Nanopore 기반 단일분자 DNA·RNA 검출 원리와 분자진단 활용

Nanopore 기술은 나노미터 크기의 pore를 통과하는 DNA·RNA가 만드는 ionic current 변화를 측정해 개별 분자를 분석합니다. 형광 표지 없이 전기적 신호를 이용할 수 있으며 sequencing뿐 아니라 특정 핵산과 분자 변형을 탐지하는 센서로도 연구되고 있습니다.

Nanopore는 무엇일까?

Nanopore는 이름 그대로 nanometer scale의 매우 작은 구멍입니다.

이 pore를 두 electrolyte chamber 사이의 membrane에 배치합니다.

양쪽 chamber에는 ion이 포함된 solution을 채우고 membrane을 사이에 두고 voltage를 인가합니다.

그러면 ion이 nanopore를 통해 이동하면서 전류가 발생합니다.

아무 molecule도 pore를 막고 있지 않을 때 측정되는 전류를 일반적으로 open-pore current로 생각할 수 있습니다.

이 상태에서 DNA나 RNA가 nanopore 안으로 들어오면 상황이 달라집니다.

Nucleic acid가 pore 내부 공간의 일부를 차지하면서 ion 이동에 영향을 줍니다.

그 결과 ionic current가 감소하거나 특유의 변화를 나타냅니다.

Nanopore sensor는 바로 이 current modulation을 측정합니다.

DNA가 Nanopore를 통과하는 이유

DNA와 RNA의 phosphate backbone은 음전하를 띱니다.

적절한 전압을 nanopore 양쪽에 인가하면 electric field가 형성됩니다.

Nucleic acid가 pore에 capture되면 electric field의 영향을 받아 pore를 통과하는 translocation이 일어날 수 있습니다.

이를 단순화하면

Voltage Application

→ Ionic Current 형성

→ Nucleic Acid Capture

→ Nanopore Translocation

→ Current Modulation

→ Electrical Detection

으로 표현할 수 있습니다.

하지만 실제 translocation은 pore 종류, electrolyte, voltage, nucleic acid structure와 motor protein 사용 여부 등에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

Current가 줄어드는 정도가 정보를 제공한다

Nanopore 내부에 아무 molecule도 없다면 비교적 일정한 baseline current가 관찰됩니다.

DNA나 RNA가 pore 안으로 들어오면 ion이 이동할 수 있는 공간과 pore 내부의 electrostatic environment가 변합니다.

이때 current가 일시적으로 달라집니다.

이를 current blockade event로 분석할 수 있습니다.

Event에서 확인할 수 있는 정보에는

Blockade Depth

Event Duration 또는 Dwell Time

Current Pattern

등이 있습니다.

어떤 molecule이 pore에 들어왔는지에 따라 이러한 특성이 달라질 수 있습니다.

따라서 nanopore는 단순히 molecule의 존재 여부만 감지하는 구멍이 아니라 분자의 특성을 electrical signal로 변환하는 nanoscale transducer입니다.

단일분자 검출이 가능한 이유

많은 분석법은 수많은 molecule에서 발생하는 평균 signal을 측정합니다.

Nanopore에서는 하나의 DNA 또는 RNA molecule이 pore와 상호작용하면서 개별적인 current event를 만들 수 있습니다.

첫 번째 molecule이 들어오면 첫 번째 event가 나타납니다.

그 molecule이 빠져나간 뒤 두 번째 molecule이 들어오면 새로운 event가 나타납니다.

따라서 개별 event를 시간에 따라 기록할 수 있습니다.

이러한 특성 때문에 nanopore는 single-molecule sensing 기술로 분류됩니다.

다만 single-molecule detection이 가능하다는 것과 극미량 sample을 전처리 없이 즉시 검출할 수 있다는 것은 같은 의미가 아닙니다.

Pore가 실제 target molecule을 capture할 확률과 sample concentration도 분석 성능에 영향을 줍니다.

Biological Nanopore와 Solid-State Nanopore

Nanopore는 크게 biological pore와 solid-state pore 같은 형태로 나누어 생각할 수 있습니다.

Biological Nanopore는 protein으로 형성된 pore를 membrane에 삽입해 사용합니다.

Protein pore는 molecular structure가 일정하고 특정한 nanoscale constriction을 가질 수 있습니다.

Solid-State Nanopore는 silicon nitride와 같은 인공 membrane material에 nanoscale pore를 제작하는 방식입니다.

Mechanical stability와 pore geometry 조절 등의 장점이 연구됩니다.

