나노입자-생물분자 결합

Nanoparticle–biomolecule conjugate
나노입자에 부착하면 생체 적합성이 높아진다.

나노입자-생물분자 결합체는 표면에 생체분자를 부착한 나노입자다. 나노입자는 나노미터(nm) 단위로 측정되는 미립자로, 생체 분자의 기능을 탐구하기 위해 나노바이오기술에 사용된다. 초미세먼지의 성질은 표면 면적 대 부피 비율이 크기 때문에 세포와 같이 큰 구조물보다 표면에 있는 성분이 더 많은 것이 특징이다. 나노 입자의 큰 표면 면적 대 부피 비율은 생체 분자와의 상호작용 가능성을 최적화한다.

특성화

나노입자의 주요 특징으로는 나노바이오기술에 가치를 두는 부피, 구조, 시각적 특성 등이 있다. 크기, 구조, 발광의 특정 특성에 따라 나노입자를 다른 용도에 사용할 수 있다. 영상 기법은 그러한 특성을 식별하고 시험 표본에 대한 더 많은 정보를 제공하기 위해 사용된다. 나노입자를 특성화하는 데 사용되는 기법은 나노입자가 아미노산이나 DNA와 같은 생체분자와 어떻게 상호작용하는지를 연구하는 데도 유용하며, 물과 형광에서 나노입자의 용해성으로 나타내는 자기공명영상(MRI)을 포함한다. MRI는 의학 분야에서 구조를 시각화하는 표본의 기질에 지형 광경을 제공해 준다 원자력 현미경 관찰(AFM). 최고의 광경을 제공해 준다[1]투과 전자 현미경(TEM)을 기념하지만 다른 기술과 원자의 힘 현미경,[2]라만 분광 법 또는 표면 라만 분광 법을 확대 적용될 수 있다.(SERS) 샘플의 파장과 에너지에 대한 정보를 제공한다.[3] 자외선은 빛이 흡수되는 파장을 측정한다.[4] X선 회절은 일반적으로 샘플의 화학적 구성에 대한 아이디어를 준다.[5]

화학

주요 기사: 나노입자

물리적인

나노분자는 거의 모든 원소에서 만들어질 수 있지만, 오늘날 산업에서 생산되는 대다수는 분자가 주위에 형성되는 기초로서 탄소를 사용한다. 탄소는 거의 모든 원소와 결합할 수 있으며, 특정 분자를 만들 때 많은 가능성을 허용한다. 과학자들은 간단한 탄소 기준으로 수천에서 수천 개의 나노분자를 만들 수 있다. 현재 존재하는 가장 유명한 나노분자 중 일부는 탄소 나노튜브와 버크민스터풀레렌을 포함한다. 나노분자와는 대조적으로 나노입자의 화학적 성분은 보통 철, 금, 은, 백금과 같은 금속으로 구성된다.[6]

나노입자와 분자의 상호작용은 나노입자의 코어에 따라 변한다. 나노입자 특성은 코어 재료의 구성뿐만 아니라 사용되는 재료의 두께에 따라 달라진다. 자기 성질은 분자 조작에 특히 유용하며, 따라서 금속이 핵심 물질로 사용되는 경우가 많다.[7] 금속에는 분자 결합을 조작할 수 있는 고유의 자기 특성이 있다. 나노입자가 리간드 성질을 통해 분자와 상호작용하기 때문에 나노입자의 자기성과 상호작용하는 외부 자기장에 의해 분자조립을 제어할 수 있다. 나노입자 생산에 있어 중요한 문제는 일단 나노입자가 용액으로 생성되면 발생한다. 안정제를 사용하지 않으면 일단 교반작용이 중단되면 나노입자가 달라붙는 경향이 있다. 이를 상쇄하기 위해 일반적으로 일정한 콜리디알 스태빌라이저를 첨가한다. 이 안정제는 다른 입자들이 나노입자와 결합하는 것을 막는 방법으로 나노입자에 결합한다. 지금까지 발견된 효과적인 안정제로는 구연산, 셀룰로오스, 보로하이드화나트륨 등이 있다.[8]

응용 화학

나노입자는 동일한 원소의 큰 입자에 비해 표면 면적 대 부피 비율이 높기 때문에 오늘날 산업에서 바람직하다. 화학반응은 반응성 화합물의 사용 가능한 표면적에 정비례하는 비율로 발생하기 때문에 나노입자는 같은 질량의 큰 입자보다 훨씬 빠른 속도로 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 나노입자는 반응을 일으키는 가장 효율적인 수단 중 하나이며 화학 산업에서 본질적으로 가치가 있다. 같은 성질은 분자와의 상호작용에서 그들을 가치있게 만든다.[9]

생체 분자 및 생물학적 공정을 이용한 응용

나노입자는 생물학적 과정에 큰 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[10][11] 나노 입자의 효력은 표면 면적 대 부피 비율에 따라 증가한다. 나노입자 표면에 리간드를 부착하면 생체 분자와 상호작용할 수 있다.

