자가조립펩타이드

Self-assembling peptide

자가 조립 펩타이드는 순서가 정해진 나노구조물로 자발적인 조립을 거치는 펩타이드의 한 범주다. 1993년 처음 기술된 [1]이 디자이너 펩타이드들은 바이오의학 나노기술,[2] 조직 세포 배양,[3][4] 분자 전자장치 등과 같은 분야에 응용할 수 있는 잠재력으로 나노기술 분야에 관심을 끌었다.[5]

효과적으로 자가 조립 펩타이드들은 광범위한 재료와 장치 용도에 대한 구성 요소 역할을 한다. 이 기술의 본질은 자연이 하는 것을 복제하는 것이다: 분자 인식 과정을 이용하여 생화학 활동을 수행할 수 있는 빌딩 블록의 순서형 조립체를 형성하는 것이다.

배경

펩타이드들은 지질, 당분, 핵산, 금속 나노크리스탈 등과 같은 다양한 다른 구성 요소들과 결합되도록 설계될 수 있기 때문에 다양한 재료들을 위한 우수한 구성 요소들만큼의 성능을 발휘할 수 있다; 이것은 탄소 구조체처럼 또 다른 인기 있는 나노 물질인 탄소 나노튜브보다 펩타이드들이 우위에 있게 한다.e는 활동적이지 않다. 그것들은 또한 생체적합성과 분자 인식과 같은 특성들을 보여준다; 후자는 주문된 나노구조체를 만들기 위한 특정한 선택을 가능하게 하기 때문에 특히 유용하다. 또한 펩타이드들은 고온/저온, 세제 및 불포화제의 극한 조건에 대한 저항력이 뛰어나다.[6]

자가조립을 수행하는 펩타이드의 능력은 그들을 제조 도구로 사용할 수 있게 해주는데, 이것은 현재 나노소재 생산의 기본 부분으로 계속 성장하고 있다.[7] 펩타이드의 자체 조립은 분자의 구조 및 화학적 호환성을 통해 촉진되며, 형성된 구조는 물리적 및 화학적 안정성을 보여준다.[6]

상향식 접근방식에서 자체 조립 펩타이드를 사용하여 나노 구조체를 구축할 때의 큰 장점은 특정 기능이 통합될 수 있다는 것이다. 펩타이드를 수정하고 기능화할 수 있다는 것이다. 이 접근방식은 최종 구조물이 작고 단순한 건물 블록의 자체 통합으로부터 구축된다는 것을 의미한다. 나노스케일 구조에는 기본적으로 이 접근법이 필요한데, 정교한 석판화 기법과 식각 기법을 이용해 장치를 소형화하는 톱다운 방식이 물리적인 한계에 도달했기 때문이다. 더욱이 하향식 접근법은 주로 실리콘 기반 기술에만 적용되며, 생물학적 개발에 사용할 수 없다.

펩타이드 구조는 4단계로 계층적으로 구성된다. 펩타이드의 1차 구조는 펩타이드 체인에 있는 아미노산의 순서다. 아미노산은 카르복실 및 아민 기능군을 운반하는 단량체 분자로, 티올과 알코올과 같은 다른 아미노산에 다른 화학 그룹의 스펙트럼이 부착되어 있다. 이것은 광범위한 화학적 상호작용을 촉진하고 따라서 펩타이드들이 할 수 있는 분자 인식을 촉진한다. 디자이너 자가 조립 펩타이드에는 자연산과 비자연 아미노산이 모두 사용된다. 그들은 통제된 방식으로 서로 연결되어 긴 폴리펩타이드 사슬을 형성하는 짧은 펩타이드들을 형성한다.

이러한 사슬을 따라 교대 아민(NH)과 카보닐(CO) 집단은 극성이 매우 높으며 서로 쉽게 수소 결합을 형성한다. 이 수소 결합은 펩타이드 체인을 결합하여 2차 구조를 발생시킨다. 안정적인 2차 구조로는 알파헬리크와 베타시트가 있다. 불안정한 이차 구조물은 형성된 임의의 루프, 턴, 코일이다. 형성되는 2차 구조는 1차 구조에 따라 달라진다; 아미노산의 다른 순서는 다른 선호를 나타낸다. 2차 구조물은 보통 다양한 루프와 함께 접혀 들어가 3차 구조로 변한다. 2차 구조와 3차 구조물을 구별하는 것은 주로 후자가 비균형 교호작용을 포함한다는 것이다. 2분위 구조는 둘 이상의 다른 폴리펩타이드 사슬이 결합되어 단백질 서브 유닛으로 알려진 것을 형성하는 것이다.