두 방식은 fabrication, pore stability, surface chemistry, noise와 molecular recognition 방법이 다릅니다.

따라서 nanopore라는 하나의 이름 아래에서도 sensor architecture는 크게 달라질 수 있습니다.

Protein Nanopore가 염기를 구별하는 방법

Nanopore sequencing에서는 DNA strand가 pore를 통과할 때 각 nucleotide 하나만 독립적으로 읽는다고 생각하기 쉽습니다.

실제로는 pore의 sensing region에 동시에 위치한 여러 nucleotide의 조합이 ionic current에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 특정 순간의 current level은 하나의 base보다 local sequence context를 반영합니다.

DNA가 한 단계씩 이동하면 sensing region에 위치하는 sequence 조합이 바뀝니다.

그에 따라 current pattern도 연속적으로 변화합니다.

Sequencing algorithm은 이러한 electrical signal을 분석해 nucleotide sequence를 추론합니다.

즉,

DNA Movement

→ Local Sequence 변화

→ Ionic Current Pattern 변화

→ Signal Processing

→ Base Calling

과정으로 sequence information을 얻습니다.

DNA가 너무 빨리 지나가면 문제가 된다

Electric field만으로 DNA를 nanopore에 통과시키면 molecule이 너무 빠르게 이동할 수 있습니다.

그렇게 되면 각 sequence state에서 충분한 current data를 얻기 어려워집니다.

Nanopore sequencing에서는 이 문제를 해결하기 위해 motor protein을 이용할 수 있습니다.

Motor protein은 DNA 또는 RNA가 pore를 통과하는 속도를 조절합니다.

Nucleic acid가 비교적 일정한 단계로 이동하면 각 구간에서 ionic current를 더 안정적으로 측정할 수 있습니다.

따라서 sequencing 성능은 nanopore 자체뿐 아니라 motor protein과 signal-processing algorithm의 영향을 함께 받습니다.

Nanopore Sequencing은 PCR과 무엇이 다를까?

PCR은 target DNA의 특정 영역을 반복적으로 복제하는 기술입니다.

Nanopore sequencing은 DNA molecule이 pore를 통과하면서 발생하는 electrical signal을 읽는 기술입니다.

따라서 기본 기능이 다릅니다.

PCR → DNA Amplification

Nanopore → Molecular Detection 및 Sequence Reading

Nanopore sequencing 전에 PCR을 사용할 수도 있지만 nanopore 자체가 PCR처럼 target copy를 증가시키는 것은 아닙니다.

또한 assay 목적과 library preparation에 따라 amplification 없이 native nucleic acid를 분석하는 접근도 가능합니다.

Direct RNA Sequencing이 가능한 이유

Nanopore의 중요한 특징 가운데 하나는 RNA molecule 자체를 pore에서 분석하는 방식이 가능하다는 점입니다.

일반적인 RNA sequencing에서는 RNA를 cDNA로 변환한 뒤 분석하는 방식이 널리 사용됩니다.

Nanopore에서는 적절한 library preparation과 motor system을 사용해 RNA strand가 pore를 통과하면서 만드는 current signal을 직접 측정할 수 있습니다.

이를 direct RNA sequencing 접근으로 사용할 수 있습니다.

이 경우 RNA를 DNA로 완전히 변환한 뒤에만 sequence를 읽어야 하는 것은 아닙니다.

다만 direct RNA sequencing도 sample preparation과 adapter ligation 등의 과정이 필요할 수 있으므로 ‘RNA를 그대로 넣으면 바로 읽힌다’고 단순화해서는 안 됩니다.

DNA Modification도 Current에 영향을 줄 수 있다

Nanopore의 sensing region은 nucleotide의 chemical environment에 반응합니다.

따라서 canonical base와 chemically modified base가 서로 다른 current pattern을 만들 가능성이 있습니다.

대표적인 예가 DNA methylation입니다.

5-methylcytosine(5mC)과 같은 modification은 local nanopore signal에 영향을 줄 수 있습니다.

적절한 computational model을 이용하면 sequence와 함께 methylation 상태를 추론할 수 있습니다.

이것은 bisulfite conversion처럼 DNA를 화학적으로 변환하는 방법과 다른 접근입니다.

Native DNA molecule에 포함된 modification information을 electrical signal에서 분석할 수 있다는 점이 nanopore의 중요한 특징입니다.

5-Hydroxymethylcytosine도 관심 대상이다

5-Hydroxymethylcytosine(5hmC)은 cytosine modification의 하나입니다.