생체분자 식별

나노입자는 생체태깅이나 라벨링을 통해 생체분자를 식별하는데 귀중한 도구다. 나노입자 표면에 리간드나 분자 코팅의 부착은 나노입자와 분자간 상호작용을 촉진하고 생체적합성을 가능하게 한다. 나노입자와 생체분자 사이의 분자간 매력을 통해 공밸런스 본딩, 화학요법, 비공생 상호작용 등의 결합을 달성할 수 있다.

시각화를 강화하기 위해 나노입자를 나노입자 탐침의 크기와 모양을 조절하여 형광 투과로 만들 수도 있다. 형광은 방출된 빛이 도달할 수 있는 파장의 범위를 증가시켜 발광을 증가시켜 다양한 색상의 바이오마커를 허용한다.[7] 이 기술은 유전적 교대 측면에서 체내 및 체외 단백질 전달의 효능을 추적하기 위해 사용된다.

생물학적 공정관리

생물학적 과정은 나노입자를 이용해 조절할 수 있는 전사조절, 유전자조절, 효소억제과정을 통해 조절할 수 있다.[12] 나노입자는 나노입자의 표면에 양전하를 띤 양이온 리간드와 DNA에 존재하는 음전하를 띤 음전하를 띤 음전하핵산 사이의 이온적 결합을 통해 유전자 조절에 한 부분을 담당할 수 있다. 한 실험에서 나노입자-DNA 복합체가 T7 RNA 중합효소에 의한 전사를 억제해 복합체 내 강한 결합을 의미했다.[13] 나노입자-DNA 콤플렉스의 친화력이 높다는 것은 강한 유대감과 나노입자 사용이 유리하다는 것을 의미한다. 나노입자에 이온 리간드를 부착하면 효소 활동을 조절할 수 있다. 효소억제의 예로는 양이온 활성 부위가 큰 효소인 a-chymotrypsin(ChT)을 결합하여 제시한다. a-chymotrypsin을 음이온(음전하) 나노입자로 배양하면 음이온 나노입자가 활성 부지에 결합하면서 ChT 활성화가 억제된다. 효소 활성은 계면활성제의 첨가로 회복될 수 있다. 알킬 계면활성제는 Cht 주위에 빌레이어를 형성하는 반면, 티올과 알코올 계면활성제는 나노입자와의 상호작용이 중단되도록 Cht의 표면을 변화시킨다. 단백질 나노입자 복합체의 형성은 효소 활동을 억제할 수 있지만, 단백질 구조를 안정시킬 수 있고, 단백질을 불포화로부터 현저하게 보호할 수 있다는 연구결과가 있다.[13] 실험적이고 이론적인 분석은 또한 나노입자가 흡착된 단백질들 사이의 불리한 측면 상호작용을 억제할 수 있다는 것을 보여주었고, 따라서 변성 조건 하에서 그들의 안정성이 크게 향상되었다.[14][15] 금속성의 기능화를 위해 선택된 나노입자 부분에 리간드를 부착하여 자기 나노와이어를 발생시킬 수 있으며, 이는 셀룰러 조립체의 조작을 가능하게 하는 자기장을 발생시킨다.[7]

유전적 변화

나노입자는 또한 유전자 변형을 수행하기 위해 DNA와 함께 사용될 수 있다. 이것들은 형광물질의 사용을 통해 자주 관찰되며, 과학자들이 이러한 태그가 붙은 단백질이 성공적으로 전달되었는지 판단할 수 있게 해준다. 예를 들어 녹색 형광 단백질, 또는 GFP. 나노입자는 현재 사용되는 유기농법에 비해 세포독성이 현저히 떨어지며, 유전자를 보다 효율적으로 감시하는 방법을 제공한다. 교대 또한 유기 염료처럼 시간에 따라 분해하거나 표백하지 않는다. 동일한 크기와 모양의 나노 입자(단일 변위)를 표면에 부착한 기능 그룹이 있는 현수막도 정전기적으로 DNA에 결합해 여러 종류의 열화로부터 보호할 수 있다. 이러한 나노입자의 형광은 저하되지 않기 때문에 GFP나 다른 방법으로 추가 태깅을 사용하지 않고도 세포 국산화 추적을 할 수 있다. DNA의 '비패킹'은 발광공명에너지전달(LRET) 기술을 이용해 살아있는 세포에서 검출할 수 있다.[16]

의학적 시사점

체내 작은 분자는 보존 시간이 짧지만, 더 큰 나노입자를 사용하는 것은 그렇지 않다. 이러한 나노입자는 면역반응을 피하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 만성질환 치료에 도움이 된다. 잠재적인 암 치료법으로 조사되어 왔으며 유전적 질환의 이해에도 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[17] 나노입자는 또한 시스템 내에서 순환되는 수정되지 않은 약물의 양을 개선하여 현장 고유의 약물을 전달하는데 도움을 줄 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이것은 또한 필요한 복용 빈도를 감소시킨다.[18] 나노입자의 표적성질은 비표적 장기가 다른 부위에 사용되는 약물의 부작용을 경험할 가능성이 훨씬 적다는 것을 의미하기도 한다.