펩타이드 체인의 자가 조립 과정은 역동적이다. 자가 치유 방식으로 반복적으로 재조립된다.[8] 펩타이드 구조를 재조립하기 위해 발생하는 상호작용 유형에는 반데르 발스 힘, 이온 결합력, 수소 결합력, 소수성 힘이 포함된다.[8] 이러한 힘은 또한 펩티드가 포함하는 분자 인식 기능을 촉진한다. 이러한 상호작용은 에너지 특성과 특수성에 따라 선호도에 기초하여 작용한다.

다양한 나노 구조가 형성될 수 있다. 나노튜브는 내부 구멍이 확실한 길쭉한 나노 물체로 정의된다.[9][10][11][12] 나노파이브릴은 속이 텅 빈 나노튜브와 반대로 내부가 단단하다.

가공/합성

펩타이드 합성은 그램이나 킬로그램 단위로 고체상 화학의 확립된 방법에 의해 쉽게 수행될 수 있다. d-등각체 순응은 펩타이드 합성에 사용될 수 있다.

나노구조는 디펩타이드 1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-프로판올을 100mg/ml에서 용해한 후 물로 희석시켜 2mg/ml 미만의 농도를 얻을 수 있다.[11] 알츠하이머 β-아밀로이드펩타이드의 디페닐알라닌 모티브에서 디펩타이드로 만들어진 지름 80~300nm의 멀티월 나노튜브는 이 방법으로 만들어진다. 티올이 디페닐알라닌에 유입되면 나노 스피어가 대신 형성될 수 있다. 디페닐갈신 펩타이드에서 직경 10~100nm의 나노 공간도 이런 방식으로 만들어질 수 있다.[11]

특성화

원자력 현미경 검사는 나노튜브의 기계적 특성을 측정할 수 있다.[9][10][13][11] 레고 펩타이드 나노섬유 구조를 검사하기 위해 스캐닝 전자와 원자력의 현미경 검사가 사용된다.[7]

동적 광 산란 연구는 계면활성제 펩타이드의 구조를 보여준다.[7] 계면활성제 펩타이드는 구조물에 미치는 영향을 최소화하는 퀵-프리즈/딥-에치 시료 준비 방법을 사용하여 연구되었다. 샘플 나노 구조물은 -196 °C에서 플래시가 동결되며 3차원 연구도 가능하다.[7] 전송전자현미경이 사용되었다.

컴퓨터 기술을 이용하여, 펩타이드의 분자 모델과 그 상호작용들을 만들고 연구할 수 있다.

특정 펩타이드에 대해 특정 테스트를 수행할 수 있다. 예를 들어 형광 방출 테스트는 펩타이드에 특별히 결합되어 흥분했을 때 파란색 형광을 방출하는 티오플라빈 T 염료를 사용하여 아밀로이드 섬유질에 적용될 수 있다.[6]

구조

디펩티데스

가장 간단한 펩타이드 블록은 디펩타이드다. 디펩타이드로 형성된 나노튜브는 펩타이드 나노튜브 중에서 가장 넓다. 지금까지 연구된 디펩타이드의 예로는 알츠하이머 β-아밀로이드 펩타이드의 디페닐알라닌 모티브에서 나온 것이 있다.[11]

디펩타이드도 보호 집단인 Fluornylmethyloxycarbonyl 염화물과 연결되었을 때 나노 구조의 또 다른 형태인 하이드로겔로 자가 조립되는 것으로 나타났다. 디펩타이드 Fmoc-diphenalaine에 초점을 맞춘 실험은 Fmoc-diphenalanine이 self-- 연동 β-시트(β-시트)를 통해 하이드로겔로 자가 조립하는 메커니즘을 탐구해 왔다.[14] 페닐알라닌은 전자 밀도가 높기 때문에 분자의 중요한 부분인 방향성 고리를 가지고 있는데, 이는 자가조립을 선호하며 자가조립을 하는 동안 이러한 고리 스택은 조립을 가능하게 한다.

