With growing deaths from late diagnosis of diseases, development of rapid and simple diagnosis method is essential for the early treatment of disease. We used polydopamine based chemistry for the development of biosensors to detect the pathogen. Polydopamine have several benefits at surface functionalization; facile method which can be adjusted on various surfaces, able to functionalize in different ways, and shows great biocompatibility. With solid advantages, polydopamine have implied with several approaches in biotechnology. Herein, we present two different diagnosis methods for the rapid diagnosis of pathogen, using polydopamine biosensors. This thesis is organized as follows.In chapter 1 first describes the importance of pathogen detection and development of rapid diagnosis methods. Also, the characteristic and applications of polydopamine is briefly introduced. Chapter 2 describes the fluorescent detection of live bacteria coupled with polydopamine formation. During exponential growth of bacteria oxygen depletion is caused by large consumption of oxygen by bacteria, which inhibits the polymerization of dopamine. In contrast, polymerization of dopamine occurs during the steady-state growth of bacteria because high-oxygen concentration in solution, which is not consumed by bacteria. This difference in polydopamine formation is also described by the fluorescent dextran nanoparticles (FDNPs) as sensors. Fluorescence of FDNP is controlled by the polydopamine formations, which is strongly related with bacterial growth. Coupling of bacterial growth – polydopamine formation – and fluorescence of FDNPs were also used for the detection of antibacterial resistant bacteria (NDM1+ E. coli). In chapter 3, Type II clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) associated protein (Cas) system was used to detect genomic targets. We immobilized the RNA guidable nuclease-deficient Cas9 (dCas9) proteins on polydopamine particle (PDNP) for the rapid detection of nucleic acids. When the target genes are present in sample solution, dCas9 holds the genes onto PDNP surface, and PDNP quenches the fluorescent dye bound to the target. In this thesis we developed different methods for the diagnosis of pathogens using different characteristics of polydopamine. With these studies, I was able to obtain a broad and in-depth understanding of polydopamine chemistry, and ability to apply polydopamine in different ways for the biotechnological applications.
질병의 진단이 잘못되거나 늦어 사망하는 환자의 수는 매년 증가하고 있다. 이러한 질병의 빠른 치료를 위해서는 정확하고 신속한 진단 방법의 개발이 필수적이다. 폴리도파민은 간단한 방법으로 다양한 표면에 막을 만들 수 있으며 화학적 반응성을 조절할수 있는 생체에 안전한 물질이기에 여러 방법으로 생물공학에 사용되고 있다. 이러한 장점을 가지고 있기에, 우리는 폴리도파민을 새로운 진단 방법의 개발을 위하여 사용하였다. 이번 논문에서는 질병을 진단하는 두가지 방법을 소개하고자 한다.첫 장에서는 신속한 질병 전달의 중요성의 소개와 함께 폴리도파민이 가지고 있는 특성, 생체공학에서의 실례 등을 간단하게 소개한다. 두번째 장에서는 살아있는 박테리아의 진단법을 폴리도파민 형성과 형광신호를 이용하여 진단하는 방법을 소개한다. 박테리아의 급격한 성장에는 많은 양의 산소가 필요하며, 이는 용액 속에 존재하는 산소의양을 급격하게 줄이게 된다. 폴리도파민 형성에는 산소가 중요한 물질로써 작용하며 그렇기에 박테리아에 의하여 산소가 줄어든 환경에서는 폴리도파민의 형성이 저해되게 된다. 폴리도파민은 여러가지 방법을 통하여 형광입자가 나타내는 형광의 세기를 크게 저해하기 때문에 형광의 세기를 측정하는 것을 통하여 폴리도파민의 생성을 관찰할 수 있으며, 이렇게 박테리아 성장 – 폴리도파민의 형성 – 형광 입자의 형광관의 관계를 이용하여 항생제 내성균의 관찰을 성공할 수 있었다. 세번째 장에서는 CRISPR/Cas 시스템을 이용한 유전체 검출에 대한 내용을 서술한다. 우리는 폴리도파민 입자 위에 dCas9단백질을 붙이는 것에 성공하였으며, 이러한 구조는 검출하고자 하는 유전체를 폴리도파민 입자에 가깝게 접근하게 한다. 이렇게 거리가 가까워진 유전체-형광입자 복합체의형광은 폴리도파민 입자에 의하여 그 세기가 줄어들게 되며 형광 세기의 차이를 이용하여 목표 유전체를 검출할 수 있었다.
