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형광 공액화 고분자전해질과 DNA 앱타머의 복합체를 사용한 단백질 센서
A Protein Sensory System Comprising a Fluorescent Conjugated Polyelectrolyte and DNA Aptamer

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.52 no.6, 2015년, pp.373 - 378  

손지혜 (충남대학교 유기소재.섬유시스템공학과) ,  김충호 (충남대학교 유기소재.섬유시스템공학과) ,  이택승 (충남대학교 유기소재.섬유시스템공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A water-soluble anionic conjugated polyelectrolyte was successfully synthesized via the Suzuki cross-coupling reaction in the presence of a palladium catalyst. Using this fluorescent polyelectrolyte, a new concept for a rapid, label-free lysozyme-sensing method is proposed via possible naked-eye det...

주제어

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제안 방법

  • 1H NMR(300 MHz)은 테트라메틸실란을 기준물질로 사용하여 Bruker DRX-300 분광기를 이용하여 분석하였다. 합성된 물질의 원소 분석은 CE Instruments EA-1110 원소분석기를 사용하였다.
  • 질소로 플라스크 안을 충전하고, 온도를 약 80℃로 올려준 후 2 M Na2CO3(12 ml) 수용액을 첨가하였다. 24시간 후에 상온으로 온도를 내린 후, 용액을 진공상태에서 건조시키고 컬럼 크로마토그래피를 수행하였다. 얻은 반응물을 증발시킨 후 얻은 고체는 헥산과 에탄올(1:1) 로 재결정하였다.
  • 라이소자임에 특이성을 갖는 앱타머를 사용하여 정전기적 인력으로 회합되어 있는 P1과 라이소자임의 복합체를 붕괴하는 것을 확인하기 위하여 형광 스펙트럼을 측정하였다. P1과 라이소자임, 앱타머는 0.1 M sodium phosphate 완충용액에 용해하여 사용하였으며, P1-라이소자임 회합체에 앱타머를 첨가한 후 형광의 변화를 측정하였다
  • 바이오센서는 여러 환경에서 사용될 수 있기 때문에 다양한 pH 환경에서도 안정적으로 동일한 성질을 보이는 것은 중요한 요소 중 하나이다. P1의 pH 안정성을 확인하기 위하여 다양한 pH에서 형광 스펙트럼을 측정하였다. pH 조절을 위하여 사용된 완충용액은 0.
  • 합성된 고분자의 중합도는 THF에 용해 하여 겔투과크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography, GPC)를 이용하여 측정하였다. 광학적 특성은 UV/Vis 스펙 트럼(Perkin-Elmer Lambda 35)과 형광 스펙트럼 (Varian Cary Eclipse 분광기)을 이용하여 분석하였다. 투석에 사용된 3차 증류수는 Millipore 사의 증류수기를 이용하여 제조하였다.
  • 형광 스펙트럼을 확인하였을 때 pH에 따라 형광강도 차이는 존재했지만 방출 파장에는 큰 변화가 발견되지 않았으며, 분자의 회합도 일어나지 않는 것을 확인하였다 (Figure 2(a)). 따라서 P1은 다양한 pH의 영역에서도 자체 붕괴 또는 변질없이 사용할 수 있었으며, 이 중 가장 형광 세기가 강한 pH 9.55를 이후의 연구에 주로 사용하였고, 이 값은 라이소자임의 등전점(isoelectric point, pI 11)의 이하의 값이므로, 라이소자임의 알짜 전하(net charge)를 양성이 되게 하여 음이온성 공액화 고분자인 P1와 정전기적 인력으로 결합할 수 있는 분위기를 조성한다. 라이소자임과 선택적인 결합을 하는 앱타머가 P1의 형광특성에 미리 영향을 주지 않아야 하므로, P1가 앱타머에 노출되었을 때형광 변화를 측정하였다(Figure 2(b)).
  • 라이소자임 앱타머 활성 감지를 위하여, 음이온성 공액화 고분자 P1을 라이소자임과 미리 상호작용시켜 회합체를 제조하고 앱타머를 부가하며 형광 스펙트럼의 변화를 관찰하였다. 라이소자임과 상호 특이성을 갖는 앱타머의 첨가에 따라 P1-라이소자임 회합체에서 특징적으로 나타났던 장파장 형광(630 nm)이 점차적으로 감소하는 것을 확인하였다(Figure 4).
  • 라이소자임과 선택적인 결합을 하는 앱타머가 P1의 형광특성에 미리 영향을 주지 않아야 하므로, P1가 앱타머에 노출되었을 때형광 변화를 측정하였다(Figure 2
