Fabrication of 2-D Protein Films and 3-D Protein Microspheres Based on Alternative Self-Assembly of ⍺-Synuclein and their Applications

Abstract

단백질의 자가조립현상을 이해하고 조절하는 것은 병리학적 측면뿐만 아니라, 단백질 기반 재료들의 소재를 다양화 한다는 측면에서 중요성을 찾을 수 있다. 본 논문에서는, 자가 결합성 단백질인 알파-시누클레인 (⍺-Synuclein, ⍺S)의 대체자가결합을 유도하여, 2차원 단백질 필름 구조체와 3차원 단백질 구형 구조체 (Protein microsphere)를 제작하였다. 알파-시누클레인의 단입자에 일반적인 배양 온도인 37 ℃ 대신, 50 ℃ 의 고온 처리를 통하여 2차원 단백질 필름 구조체를 제작하였다. 단백질 필름 구조체는 수백 나노미터의 너비로 제작되었으며, 40 nm의 높이로 형성됨을 원자현미경상에서 확인 하였다. 이러한 대체자가결합은, 알파-시누클레인의 뮤턴트인 Y136C와 시스테인에 결합하는 형광염료인 Alexa Flour 488간 결합체의 배양을 통해 역시 확인되었다. 필름구조물은 고해상도적외선분광계(FTIR) 상에서 단입자가 나타내는 임의구조의 형태가 줄어들고, 소폭의 베타-병풍구조가 발현되었지만, 그 베타-병풍 구조의 증가 정도는 아밀로이드 구조체와 대비하였을 때 소폭으로 평가되었다. 이 현상을 기반으로 알파-시누클레인의 필름화 현상이 물-공기 계면을 매개로 이루어지는 가설을 바탕으로, 물-기름 계면의 제공을 통해 동일 높이로 형성되는 단백질 필름의 크기를 마이크로미터 단위까지 확장하였다. 확장시킨 단백질 필름은 알파시누클레인과 상호작용하는 폴리머 중 하나인 10,12-Pentacosadiynoic acids (PCDA)와 반응시켜 55 nm의 높이를 갖는 PCDA-⍺S 하이브리드 필름 구조체를 제작하였다. 이 필름구조체는 자외선을 통해 PCDA의 파이결합이 유도되어 파란색으로 관찰되었고, 추가적인 열처리를 통해 빨간색으로 변화되었다. 이렇게 형성된 PCDA-⍺S 하이브리드 필름은 단백질로만 이루어진 필름구조체에 대비하여 물리적, 화학적으로 높은 안정성을 보였다. 추가적으로, 형성된 파란색상태의 PCDA-⍺S 필름은 유기용매, pH, 온도에 특이적으로 반응하여 색 변화를 나타내었고, 특히 열자극을 통해 빨강 상태로 변환되었을 때 높은 전기전도성이 관찰되었다. 알파-시누클레인 필름은 세포부착실험과 나노입자로 구성된 필름에 대한 흡착실험을 통해 생체친화적인 단백질 재료로써의 응용성이 확인되었다. 한편, 알파-시누클레인의 올리고머를 이용하여 기존에 나노섬유체가 아닌 단백질 구형구조체로의 대체자가결합이 유도되었다. 알파-시누클레인 구형구조체의 형성은 급속냉각으로 이루어지는 동시다발적인 얼음결정 형성으로부터 유도된 단백질의 부분적인 초고농도화와, 냉동 보관상태에서 유도되는 얼음결정 사이에 존재하는 단백질-물분자의 유사-액체층(Quasi liquid layer, QLL)에서 일어나는 알파-시누클레인 올리고머의 구조변형, 그리고 단백질의 초고농도화로부터 유도되는 단백질-물분자 액상구조(Glass state)의 동결건조에서 나타나는 커피-얼룩 효과(Coffee stain effect)로부터 기인한다. 형성된 단백질 구형구조체는 상온에서 안정적인 형태로 유지되었는데 이것은 부분적인 베타-병풍구조에서 기인한다. 이 구형구조체는 알파-시누클레인 올리고머와 형광염료인 에오신(Eosin)의 결합체로 제작한 구조체를 형광현미경으로 분석함으로써 중공형 구조임을 확인하였고, 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)의 집속이온빔 (Focused ion beam, FIB)을 사용한 부분절단으로도 중공형 구조를 확인하였다. 단백질 구형구조체는 온도조절을 통해 추가적인 자가결합이 유도 될 수 있었으며, 형성된 구조물은 유사-밤송이 구조의 아밀로이드 구조로 형성되는 것을 전자현미경을 통해 확인하였다. 이러한 성질을 이용하여, 구조체를 하이드로젤에 도입하여 하이드로젤 내부에 나노스케일 네트워크를 추가적으로 도입함으로써 하이드로젤의 물성을 개선하였다. 제작된 알파-시누클레인 마이크로스피어로부터 유래되는 섬유화 단백질의 유사-밤송이 구조로의 구조변형은, 다양한 퇴행성질환 환자의 뇌세포 주변에서 관찰되는 마이크로 단위의 아밀로이드반(Amyloid plaque)의 형성을 설명하는데 도움을 줄 수 있다. 종합하면, 본 논문에서는 알파-시누클레인의 대체 자가결합을 유도하여 안정한 대체자가결합 물질들을 제안하였으며, 이를 기반으로 섬유화 단백질의 자가결합에 대한 이해를 높였다는 점에서 의의를 갖는다. 나아가 섬유화 단백질 기반의 재료들을 제안하고 단백질 재료로써 활용될 수 있는 활용예에 대한 제시를 통해 섬유화 단백질을 소재로써 활용할 수 있는 범위를 확장 시켰다는 측면에서 연구의 중요성을 찾을 수 있다.