세포 상호작용 연구

세포 상호작용은 현미경 수준에서 발생하며 오늘날 이용 가능한 진보된 현미경으로도 쉽게 관찰할 수 없다. 분자 수준의 반응을 관찰하는 데 어려움이 있기 때문에, 간접적인 방법을 사용함으로써 삶에 필수적인 이러한 과정을 연구함으로써 얻을 수 있는 이해의 범위를 크게 제한한다. 소재 산업의 발전은 나노입자를 이용하여 생체 분자 수준에서 상호작용을 연구하는 나노바이오테크놀로지로 알려진 새로운 분야를 발전시켰다.[19]

나노생명공학이 특징인 연구 분야 중 하나는 세포외 매트릭스(ECM)이다. ECM은 주로 10~300nm의 직경을 가진 콜라겐과 엘라스틴의 부직 섬유로 구성된다.[19] ECM은 셀을 제자리에 고정하는 것 외에도 다른 셀의 ECM과 생명에 필수적인 트랜스엠브레인 수용체에 부착점을 제공하는 등 다양한 기능을 가지고 있다. 최근까지 세포가 기능성을 유지하도록 돕는 물리적인 힘을 연구하는 것은 거의 불가능했지만, 나노생명공학은 우리에게 이러한 상호작용에 대해 더 많이 배울 수 있는 능력을 주었다. 나노입자의 고유한 특성을 사용하여 나노입자가 ECM에 존재하는 특정 패턴을 어떻게 준수하는지 제어할 수 있으며, 그 결과 ECM 형상의 변화가 세포 기능에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해할 수 있다.[19]

나노 바이오 기술을 사용하여 ECM을 연구하면 과학자들이 ECM과 지원 환경 간에 발생하는 결합 상호작용을 조사할 수 있다. 나노스케일 물체를 집중 조명으로 가두는 기능을 가진 광학 핀셋 등의 도구를 활용해 이런 상호작용을 연구할 수 있었다. 핀셋은 ECM에서 기판을 떼어내려고 시도함으로써 기판 결합에 영향을 줄 수 있다. 핀셋에서 방출되는 빛은 ECM 코팅 마이크로비드를 억제하는 데 사용되었고, ECM이 기질에 가하는 힘의 변화는 광학 핀셋의 효과를 변조하여 연구하였다. 실험 결과, ECM이 기질에 가하는 힘은 핀셋의 힘과 양적으로 상관관계가 있는 것으로 나타났고, 이는 ECM과 투과단백질이 외부력을 감지할 수 있고, 이러한 힘을 극복하기 위해 적응할 수 있다는 후속 발견으로 이어졌다.[19]

혈액뇌장벽을 넘는 나노기술

혈뇌장벽(BBB)은 뇌척수액으로의 이물질의 확산으로부터 중추신경계(CNS)를 보호하는 내피세포의 특히 밀도가 높은 모세혈관으로 구성되어 있다.[20] 이러한 해로운 물체에는 현미경 박테리아, 큰 소수성 분자, 특정 호르몬과 신경전달물질, 그리고 저지질 용해성 분자가 포함된다. BBB는 이러한 해로운 입자들이 내피 세포와 대사 장벽 사이의 긴밀한 결합을 통해 뇌로 들어오는 것을 방지한다. BBB가 제 역할을 하는 철저함은 암, 알츠하이머, 자폐증과 같은 뇌의 질병을 치료하는 것을 어렵게 한다. 왜냐하면 BBB를 가로질러 약을 운반하는 것은 매우 어렵기 때문이다. 현재 치료용 분자를 뇌에 전달하기 위해서는 의사가 뇌에 직접 구멍을 뚫거나 생화학적 수단을 통해 BBB의 무결성을 파괴하는 등 고도의 침습적 기술을 사용해야 한다.[21] 나노입자는 크기가 작고 표면적이 넓기 때문에 신경치료에 적합한 솔루션을 제공한다.

나노기술은 혈액-뇌장벽(BBB)을 가로질러 약물과 다른 분자를 전달하는 데 도움이 된다. 나노입자는 자신을 위장하고 그들에게 트로이 목마법이라고 불리는 과정에서 BBB를 건너는 능력을 제공하도록 뇌를 속여서 효율적으로 BBB를 건너게 한다.[21] 나노 기술을 사용하는 것이 유리하다. 왜냐하면 공학적 복합체만이 필요하기 때문이다. 반면에 일반적인 용도의 경우 활성 화합물은 반응을 수행해야 한다. 이것은 활성 약물의 최대 효능을 가능하게 한다. 또한 나노입자를 사용하면 세포 표면에 단백질을 끌어당겨 세포막에 생물학적 정체성을 부여하게 된다. 그들은 또한 BBB를 가로질러 뇌로 이동하기 위해 철 결합 단백질인 트랜스퍼린이 로드 모양의 반도체 나노크리스탈과 연결되어 있는 내생적 능동수송을 사용한다.[22] 이 발견은 효율적인 나노입자 기반의 약물전달 시스템을 설계하기 위한 유망한 발전이다.

참조

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