나노구조 폴리디아세틸렌의 바이오센서 응용

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김종만, 이해원*, 안광덕**, 안동준***

한양대학교 화학공학과, 한양대학교 화학과,

한국과학기술연구원 생체재료연구센터, 고려대학교 화학공학과

Nanostructured Polydiacetylenes for Biosensors

Jong-Man Kim, Haiwon Lee*, Kwang Duk Ahn**, Dong June Ahn***

Department of Chemical Engineering, Hanyang University,

*Department of Chemistry, Hanyang University,

**Biomaterials Research Center, Korea Institute of Science and Technology,

***Department of Chemical Engineering, Korea University

서 론

단위 분자들의 집합체 또는 분자의 상호작용에 의해 형성되는 초분자(supramolecule)는 단위 분자가 가질 수 없는 특이한 물리, 화학적 특성을 나타낸다. 이러한 관점에서 디아세틸렌(diacetylene) 단량체의 분자조립(molecular assembly)에 의한 초분자의 형성 및 광중합에 의해 얻어지는 고분자를 이용한 바이오센서의 개발이 최근 활발히 진행되고 있다.1-6 디아세틸렌 초분자 센서의 가장 큰 특징은 표적물질은 인식할 때 청색에서 적색으로의 색의 변화를 수반하며 이 변화를 시각 및 UV-visible 스펙트럼으로 쉽게 관측할 수 있는데 있다. 따라서 기존의 형광 표식인자 또는 비환경친화적인 동위원소를 이용한 센서를 대체 또는 보완할 수 있는 장점을 가진다. 분자인식에 의한 색전이 폴리디아세틸렌은 의료용 센서, 환경오염물질 검출, 신약 후보물질 분석, 식중독균의 검출등 다양한 응용 가능성을 지닌다. 그림 1에 나타나 바와 같이 디아세틸렌 단량체를 분자간 거리가 충분히 가까운 상태로 분자를 배열시키고 254 nm 자외선 노광을 하면 주쇄에 이중결합과 삼중결합이 교대로 존재하는 폴리디아세틸렌(polydiacetylene, PDA)이 얻어진다. 조직적으로 배열된 디아세틸렌이 자외선 노광에 의해 중합이 이루어지기 위해서는 디아세틸렌 단량체 사이의 수평거리가 약 0.5 nm 그리고 디아세틸렌이 그림에서 보이는 바와 같이 수평축을 기준으로 약 45도의 각을 이룰 때 최적 중합이 이루어진다. 얻어진 디아세틸렌 공액 고분자는 대부분 640 nm 부근에서 최대흡수파장을 가지며 청색을 띄게된다. 청색의 디아세틸렌 고분자는 pH,7-8 온도,9-12 용매,13-14 물리적 자극,15-16 분자인식1-6과 같은 외부 환경의 변화에 의해 약 550 nm에서 최대흡수파장을 지니는 적색의 고분자로 전이가 일어난다. 적색으로 전이가 일어나는 자세한 메카니즘은 아직 밝혀지지 않고 있지만 공액 고분자 주쇄의 □-conjugation이 부분적으로 비틀어지기 때문에 일어나는 것으로 추정된다.  분자인식에 의해 색전이가 일어나는 디아세틸렌 센서에 관한 연구는 아직도 초기단계에 있으며 발표된 논문도 그리 많지가 않다. 따라서 본 발표에서는 지금까지 발표된 내용을 본 연구팀의 최근 결과를 중심으로 살펴보고자 한다.

그림 1. Self-assembled and polymerized diacetylenes (PDAs).

