나노기술 및 정책 정보

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스페인 바르셀로나자치주립대학(UAB)의 연구진은 구조적 및 기능적 특성의 고유한 조합 덕분에 두 가지 차별화되고 가역적으로 조절된 활동을 수행할 수 있는 천연 효소를 모방하는 작은 생체 구조를 설계함. 사용된 전략은 촉매 기능의 맞춤형 조합을 통해 ‘지능형’ 나노물질을 만들 수 있는 문을 열어줌.

부품에서 효소의 특성을 분석하는 복잡한 구조를 요구하지 않고 생물에서 영감을 받은 화학 반응을 실행할 수 있는 합성 시스템에 대한 관심이 증가하고 있음. 가장 많이 연구된 접근법 중 하나는 생체 적합성과 구조적 및 기능적 특성을 제어할 수 있는 방법으로 인해 단백질보다 작은 분자인 펩타이드의 자기 조립임.

연구진은 최근 역대 가장 작은 모방 효소 구조 중 하나를 설계함. 이 펩타이드는 세포에 무해한 안정한 아밀로이드 섬유와 고체 하이드로젤을 형성하기 위해 자발적으로 자기 조립되는 7~9개의 아미노산으로 구성됨.

펩타이드는 두 가지 유형의 수용성 아미노산(티로신과 히스티딘)으로 형성되며, 이 코드는 나노구조를 형성하는 데 필요한 모든 정보를 포함함. 또한 가역적이며 두 가지 차별화되고 관련없는 촉매 활동을 수행할 수 있음.

연구진은 더 간단하고 효소 활성을 더 잘 제어 할 수 있는 시스템을 만들 수 있었으며, 촉매 활성을 제공하는 동일한 아미노산이 거대 분자 구조를 형성하는 데 기여하는 구조를 처음으로 만들었음. 이전 연구에서 이러한 용량은 분자의 다른 영역에서 분리되어 단일 기능을 가진 더 긴 펩타이드를 생성했음.

문제의 핵심은 펩타이드가 자가 조립될 때에만 섬유와 하이드로잴의 촉매 활성이 일어날 수 있다는 것임. 연구진의 전략은 여러 실제 응용 분야를 위한 맞춤형 촉매 기능 조합과 함께 ‘지능형’ 나노구조 재료를 만들기 위한 기반을 마련함.

지금까지 설계된 대부분의 작은 펩타이드에는 천연 효소의 가장 중요한 기능 중 하나인 활성을 가역적으로 조절하는 능력이 부족했음. 이번 연구를 통해 조립 능력을 제어할 수 있었으며 이는 pH의 간단한 변화로 활성 및 비활성 형태를 번갈아 가며 사용할 수 있게함.

또한 새로운 펩타이드는 촉매 활성만을 수행하기 때문에 천연 효소에는 없는 특성을 가지고 있음. 이제 펩타이드는 동시에 또는 교대로 수행될 수 있는 두 가지 유형의 활동(가수 분해 및 전기 촉매)을 통합함. 다른 경우에는 구조적으로 다른 두 개의 인공 효소가 필요하며 이는 수백 배 더 크고 더 비쌈.

연구진이 지적한 이 새로운 인공 효소의 또 다른 특징은 자가 조립의 자발성임. 이는 추가 화학 시약이나 열을 가할 필요가 없으며 독성이 있거나 구조에 큰 영향을 미칠 수 있음을 의미함.

하이드로젤과 아밀로이드 유사 섬유는 반응의 최종 생성물을 인공 효소에서 쉽게 분리할 수 있는 견고하고 더 효율적이고 경제적인 마이크로 반응기를 생성할 수 있음.

개발된 거대 분자 구조는 미세 유체학 및 약물 전달에 중요한 응용 분야가 있을 수 있으며, 단백질을 아밀로이드 구조로 조립하는 분자 메커니즘에 대한 지식은 천연 펩타이드나 단백질로는 얻을 수 없는 특성을 가진 새로운 기능성 합성 나노물질을 개발하는 데 도움이 될 것임.

본 연구 성과는 ACS Catalysis ("pH-Responsive Self-Assembly of Amyloid Fibrils for Dual Hydrolase-Oxidase Reactions")에 게재됨.