POLYMERS Vol.62　No.2 February 2013

POLYMERS　Vol.62　No.2

특집
생체 고분자를 기반으로 한 무기 재료의 창제

전망

바이오 템플레이트를 이용한 나노재료의 제작과 응용

이와호리 겐지, 야마시타 이치로

<Abstract> 무기 나노 재료를 제작하는 다양한 방법이 존재하며, 현재에도 새로운 방법들이 개발되고 있다. 본 원고에서는 균일하면서 정밀도가 높은 나노 재료를 제조하는 데 이용되는 단백질 템플레이트를 이용하는 바이오 템플레이트 법과 이 방식으로 제작된 나노 재료의 특성 및 응용 가능성 그리고 전망을 소개한다.
Keywords: Nanomaterial / Nanoparticle / Ferritin / Nano-Devise / Bio-Template

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바이오 모방 재료의 합성과 자기 조립의 현재와 앞으로 나아갈 방향

마츠이 히로시

<Abstract> 펩타이드와 단백질은 자기 조립성, 템플레이트로써의 기능 및 분자 인식능을 갖고 있기 때문에 복잡한 삼차원의 하이브리드형 집합체를 개발하는 데 유용하다. 본 원고에서는 펩타이드 기반의 재료 과학 및 공학이 어떻게 시작되었으며, 이차원 집합체 및 더 복잡한 삼차원 집합체를 형성하는 기술이 어떤 방향으로 발전해 나갈 것인지에 대해서 살펴본다. 다른 기술로 달성하기 어려운 정확한 위치에서의 대규모의 집합, 주기성, 그리고 입자간의 거리 등의 특성을 소개한다. 바이오 분자의 집합체는 일렉트로닉스, 포토닉스, 태양 전지, 의료 기기, 조직 공학, 메타재료의 분야에서 응용이 예상된다.
Keywords: Bionanotechnology / Peptides / Protiens / 3D Self-Assembly / Biomaterials / Biomimetics

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바이오미네랄화에서 배우는 무기 결정의 합성: 분자제어를 통한 구조의 형성

이마이 히로아키, 오아키 유야

<Abstract> 무기 고체와 유기 고분자의 복합체인 바이오미네랄의 형성 과정(바이오미네랄화)에는 다양한 생체 고분자가 관련되어 있다. 본 원고에서는 바이오미네랄의 기본 구조를 살펴보고, 바이오미네랄화의 분자 제어 메커니즘을 이용한 무기결정의 구조 형성에 대해서 소개한다.
Keywords: Biomineral / Molecular Control / Crystal Growth / Organic Template / Soluble Molecule / Self-Organization

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토픽

나노재를 표적으로 하는 항체를 이용한 나노 입자의 접합

우메츠 미츠오, 하토리 다카미츠, 구마가이 이즈미

<Abstract> 항체는 높은 친화력과 특이성을 바탕으로 단백질 공학, 의약 화학 및 나노 기술 분야에서 활용되고 있으며, 최근의 연구 결과를 통해서 특정 항체가 무기 재료의 표면를 인식하여 결합할 수 있음이 밝혀졌다. 재료의 표면에 높은 결합성을 갖는 항체 조각은 펩타이드-그래프팅 및 파지 디스플레이 기술로 만들어진 중쇄형 낙타 항체 (VHH)의 중쇄 부분의 도메인의 단일 가변 부위에 생성되며, 이 항체는 나노 입자의 표면을 간단하게 수식하기 위한 계면 분자로써 이용될 수 있다. 무기 나노 입자의 기능화하는 융합 기술로써 재료 결합성 VHH 플랫폼에 구축된 다가이온성 및 이중 특이성을 갖는 항체와 이 항체로 수식된 나노 입자를 이용하여 암 세포의 표면 플라즈몬 공명 산란 이미지를 얻는 수 있으며, 또한 두 개의 서로 다른 나노 재료를 자발적으로 연결시키는 데 사용할 수 있다. 본 원고에서는 나노 수준의 재료에서 유용한 계면 분자로써 이용 가능한 이중 특이성을 갖는 항체의 특성을 소개한다.
Keywords: Antibody / Nanoparticle / Evolution Technology / Interface Molecule / Assembly

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규조류의 껍질 형성에서 배우는 바이오 실리카 제작기술의 개발과 가능성

마츠다 유스케

<Abstract> 규산염의 바이오미네랄화는 자연에서 흔하게 관찰된다. 규조류의 실리카 껍질(frustle)의 형성 과정에 대한 연구를 통해서 frustle의 형성을 위한 중요한 요소인 실리카 형성 펩티드 Silaffin이 양이온성을 나타내는 것이 밝혀졌다. 본 연구진의 최근 연구 결과를 통해 리신과 아르기닌과 같은 염기성 아미노산도 규산염을 미네랄화 할 수 있음을 확인하였다. 그러나 0.1 M 규산염 용액에서 양이온성 펩타이드의 경우 30 nM만으로도 바이오미네랄화를 일으키는 데 반해, 리신과 아르기닌과 같은 아미노산은 5 mM이상의 고농도가 필요하다는 점에서 양이온성 펩타이드의 바이오미네랄화 효율이 아미노산보다 100배 이상 뛰어난 것으로 예상되었다. 양친매성 α-나선형 펩타이드는 탄산탈수효소 PtCA1를 형성하는 규조 피레노이드로부터 얻어지며, 유전자 기술을 이용하여 염기성 아미노산을 이α-나선형 펩타이드에 도입하였다. 생성된 양이온성 규조 피레노이드 형성인자, CDPF는 규조류의 Silaffin과 거의 동일한 높은 활성으로 바이오 실리카를 형성하는 것이 밝혀졌다. 본 연구를 통해서 천연 또는 단백질 공학을 통해서 얻은 펩타이드를 사용하여 실리카 기반의 재료를 생성하는 기술의 높은 잠재 가능성이 실현되었다.
Keywords: Diatom / Biosilica / Cationic Peptide / Protamine

