In this thesis, we developed an enzyme-free system for colorimetric $Cu^{2+}$ detection, which relies on target-dependent DNAzyme activity and toehold-mediated DNA strand displacement circuit. The system utilizes a DNAzyme, which undergoes self-cleavage in the presence of $Cu^{2+}$. The cleavage of the DNAzyme leads to the production of a catalyst strand that initiates successive toehold-mediated strand displacement reactions. These reactions lead to the release of split G-quadruplex DNAzymes, which are initially caged and inactivated by blocker strands. Fuel strands are incorporated to regenerate the catalyst strands, allowing them to be recycled for multiple cycles of the toehold-mediated strand displacement circuit. Consequently, a large number of active split G-quadruplex DNAzymes are produced and distinct colorimetric signal can be observed. By employing this design principle, $Cu^{2+}$ was sensitively identified with a detection limit of 1.3 nM. Finally, the practical sensing capability of this system was successfully demonstrated by its use to determine $Cu^{2+}$ in tap water.
본 학위논문에서는 표적 의존 DNA기반효소와 toehold-mediated DNA strand displacement (TMSD) 회로를 이용하여 $Cu^(2+)$을 비효소적으로 비색 검출하는 방법을 개발하였다. 본 시스템은 $Cu^(2+)$이 존재할 경우 자가절단되는 $Cu^(2+)$ 의존 DNA기반효소 (CuDNAzyme)을 사용한다. CuDNAzyme이 절단 될 시 TMSD 반응을 개시하는 catalyst 가닥이 방출된다. 위 TMSD 반응으로 인해 blocker 가닥에 의해 비활성화 되어있는 split G-quadruplex DNAzyme이 blocker 가닥으로부터 분리된다. 또한, fuel 가닥을 이용하여 catalyst 가닥을 blocker 로부터 분리시켜 TMSD 반응에 여러 차례 사용하고, 이에 따라 많은 양의 활성 split G-quadruplex DNAzyme이 생성된다. 본 기술을 이용하여 활성 G-quadruplex DNAzyme의 peroxidase activity로 촉진되는 ABTS 산화작용에 의한 비색 신호를 기반으로 표적 $Cu^(2+)$을 1.31 nM의 낮은 검출한계로 검출하였으며, 수돗물에 있는 $Cu^(2+)$을 성공적으로 검출하여 기술의 실용성을 증명하였다.
