Won Park

Polymerase chain reaction (PCR) is a highly sensitive diagnosis technique for detection of nucleic acids and for monitoring residual disease; however, PCR can be unreliable for samples containing very few target molecules. Here, we describe a quantification method, using force–distance (FD) curve based atomic force microscopy (AFM) to detect a target DNA bound to small (1.4–1.9 μm diameter) probe DNA spots, allowing mapping of entire spots to nanometer resolution. Using a synthetic BCR-ABL fusion gene sequence target, we examined samples containing between one and 10 target copies. A high degree of correlation (r² = 0.994) between numbers of target copies and detected probe clusters was observed, and the approach could detect the BCR-ABL biomarker when only a single copy was present, although multiple screens were required. Our results clearly demonstrate that FD curve-based imaging is suitable for quantitative analysis of fewer than 10 copies of DNA biomarkers without amplification, modification, or labeling.

원자 힘 현미경의 단일 분자 간 상호작용력 측정 방법을 이용하여 DNA biomarker를 높은 민감도로 정량 할 수 있는 bioassay 플랫폼을 개발 하였다. Probe DNA spot 위에 고정 된 target DNA를 AFM 탐침 끝에 도입한 DNA 올리고머와의 특이적인 결합 힘을 통해 인지 할 수 있다. 이러한 방법으로 만성 골수성백혈병의 biomarker인 BCR-ABL gene을 target으로 선정하여 분석을 수행한 결과 1개의 표적 DNA 가 있는 sample도 높은 재현성을 보이며 정량이 가능함을 확인하였다.

해당 방법은 기존 의료 진단 분야에서 가장 높은 민감도를 보이는 실시간 정량 중합 효소 연쇄반응 (RT-qPCR)과 견줄 만한 분석 법이며, 특히 유전자의 증폭이나 형광 표지 없이 직접적으로 biomarker를 정량할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 앞으로 해당 기술은 유전자 증폭이 어려운 구조의 biomarker의 분석뿐만 아니라 증폭 오류에 큰 영향을 받는 극미량의 biomarker 정량에 있어 유용하게 사용 될 수 있을 것으로 기대 한다. 본 연구결과는 미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society)에 게재 되었다.