  • 라이소자임에 특이성을 갖는 앱타머를 사용하여 정전기적 인력으로 회합되어 있는 P1과 라이소자임의 복합체를 붕괴하는 것을 확인하기 위하여 형광 스펙트럼을 측정하였다.
  • 라이소자임을 첨가함에 따라 물에 녹아있는 P1의 형광이 어떻게 변화하는지 관찰하였으며, 라이소자임의 첨가에 의한 P1와의 회합 거동을 보기 위하여 P1을 완충용액(pH 9.55)에 1×10 -5 M 농도로 용해시켜 실험하였다.
  • 55)에 1×10 -5 M 농도로 용해시켜 실험하였다. 라이소자임의 농도 증가에 따른 P1의형광 변화를 형광 스펙트럼으로 관측하였다. 라이소자임의농도가 점차 증가할수록 630 nm의 방출파장이 증가하는것을 관찰하였다(Figure 3).
  • 본 연구에서는 특정 구조의 수용성 공액화 고분자가 회합(aggregation)에 의하여 형광색이 변화하는 성질을 이용하여 타겟 물질을 감지하는 새로운 시스템을 구현하였다 [18,19]. 회합에 의한 형광 변화는 동일 고분자 주쇄 내에 에너지 주개와 받개가 동시에 존재하는 구조적 특성에 기인한다.
  • 반응 후 상온으로 냉각하고 부피비가 10:40:50인 메탄올/아세톤/에테르 혼합 용액(500 ml)에 부어 석출 후, 여과하였다. 여과하여 얻은 고체를 3차 증류수에 녹인 후 분자량 12,400 셀룰로즈 반투막으로 48시간동안 투석하였다. 감압 하에서 동결 건조로 162 mg(53%)의 진한 빨간색 고체를 얻었다.
  • 8 mmol)을 에탄올(35 ml)에 넣고 80℃로 가열하였다. 온도가 오른후 1,4-butanonesultone(3.44 g, 44.8 mmol)을 첨가하였다. 12시간 동안 교반 후 상온으로 냉각하고 침전물을 여과하 였다.
  • 고분자에 수용성기를 도입하기 위하여 술포네이트기를 갖는 수용성 단량체 4를 고분자쇄에 도입하여, 음이온성 전해질기가 고분자에 존재한다. 음이온성 공액화 고분자 P1는 팔라듐(0) 촉매 하에 스즈키 커플링 반응을 이용하여 합성하였으며, 합성된 단량체 및 고분자의 구조는 1 H NMR, 13 C NMR과 원소분석을 통하여 확인하였다. 원소분석을 통하여 확인한 결과, 고분 자의 조성(m:n)은 몰 분율로 0.
  • 음이온성 공액화 고분자 P1의 중합: 100 ml 3구 플라스크에 3(21.6 mg, 0.057 mmol)와 4(300.0 mg, 0.514 mmol)과 1,4-benzenediboronic acid bis(pinacol) ester(188.0 mg, 0.571 mmol), 그리고 tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0) (3.5 mg, 0.003 mmol)을 습기가 제거된 DMF(8 ml)와 2 M Na2CO3(12 ml) 혼합용액에 용해시키고 100℃에서 48시간동안 환류하였다. 반응 후 상온으로 냉각하고 부피비가 10:40:50인 메탄올/아세톤/에테르 혼합 용액(500 ml)에 부어 석출 후, 여과하였다.
  • 이렇게 고분자-단백질의 회합체 형성에 따라 형광색(청색에서 적색으로)이 변화하여 단백질의 정량이 가능하였으며, 회합체를 앱타머에 노출시킴에 따라 형광색이 다시 청색으로 회복되며 단백질-앱타머의 상호작용을 형광신호로 측정할 수 있는 단백질 센서 시스템을 제조하였다(Scheme 1).
  • 이와 함께 앱타머-단백질의 특이적 결합을 이용하여 음이온성 고분자의 형광 특성을 단백질 센서에 응용하였다. 즉, 단백질과 결합하여 형광색이 변화하는 고분자를 센서 시스템으로 사용하였으며, 특정 단백질에 선택적으로 결합하는 앱타머를 사용하여 앱타머 활성을 형광색의 변화로 정량하였다[22].
  • 얻은 반응물을 증발시킨 후 얻은 고체는 헥산과 에탄올(1:1) 로 재결정하였다. 재결정하여 얻은 물질은 여과 후 진공건조 하였다. 2는 밝은 빨간색이며, 수율은 1.
  • 이와 함께 앱타머-단백질의 특이적 결합을 이용하여 음이온성 고분자의 형광 특성을 단백질 센서에 응용하였다. 즉, 단백질과 결합하여 형광색이 변화하는 고분자를 센서 시스템으로 사용하였으며, 특정 단백질에 선택적으로 결합하는 앱타머를 사용하여 앱타머 활성을 형광색의 변화로 정량하였다[22]. 타겟 단백질은 라이소자임(lysozyme)으로, 라이소자임은 세균이 보호 목적으로 주변에 만든 피막의 구성 성분인 탄수화물 분해를 촉진하고, 각막을 오염이나 세균감염으로 부터 막아주는 효과를 갖는 단백질이다.
  • 합성된 물질의 원소 분석은 CE Instruments EA-1110 원소분석기를 사용하였다. 합성된 고분자의 중합도는 THF에 용해 하여 겔투과크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography, GPC)를 이용하여 측정하였다. 광학적 특성은 UV/Vis 스펙 트럼(Perkin-Elmer Lambda 35)과 형광 스펙트럼 (Varian Cary Eclipse 분광기)을 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

