액적 기반 미세 유체 기술을 이용한 DNA 시퀀싱

액적 생성 기술은 연구원들이 DNA 서열 분석을 더욱 효율적이고 경제적으로 할 수 있는 최소 샘플 양을 사용하여 대규모 연구를 할 수 있도록 한다.또 암 진단과 관련된 단세포 내 미세변이를 식별하는 데도 도움을 준다.이 글은 DNA 분석에서 액적 생성의 적용에 대해 논의하고 액적 미세 유체를 사용하여 실험하는 데 필요한 기본 설정을 보여줍니다.

1 DNA 분석의 기회와 과제

과학자들은 DNA를 분석하여 암의 돌연변이를 식별하고 인류의 항체를 표징하며 미생물 등을 구분한다.DNA 분석에는 알려진 시퀀스 프로브 어레이를 사용하거나 차세대 시퀀싱 (NGS) 플랫폼을 사용하여 게놈을 시퀀싱하는 등 다양한 기술이 포함됩니다[1].

NGS 플랫폼은 칩 어레이를 이용하여 대규모 병렬 분석을 실현하여 수억 개의 분자를 동시에 검출할 수 있어 비용을 절감하고 효율을 높일 수 있다[1].

그러나 기존 칩 어레이는 분석 능력이 제한되고 추가 유체 처리 및 시약 혼합 시스템이 필요하여 실험 프로세스의 복잡성을 높이고 총 처리량을 제한합니다.각 염기의 시퀀싱 비용을 줄이기 위해서는 일반적으로 여러 샘플을 병렬로 처리해야 하는데, 바코드 표시는 이 문제를 부분적으로 완화시킬 수 있지만 실험 과정의 시간을 증가시킨다[1].

2 액적 기반 마이크로 유체 기술

마이크로 흐름 제어 액적 기술은 혼용할 수 없는 상 (일반적으로 물상과 기름상) 을 이용하여 이산 액적을 생성하고 마이크로 흐름 제어 펌프를 통해 액적의 생성을 고속으로 정확하게 제어하는 것이다[3].주요 이점은 다음과 같습니다.

• 낮은 샘플 볼륨 요구 사항

• 높은 자동화

• 높은 통량

• 저비용

· 마이크로 흐름 제어 장치는 빠르고 정확하게 유체 부피를 제어하고 DNA 분석 처리량을 향상시킬 수 있다.예를 들어, 액체 방울 미세 흐름 제어 기술은 초당 수천 개의 액체 방울의 생성과 선별을 실현할 수 있다[1].

각 액적은 독립된 반응실로, 디지털 PCR 분자 계수, 단백질 결정 선별과 유전자 발현 분석 등에 적용된다.반응 횟수는 액적 생성 속도가 증가함에 따라 확대될 수 있으며, 동시에 액적 부피의 감소는 시약의 소모를 감소시켜 실험을 더욱 유연하게 할 수 있다[1].

전체적으로 이 기술은 극히 적은 시약소모에서 수억차의 반응을 진행할수 있어 실험효률을 크게 제고하고 원가를 낮출수 있다.그러나 칩 어레이에 기반한 고정점 검사와 달리 액체 방울은 미세 흐름 제어 채널에서 흐르며 위치 정보를 통해 반응 결과를 표시할 수 없기 때문에 추가 표시 방법이 필요하다[1].

3 고통량 단세포 게놈 서열 분석

전통적인 서열 분석 기술은 일반적으로 게놈 중의 미세한 변이를 검사하기 어렵기 때문에 과학자들은 단세포 전체 게놈 서열 분석을 이용하여 복사수 변이와 단뉴클레오티드 변이를 식별한다.

마이크로 흐름 제어 기술을 통해 높은 통량과 확장 가능한 단세포 서열 분석을 실현할 수 있다.예를 들어, 한 연구는 바코드 마커 기술을 사용하여 단일 암세포의 증폭 게놈 DNA를 분석합니다.이 방법은 암 완화기에 질병을 일으키는 돌연변이를 가진 세포를 검출하고 전통적인 서열 분석 방법으로는 포획할 수 없는 급성 골수계 백혈병(AML) 종양의 복잡한 복제 진화 과정을 밝혀낼 수 있다.따라서 이 기술은 암 게놈 이질성 분석의 정밀도를 높이고 개인화 된 치료 전략을 최적화 할 것으로 기대됩니다 [3].

4 어떻게 실험을 시작합니까?

액체 방울 미세 흐름 제어 기술은 높은 통량, 낮은 비용의 DNA 분석 방식을 제공합니다.관련 실험을 수행하려면 다음과 같은 기본 장치가 필요합니다.

2-3대 마이크로 흐름 제어 펌프(또는 4U 펌프와 같은 2-3 개의 채널을 갖춘 1 대의 펌프) - 연속상 (유상) 및 분산상 (수상) 의 흐름을 제어합니다.4U 압력 펌프 또는 2-3대의 ExiGo 미세 흐름 제어 주사 펌프를 사용하는 것을 권장하며, 이 중 4U 압력 펌프는 4개의 채널을 독립적으로 제어하여 안정적이고 정확한 흐름 제어를 실현할 수 있다.

• 2-3개유량 센서- 유상과 수상의 유량을 실시간으로 모니터링하여 유체의 안정을 확보한다.

• 마이크로 흐름 제어 칩- 액체를 생성하고 액체 크기의 제어 가능성을 보장합니다.

• 안정적인 채널 표면 화학적 손질-- 액체 방울의 안정성을 높인다.

• 계면활성제- - 기름과 물의 계면을 안정시키고 액적의 안정성을 강화한다.

• 유상-- 액체 방울의 안정성을 높인다.

• 파이프라인- 펌프와 마이크로 흐름 제어 칩을 연결합니다.

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참고문헌

1. Abate, Adam R et al. “방울 기반 microfluidics를 가진 DNA 서열 분석.” 칩 볼륨에 실험실. 13,24 (2013) : 4864-9.도이: 10.1039/c3lc50905b

2. Pellegrino, Maurizio et al. “방울 microfluidics를 사용한 급성 골동성 백혈병 종양의 높은 처리량 단일 세포 DNA 순서화.” Genome research vol. 28,9 (2018) : 1345-1352.도이:10.1101/gr.232272.117

3. Sohrabi, S., & Moraveji, M. K. (2020).Droplet Microfluidics: Fundamentals and its Advanced Applications (드롭릿 마이크로유체학: 기본과 고급 응용 프로그램)RSC Advances, 10(46), 27560-27574.