Microfluidic Platform for High-Fidelity and Quantitative DNA Analysis
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 조규봉
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082428
- UCI I804:11029-000000082428
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
형광 기반 단일 분자 DNA 분석은 다양한 분야에서 활용되며 효율적인 분석을 위해서는 정밀도 높은 플랫폼이 필요하다. 본 학위 논문에서는 모세관력을 이용한 미세유체장치의 개발과 최적화를 통한 단일 분자 DNA의 효율적인 분석과 해당 장치의 두 가지 활용을 제시하고자 하였다. 해당 미세유체장치는 완만한 경사를 갖는 미세채널 입구와 최적화된 채널 구조 및 표면 전하를 통해 DNA를 양전하 표면에 균일하게 침착·신장시켜 재현성을 확보한다. 첫째, 말단 데옥시뉴클레오티딜 전이 효소를 이용하여 유전체의 부위 특이적 닉에 표지된 3′단일가닥 가지를 형성함으로써 기존보다 효율적인 광학 유전체 맵핑을 가능하게 하였다. A/T 서열 특이적 염색 특성을 갖는 SYTOX Deep Red 염료와 결합한 이중 광학 매핑 접근법은 높은 표지 효율, 강한 부위별 신호, 높은 위치 정확도를 제공한다. 본 방법을 박테리오파지 λ 유전체에서 검증한 후 대장균과 인간 유전체 DNA로 확장하여 높은 맵핑 효율을 달성하였다. 또한, 표지된 3′단일가닥 가지는 주사전자현미경(SEM) 아래에서도 관찰이 가능하여 고분해능 광학 유전체 맵핑 플랫폼으로의 확장 가능성도 갖추고 있다. 둘째, RNA 역전사효소를 사용하여 RNase로 절단한 시료 내 바이러스 RNA 절편을 primer로 하여 원형 단일 가닥 탐침에서부터 이중가닥의 바이러스 특이적 마커 분자를 만듦으로써 시료 내 미량의 바이러스 RNA의 탐지를 가능하게 하였다. 염색한 이중 가닥 마커를 형광 현미경으로 정량함으로써, PCR 등의 장비 없이도 낮은 검출한계와 정량한계를 달성하였다. 따라서, 본 학위 논문에서 제시하는 미세유체장치와 이를 활용한 검출, 분석법은 진단 및 유전체 서열 분석 플랫폼으로서 유용할 것으로 생각된다.
more초록(요약문)
Fluorescence based single molecule DNA analysis underpins diverse applications, and effective practice demands a highly precise platform. This thesis presents the development and optimization of a capillary force–driven microfluidic device for efficient single molecule DNA analysis, together with two applications. The device employs a gently tapered microchannel inlet, optimized channel geometry, and surface charge to reproducibly deposit and linearly stretch DNA onto a positively charged substrate. First, by using terminal deoxynucleotidyl transferase to create labeled 3′single stranded branches at site specific nicks, we enable optical genome mapping(OGM) with greater efficiency than conventional approaches. Combined with A/T sequence specific backbone staining, this dual optical mapping strategy delivers high labeling efficiency, strong per site signals, and precise positional accuracy. After validation on the bacteriophage λ genome, the method was extended to Escherichia coli and human genomic DNA, achieving high map rate. Moreover, the labeled 3′ branches are observable by scanning electron microscopy, indicating a route toward higher resolution OGM. Second, using reverse transcriptase, viral RNA fragments generated by RNase in the sample act as primers on circular single stranded probes to form double stranded, virus specific marker molecules, enabling detection of trace amounts of viral RNA. Quantification of double stranded markers by fluorescence microscopy achieves low limit of detection and quantification without PCR class instruments. Accordingly, the proposed microfluidic device and its associated analysis methods are expected to be useful as platforms for diagnostics and genome analysis.
more목차
목차 (CONTENTS)
초록 (국문) iv
Abstract (English) v
List of Tables and Figures vi
Chapter 1. Introduction 1
References 4
Chapter 2. Counting DNA Molecules on a Microchannel Surface
for Quantitative Analysis 6
2.1 Introduction 6
2.2 Results and Discussion 8
2.3 Materials and Methods 15
2.4 Conclusion 18
2.5 Tables and Figures 20
2.6 References 29
Chapter 3. Microfluidic Device to Maximize Capillary Force
Driven Flows for Quantitative Single-Molecule DNA
Analysis 32
3.1 Introduction 32
3.2 Results and Discussion 35
3.3 Materials and Methods 42
3.4 Conclusion 44
3.5 Tables and Figures 46
3.6 References 51
Chapter 4. High-Fidelity Genome Mapping Enabled by Branch
Labeling 54
4.1 Introduction 54
4.2 Results and Discussion 55
4.3 Materials and Methods 60
4.4 Conclusion 64
4.5 Tables and Figures 65
4.6 References 75
Chapter 5. Rapid and Sensitive Detection of RNA Viruses
through Imaging of Marker Molecules Derived from
Designed Circular DNA Probes 77
5.1 Introduction 77
5.2 Results 79
5.3 Discussion 93
5.4 Materials and Methods 95
5.5 Conclusion 101
5.6 Tables and Figures 102
5.7 References 128