  • P1의 pH 안정성을 확인하기 위하여 다양한 pH에서 형광 스펙트럼을 측정하였다. pH 조절을 위하여 사용된 완충용액은 0.1 M sodium phosphate 완충용액이며 pH는 각각 3, 5, 7, 9.55, 11, 13을 사용하였다. 형광 스펙트럼을 확인하였을 때 pH에 따라 형광강도 차이는 존재했지만 방출 파장에는 큰 변화가 발견되지 않았으며, 분자의 회합도 일어나지 않는 것을 확인하였다 (Figure 2(a)).
  • 반응에 사용된 모든 재료 및 시약은 알드리치(Aldrich)와아크로스(Acros), 그리고 삼전케미컬에서 구입하여 특별한 정제없이 사용하였다. 용액 내 회합을 통한 고분자의 형광 변화를 위하여 사용한 라이소자임 앱타머는 바이오니 어에서 구입하였으며, 구조는 5'-ATCTACGAATTCATCA GGGCTAAAGAGTGCAGAGTTACTTAG-3'이다.
  • 용액 내 회합을 통한 고분자의 형광 변화를 위하여 사용한 라이소자임 앱타머는 바이오니 어에서 구입하였으며, 구조는 5'-ATCTACGAATTCATCA GGGCTAAAGAGTGCAGAGTTACTTAG-3'이다.
  • 광학적 특성은 UV/Vis 스펙 트럼(Perkin-Elmer Lambda 35)과 형광 스펙트럼 (Varian Cary Eclipse 분광기)을 이용하여 분석하였다. 투석에 사용된 3차 증류수는 Millipore 사의 증류수기를 이용하여 제조하였다.

