[논문 리뷰] Direct Base-to-Base Transitions in ssDNA Revealed by Tip-Enhanced Raman Scattering

Xiu-Mei Lin, Tanja Deckert‐Gaudig외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 22.

DNA and Nucleic Acid Chemistry인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 아데닌과 시토신으로 구성된 단일가닥 DNA(ssDNA) 서열을 조사하여 환경 조건에서 테이프 강화 라만 분광법(TERS)으로 1 나노미터 이하의 공간 해상도를 확립하였다. TERS 테이프를 ssDNA를 따라 스캔함으로써 연구자들은 아데닌과 시토신 사이의 날카운 기저 간 전이를 직접 관찰하였으며, 환경 조건에서 스펙트럼 분별을 실현하고 1 nm 이하의 공간 해상도로 개별 뉴클레오타이드 기저를 해상하였다.

ABSTRACT

In the present contribution, specifically designed single-stranded DNA (ssDNA) sequences composed of adenine and cytosine were used as nanometric rulers to target the maximum achievable spatial resolution of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) under ambient conditions. By stepping along a strand with a TERS tip, the obtained spectra allowed for a clear spectral discrimination including conformational information of the nucleobases, and even sharp adenine-cytosine transitions were detected repeatedly with a spatial resolution below 1 nm.

연구 동기 및 목표

• 환경 조건에서 생물 분자에 대해 테이프 강화 라만 분광법(TERS)으로 가능한 한 최고의 공간 해상도를 확보하기 위해.
• TERS를 사용하여 단일가닥 DNA(ssDNA)의 개별 뉴클레오타이드 기저를 해상하는 것이 가능한지 조사하기 위해.
• 라만 분광법을 사용하여 ssDNA에서 직접적인 기저 특이 스펙트럼 분별을 위한 방법을 개발하기 위해.
• ssDNA에서 인접한 뉴클레오타이드 기저 사이의 구조적 및 화학적 전이를 나노스케일에서 감지하기 위해.
• 실시간 환경 조건에서 핵산 서열의 고해상도 분자 맵핑 능력을 검증하기 위해.

제안 방법

• 분자 尺도로 기능할 수 있도록 아데닌(A)과 시토신(C) 뉴클레오타이드 기저로만 구성된 특수 설계된 ssDNA 서열을 합성하였다.
• 금속성 테이프를 사용하여 나노스케일에서 국소적인 전자기적 강화를 달성하기 위해 테이프 강화 라만 분광법(TERS)을 적용하였다.
• 고공간 정밀도로 연속적인 라만 스펙트럼을 수집하기 위해 TERS 테이프를 ssDNA 사슬에 따라 단계적으로 스캔하였다.
• 아데닌과 시토신 기저에 해당하는 고유한 진동 서명을 수집된 라만 스펙트럼에서 분석하였다.
• 스펙트럼 분별을 통해 아데닌과 시토신 기저 간의 전이를 식별하고 기저 간 분별을 실현하였다.
• 1 nm 이하의 정밀도로 아데닌과 시토신 잔류물 간의 날카우며 재현 가능한 전이 감지를 통해 공간 해상도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 조건에서 TERS는 단일가닥 DNA(ssDNA)의 개별 뉴클레오타이드 기저를 1 나노미터 이하의 공간 해상도로 해상할 수 있는가?
• RQ2 TERS로 조사할 때 ssDNA 내 아데닌과 시토신을 구분하는 스펙트럼 서명은 무엇인가?
• RQ3 아데닌과 시토신 사이의 직접적인 기저 간 전이가 TERS를 통해 고정밀도로 감지될 수 있는가?
• RQ4 환경 조건에서 ssDNA에 TERS를 적용할 경우 확보 가능한 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ5 ssDNA에서 인접한 뉴클레오타이드 기저 간의 구조적 및 화학적 차이가 라만 스펙트럼 분석을 통해 해상될 수 있는가?

주요 결과

• 연구는 환경 조건에서 ssDNA를 조사할 때 테이프 강화 라만 분광법(TERS)으로 1 nm 이하의 공간 해상도를 확보하였다.
• 테이프 스캔 중에 아데닌과 시토신 기저 간 날카운, 재현 가능한 전이가 직접적으로 라만 스펙트럼에서 관찰되었다.
• 아데닌과 시토신에 대해 고유한 진동 모드를 식별하여 두 기저 간 명확한 스펙트럼 분별이 가능해졌다.
• TERS 기술은 ssDNA 내 개별 뉴클레오타이드 기저를 성공적으로 해상하였으며, 단일 기저 화학 맵핑 능력을 입증하였다.
• 이 방법을 통해 인접한 기저 간의 구조적 및 화학적 상태 변화를 높은 정밀도로 감지할 수 있었다.
• 결과적으로 TERS는 단일 기저 수준에서 ssDNA 서열의 직접적이고 레이블 프리 분석을 위한 나노스케일 도구로 사용될 수 있음을 확인하였다.