Discovery of high affinity materials against a target of interest is crucial for various applications across multiple academic fields. Known as biopanning, the process enabled breakthroughs in targeted drug delivery and selective catalyst reduction. The use of phages displaying highly randomized peptide sequences on their coat proteins has been extensively researched. However, the efficient and controlled removal of non-bound and weakly-bound phages on the target material has been a challenge. By incorporating microfluidics, a controlled biopanning environment was enabled. Although current microfluidic biopanning systems have various advantages over conventional biopanning, the target material had to be fixed on a substrate. This meant that the wash flow around the target was limited to only the surface exposed to the fluid flow. By exposing all of the target surface, more efficient washing may be performed. Here, we introduce a method for improved biopanning through the use of inertial focusing and trapping of particles in microscale vortices. Inertial focusing allows for controlled manipulation of particles in the microfluidic channel. The subsequent trapping of particles in microscale vortices allows for continuous washing of the freely-floating particles. Through this technique, we showed efficient washing of phages displaying streptavidin binding peptide against particles displaying streptavidin on the surface. In addition, phages were modified with fluorescent dye for visualization during the experiments. Our work provides a basis for biopanning in a vortex chip and has potential to be used for biopanning using non-adherent cells such as circulating tumor cells and immune cells.
특정 목표 물질에 강하게 결합하는 물질을 찾는 것은 다양한 분야와 응용 측면에서 중요하다. 바이오패닝이라 불리기도 하는 이 기법은 맞춤형 약물 전달과 선택적 촉매 환원 연구 등에 사용되었다. 표면에 다양한 종류의 펩타이드를 발현하고 있는 박테리오파지를 사용한 바이오패닝 연구는 많이 진행됐다. 하지만 결합하지 않은 박테리오파지와 약하게 결합한 박테리오파지를 표면에서 효율적으로 제거하는 세척 기법은 난제로 남아있었다. 미세유체시스템을 도입한 바이오패닝 연구들은 효율적이고 제어된 세척을 가능하게 하였다. 하지만 이러한 기법들은 목표 물질이 바닥 면에 붙어있어야 한다는 단점을 가지고 있다. 이러면 유체의 흐름은 목표 물질의 윗면만 지나게 되고 목표 물질의 바닥 면은 유체의 흐름에 노출되지 않거나 매우 약하게 노출되게 된다. 만일 목표 물질의 모든 표면을 유체의 흐름에 노출할 수 있다면 더 효율적인 세척을 할 수 있게 된다. 본 연구는 관성 집중 현상과 미세 소용돌이를 이용해 미세입자들을 특정 공간에 가둔 뒤 효율적인 세척을 진행한 내용을 담고 있다. 관성 집중 현상을 이용하면 미세입자들을 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 이후 미세입자들을 미세 소용돌이에 가둔 상태에서 지속적인 세척을 진행하였다. 검증을 위해 스트렙타비딘에 강하게 결합하는 펩타이드가 발현된 박테리오파지와 표면에 스트렙타비딘이 발현된 미세입자를 사용하였고, 효율적인 세척이 가능한 것을 확인하였다. 박테리오파지는 형광 변형을 통해 실험 과정에서 실시간으로 세척 정도를 확인할 수 있게 하였다. 본 연구를 통해 소용돌이 칩을 통한 바이오패닝이 가능함을 보였고, 이 기법을 사용해서 앞으로 순환 종양 세포나 면역 세포에 대한 바이오패닝이 가능할 것으로 기대된다.