특정 tissue와 disease 연구에서 epigenetic biomarker 후보로 분석됩니다.

Nanopore signal은 base identity뿐 아니라 주변 sequence와 modification의 영향을 받을 수 있기 때문에 5hmC와 같은 modified base 분석 연구에도 활용될 가능성이 있습니다.

하지만 modification calling의 정확도는 chemistry와 pore, basecalling model, training data 등에 영향을 받습니다.

따라서 nanopore에서 modification-related signal이 나타난다는 사실과 모든 modification을 완벽하게 구분할 수 있다는 주장은 구분해야 합니다.

Target DNA 검출에 꼭 Sequencing이 필요한 것은 아니다

Nanopore를 이용한다고 해서 반드시 genome 전체를 sequencing해야 하는 것은 아닙니다.

특정 target molecule이 pore를 통과하거나 pore에 결합했을 때 발생하는 blockade event만 분석하는 sensor를 만들 수도 있습니다.

예를 들어 target DNA가 특정 probe와 결합해 구조가 커지도록 설계할 수 있습니다.

Target이 없을 때와 target-probe complex가 존재할 때 nanopore event의 depth나 duration이 달라질 수 있습니다.

이 차이를 이용해 target 존재 여부를 판별할 수 있습니다.

즉, nanopore는 sequencer이면서 동시에 single-molecule biosensor platform이 될 수 있습니다.

DNA Hairpin을 이용해 검출할 수도 있다

Hairpin DNA는 target recognition element로 사용할 수 있습니다.

Target이 없으면 probe가 stem-loop structure를 유지합니다.

Target DNA 또는 RNA가 loop sequence와 결합하면 hairpin이 열리거나 더 큰 duplex가 형성됩니다.

이 구조 변화는 nanopore translocation behavior를 바꿀 수 있습니다.

Open hairpin과 closed hairpin이 서로 다른 current blockade pattern을 만든다면 target binding을 electrical event로 변환할 수 있습니다.

이 방식에서는 별도의 fluorescent label이 없어도 구조 변화 자체를 nanopore로 읽을 가능성이 있습니다.

Aptamer와 Nanopore를 결합할 수도 있다

Nanopore sensor의 target이 반드시 DNA나 RNA일 필요는 없습니다.

특정 protein이나 small molecule과 결합하는 aptamer를 사용할 수 있습니다.

Target이 aptamer에 결합하면 molecular size 또는 conformation이 달라집니다.

이 변화가 nanopore interaction이나 translocation event를 변화시키도록 설계할 수 있습니다.

따라서 nanopore는 nucleic acid sequence뿐 아니라 다양한 biomolecular interaction을 single-molecule level에서 분석하는 sensor platform으로 연구됩니다.

miRNA 검출에서는 어떤 문제가 있을까?

miRNA는 약 18~24 nucleotide로 매우 짧습니다.

짧은 RNA는 nanopore를 빠르게 통과할 수 있어 충분한 signal을 얻기 어려울 수 있습니다.

또한 sequence가 유사한 miRNA family를 구별해야 할 수도 있습니다.

이를 해결하기 위해 miRNA를 complementary DNA probe와 hybridization시켜 더 큰 complex를 만들거나 adapter를 연결할 수 있습니다.

Target miRNA가 존재할 때만 특정 DNA structure가 형성되도록 설계한 뒤 해당 structure의 nanopore event를 측정할 수도 있습니다.

따라서 짧은 target을 직접 읽는 방법 외에도 target recognition을 더 큰 molecular signature로 변환하는 전략이 가능합니다.

Nanopore에서 Dwell Time은 무엇을 의미할까?

Dwell time은 molecule이 pore와 상호작용하거나 sensing region에 머무르는 시간을 나타내는 지표입니다.

Molecule이 빠르게 통과하면 짧은 event가 발생합니다.

Pore와 강하게 상호작용하거나 큰 molecular structure가 통과하는 데 시간이 필요하면 더 긴 event가 나타날 수 있습니다.

Target binding으로 DNA structure가 변하면 dwell time이 달라질 수 있습니다.

따라서 biosensor에서는 current blockade depth뿐 아니라 event duration을 함께 분석할 수 있습니다.

하지만 dwell time은 voltage, pore geometry와 electrolyte condition에도 영향을 받기 때문에 target identity만으로 결정되는 값은 아닙니다.

Translocation Speed에 영향을 주는 요소

Nucleic acid가 nanopore를 통과하는 속도는 여러 조건에 의해 결정됩니다.