레고펩타이드 / 이온 자기충족 펩타이드

이 펩타이드들은 크기가 약 5nm이며 16개의 아미노산을 가지고 있다.[8] 레고펩타이드 등급은 레고 블록의 페그와 구멍과 유사하게 소수성 또는 소수성이 있는 두 개의 뚜렷한 표면을 갖는 독특한 특성을 가지고 있다.[7] 소수성 쪽은 물 속에서 자기조립을 촉진하고 친수성 쪽은 충전된 아미노산 잔류물이 규칙적으로 배열되어 있으며, 이는 이온 결합의 정의된 패턴을 가져온다.[7] 잔류물의 배치는 전하 순서에 따라 분류할 수 있다. Modulus I는 충전 패턴이 "++++-", Modulus II는 "+++++", Modulus III는 "+++++++++" 등이 있다.[7] 펩타이드들은 알칼리성 양이온 또는 펩타이드 용액이 첨가된 상태에서 약 10nm 길이의 나노 섬유로 자가 조립된다.[7] 섬유는 서로 이온적 상호작용을 형성해 매트릭스처럼 체커보드를 형성하는데, 이는 99.5~[8]99.9% 이상의 높은 수분 함량과 10~200nm 직경의 모공을 가진 비계[check spelling] 하이드로겔로 발전한다.[7] 이러한 수족관은 뉴런의 성장을 가능하게 하므로 조직공학을 위한 비계로 사용될 수 있다.[15]

계면활성제펩타이드

나노튜브와 나노입자를 형성하기 위해 물 속에서 자가조립을 하는 계면활성제 유사펩타이드들은 천연 지질들을 가이드로 삼아 설계되었다.[7][9][10][13] 이 등급의 펩타이드에는 소수성 꼬리(알라닌, 발레린 또는 류신 등 4개 이상의 소수성 아미노산 포함)가 있는 친수성 머리(파르티카산, 글루탐산 등 1, 2개의 충전 아미노산 또는 히스티딘산 포함)가 있다. 펩타이드 모노머는 길이가 약 2~3nm이며 7~8개의 아미노산으로 구성된다. 펩타이드의 길이는 산을 추가하거나 제거하여 조정할 수 있다.[16]

물 계면활성제 펩타이드에서는 분자간 수소 결합과 미셀 형성과 유사한 방식으로 잔류물[7] 사이에 소수성 꼬리의 패킹을 통해 30~50nm의 잘 정돈된 나노튜브와 나노입자를 형성하기 위해 자가 조립을 거친다.계면활성제 펩타이드 구조의 급속 냉동 샘플에 대한 전송 전자 현미경 검사에서 나선형 오픈 엔드 나노튜브가 나왔다. 이 샘플들은 또한 역동적인 행동과 펩타이드 나노튜브에서 나온 일부 베시클 "버드"를 보여주었다.[7]

분자 도료 또는 카펫 펩티드

이 종류의 펩타이드들은 표면에서 자체 조립을 거쳐 단열재를 형성한다. 단열재의 두께는 불과 몇 나노미터에 불과하다.[7] 이러한 유형의 분자 "페인트" 또는 "카펫" 펩타이드들은 세포 패턴을 형성하고, 다른 분자와 상호작용하거나 표면에 덫을 놓을 수 있다.[7] 이 등급의 펩타이드들은 세 부분으로 구성된다: 머리는 다른 분자나 세포 표면 수용체에 의해 인식되기 위해 부착된 기능 그룹을 가진 리간드 부분이고, 중간 부분은 표면으로부터 멀리 떨어진 곳에서 머리가 상호작용을 할 수 있는 "링커"이다.[7] 링커는 또한 펩타이드 구조의 유연성과 강성을 제어한다.[7] 링커의 다른 쪽 끝에는 펩타이드의 화학 그룹이 특정 표면과 공동 결합을 형성하는 표면 고정 장치가 있었다.[7] 이 종류의 펩타이드들은 그들의 분자 구조를 극적으로 바꿀 수 있다는 독특한 특성을 가지고 있다.[7] 이 속성은 예를 사용하여 가장 잘 설명된다. DAR16-IV 펩타이드에는 16개의 아미노산이 있으며 주변 온도에서 5nm β-시트 구조를 형성한다. 구조물의 빠른 변화는 고온에서 발생하거나 pH의 변화로 2.5nm α-헬릭스 형태가 된다.[7]

