'단백질 섬유화' 밝히는 야누스 입자 개발
'단백질 섬유화' 밝히는 야누스 입자 개발
  • 강지희
  • 승인 2019.09.13 23:00
  • 조회수 1339
  • 댓글 0
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둘 다 선택할 수 있다면? 출처: pixabay
둘 다 선택할 수 있다면? 출처: pixabay

한쪽 면에만 DNA가 코팅된 야누스 나노입자는 특정 부분이 선택적으로 결합해 일어나는 단백질의 섬유화 과정 및 고차원 단백질 나노구조체 형성 등을 이해하기 위한 핵심으로 알려져 왔습니다. 하지만 최근까지도 대량 합성 기술이 알려진 바 없고 계산을 통한 간접적인 연구 결과만 있었죠.

 

성균관대학교는 화학공학 및 고분자공학부 이기라 교수 연구팀이 DNA가 코팅된 야누스(Janus) 입자의 대량 합성 기술을 확보하고 이를 통해 알츠하이머 또는 당뇨병과 관련된 단백질 섬유화 과정을 설명하는 새로운 연구 결과를 얻었다고 밝혔습니다. <Nature Communications>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 야누스 입자를 대량으로 생산할 수 있는 용액 공정을 개발했습니다.

 

야누스 입자?

야누스 입자의 대략적인 이미지. 출처: Wikimedia Commons
야누스 입자의 대략적인 이미지. 출처: Wikimedia Commons

20세기에 이르러 분석 기술이 고도화됐습니다. 나노기술이 발달했고 이러한 기반 덕에 기존 벌크 소재에서 볼 수 없었던 새롭고 뛰어난 물리적, 화학적 특성을 가진 입자들이 발명됐습니다. 이후 과학자들은 상반되는 두 가지 이상 특성을 동시에 가지는 입자를 만들 수 없을까 고민했는데요. 이러한 고민의 해결 전략 중 하나인 '야누스 입자'는 20세기 후반에 처음으로 등장했습니다.

 

야누스 입자(Janus particle)란 하나의 입자가 두 개 또는 그 이상의 상(phase)로 이뤄져 있으며 각 상이 다른 조성 또는 서로 다른 물리-화학적 특성을 가진 입자를 가리킵니다. 야누스라는 이름은 고대 로마 신화에 등장하며 '시작'과 '끝'을 의미하는 두 얼굴을 가진 신 '야누스(Janus)'에서 착안했습니다. 1989년 C. Casagrande와 M. Veyssie는 표면의 절반은 친수성, 나머지 절반은 소수성을 가지는 입자를 만들고 이를 Janus bead라 불렀습니다.

 

이후 서로 상반되는 물리, 화학적 특성을 나타내는 두 면을 가지는 입자를 야누스 입자라 불렀죠. 야누스 입자는 그 형태 및 특성의 특수성 덕분에 촉매, 바이오센싱(biosensing), 및 약물 운송(drugdelivery) 등 많은 분야에 활용 될 가능성을 가지고 있어 근래에 많은 관심을 받고 있습니다.

 

어떻게 개발했나

야누스 입자의 표면에 DNA가 코팅된 면적의 비율(Janus balance)에 따른 섬유, 판상형 구조 형성에 관한 실험 결과와 계산 결과(상단 그림) 및 추가적인 인력에 따른 섬유 구조에서 링 구조의 전이과정 및 새로운 섬유구조 및 판상형 구조체 형성 결과를 보이는 광학현미경 사진 및 계산 결과(하단 그림)

연구팀은 야누스 입자를 대량으로 생산할 수 있는 용액공정을 개발하고 DNA를 한쪽 면에만 붙여 선택적으로 결합했습니다. 이를 통해 연구팀은 DNA가 코팅된 부분의 면적비가 작으면 클러스터가 나타나고 커지면 섬유형태 및 판상형 구조체 등의 다양한 나노구조체가 만들어질 수 있음을 확인했습니다. 연구팀은 특히 섬유구조체 형성과정의 관찰 및 해석 과정을 통해 알츠하이머 또는 당뇨병과 관련돼 많은 주목을 받고 있는 단백질 섬유화 과정을 설명할 수 있었습니다.

 

연구팀은 또한 추가적인 인력이 있는 경우 링 모양 구조체가 기판 위에서 형성되는 것을 발견해 단백질의 링 구조체가 어떻게 세포 표면에서 선택적으로 형성되는지 설명했습니다. 이런 링 모양의 단백질 구조가 세포 위에 형성되는 경우 세포 내부로 원하지 않은 이온들이 출입이 가능하기 때문에 세포 독성과 관련해 최근 매우 많은 관심을 받았습니다.

이번 연구를 주도한 이기라 교수. 출처: 성균관대학교
이번 연구를 주도한 이기라 교수. 출처: 성균관대학교

따라서 이번 연구 결과를 바탕으로 야누스 입자를 이용한 단백질 구조체와 질병의 상관관계 연구를 비롯해 치료제 개발 및 조기 검진 연구가 활발하게 진행될 전망입니다. 연구진은 이번 논문에서 발표한 방법을 응용해 두 개 이상의 서로 다른 표면을 갖는 입자를 제조하고 각각에 다른 종류의 DNA를 붙이는 연구를 현재 진행하고 있는데요. 연구팀은 "연구를 통해 보다 복잡하고 다양한 단백질 구조체의 형성 과정을 이해하고 새로운 생체모사 나노구조체를 형성할 수 있을 것으로 기대하고 있다"고 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 


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