바이오 센서 응용

청색의 폴리디아세틸렌이 외부환경의 변화에 의해 적색으로 색의 전이가 일어나는 것은 이전부터 알려져 있었으나 리간드-리셉터의 분자인식 개념에 바탕을 둔 폴리디아세틸렌 바이오 센서는 1993년 미국 Lawrence Berkeley Laboratory의 Charych 연구실이 처음 발표하면서 본격적으로 연구가 시작되었다.2 Charych 연구실이 Science지에 발표한 내용에 의하면 그림 2에 보이는 바와 같이 말단에 인플루엔자 바이러스(influenza virus)를 인식할 수 있는 기능기를 지니는 폴리디아세틸렌 Langmuir-Blodgett(LB) 필름을 바이러스가 들어있는 용액에 담근 결과 LB 필름의 색이 청색에서 적색으로 색의 전이가 일어남을 관찰하였다. 이는 그림 2의 오른쪽 가시광선 스펙트럼에서도 잘 나타나 있는데 약 630 nm에서의 흡수가 줄어들고 550 nm의 적색에서의 흡수가 증가함을 보여준다. 인플루엔자 바이러스가 우리 몸을 침투하여 다른 세포를 감염시킬 때에는 바이러스가 가지고 있는 헤마글루티닌(hemaglutinin, HA)을 이용하여 우리 몸 세포 표면의 당단백질(glicoprotein) 또는 당지질(glycolipid)의 끝에 있는 sialic acid를 인식함으로 시작된다. 따라서 sialic acid가 말단에 있는 PDA 필름은 바이러스를 잘 인식하게 된다. 바이러스가 없을 때 PDA 센서의 분자구조는 이중결합과 삼중결합이 p-orbital로 연결되어 있는 공액구조를 지닌다. 따라서 장파장 (640 nm)에서 흡수가 일어나게 된다. 그러나 PDA 센서가 덩치가 큰 바이러스를 인식하게 되면 그림 3에서 보이는 바와 같이 바이러스-바이러스간의 입체방해(steric hindrance)가 생기게 되고 또한 바이러스-센서분자간의 mechanical stress가 가해져서 연결된 p-orbital이 부분적으로 끊어지게 되어 단파장으로의 전이가 일어나게 된다.

그림 2. PDA sensor for the detection of influenza virus and spectral changes upon virus              binding.

그림 3. Color transition mechanism of virus-induced PDA sensor.

Charych 실험실의 발표 이후 나노구조의 폴리디아세틸렌을 센서에 응용하려는 연구가 몇몇 연구팀을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. 본 연구팀은 바이러스가 세포를 인식할 때에는 바이러스 표면의 작용기와 세표표면의 리셉터 사이의 다중인식(multiple recognition)으로 이루어지는 것을 이용하여 다중인식 작용의 모델로서 말단에 카르복실기가 있는 디아세틸렌 단량체를 사용하여 PDA 리포솜 및 필름을 만들어 덴드리머(dendrimer)와의 반응을 조사하였다.

또한 본 연구팀은 최근 사이클로덱스트린(cyclodextrin, CD)이 특정 분자를 선택적으로 인식하여 inclusion complex를 만든다는 사실에 근거하여 사이클로덱스트린에 선택적으로 반응하여 색의 변화를 가져오는 PDA 필름 센서를 개발하였다. 사이클로덱스트린은 알파, 베타 그리고 감마 세 종류가 있으며 사이클로덱스트린의 종류에 따라 inclusion complex를 잘 이루는 분자도 달라진다. 일반적으로 벤젠고리가 하나인 화합물은 알파 사이클로덱스트린과 잘 complex를 이룬다. 본 연구에서는 말단에 벤젠기가 하나인 페닐아미도기를 가지는 디아세틸렌 단량체를 분자조립하여 PDA 필름을 만들고 알파 사이클로덱스트린에 선택성을 지니는지에 관하여 조사하였다.