순환펩타이드

D와 L 아미노산을 균등하게 교대하여 순환 펩타이드 성분을 쌓아 형성된 나노튜브에 대한 광범위한 연구가 이루어졌다.[11] 이 나노튜브들은 펩타이드에 의해 형성되는 가장 좁은 것이다. 적재는 분자간 수소 결합을 통해 발생하며, 최종 제품은 펩타이드의 아미노산 사이드 체인이 튜브 외부 표면의 특성과 튜브[11] 내부 표면의 특성을 결정하는 펩타이드 백본의 원통형 구조물이다.[11] 중합체는 또한 펩타이드에 공동 부착될 수 있으며, 이 경우 나노튜브 주변의 중합체 껍질이 형성될 수 있다. 펩타이드 디자인을 적용함으로써 완전히 균일한 내경을 지정할 수 있으며, 외부 표면 특성 또한 펩타이드 설계에 의해 심의될 수 있으므로 이러한 순환 나노튜브는 다양한 환경에서 형성될 수 있다.[11]

재산평가

– 선택한 물질의 특성(기계, 전자, 광학, 자기...)에 대한 논의는 동일한 물질이 나노 스케일에 있지 않을 경우 주요한 차이점을 나타낸다. 디펩타이드로 형성된 나노튜브는 극한 조건에서 안정적이다. 건조 나노튜브는 200 °C까지 분해되지 않는다. 나노튜브는 pH 범위와 유기 용매의 존재에서 뛰어난 화학적 안정성을 보인다. 이것은 종종 불안정하고 온도 및 화학적 조건에 민감하게 반응하는 자연 생물학적 시스템과는 현저한 차이점이다.

미카에 건조한 나노튜브는 평균 160 N/m의 강도와 19–27 GPA의 높은 영의 계수를 갖는다는 것이 원자력 현미경 실험에서 밝혀졌다.[11] 비록 그것들이 탄소나 무기 나노튜브보다 덜 뻣뻣하지만, 이러한 가치와 함께 이 나노튜브들은 가장 뻣뻣하게 알려진 생물학적 물질들 중 하나이다.[11] 기계적 강성을 촉진하는 메커니즘은 분자간 수소 결합과 펩타이드의 견고한 방향족 사이드 체인으로 제안되었다.[11] 표면 특성 나노튜브의 경우, 주기적인 펩타이드에 의해 만들어진 것과 별도로, 내부와 외부 표면의 표면 특성은 아직 성공적으로 독립적으로 수정되지 않았다.[11] 따라서 내부 및 외부 튜브 표면이 동일하다는 한계를 나타낸다.

분자 조합은 대부분 수소 결합, 이온 결합, 반 데르 발스 상호작용, 소수성 상호작용 등을 포함하는 약한 비동결 결합을 통해 발생한다.

자가조립 펩타이드 대 탄소 나노튜브

탄소나노튜브(CNT)는 바텀업 어플리케이션용 빌딩 블록으로서 잠재력에 많은 관심을 끌어온 또 다른 나노물질이다. 그들은 우수한 기계적, 전기적, 열적 특성을 가지고 있으며 광범위한 나노 크기 직경으로 제작될 수 있어 전자 및 기계 장치의 개발에 매력적이고 적절하다.[17] 그들은 금속과 같은 특성을 보여주며 주목할 만한 지휘자 역할을 할 수 있다. 그러나, 펩타이드들이 CNT에 비해 장점이 있는 분야가 몇 가지 있다. 배경 섹션에서 언급한 바와 같이, 나노사이즈 빌딩 블록으로서 펩타이드에 탄소보다 더 많은 이점은 탄소가 비반응성으로 인해 수행할 수 있는 바로 그 화학적 상호작용에 비해 거의 무제한의 화학적 기능을 가지고 있다는 것이다.[17] 또한 CNT는 수용액에서[17] 뭉치는 경향이 있고 따라서 용해도가 제한적이다; 그들의 전기적 특성 또한 습도와 산소의 존재, NO2 및 NH의3 영향을 받는다.[11] 또한 특성이 균일한 CNT를 생산하는 것은 어려운 일이며, 상업적 목적상 정밀한 구조적 특성의 재현성이 핵심 관심사다. 마지막으로, CNT는 그램 당 수백 달러의 가격으로 비싸서 대부분의 응용 프로그램은 상업적으로 실행 불가능하게 만든다.[17]