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펩타이드 지질이 자발적으로 형성하는 금속 착물형 유기 나노튜브

고기소 마사키, 아오야기 마사루

<Abstract> 유기 나노튜브(ONTs)는 다양한 기능성 재료의 신규 나노 콘테이너로써의 응용이 예상된다. 글리실-글리신과 알킬 체인으로 이루어진 펩타이드 지질은polyglycine-II 유형의 독특한 수소 결합 네트워크를 통해 유기 나노튜브를 형성한다. 금속 착물형 유기 나노튜브(M-ONTs)는 펩타이드 지질의 금속 착물로 이루어진 독특한 ONTs이다. 금속염의 수용액을 펩타이드 지질이 분산되어 있는 알코올 용액에 첨가하였을 때, M-ONTs는 순간적으로 형성되었다. 본 연구진은 몇 시간 이내에 물과 알코올의 혼합액 약 1 L에서 건조된 M-ONTs의 100 그램 이상을 제조할 수 있다. 금속 이온은 내부와 외부의 표면 및 이중층 막의 사이에도 존재한다. 이러한 M-ONTs는 유기물 층을 템플레이트로 사용한 금속 집적을 통해서 새로운 금속 또는 금속-유기 하이브리드 나노재료로써 주목을 받고 있다. 특히 M-ONTs를 촉매로써 응용하는 연구가 이루어졌다. 그 결과 단일 이중층 니켈-ONTs가 다양한 유기 분자를 산화시킬 수 있는 높은 촉매 활성을 갖고 있음이 밝혀졌다.
Keywords: Metal Complex / Organic Nanotube / Peptide / Self-Assembly / Catalyst

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고분자 템플레이트를 이용한 유기/무기 복합체의 개발

니시무라 다츠야

<Abstract> 뼈, 치아, 조개의 진주층, 그리고 갑각류의 외골격 등의 바이오미네랄은 고도로 제어된 계층 구조를 갖는 유기/무기 하이브리드이다. 본 연구진은 새로운 기능성 하이브리드 재료의 개발하는 과정에서 바이오미네랄의 구조, 특성 및 형성 과정으로부터 많은 영감을 받았다. 본 연구 그룹은 이와 같은 접근 방식을 이용하여 무기 결정의 박막을 형성하는 방법에 대해서 보고한 바 있다. 무기 결정과 유기 고분자로 이루어진 하이브리드 재료는 다양한 형태를 나타냈다. 본 원고에서는 새로운 유기/무기 하이브리드 재료의 개발과 관련된 필자의 연구 그룹의 최신 연구 결과를 소개한다. 기능성 고분자 템플레이트를 이용하여 단일 방향으로 배향된 박막 및 거시적으로 배향된 결정을 생성할 수 있다.
Keywords: Biomineralization / Polymer Templates / Organic / Inorganic Hybrids / Recombinant Peptides / Calcium Carbonate

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성장하는 고분자

“DA-RA-BU-CHI”로부터의 성장

엔도 히로시

<Abstract> 내 자신이 정말로 DA-RA-BU-CHI(도야마 현의 방언으로 어리석은 사람을 뜻함)로부터 성장할 수 있었을까? 모든 능력을 총동원함으로써 연구 생활은 계속될 것이다.

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고분자과학의 최전선

교호적층막 연구, 어느 곳을 향해 나아가고 있는가?

아리가 가츠히코

<Abstract> 층상자기조립(layer-by-layer (LbL) assembly)기술은 다양한 재료에 적용 가능하며 공정이 용이하다는 점에서, 기초과학 및 응용 분야에서 빠른 속도로 발전하고 있다. 층상자기조립 기술은 나노 미터 단위의 두께를 갖는 다층막에 다양한 특성을 갖는 막의 배열 순서를 제어할 수 있기 때문에 그래핀과 메소포러스 재료를 포함하는 다양한 나노재료에 이용되어 왔다. 예를 들어, 그래핀 나노시트와 이온성 액체의 층상자기조립 구조는 π-전자가 풍부하며 잘 정돈된 나노공간을 형성함으로써 방향족 화합물에 대한 뛰어난 친화성을 갖는 탐지 시스템을 제공한다. 메조포러스 실리카 캡슐은 새로운 방식의 약물 전달인 무자극 자가제어 약물 전달을 실현하기 위해 층상자기조립 구조로 집적되었다. LbL 막에서 캡슐로부터의 액체 물질의 방출은 외부에서 자극을 가하지 않고도 단계적으로 이루어진다. 최근 다른 연구 결과는 LbL 막이 생의학적인 응용 및 장치에 높은 잠재 가능성을 갖고 있음을 보여주었다. 이러한 사실에 비추어 볼 때, 층상자기조립 기술의 미래는 매우 밝다고 여겨진다.
Keywords: Layer-by-Layer (LbL) Assembly / Thin Film / Nanomaterials / Graphene / Mesoporous Silica / Biomedical Application / Device

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