나노기술 및 정책 정보

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스페인의 마드리드 연구센터(Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares)가 주도하는 공동연구팀이 소화에 필수적인 역할을 하는 효소인 리파아제에 의해 구동되는 나노로봇의 사용에 대한 주요 장애물을 극복했음. 연구팀은 효소에 의해 구동되는 모터를 조절하여 잠재적인 생물 의학 및 환경 응용 분야를 확장하는 도구로 사용할 수 있음. 미생물은 복잡한 환경을 헤엄치고 주변 환경에 반응하며 자율적으로 조직할 수 있음. 이러한 능력에 영감을 받아 지난 20 년 동안 과학자들은 이 작은 수영 선수를 처음에는 거시적 규모로, 그다음에는 나노 규모로 인위적인 복제를 하여 환경 개선 및 생물 의학 분야의 응용 분야를 모색해 왔음. 마이크로 및 나노 모터의 속도, 하중지지 능력 및 표면 기능화의 용이성으로 인해 최근 연구의 발전으로 이러한 장치가 많은 생물 의학 문제를 해결하기 위한 유망한 도구로 전환되었음. 그러나 이러한 나노 로봇의 광범위한 사용에 대한 핵심 과제는 추진할 수 있는 적절한 모터를 개발하는 것임. 지난 5년 동안 연구팀은 나노 모터의 추진력을 생성하기 위해 효소 사용을 개척했음. 생체 촉매 나노모터는 생물학적 효소를 사용하여 화학 에너지를 기계적 힘으로 변환하며, 이 접근 방식은 이 작은 엔진에 동력을 공급하는 가장 빈번한 선택 중 하나인 요소 분해 효소, 카탈라제 및 포도당 산화 효소와 함께 이 분야에서 큰 관심을 불러 일으켰음. 연구팀은 다양한 나노 물질의 표면에 있는 리파제 효소의 구조적 조작 및 고정화 분야의 선두 주자임. 리파아제는 촉매 메커니즘이 개방형, 활성형 및 폐쇄형 사이의 주요 형태 변화를 포함하기 때문에 우수한 나노모터 구성 요소를 만듦. 연구팀은 효소의 3 차원 입체 형태 외에도 나노모터 표면에 고정하는 동안 효소의 방향을 제어하는 ​​것이 촉매 활성에 영향을 미치고 따라서 나노로봇의 추진에 어떻게 영향을 미치는지 조사했음. 연구진은 고정화 과정에서 리파제 형태와 배향의 세 가지 특정 조합을 생성하기 위해 실리콘 나노입자의 표면을 화학적으로 수정했음. 1) 개방 형태와 조절된 배향; 2) 닫힌 형태와 통제되지 않은 방향; 3) 1과 2 사이의 중간 상황. 연구팀은 분광 기술, 효소 활동과 관련된 촉매 매개 변수를 평가하기 위한 분석, 동적 분자 시뮬레이션, 현미경 기술에 의한 개별 나노모터 궤적의 직접 추적을 통해 세 가지 유형의 나노로봇을 분석했음. 결과는 개방형 효소 형태와 나노모터의 특정 방향을 결합하는 것이 제어된 추진력을 달성하는 데 중요하다는 것을 보여주었음.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie International Edition’ ("Enzyme Conformation Influences the Performance of Lipase-powered Nanomotors") 지에 게재됨.