현재 및 미래의 애플리케이션

디자이너 펩타이드의 매력은 구조적으로 단순하고 복잡하지 않고 대규모로 생산할 수 있다는 점이다.[7]

세포 배양

레고펩타이드로 형성된 펩타이드 비계는 다공성과 세포외 매트릭스 구조와 매우 유사해 3D 세포 배양에 광범위하게 사용되어 왔다.[3] 이러한 비계는 세포 증식과 원하는 세포 유형으로의 분화에도 사용되었다.[7] 쥐 뉴런을 이용한 실험은 세포 배양에 있어 레고 펩타이드의 유용성을 입증했다. 펩타이드에 부착된 랫드 뉴런은 펩타이드 비계에 의해 설정된 윤곽선을 따르는 기능성 액손들을 투사했다.[7]

바이오메디컬 어플리케이션

분자 '스위치' 펩타이드의 행동을 검사함으로써 단백질 간의 상호작용에 대한 더 많은 정보와 일부 단백질 순응성 질환의 병원생식을 더 유의하게 얻을 수 있다. 스크랩, 쿠루, 헌팅턴스, 파킨슨병, 알츠하이머병 등이 이에 해당한다.[7] 자가조립 및 계면활성제 펩타이드는 유전자,[18] 약물[19] 및 RNAi의 전달 시스템을 대상으로 사용할 수 있다.[20][21] 지름이 약 100nm인 계양 디펩티드 NH-Phe-NH22 나노입자가 내분포를 통해 세포에 흡수돼 올리고뉴클레오티드를 세포에 전달할 수 있다는 연구결과가 이미 나왔다.[11]이는 펩타이드 나노구조물이 유전자와 약물 전달에 어떻게 사용될 수 있는지를 보여주는 한 예다.수용성 분자와 생물학적 분자가 이런 방식으로 세포에 전달될 수 있을 것이라는 전망도 제기된다.[11] 자가 조립 레고 펩타이드들은 조직 보수와 엔지니어링을 위해 생물학적으로 호환되는 비계를 형성할 수 있다.[17] 많은 수의 질병들이 작은 분자 약으로 치료될 수 없기 때문에 이 영역은 큰 잠재력을 가지고 있다; 세포 기반 치료 접근법이 필요하고 펩타이드가 잠재적으로 큰 역할을 할 수 있다.[17] 자가 조립으로 형성된 순환 펩타이드 나노튜브는 세포막을 통해 모공을 형성하고 세포 삼투성 붕괴를 일으키는 이온 통로 역할을 할 수 있다. 펩타이드는 박테리아 세포막에서 우선적으로 형성되도록 설계될 수 있으며, 따라서 이 관들은 항균성 및 세포독소제로서 활동할 수 있다.[11][17]

