Nanocomposite thin films containing amyloid fibrils based on the layer-by-layer assembly

Abstract

아밀로이드를 포함한 단백질의 응집체에 대한 연구는 최근 의학, 식품, 나노 과학, 연성재료과학 등의 다양한 분야에서 주목받고있다. 특히 아밀로이드는 단백질의 베타병풍구조 간의 수소결합에 의해 형성된 고도로 정렬되고 안정한 나노 구조체로서 넓은 범위의 산도, 고농도의 염, 온도, 단백질 분해효소 등의 외부의 환경에 대해 저항성을 나타내며 실크나 강철과 견줄 수 있을 정도로 우수한 기계적 물성을 가지며 비교적 용이하게 다양한 기능기를 부여할 수 있다는 장점이 있다. 또한 아밀로이드 섬유체 간의 복합화를 통하여 젤과 박막의 구조체를 형성하고 약물 등의 기능성 물질을 담지 할 수 있기 때문에 기능성 소재의 재료로써 그 잠재력이 크다. 따라서 본 공학박사 학위논문에서는 생체적합성을 갖는 우유 단백질 중 하나인 카파-카제인을 이용하여 아밀로이드를 조립함에 있어서 그 형성속도와 구조를 제어하였고 응집모델을 제시하였으며, 다층적층법 기반의 아밀로이드 나노복합체 박막의 구현에 대해 논하고자 한다. 제 1장에서는 아밀로이드의 물리적 화학적 특성과 아밀로이드 나노복합체 박막을 형성하기 위한 방법 중 하나인 다층적층법에 대해 설명하였다. 제 2장에서는 카파-카제인의 아밀로이드 형성기전에 미치는 요소와 각 요소가 아밀로이드 형성에 미치는 영향을 규명하였다. 아밀로이드의 형성에 있어서 핵-의존성 응집기전을 따르는 일반적인 단백질의 경우 핵의 형성속도가 아밀로이드 형성속도를 결정하는 반면, 이황화결합에 의해 복합체로 존재하는 카파-카제인의 경우 이황화결합이 환원되어 카파-카제인의 단분자화가 아밀로이드 형성에 가장 큰 영향을 끼친다는 선행연구의 제안을 바탕으로 본 연구에서는 다량체로 존재하는 카파-카제인에 디티오트레이톨 (1.4-dithiothreitol)을 이용하여 카파-카제인 분자간의 이황화결합을 환원시켜 단량체로 변환 후 열처리를 아밀로이를 조립함으로써 이황화결합의 환원에 아밀로이드 형성에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 반응 온도와 카파-카제인의 농도가 아밀로이드의 형성 속도와 아밀로이드의 길이 및 그 형태 구조를 제어할 수 있다는 확인하였으며 원자간 힘 현미경을 통하여 정밀하게 분석함으로써 카파-카제인의 아밀로이드 형성 기작 모델을 제시하였다. 제 3장에서는 용액 내에서 조립된 카파-카제인 아밀로이드의 표면 전하의 종류와 세기가 외부 환경의 산도에 의해 제어된다는 것을 확인함으로써 이 성질을 이용하여 다층적층법 기반의 아밀로이드와 고분자전해질로 형성된 아밀로이드 나노복합체 박막을 구현하였다. 카파-카제인 아밀로이드는 카파카제인의 등전점 범위와 동일한 범위에서 등전점을 가지며 산 조건에서는 양전하로, 염기 조건에서는 음전하를 띄었다. 따라서 산 조건에서는 음전하를 갖는 고분자전해질과, 염기 조건에서는 양전하를 갖는 고분자전해질과 정전기적 인력을 기반으로하여 나노복합체 판상형 박막과 캡슐을 구현할 수 있었다. 특히 산 조건에서는 pH에 따라 이온화도가 변화하는 약고분자전해질과 이온화도가 변화하지 않는 강고분자전해질을 이용하여 다른 특징을 갖는 박막을 형성함으로써 아밀로이드와 고분자전해질의 상호간 인력의 차이가 아밀로이드 나노복합체 박막의 두께 성장과 표면의 거칠기에 미치는 영향을 규명하였다. 제 4장에서는 다층적층법을 기반으로 카파-카제인과 약고분자전해질을 포함하는 다층박막을 형성하였으며 다층박막 내에 포함되어 있는 카파-카제인은 외부자극에 의해 특정 조건 하에서 아밀로이드로 변환됨으로써 실시간 (in-situ) 아밀로이드 나노복합체 박막을 구현하였다. 약고분자전해질과 카파-카제인은 모두 외부 환경의 산도에 의해 전하밀도가 조절되기 때문에 산도를 조절하여 박막 내에 존재하는 카파-카제인과 약고분자전해질 간의 상호작용의 세기가 약화되도록 유도하였고 카파-카제인의 이황화결합을 환원시키고 열처리함으로써 아밀로이드의 조립을 유도하였다. 또한 박막의 단면을 관찰함으로써 아밀로이드가 박막의 표면뿐만 아니라 박막의 내부에서도 형성되었으며 아밀로이드 가닥끼리 서로 얽힌 채로 균일하게 분포되어있었음을 확인할 수 있었다. 지금까지의 아밀로이드를 이용한 나노복합체 형성에 관한 연구에서는 아밀로이드를 기계적 물성을 향상시키는 강화제로 사용하기 위해 용액 내에서 먼저 아밀로이드로 조립한 다음 매질에 첨가시켜주는 방법으로 아밀로이드 나노복합체를 구현하였지만, 본 연구에서는 다층박막 내에서 아밀로이드의 조립을 유도함으로써 최초로 실시간 아밀로이드 나노복합체 박막을 구현하였다. 제 5장에서는 아밀로이드 나노복합체 박막을 이용하여 새로운 나노재료 플랫폼을 구현하기 위해 박막에서의 아밀로이드 형성 이후의 조합현상에 대한 연구를 수행하였다. 아밀로이드의 형성속도 측면에서는 용액 내의 동일한 조건에서 생성되는 카파-카제인 아밀로이드의 성장속도에 비해서는 느렸지만, 그 평균외형길이는 3배 이상 증가하였으며 나노복합체 박막의 표면에서 형성된 카파-카제인 아밀로이드는 반응시간이 증가하면서 아밀로이드 섬유가닥 간의 조합으로 아밀로이드가 서로 꼬이는 형태를 보였으며 그 두께 또한 증가하였다. 이러한 현상은 용액 내에서 생성되는 카파-카제인 아밀로이드의 형성과정에는 나타나지 않은 현상으로, 박막 내에 고집적되어 있는 아밀로이드 간의 상호작용으로 인해 발생하는 것으로, 이황화결합의 환원과 반응온도가 카파-카제인 아밀로이드 간의 조합에 미치는 영향을 규명하였다.