Understanding polymorphism of self-assembly process and alternative self-assembly of amyloidogenic proteins is valuable not only to find their pathological implications but also to prepare protein-based biomaterials. ⍺-Synuclein is one of the amyloidogenic protein closely related to degenerative disease, Parkinsons disease. ⍺-Synuclein (⍺S), producing one-dimensional (1-D) amyloid fibrils, has been employed to generate two-dimensional (2-D) protein films and three-dimensional (3-D) protein microspheres via its alternative self-assembly at either high temperature or rapid-freezing condition`, respectively. At a high temperature of 50 °C, ⍺S molecules self-assembled into the 2-D film whereas 1-D amyloid fibrils were produced at 37 °C. This alternative self-assembly phenomenon could be attributed to structural plasticity of the intrinsically disordered protein of ⍺S which turns into a surface active agent at the air-water interface at the high temperature. The ⍺S 2-D film was also routinely prepared at the oil-water interface with larger scale and the film was excellent in cell adhesion and adsorbed well with ⍺S-coated nanoparticles, suggesting its potential as a biomaterial. ⍺S film was also used as a framework of molecular assembly to give rise to a polydiacetylene-based sensing material. 10,12-Pentacosadiynoic acids (PCDA) were aligned on the film in a spatially organized way and then photo-polymerized to induce the π-conjugated molecular assembly yielding blue color. Its colorimetric transition to red was induced by increasing temperature, pH, and organic solvents. This functionalize d protein film increased its height to 55 nm from 40 nm upon the PCDA immobilization and exhibited enhanced physical and chemical stability. In addition, the modified film showed remarkable high electrical conductivity only in the red state. Under frozen condition, on the other hand, protein microspheres were produced from ⍺S oligomers via rapid freezing, frozen annealing, and freeze-drying process. ⍺S microspheres prepared with ⍺S-eosin conjugates and focused ion-beam severance of ⍺S microspheres confirmed their empty core structure. ⍺S microspheres showed remarkable stability at room temperature without chemical additives or cross linkers. While microspheres were stable at room temperature, they were immediately converted into amyloid burs comprised of nano fibrils upon heating. Therefore, protein microspheres could be considered a constrained spherical structure transformable into biocompatible matrix material in nanoscale which could be used as a fill-in agent to improve mechanical strength of living tissues like skin as well as hydrogels in general. In this study, selective fabrication of the potential protein-based biomaterials have been demonstrated.