생체/유기물질로 이루어진 생물전자소자의 전자전달 특성

남 윤석,  오 병근,  조 경상,  최 정우,  이 원홍

서강대학교 화학공학과

Electron Transfer Characteristics of Bioelectronic Device

Composed of Bio/Organic Materials

Yun-Suk Nam, Byung-Keun Oh, Kyung Sang Cho, Jeong-Woo Choi, Won Hong Lee

Department of Chemical Engineering, Sogang University

서론

생체의 광합성시스템에서 이루어지는 전자전달 메카니즘을 응용하여 인공시스템에서 구현시킨 생물전자소자의 개발은 새로운 개념 및 기술을 제시하고 있다[1,2]. 이러한 생물전자소자는 전자의 전달속도와 에너지효율면에서 유리한 생물분자들을 이용하여 분자단위에서 인공생체막을 구성함으로써 이루어진다. 생물전자소자의 개발에 있어서 분자들을 일정한 배향을 가지도록 배열하는 것과 일정방향으로 전자를 전달하는 고효율의 전자전달물질을 적절히 구성하는 것은 생물전자소자의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소로 인식되고 있다.

녹색형광단백질(Green Fluorescent Protein;GFP)은 높은 형광수율을 나타내는 단백질로서 분자량은 27kDa이며 239개의 아미노산으로 이루어져 있다. GFP는 수용액상태에서 488nm파장의 빛에 의해 최대의 여기상태를 가지며 510nm에서 최대의 녹색형광을 방출한다. GFP는 pH5.5-12사이에서 형광을 방출하며 pH7.0에서 가장 안정적인 최대의 형광을 방출한다. GFP는 형광발색단에 Ser-Tyr-Gly의 아미노산 배열이 있으며, 이 아미노산배열의 산화-환원 과정에서 형광을 방출한다[3-4]. GFP는 11개의 anti parallel □-sheet가 1개의 central □-helix를 감싸고 있는 독특한 □-can 구조로 이루어져있으며 매우 안정적인 산화-환원전위를 지니고 있다.

본 연구에서는 유기분자인 viologen(전자수용체;A)을 ITO glass위에 Langmuir Blodgett(LB)기법으로 다층 누적시킨 후, 높은 형광수율을 나타내는 녹색형광단백질(GFP;전자여기체;S)을 Normal Drying으로 복합박막을 형성시켜 전자여기체/전자수용체로 이루어진 생물전자소자를 제작하였다. 복합박막으로 구성된 생물전자소자의 전기적 특성과 시간분해형광특성을 분석하여 정류특성과 전자전달현상을 검증하였다.

실험

사용물질

Viologen은 본 연구실에서 합성한 물질을 사용하였고, 녹색형광단백질(rEGFP)은 Clontech(USA)사에서 구입하여 사용하였다. GFP는 수용액상태로 5mM Tris-HCl buffer solution(Sigma chemical co, St. Louis, USA)에서 pH8.0으로 사용하였다.

Viologen LB film 제작과 복합박막제작

Viologen LB film(A)은 circular-type LB trough(Model 2022, Nima Tech, UK)을 이용하여 실온에서 dipping pressure 38mN/m로  ITO glass 및 Quartz plate위에 10Layer로 적층시켜 제작하였다. 제작된 viologen LB film은 Y-type으로 박막의 표면에 viologen의 head group이 존재하고 있다. 형성된 viologen 단일박막위에 GFP(dissolved in Tris-HCl buffer solution, 5mM)를 pH8.0에서 Normal Drying하여   viologen/GFP로 이루어진 복합박막을 제작하였다. 형성된 GFP박막을 확인하기 위해 복합박막의  UV/VIS absorption spectrum(JASCO V-550, JAPAN)과 fluorescence spectrum(PTI fluorescence instruments, USA)을 분석하였다.

전기적 특성 측정

ITO glass 위에 viologen/GFP의 형태로 형성된 복합박막의 표면에 상부전극으로 사용되는 Al을 400Å두께로 진공증착하여 (VPC-260F, Sinku Kiko Co., Japan)  Metal/Insulator/Metal(MIM) 구조의 생물전자소자를 제작하였고, 460nm filter를 장착한 Xenon lamp system(Oriel Co., USA)을 이용하여 제작된 소자에 광을 조사함으로써 current-voltage(I-V) 특성을 측정하였다(SMU Model 236, Keithley, USA).