이론/모형

  • H NMR(300 MHz)은 테트라메틸실란을 기준물질로 사용하여 Bruker DRX-300 분광기를 이용하여 분석하였다. 합성된 물질의 원소 분석은 CE Instruments EA-1110 원소분석기를 사용하였다. 합성된 고분자의 중합도는 THF에 용해 하여 겔투과크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography, GPC)를 이용하여 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공액화 고분자의 기본적인 특성은 무엇인가? 공액화 고분자의 기본적인 특성인 전도성, 산화-환원 전위차, 흡수 또는 방출 스펙트럼은 외부 자극에 따라 민감하게 변화하며, 이 신호는 분석 화학의 정성적인 측면과 정량적인 측면에서 중요한 역할을 한다. 그 이유는 분자 혹은 이온 인식 기능단을 갖는 공액화 고분자가 표적 물질을 인식하여 위의 특성 변화를 일으켜 감지재료로서 역할을 하기 때문이다[1−4].
무기나노입자와 양자점의 장단점은 무엇인가? 바이오 센서로 연구되는 재료는 수용성 공액화 고분자, 양자점, 무기나노입자 등이며[12], 무기나노입자와 양자점은 크기가 작아 응용이 쉽지만, 독성으로 인하여 활용에 제한이 있는 단점이 있다[13]. 최근에는 유기 수용성 공액화 고분자가 많이 연구되며, 이러한 수용성 공액화 고분자의 주쇄에 수용성 기를 도입함으로 물에 녹는 특성을 부여할 수 있다.
합성된 음이온성 공액화 고분자 전해질이 형광색을 갖는 이유는? 합성된 음이온성 공액화 고분자 전해질은 고분자 주쇄에 에너지 주개로 페닐렌기를, 에너지 받개로 BTB를 포함하는 수용성 형광 고분자 물질이다. 이 고분자는 엑시톤 이동에 의하여 수용액과 고체 상태에서 각각 청색과 적색의 형광색을 갖는다. 합성된 고분자는 음이온기를 갖고 있기 때문에 라이소자임의 pI인 11 이하의 pH 9.
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참고문헌 (23)

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  2. A. J. Mozer, P. Denk, M. C. Scharber, H. Neugebauer, N. S. Sariciftci, P. Wangner, L. Lusten, and D. Vanderzande, "Novel Regiospecific MDMO-PPV Copolymer with Improved Charge Transport for Bulk Heterojunction Solar Cells", J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 5235-5242. 

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  15. T. H. Kim, N. Y. Kwon, J. H. Son, C. D. Yang, M. J. Lee, and T. S. Lee, "Self-Assembly of Supramolecualr Metallogelator Containing 2-(2'-Hydroxyphenyl) benzoxazole/Zn(II) Chelate", J. Nanosci. Nanotechnol., 2010, 10, 6929-6933. 

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  18. J. H. Lee, D. G. Kim, G. S. Jang, W. S. Lyoo, W. H. Park, M. Lee, and T. S. Lee, "Synthesis and Electrostatic Nano-Assembly of Water-Soluble Polybenzothiadiazole Derivatives with Long-Wavelength Emission in the Solid States", J. Nanosci. Nanotechnol., 2010, 10, 6977-6980. 

  19. J. H. Lee, D. G. Kim, N. Y. Kwon, G. S. Jang, J. H. Son, M. Lee, H.-J. Cho, H.-S. Kweon, and T. S. Lee, "Protein-Induced Aggregation of Fluorescent Conjugated Polyelectrolytes with Sulfonate Groups: Synthesis and Its Sensing Application", J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 2011, 49, 138-146. 

  20. A. Satrijo and T. M. Swager, "Anthryl-Doped Conjugated Polyelectrolytes as Aggregation-Based Sensors for Nonquenching Multicationic Analytes", J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 16020-16028. 

  21. F. Wang and G. C. Bazan, "Aggregation-Mediated Optical Properties of pH-Responsive Anionic Conjugated Polyelectrolytes", J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 15786-15792. 

  22. S. Yan, R. Huang, Y. Zhou, M. Zhang, M. Deng, X. Wang, X. Wenga, and X. Zhou, "Aptamer-Based Turn-on Fluorescent Four-branched Quaternary Ammonium Pyrazine Probe for Selective Thrombin Detection", Chem. Commun., 2011, 47, 1273-1275. 

  23. N. Y. Kwon, D. Kim, J. H. Son, G. S. Jang, J. H. Lee, and T. S. Lee, "Simultaneous Detection and Removal of Mercury Ions in Aqueous Solution with Fluorescent Conjugated Polymer-Based Sensor Ensemble", Macromol. Rapid Commun., 2011, 32, 1061-1065. 

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