분자 전자장치 응용

분자 '스위치' 펩타이드들은 전자 성분이 통합되면 나노스위치로 만들 수 있다.[7] 금속 나노크리스탈은 펩타이드와 공칭적으로 연계되어 전자적으로 반응할 수 있다; 현재 이러한 분자 '스위치'를 이용하여 전자적으로 제어되는 분자와 분자 '기계'를 개발하는 방법에 대한 연구가 진행 중이다.[7] 펩타이드 나노파이버는 은, 금, 백금, 코발트, 니켈 및 다양한 반도체 재료와 같은 다양한 무기 물질의 성장 템플릿으로도 사용될 수 있다.[6] 또한 방향족 전달 전자는 펩타이드의 측면 사슬에 부착되어 전도성 나노구조체를 형성할 수 있어 특정 방향으로 전자를 전달할 수 있다.[17] 금속과 반도체 결합 펩티드는 나노와이어 제조에 사용되어 왔다.[6] 펩타이드들은 속이 빈 나노튜브로 자가 조립되어 주조 금형 역할을 하며, 관 안에서 이동되는 금속 이온은 금속성 형태로 감소한다. 그러면 펩타이드 '곰팡이'는 효소 파괴되어 약 20nm 직경의 금속 나노와이어를 생산할 수 있다.[17] 이는 금나노와이어를 만들어 왔으며 이 규모의 나노와이어는 석판화로 만들 수 없다는 점에서 특히 의미가 크다. 연구진은 또 은심 나노와이어와 펩타이드 절연층, 금외투 등을 갖춘 다층 나노케이블을 성공적으로 개발했는데,[11] 이는 나노튜브 내 AGNO를3 줄인 뒤 금 입자가 부착된 펩타이드 성분이 함유된 티올층을 묶는 방식으로 이뤄진다.[11] 이 층은 다음 단계에서 핵 부위의 역할을 하며, 나노튜브에 금을 코팅하여 금속-절연체-금속 3엽 동축 나노케이블을 형성한다.[11] 펩타이드 나노튜브는 균일한 크기의 나노와이어를 생산할 수 있으며 전기적, 자기적 특성이 크기에 민감하기 때문에 나노전기에 특히 유용하다.[11] 나노튜브의 뛰어난 기계적 강도와 안정성은 이 분야에 적용하기 좋은 우수한 재료로 꼽힌다. 나노튜브는 전기화학 바이오센싱 플랫폼 개발에도 활용돼 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 입증됐다. 흑연 전극에 퇴적된 디펩티드 나노튜브는 전극 감도를 개선했으며, 효소 코팅으로 금에 퇴적된 티올 변형 나노튜브는 포도당과 에탄올 검출에 대한 민감도와 재현성을 개선했으며, 검출 시간 단축, 전류의 밀도 증가, 안정성 향상.[11] 나노튜브는 수소 결합을 통해 단백질, 나노크리스탈, 메탈폴로피린으로 성공적으로 코팅되었고 이러한 코팅된 튜브는 화학 센서 영역에서 큰 잠재력을 가지고 있다.[11] 규칙적인 성장 템플릿으로 자가 조립할 수 있는 알려진 구조로 설계된 펩타이드들은 나노스케일 전자 회로와 장치의 자체 조립을 가능하게 할 것이다. 그러나 아직 해결되지 않은 한 가지 문제는 나노 구조물의 위치를 제어할 수 있는 능력이다. 기판, 상호 및 다른 기능 구성요소에 상대적인 이러한 위치는 매우 중요하며, 비록 이 영역에서 진전이 이루어졌지만, 이 통제를 확립하기 전에 더 많은 작업을 완료해야 한다.[11]

기타 응용 프로그램

분자 카펫/페인트 펩타이드는 다양한 산업 분야에서 사용될 수 있다. 그것들은 비생물학적 물질의 '나노 유기체'로 사용될 수도 있고, 세포 세포의 통신과 행동을 연구하는 데 사용될 수도 있다.[7] 또한 펩타이드 나노튜브에 캡슐화하면 리파아제 효소의 촉매 능력이 크게 향상된다는 사실도 밝혀졌다.[11] 1주일 동안 나노튜브에 배양한 후 상온에서 자립형 지방질 대비 효소의 촉매 활성도가 33% 향상되고 65°C에서 개선 효과가 70%로 증가한다. 향상된 능력은 효소 활성 구조로의 순응적 변화 때문이라고 제안한다.[11]

제한 사항

잘 정돈된 나노 구조물은 이미 자가 조립 펩타이드로부터 성공적으로 형성되었지만, 유용한 기능성이 구조물에 통합될 때까지 그 잠재력은 완전히 충족되지 않을 것이다.

더욱이 지금까지 형성된 펩타이드 구조물의 대부분은 1-D 또는 2-D인 반면, 자연에서 대부분의 생물학적 구조는 3-D이다.[17] 펩타이드의 자가조립 행동에 대한 이론적 지식이 부족하다는 점에 착안해 비평이 이뤄졌다. 이러한 지식은 합리적인 설계와 펩타이드 어셈블리의 정밀한 제어를 용이하게 하는데 매우 유용하다는 것을 증명할 수 있다. 마지막으로 자가조립 펩타이드 관련 용도를 개발하기 위한 광범위한 작업이 이루어지고 있지만, 상업적 생존성, 공정성 등의 문제는 이와 같은 주의를 기울이지 않고 있다. 그러나 애플리케이션을 실현하려면 이러한 이슈를 평가하는 것이 중요하다.

참조

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