시간분해형광특성 측정

Quartz Plate위에 GFP를 Normal Drying하여 제작한 단일박막과 viologen/GFP의 형태로 형성된 복합박막에 310nm의 Laser를 조사하여 여기시킨 후, 510nm의 형광을 방출시켰다(TCSPC system, EG&G Ortec, USA). 방출된 형광의 시간분해형광을 측정하여 전자여기체(S)와 전자수용체(A)사이의 전자전달특성을 분석하였다.

결과 및 토론

1. GFP의 박막특성

Viologen LB-film의 표면은 viologen의 head group인 amine으로부터 생성되는 양전하를 지니게 되고, GFP의 표면도 pH 5.0 이상에서는 순전하가 음성을 나타내기 때문에 양분자간의 정전기적 흡착력에 의해 박막의 표면이 조밀하게 형성된다. 제작된 복합박막의 UV-Visible absorption spectrum와 fluorescence emission spectrum을 측정하여 GFP박막의 형성을 확인하였다[Fig.1].

Fig. 1. (a)UV-Visible absorption spectra of hetero film

(b)Fluorescence spectra of hetero film

박막상태에서는 510nm에서 최대의 형광을 방출하며 490nm에서 최대의 흡수파장을 보인다.

2. 전기적 특성

제작된 MIM소자의 I-V(Current-Voltage)특성을 Fig.2에 나타내었다. 460nm 단파장의 150W Xenon 램프를 광원으로 사용하여 광전류를 측정한 결과 다이오드의 특성인 정류(rectifying)기능을 확인할 수 있었다. 0.5V 이상에서 정방향 전압을 걸었을 때 정방향으로 전류가 흐르고, 역방향으로는 전류가 흐르지 않음을 알 수  있었으며 -2V이하에서 항복현상이 관찰된다. 이것은 제작된 소자를 구성하는 기능성 분자사이의 산화-환원 전위차에 의해 전자여기체에서 전자수용체방향으로 일방향의 광전류가 흐르는 것을 나타낸다. 광전류와 암전류의 차이가 2V에서 200nA이며, 이는 제작된 소자가 빛에 의해 정방향으로 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있는 광다이오드로써 응용될 수 있음을 나타낸다.

Fig.2 I-V characteristics of MIM Device

3. 시간분해형광 특성

310nm의 Laser light로 여기된 GFP에서 방출되는 형광을 510nm에서 측정한 시간분해형광 특성을 Fig.3에 나타내었다. 주사조건은 80ps/channel이며 주사시간은 4ns이다. first amplitude는 GFP 단일박막의 경우 0.0416v이고 viologen/GFP복합박막의 경우 0.04638v이며, second amplitude는 GFP 단일박막의 경우 0.03920v이고 viologen/GFP 복합박막의 경우 0.03760v이다. GFP 단일박막에서 형광소멸시간은 1.54ns로 박막상태에서 매우 안정적인 형광소멸시간을 갖는다. viologen/GFP 복합박막에서 GFP의 형광소멸시간은 1.38ns이며 GFP에서 여기된 전자와 viologen사이의 소멸속도는 7.53×10-2(ns-1)로 분석되었다. 이것은 제작된 박막에서 산화-환원 전위차에 의해 전자여기체에서 전자수용체로 전자전달이 일어남을 나타낸다[9,10].

Fig.3 Fluorescence decay curves of homo(S) and hetero(S/A) films

감사

본 연구는 1998년도 한국과학재단의 특정기초연구(98-0502-08-01-3)의 지원에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

[1] Isoda, S., FED J., 2, 59-65 (1992).

[2] Choi, J. W., Jung, G. Y., Oh, S. Y., Lee, W. H., and Shin, D. M., Thin Solid Films, 284/285, 876-878 (1996).

[3] Fan Yang, Larry G. Moss, and George N. Phillips, Jr., Nature Biotechnology, 14, 1246 (1996)

[4] Satoshi Inouye, Frederick I. Tsuji, FEBS Letters, 351, 211-214 (1994b)

[5] Atkins, D. &Izant, J. G., Current Genetics, 28, 585-588 (1995)

[6] Fey, P., Compton, K. & Cox, E. C., Gene, 165, 127-130 (1995)

[7] Haseloff, J. & Amos, B., Trends in Genetics, 11, 328-329 (1995)

[8] Satoshi Inouye, Frederick I. Tsuji, FEBS Letters, 341, 277-280 (1994a)

[9] Mita Chattoraj, Brett A. King, Gerold U. Bublitz, and Steven G. Boxer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 8362-8367 (1996)

[10] Robert J. Stanley, Steven G. Boxer, J. Phys. Chem, 99, 859-863, 1995