PDA 센서를 이용한 또 하나의 유용한 예는 항체-항원 인식에 의한 것으로서, 본 연구팀이 최근 암과 관련된 tumor necrosis factor인 TNF-□라는 단백질을 검출할 수 있는 색전이 센서를 만들기 위해서 TNF-□를 인식할 수 있는 항체를 붙인 PDA 리포솜을 만들어 TNF-□와 반응시킨 결과 TNF-□가 있을 때에는 PDA 센서의 색이 적색으로 바뀌는 것을 쉽게 확인할 수 있었다. 이 외에도 PDA 센서는 DNA 검출에도 이용될 수 있으며 다양한 응용 가능성을 지닌다.

결론 및 앞으로의 전망

디아세틸렌 단량체를 분자조립후 자외선 노광으로 얻어지는 청색의 폴리디아세틸렌은 외부환경의 변화에 의하여 적색으로 색의 전이가 일어난다. 여러 가지 외부환경의 변화 중에서 분자인식에 의한 색 변환은 PDA 센서를 의료용 센서, 환경오염물질 검출용 센서, 환경호르몬 검출용 센서, 생리활성물질 검출용 센서, 바이오-칩 등으로 다양하게 사용될 수 있게 만든다. 또한 시각적으로 색이 변화를 쉽게 관찰 할 수 있기 때문에 고가의 장비가 드는 형광표식인자 또는 동위원소를 사용하는 다른 검출 방법을 대체 또는 보완할 수가 있다. 분자인식 PDA 센서는 고분자, 생화학, 그리고 공정에 대한 전반적인 지식이 요구되는 분야이며 선진국에서도 초기 연구 수준이기 때문에 독창적인 아이디어와 다학제간의 공동 연구로 실생활에 유용한 센서를 만들 수 있으며 앞으로 성장 가능성이 큰 연구 분야이다 .

감사

본 연구는 KOSEF의 초미세공정시스템연구센터 및 산업자원부 차세대신기술개발사업의 연구비지원으로 이루어졌으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1.  S. Okada, S. Peng, W. Spevak, and D. H. Charych, Acc. Chem. Res., 31, 229 (1998).

2  D. H. Charych, J. O. Nagy, W. Spevak, and M. D. Bednarski, Science, 261, 585 (1993).

3  D. H. Charych, Q. Cheng, A. Reichert, G. Kuziemko, M. Stroh, J. O. Nagy, W. Spevak, and R. C. Stevens, Chem. Biol., 3, 113 (1996).

4.  Q. Cheng, and R. C. Stevens, Adv. Mater., 9, 481 (1997).

5. A. Berman, D. J. Ahn, A. Lio, M. Salmeron, A. Reichert, and D. Charych, Science, 269, 515 (1995).

6. U. Jonas, K. Shah, S. Norvez, and D. H. Charych, J. Am. Chem. Soc., 121, 4580 (1999); Z. Ma, J. Li, M. Liu, J. cao, Z. Zou, J. Tu, and L. Jiang, J. Am. Chem. Soc., 120, 12678 (1998).

7. Q.Cheng, and R.C. Stevens, Langmuir, 14, 1974 (1998).

8. N. Mino, H. Tamura, and K. Ogawa, Langmuir, 8, 594 (1992).

9. M. Shibata, F. Kaneko, M. Aketagawa, S. Kobayashi, Thin Solid Films, 179, 433 (1989).

10. R. R. Chance, G. N. Patel, and J. D. Witt, J. Chem. Phys., 71, 206 (1979).

11. G. J. Exarhos, W. M. Risen, and R. H. Baughman, J. Am. Chem. Soc. 98, 481 (1976).

12. T. Kim, K. C. Chan, and R. M. Crooks, J. Am. Chem. Soc., 119, 189 (1997).

13. R. R. Chance, Macromolecules, 13, 396 (1980).

14. B. Chu and R. Xu, Acc. Chem. Res., 24, 384 (1991).

15. K. tashiro, H. Nishimura, and M. Kobayashi, Macromolecules, 29, 8188 (1996).

16.  R. A. Nallicheri and M. F. Rubner, Macromolecules, 24, 517 (1991).

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1