Power-Free, Low-Cost Temperature Indicator and Logger based on Temperature-Mediated Primer Exchange Reaction

Abstract

A temperature monitoring system is critical for maintaining the integrity of sensitive biologics, such as vaccines. Currently, logistics strategies are often forced to choose between the simplicity of colorimetric indicators and the detailed history provided by digital data loggers. Therefore, cold chain assurance requires an integrated temperature monitoring system that merges the immediate visual cues of chemical indicators with the comprehensive data tracking of electronic devices. To bridge the gap, we developed a low-cost, power-free temperature monitoring system by leveraging the Temperature-Mediated Primer Exchange Reaction (TEMPER). The system utilizes hairpin DNA structures as programmable thermodynamic switches that regulate polymerase-mediated DNA synthesis. By adjusting the lengths of the primer hybridization and product dissociation regions, DNA synthesis can be programmed by temperature control. We employed the tunable mechanism to establish a dual-mode system. The first is a colorimetric indicator where DNA synthesis byproducts trigger a color change in a dye. By utilizing hairpin DNA that reacts only within a specific temperature range, the indicators provide visual warnings of temperature excursions across various thresholds. The second is a power-free data logger. Instead of using electronics, the logger physically encodes thermal fluctuations by specifically recording the temperature, duration, and sequence into elongating DNA strands composed of "low" or "high" temperature units. Using Next-Generation Sequencing (NGS), we decoded the synthesized DNA strands to reconstruct fluctuating 12-hour temperature profiles. By enabling both on-site decisions and retrospective analysis, the dual-mode approach offers a practical solution for modern logistics.|백신을 포함한 바이오 의약품의 콜드체인 운송에서 엄격한 온도 관리는 제품의 무결성을 담보하는 핵심 요소이나, 현행 모니터링 체계는 비용과 성능 사이의 딜레마에 빠져 있다. 저렴한 화학적 지시계는 정보가 단순하고, 정밀한 전자식 데이터 로거는 고비용 구조 탓에 개별 물품 단위 적용이 어렵기 때문이다. 이에 본 연구는 DNA 헤어핀 구조를 온도 감응형 스위치로 활용하여, 전력 없이도 스스로 작동하는 '온도-매개 프라이머 교환 반응(TEMPER)' 기반의 통합 모니터링 플랫폼을 제안한다. 연구의 첫 단계로, 직관적인 확인이 가능한 비색(Colorimetric) 기반의 온도 지시계를 구현하였다. 이 시스템은 DNA 합성 시 방출되는 부산물에 반응하여 용액 색상이 갈색에서 녹색으로 변하는 원리를 이용하며, 헤어핀 설계를 조절해 30°C, 40°C, 50°C 등 목표 온도에서만 정확히 반응하도록 튜닝되었다. 실험 결과, 불과 2시간의 짧은 온도 이탈도 시각적으로 뚜렷하게 식별됨이 확인되었는데, 이는 의료 현장에서 의약품의 안전성을 즉각 판단하는 데 실질적인 도움을 줄 수 있음을 시사한다. 나아가 본 연구는 단순한 감지를 넘어, 온도 이력을 DNA 서열로 기록하는 무전원 데이터 로거로 기술을 확장하였다. 저온(20°C)과 고온(60°C)에서 각각 우세하게 반응하는 두 종류의 바코드 헤어핀을 경쟁시켜, 시간 흐름에 따른 온도 변화를 DNA 가닥상의 서열 비율로 물리적으로 암호화하는 방식을 채택했다. 이렇게 합성된 DNA를 차세대 염기서열 분석(NGS)으로 해독함으로써 12시간 동안의 온도 변화 양상과 지속 시간, 순서를 정밀하게 재구성하는 데 성공하였으며, 이는 기존 전자식 로거가 해결하지 못했던 개별 물품 단위의 정밀 추적을 가능케 했다는 점에서 차별화된 의의를 갖는다. 종합하면, 본 연구의 TEMPER 플랫폼은 현장에서의 신속한 의사결정과 사후의 정밀한 데이터 분석을 동시에 지원하는 혁신적인 '분자 기록 장치(Molecular Recorder)'라 할 수 있다. 이러한 접근은 콜드체인 물류의 신뢰성을 한 단계 높이는 실용적 솔루션이 될 것이며, 향후 습도나 빛 노출 등 다양한 환경 변수를 복합적으로 감지하는 차세대 스마트 패키징 기술로 발전할 것으로 기대된다.