Applied voltage가 달라지면 electrophoretic force가 변합니다.

Electrolyte composition과 viscosity도 영향을 줄 수 있습니다.

Pore diameter와 membrane thickness도 중요합니다.

DNA length와 secondary structure 역시 translocation behavior에 영향을 줍니다.

Protein nanopore sequencing에서는 motor enzyme kinetics가 핵심적인 변수가 됩니다.

따라서 nanopore signal을 정량적으로 비교하려면 reaction condition을 일정하게 유지해야 합니다.

Signal-to-Noise Ratio가 중요한 이유

Nanopore에서 측정하는 ionic current는 매우 작은 electrical signal입니다.

Membrane instability, electrode noise와 electronic noise가 measurement에 영향을 줄 수 있습니다.

Pore surface와 analyte의 비특이적 interaction도 baseline fluctuation을 만들 수 있습니다.

Signal noise가 크면 서로 비슷한 current level을 가진 molecular state를 구별하기 어려워집니다.

따라서 nanopore 성능은 pore 크기를 작게 만드는 것뿐 아니라 low-noise electrical measurement를 구현하는 데도 달려 있습니다.

Pore가 막히는 문제도 있다

Biological sample에는 target nucleic acid 외에도 protein과 다양한 macromolecule이 존재합니다.

이들이 nanopore 입구나 내부에 비특이적으로 흡착되면 pore가 일시적 또는 지속적으로 막힐 수 있습니다.

이를 pore clogging 또는 fouling 문제로 볼 수 있습니다.

Pore가 막히면 open-pore current가 변하고 정상적인 translocation event를 측정하기 어려워집니다.

따라서 실제 sample을 분석할 때는 nucleic acid extraction과 purification이 중요한 역할을 할 수 있습니다.

Solid-state nanopore에서는 surface modification을 이용해 nonspecific adsorption을 줄이는 연구도 이루어집니다.

Single Molecule이라고 해서 Sample Preparation이 필요 없는 것은 아니다

Nanopore가 개별 molecule을 감지할 수 있다는 설명은 매우 매력적입니다.

하지만 환자 검체 한 방울을 아무 처리 없이 넣으면 원하는 DNA 한 분자가 자동으로 pore에 들어오는 것은 아닙니다.

Sample에는 많은 비표적 molecule이 존재합니다.

Target concentration이 매우 낮다면 pore가 target을 만날 확률도 낮습니다.

분석하려는 nucleic acid를 추출하고 원하는 fraction을 enrich해야 할 수도 있습니다.

따라서 single-molecule sensitivity와 sample-to-answer sensitivity는 서로 다른 개념입니다.

Target Enrichment와 Nanopore를 결합할 수 있다

특정 mutation이나 pathogen sequence만 분석하고 싶다면 target enrichment를 사용할 수 있습니다.

PCR로 특정 영역을 증폭할 수도 있습니다.

Capture probe를 이용해 원하는 DNA를 선택적으로 농축할 수도 있습니다.

CRISPR를 이용해 특정 genomic region을 선택하는 전략도 연구됩니다.

그 다음 enriched DNA를 nanopore로 분석하면 전체 genome을 동일한 depth로 읽지 않고 관심 영역에 sequencing resource를 집중할 수 있습니다.

이 경우 enrichment와 nanopore sequencing의 기능을 구분해야 합니다.

Nanopore는 sequence를 읽고 enrichment method는 target abundance를 상대적으로 높입니다.

Adaptive Sampling이라는 접근도 있다

Nanopore sequencing에서는 molecule의 초기 signal을 실시간으로 분석한 뒤 원하는 target인지 판단하는 computational approach를 사용할 수 있습니다.

관심 없는 DNA라면 pore의 voltage를 제어해 해당 molecule을 배출하고 다음 molecule을 받을 수 있습니다.

관심 target으로 판단되면 sequencing을 계속합니다.

이러한 adaptive sampling은 물리적인 PCR enrichment와 다른 방식입니다.

Sequencing이 시작된 뒤 실시간 signal processing을 이용해 pore 사용 시간을 원하는 sequence에 더 많이 배분하는 방식입니다.

따라서 nanopore의 electrical control과 real-time computation을 함께 이용하는 독특한 enrichment 전략이라고 볼 수 있습니다.

Mutation Detection에는 어떻게 활용할까?

Cancer-related mutation을 분석한다고 가정해볼 수 있습니다.

Target genomic region을 nanopore로 충분한 depth까지 읽은 뒤 reference sequence와 비교하면 SNV, insertion, deletion 등의 variant를 찾을 수 있습니다.

