Engineering DNA-based nanocomposites for bioanalytical applications

국문 초록 (Abstract)

DNA 기반 나노복합체는 프로그래밍 가능한 분자 인식 능력, 나노재료와의 조절 가능한 상호작용, 그리고 생체적합성 등의 고유한 특성으로 인해 생물학적 응용을 위한 다목적 플랫폼으로 부상하고 있다. 본 학위논문에서는 압타머 선별, 핵산 바이오센싱, 그리고 유전체 DNA 시각화를 위한 세 가지 DNA-나노복합체 시스템의 개발 및 특성을 제시하여 생물학적 연구에서 DNA-나노재료 인터페이스의 광범위한 응용 가능성을 입증하였다.
첫 번째 연구에서는 마이크로플루이딕스 기반 압타머 선별을 위해 개발한 산화그래핀 코팅 자성 나노입자(GOMNP)를 소개한다. 단일가닥 DNA와 산화그래핀 간의 π-π 스태킹 상호작용을 활용하여 타깃 분자의 고정화 없이 라벨-프리 SELEX 플랫폼을 구축하였다. 자동화된 공압 밸브가 장착된 다층 마이크로플루이딕 장치를 통해 정밀한 유체 제어가 가능하였으며, 8회의 선별 사이클을 통해 해리상수 18.6 ± 1.5 μM의 아데노신 특이적 압타머를 성공적으로 확인하였다.
두 번째 연구에서는 마이크로RNA 검출을 위한 DNA가 감싸진 탄소나노튜브(CNT) 센서의 성능 향상에 초점을 맞추었다. 프로브 DNA와 CNT 표면 간의 결합 친화도를 조절하기 위해 짧은 상보적 서열(SCS)을 도입하였다. 분자동역학 시뮬레이션을 통해 SCS 위치에 따른 센서 성능 영향을 규명하였으며, 검출한계가 약 25배 향상됨을 확인하였다. 해당 센서는 자궁경부암 바이오마커인 miR-21-5p를 인간 혈청에서 성공적으로 검출하였다.
세 번째 연구에서는 금 나노입자 태그 펩타이드를 이용한 전자현미경 기반 DNA 시각화를 위한 비독성적이고 범용적인 방법을 확립하였다. DNA 결합 펩타이드와 폴리비닐피롤리돈이 표면에 싸여진 금 나노입자를 결합하여 다양한 길이와 형태의 DNA에 대한 서열 특이적 시각화를 달성하였다. 또한, 인공지능 기반 파이프라인을 개발하여 선형, 원형, 유전체 DNA 분자의 자동 분류 및 치수 특징 추출을 성공적으로 수행하였다. 제5장에서는 본 연구의 결론 및 DNA 기반 나노복합체의 향후 방향성을 제시하였다.
이 연구는 DNA 기반 나노복합체가 차세대 다기능성 재료 및 바이오 재료로서 분자 인식, 바이오센싱, 시각화 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있는 가능성을 제시한다. 생물학적인 특성뿐만 아니라 우수한 재료적 특성 또한 갖는 DNA 기반 나노복합체는 나노기술과 재료공학, 생명공학을 연결하는 강력한 도구로서의 잠재력을 가지며, 향후 연구 및 개발을 통해 더욱 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

DNA-based nanocomposites have emerged as versatile platforms for biological applications owing to their programmable molecular recognition and tunable interactions with nanomaterials. This dissertation presents three distinct DNA-nanocomposite systems for aptamer selection, nucleic acid biosensing, and genomic DNA visualization.
In the first study, graphene oxide-coated magnetic nanoparticles (GOMNPs) were developed for microfluidics-based aptamer selection. By exploiting π–π stacking interactions between single-stranded DNA and graphene oxide, a label-free SELEX platform was established without target immobilization. The multilayered microfluidic device with automated pneumatic valves enabled precise fluid control. Adenosine-specific aptamers with a dissociation constant of 18.6 ± 1.5 μM were identified within eight selection cycles, each completed in approximately 2 hours, overcoming limitations of conventional SELEX methods for small molecule targets.
The second study enhanced DNA-wrapped carbon nanotube (CNT) sensors for microRNA detection by introducing a short complementary sequence (SCS) to modulate probe DNA-CNT binding affinity. Molecular dynamics simulations and MM-GBSA calculations elucidated position-dependent effects of SCS on sensor performance. Experimental validation demonstrated a 25-fold improvement in the limit of detection, and the sensor successfully detected the cervical cancer biomarker miR-21-5p in human serum.
The third study established a non-toxic method for DNA visualization under electron microscopy using gold nanoparticle-tagged peptides. Combining DNA-binding peptides with polyvinylpyrrolidone-capped gold nanoparticles enabled sequence-specific visualization across various DNA lengths and conformations. An AI-enabled pipeline was developed for automated classification and dimensional feature extraction, successfully analyzing linear, circular, and genomic DNA molecules.
Collectively, this dissertation demonstrates the versatility of DNA-based nanocomposites integrating graphene oxide, carbon nanotubes, and gold nanoparticles for molecular recognition, biosensing, and visualization applications, establishing foundations for next-generation diagnostic tools.

목차 (Table of Contents)

• 1. Research Background of DNA-based nanomaterials 1
• 1.1 Properties of DNA 1
• 1.2 DNA-based Nanocomposite Materials 3
• 2. On-Chip Selection of Adenosine Aptamer Using Graphene Oxide-Coated Magnetic Nanoparticles 6
• 2.1 Abstract 7
• 2.2 Introduction 8
• 2.3 Results and Discussion 12
• 2.4 Conclusion 21
• 2.5 Experimental Methods 22
• 2.6 References 40
• 3. DNA-Wrapped CNT Sensor for Small Nucleic Acid Detection: Influence of Short Complementary Sequence 42
• 3.1 Abstract 43
• 3.2 Introduction 44
• 3.3 Results and Discussion 47
• 3.4 Conclusion 53
• 3.5 Experimental Methods 54
• 3.6 References 67
• 4. Artificial Intelligence-Enhanced Analysis of Genomic DNA Visualized with Nanoparticle-Tagged Peptides under Electron Microscopy 71
• 4.1 Abstract 72
• 4.2 Introduction 73
• 4.3 Results and Discussion 78
• 4.4 Conclusion 92
• 4.5 Experimental Methods 94
• 4.6 References 136
• 5. Research Conclusion 141
• 논문요약 144