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Biomolecule-Carbon Nanotube Hybrid Structures for the Monitoring of Sensory Receptor Activity and Their Application to Bioelectronic Sensors
감각 수용체의 작용을 연구하기 위한 바이오분자-탄소나노튜브 융합 구조 및 바이오전자 센서로의 응용

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Authors
이민주
Advisor
홍승훈
Major
자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공)
Issue Date
2019-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공), 2019. 2. 홍승훈.
Abstract
Human recognizes various odorants and tastants through olfactory and gustatory systems. The senses of smell and taste are triggered when sensory receptors in cells receive chemical signals from outside cells. That is, sensory receptors work as first sensing parts in sensory systems. Thus, the monitoring of sensory receptor activity is crucial for the fundamental understanding of sensory systems. In addition, the study on sensory receptors can lead to the development of bioelectronic sensors. In this dissertation, it will be discussed about the electrically monitoring of sensory receptor activity via bioelectronic sensors. The bioelectronic sensors were based on carbon nanotube field effect transistors (CNT-FETs) with gold floating electrodes, resulting in enhanced sensor sensitivity and selectivity.

First, a bioelectronic tongue based on nanovesicles for the monitoring of honeybee gustatory receptor activity to umami taste will be discussed. Here, CNT-FETs with floating electrodes were hybridized with nanovesicles containing honeybee umami taste receptor, gustatory receptor 10 of Apis mellifera (AmGr10). This strategy enabled us to discriminate between L-monosodium glutamate (MSG), best-known umami tastant, and non-umami substances with high sensitivity and selectivity. Interestingly, it could also be utilized for the detection of MSG in liquid foods such as chicken stock. Moreover, the enhancement of umami taste sensation by an enhancer material (disodium 5’-inosinate, IMP) was demonstrated using this platform.

Next, a bioelectronic nose based on nanodiscs (NDs) for the monitoring of human olfactory receptor activity to a rose scent will be discussed. In this strategy, a floating electrode-based CNT-FET was functionalized with human olfactory receptor 1A2 (hOR1A2)-embedded NDs (hOR1A2NDs). This strategy allowed us to quantitatively assess the contents of geraniol and citronellol, the main components of a rose scent, as low as 1 fM and 10 fM, respectively. Importantly, we also demonstrated that the responses of hOR1A2NDs to a rose scent could be strongly enhanced by an enhancer material like a human nose. Furthermore, the method provided a means to quantitatively evaluate rose scent components in real samples such as rose oil.
인간은 후각과 미각 기관을 통해 다양한 냄새 물질과 맛 물질을 인지한다. 후각과 미각은 세포에 존재하는 감각 수용체들이 세포 밖의 화학 신호를 받아들임으로써 생성된다. 즉, 감각 수용체들이 감각 기관에서 첫번째 감지 파트로서 작용하게 된다. 따라서, 감각 수용체의 작용을 측정하는 것은 감각 기관에 대한 근본적인 이해를 위하여 필수적이다. 또한, 감각 수용체에 대한 연구는 바이오전자 센서의 개발로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 바이오전자 센서를 통하여 감각 수용체의 작용을 전기적으로 모니터링하는 것에 대하여 논의 할 것이다. 이 바이오전자 센서는 금으로 형성된 플로팅 전극을 가진 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터를 기반으로 하고 있으며, 이는 향상된 센서 감도와 선택성을 가져온다.

먼저, 감칠맛에 대한 꿀벌의 미각 수용체의 작용을 모니터링하기 위한 나노베지클 기반 바이오 전자 미각 센서에 대하여 논의할 것이다. 이를 위하여, 플로팅 전극을 가진 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터와 AmGr10 (gustatory receptor 10 of Apis mellifera)이라는 꿀벌의 미각 수용체를 포함하고 있는 나노베지클이 융합되었다. 이를 통해 감칠맛 물질로 잘 알려진 글루탐산 모노나트륨 (MSG)을 감칠맛을 내지 않는 물질과 높은 감도와 선택성을 가지고 구별할 수 있었다. 흥미롭게도, 이 바이오전자 미각 센서는 치킨 스톡 같은 액상 음식에 존재하는 MSG를 검지하는 데에도 이용되었다. 더욱이, 이 플랫폼을 사용하여 증강 물질 (5’-이노신산 나트륨)에 의해 감칠맛에 대한 반응이 향상됨을 보였다.

다음으로, 장미향에 대한 인간의 후각 수용체의 작용을 모니터링하기 위한 나노디스크 기반 바이오 전자 후각 센서에 관하여 논의 할 것이다. 이를 위하여, 플로팅 전극 기반의 탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터가 인간 후각 수용체 1A2 (hOR1A2)가 내장된 나노디스크 (hOR1A2NDs)로 기능화되었다. 이를 통해 장미향의 주요 구성 성분인 게라니올과 시트로넬롤을 각각 1 fM과 10 fM의 낮은 농도까지 검지할 수 있었다. 우리는 또한 사람의 코처럼 장미향에 대한 hOR1A2NDs의 반응이 증강 물질에 의해 크게 향상됨을 입증하였다. 뿐만 아니라, 이 방법은 장미 오일과 같은 실제 샘플에서도 장미향 성분을 정량적으로 검출하기 위해 사용될 수도 있었다.
Language
eng
URI
http://hdl.handle.net/10371/152795
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Appears in Collections:
College of Natural Sciences (자연과학대학)Dept. of Physics and Astronomy (물리·천문학부)Physics (물리학전공)Theses (Ph.D. / Sc.D._물리학전공)
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