특히 긴 DNA molecule을 읽을 수 있는 특성은 서로 멀리 떨어진 variant의 linkage를 확인하거나 structural variation을 분석하는 데 활용될 수 있습니다.

하지만 low-frequency mutation을 검출할 때는 sequencing error와 실제 mutation을 구분해야 합니다.

Variant allele fraction이 매우 낮은 liquid biopsy에서는 이 문제가 더욱 중요해집니다.

Long-Read가 중요한 이유

짧은 sequencing read에서는 반복 sequence나 복잡한 structural variant를 정확히 재구성하기 어려운 경우가 있습니다.

Nanopore sequencing은 긴 DNA molecule을 연속적으로 읽을 수 있는 long-read sequencing 기술로 활용됩니다.

긴 read는

Structural Variant

Repeat Expansion

Haplotype

Isoform

같은 정보를 분석하는 데 도움이 될 수 있습니다.

특히 RNA에서는 transcript의 긴 구간을 한 molecule 단위로 읽으면 alternative splicing과 transcript isoform 분석에 활용할 수 있습니다.

RNA Isoform 분석과 분자진단

하나의 gene에서도 exon 조합이 다른 여러 transcript가 만들어질 수 있습니다.

짧은 read에서는 여러 fragment를 computationally 조합해 isoform을 추론해야 하는 경우가 있습니다.

Long-read nanopore sequencing은 하나의 RNA 또는 cDNA molecule에서 긴 transcript 구조를 직접 관찰할 수 있습니다.

따라서 disease-associated alternative splicing이나 fusion transcript 연구에 활용할 가능성이 있습니다.

하지만 특정 transcript가 질환과 연관되어 있다는 연구 결과와 실제 diagnostic biomarker로 검증됐다는 것은 별개의 문제입니다.

Pathogen Detection에도 사용할 수 있다

Clinical sample에서 얻은 nucleic acid를 nanopore sequencing하면 pathogen sequence를 분석하는 데 활용할 수 있습니다.

특정 pathogen만 targeted sequencing할 수도 있고 여러 organism의 nucleic acid를 함께 분석하는 metagenomic approach도 가능합니다.

Sequence를 확보하면 organism identification뿐 아니라 일부 antimicrobial resistance gene이나 genomic variation을 조사할 수 있습니다.

그러나 실제 진단에서는 host DNA background, sample preparation, sequencing depth와 analysis time을 고려해야 합니다.

Nanopore와 PCR의 조합

매우 낮은 농도의 pathogen DNA나 mutation을 검출할 때 PCR을 먼저 사용할 수 있습니다.

PCR로 관심 영역을 증폭한 뒤 nanopore sequencing을 수행합니다.

이 구조에서는

PCR → Target Copy 증가

Nanopore → Sequence Identification

역할을 담당합니다.

Amplicon sequencing은 sensitivity를 확보하는 데 도움이 될 수 있지만 PCR primer가 지정한 영역만 분석하게 됩니다.

또한 amplification bias와 polymerase error를 고려해야 합니다.

따라서 amplification-free nanopore와 PCR-coupled nanopore는 목적에 따라 장단점이 다릅니다.

Multiplex Detection은 Barcode로 확장할 수 있다

여러 sample을 하나의 sequencing run에서 분석하기 위해 각 sample에 서로 다른 barcode sequence를 부여할 수 있습니다.

Sequencing 후 barcode를 읽어 각 read가 어떤 sample에서 나온 것인지 분류합니다.

이를 통해 하나의 device에서 여러 sample을 multiplex할 수 있습니다.

또한 한 sample 안에서도 여러 genomic target을 동시에 분석할 수 있습니다.

하지만 multiplexing 정도가 증가하면 각 sample에 할당되는 read 수가 감소할 수 있으므로 필요한 sequencing depth를 고려해야 합니다.

Nanopore Signal 분석에 Algorithm이 중요한 이유

Raw nanopore data는 nucleotide 문자가 아니라 시간에 따라 변하는 electrical current signal입니다.

따라서 이 signal을 DNA 또는 RNA sequence로 변환하는 basecalling 과정이 필요합니다.

Basecaller는 current pattern과 sequence 사이의 관계를 computational model로 분석합니다.

최근에는 neural-network 기반 signal processing이 중요한 역할을 합니다.

따라서 nanopore sequencing accuracy는 pore chemistry뿐 아니라 basecalling software와 model version에도 영향을 받을 수 있습니다.

