We have successfully developed a novel, label-free, electrochemical sensing system for detection of theophylline. In our new system, an abasic site-incorporated duplex DNA immobilized on the surface of gold electrode is employed as a key component to analyze theophylline with electrochemical read-out. The abasic site opposite cytosine in duplex DNA plays an important role as a binding pocket for both silver ion and theophylline. This sensor is operated with the electrochemical signal generated by redox reaction of silver ions captured onto cytosine groups opposite the abasic site in duplex DNA. This phenomenon is regulated by the competitive binding of theophylline on the same site in duplex DNA. When theophylline is absent, silver ions are adsorbed onto cytosine groups opposite the abasic site in duplex DNA leading to the highly elevated electrochemical signal. On the other hand, theophylline present in the solution binds to the abasic site by pseudo base pairing with the cytosine nucleobase, which consequently inhibits binding of silver ion to the abasic site. As a result, redox reaction of silver ion does not occur, which results in the significantly decreased electrochemical signal. By applying this new electrochemical strategy, theophylline was detected with the high selectivity over structurally similar substances such as caffeine and theobromine. Finally, theophylline in human blood serum was successfully analyzed, verifying the diagnostic capability of this method.
테오필린은 급성 혹은 만성 폐쇄성 폐질환 증상을 치료하기 위해 흔하게 사용되는 약으로 기관지를 확장시켜주거나 호흡 기관을 자극하는 역할을 한다. 치료 목적으로 투약되는 테오필린은 60 - 100 uM 이며, 이 범위 이상의 테오필린이 혈액 내에 존재하게 되면 신경계 손상을 초래거나 심지어는 생명에 위협을 줄 수 있다고 알려져 있다. 때문에 혈액에 정확한 테오필린의 농도를 검출하는 것은 자칫 발생할 수 있는 부작용을 예방하는데 필수 적이다. 현재 사용되는 검출 방법은 기상 혹은 액상의 크로마토그래피나 자외선 분광법을 이용하고 있다. 하지만 이 방법은 검출시간이 오래 걸려 환자에게 검출 결과를 통보하는데 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다. 이런 문제를 극복하기 위한 새로운 기술들이 많은 연구자들에 의해서 개발되고 있지만, 현재 새롭게 개발되는 대부분의 검출 방법은 리보 핵산 압타머를 이용한 형광분석이다. 리보 핵산은 화학적인 반응에 의해 변형 되거나 분열될 수 있어 안정적인 검출 시스템 개발을 위해 사용되기에 부적합하며, 형광분석법은 상대적으로 비싸고 부피가 큰 장비가 필요하고 신호 발생을 위한 시약 또한 고가이다.
이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 전기화학적 방법으로 신호를 분석하고 비표지 방식의 새로운 테오필린 검출 시스템을 개발하였다. 전기화학적 방법은 형광분석법과 다르게 분석기기 소형화가 가능하여 어디서든 빠른 시간 내에 검출 결과를 받아 볼 수 있다. 이 검출 시스템은 핵산 이중가닥 사이에 있는 무염기 서열에 결합하는 은 이온의 산화환원반응을 통한 전기화학적 신호를 이용한다. 테오필린은 이중가닥 핵산의 무염기 서열에 결합하는 특성을 갖고 있다. 무염기 서열에 상보적인 염기서열이 시토신일 경우 수소결합에 의해 가장 강한 결합력을 보여준다. 테오필린이 존재하지 않는 경우에는 은 이온이 무염기 서열에 결합하여 전기화학신호를 발생하는 역할을 하는데 테오필린이 존재하는 경우에는 무염기 서열에 테오필린이 우선적으로 결합하여 은 이온의 산화환원반응이 일어나지 않는다. 이와 같은 검출 시스템이 낮은 농도의 테오필린을 검출 할 수 있는 민감도를 검증하였다. 또한 테오필린과 구조적으로 유사한 카페인과 테오브로민 및 혈청에 존재하는 다른 물질에 대해서도 높은 검출 특이도가 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 기본적인 전기화학적 신호발생 방법은 다른 생체분자의 검출 시스템에도 적용 될 수 있는 가능성을 가지고 있어 다양한 생체분자 검출 분야에 사용될 것으로 기대된다.