같은 raw signal도 분석 방법이 개선되면서 해석 결과가 달라질 가능성이 있습니다.

Error를 어떻게 이해해야 할까?

Nanopore sequencing은 기술 발전과 함께 정확도가 크게 향상되어 왔지만 error를 완전히 배제할 수는 없습니다.

Sequence context에 따라 basecalling difficulty가 달라질 수 있습니다.

Homopolymer나 modification도 signal interpretation에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 low-frequency variant를 분석할 때는 단일 read의 변화만으로 mutation이라고 판단하기보다 여러 read와 적절한 variant-calling method를 사용하는 것이 중요합니다.

필요한 경우 다른 분석법으로 확인하는 전략도 고려됩니다.

Nanopore Sensor의 기본 과정을 정리하면

가장 단순한 single-molecule translocation을 기준으로 보면 다음과 같습니다.

Target이 없는 경우

Voltage Application

→ Ion Transport through Nanopore

→ Stable Open-Pore Current

Target이 존재하는 경우

Nucleic Acid Capture

→ Pore Entry

→ Ionic Current Blockade

→ Translocation

→ Time-Dependent Current Pattern

→ Signal Analysis

→ Molecular Information

Sequencing에서는 이 current pattern을 nucleotide sequence로 변환하고 biosensing에서는 event depth와 duration 등의 특징으로 target을 판별할 수 있습니다.

기존 핵산 검출법과 비교하면

기술	핵심 측정 원리	Target 증폭	대표적 출력
qPCR	Fluorescence 기반 amplification monitoring	필요	Ct/Cq와 형광
dPCR	Partition별 amplification	필요	Positive/negative partition
SERS	Raman scattering enhancement	자체 증폭 없음	Raman spectrum
ECL	Electrochemically induced luminescence	자체 증폭 없음	발광
Nanopore	Ionic current modulation	자체 증폭 없음	Electrical current / sequence

Nanopore의 특징은 개별 nucleic acid molecule이 pore와 상호작용하면서 발생시키는 electrical event를 직접 측정할 수 있다는 점입니다.

분자진단에서 Nanopore가 갖는 의미

PCR 기반 진단에서는 일반적으로 미리 정한 target sequence를 primer와 probe로 찾습니다.

Nanopore sequencing은 훨씬 많은 sequence information을 한 번에 확보할 수 있습니다.

긴 DNA structural variation을 분석할 수 있고 native nucleic acid의 chemical modification information도 함께 조사할 가능성이 있습니다.

RNA에서는 long transcript와 isoform을 분석할 수 있습니다.

반대로 특정 biomarker 하나만 빠르게 확인해야 하는 상황에서는 전체 sequencing이 필요 이상으로 복잡할 수도 있습니다.

따라서 nanopore는 기존 PCR을 단순히 대체하는 기술이라기보다 분자 하나에서 얻을 수 있는 정보의 종류를 확장하는 분석 플랫폼으로 이해하는 편이 적절합니다.

마치며

Nanopore 기반 핵산 분석은 nanometer 크기의 pore를 통과하는 DNA·RNA가 ionic current에 만드는 변화를 측정하는 single-molecule sensing 기술입니다.

기본 과정은

Voltage Application

→ Open-Pore Ionic Current

→ DNA·RNA Capture

→ Nanopore Translocation

→ Current Modulation

→ Signal Processing

→ Molecular Identification

으로 정리할 수 있습니다.

Sequencing에서는 local nucleotide sequence에 따른 current pattern을 분석해 base를 추론합니다.

Biosensor에서는 target binding으로 발생하는 molecular size나 structure 변화가 blockade depth와 dwell time에 미치는 영향을 이용할 수 있습니다.

또한 native DNA의 methylation과 같은 chemical modification이나 RNA transcript 구조를 분석하는 방향으로도 활용되고 있습니다.

Nanopore의 핵심은 DNA를 많이 복제해서 강한 fluorescence를 만드는 것이 아닙니다. 개별 핵산 분자가 nanoscale pore를 통과하는 순간 ion transport를 변화시키고, 이 미세한 electrical signature에서 sequence와 molecular structure에 관한 정보를 추출한다는 것이 기존 amplification 중심 분자진단 기술과 구별되는 특징입니다.

※ 본 글은 nanopore 기반 DNA·RNA 분석과 분자진단 연구의 원리를 설명하기 위한 교육 목적의 콘텐츠입니다. 연구용 분석 성능과 특정 질환에 대해 검증·승인된 임상검사의 성능은 구분해서 해석해야 합니다.