홍합 족사 단백질은 수분이 있는 표면에서도 강한 접착력을 가진다. 홍합 연구에 대표가 되는 marine blue mussel을 통해 9가지 단백질의 구조와 기능이 보고되었으며, 이 단백질들은 홍합 족사를 구성하는 실(threads)과 플래크(plaques)를 형성한다. 알려진 바에 의하면, 히드록시기 2개가 포함된 카테콜기능기를 가진 DOPA 물질이 계면접착(adhesion)과 내부결합(cohesion) 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는, 최근 10년간 활발히 연구된 계면접착과 내부응력 메카니즘에 대해 소개하고 평가하였다. 또한, 접착력을 갖는 기능기를 활용한 발전된 접착소재의 개발, 바이오접착제와 의료용 소재로 응용가능성에 대해 살펴보았다. 홍합 단백질이 다시 관심의 대상이 되면서, 바이오소재로 사용될 가능성이 커지고 있음이 주목된다.
홍합 족사 단백질은 수분이 있는 표면에서도 강한 접착력을 가진다. 홍합 연구에 대표가 되는 marine blue mussel을 통해 9가지 단백질의 구조와 기능이 보고되었으며, 이 단백질들은 홍합 족사를 구성하는 실(threads)과 플래크(plaques)를 형성한다. 알려진 바에 의하면, 히드록시기 2개가 포함된 카테콜 기능기를 가진 DOPA 물질이 계면접착(adhesion)과 내부결합(cohesion) 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는, 최근 10년간 활발히 연구된 계면접착과 내부응력 메카니즘에 대해 소개하고 평가하였다. 또한, 접착력을 갖는 기능기를 활용한 발전된 접착소재의 개발, 바이오접착제와 의료용 소재로 응용가능성에 대해 살펴보았다. 홍합 단백질이 다시 관심의 대상이 되면서, 바이오소재로 사용될 가능성이 커지고 있음이 주목된다.
Mussel byssal protein has strong adhesive capability even in wet surface. It has been reported that nine proteins in marine blue mussel, often referred to a representative mussel, contribute to form mussel byssal threads and plaques. DOPA containing two hydroxy groups called cathecol is recognized t...
Mussel byssal protein has strong adhesive capability even in wet surface. It has been reported that nine proteins in marine blue mussel, often referred to a representative mussel, contribute to form mussel byssal threads and plaques. DOPA containing two hydroxy groups called cathecol is recognized that it plays a major role in adhesion as well as cohesion process within byssal structure. In this paper, adhesion and cohesion mechanisms were introduced and evaluated by supportive literature published during last decade. Diverse applications of cathecol chemicals were also examined in terms of innovative adhesive, bioadhesive and challenging material for tissue engineering. It is noticeable that reconsideration of mussel proteins could provide the various opportunities as biomaterials.
Mussel byssal protein has strong adhesive capability even in wet surface. It has been reported that nine proteins in marine blue mussel, often referred to a representative mussel, contribute to form mussel byssal threads and plaques. DOPA containing two hydroxy groups called cathecol is recognized that it plays a major role in adhesion as well as cohesion process within byssal structure. In this paper, adhesion and cohesion mechanisms were introduced and evaluated by supportive literature published during last decade. Diverse applications of cathecol chemicals were also examined in terms of innovative adhesive, bioadhesive and challenging material for tissue engineering. It is noticeable that reconsideration of mussel proteins could provide the various opportunities as biomaterials.
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문제 정의
본 연구는 홍합접착제 사용을 위해서는 많은 검증이 필요하지만, 경제성 있는 접착제를 제조하기 위해서는 계면접착과 접착제 내부결합 메카니즘 연구들에 대한 재조명이 필요하다고 여겨진다. 또한, 엔지니어링 입장에서는 홍합접착제가 경제성과 함께 생산가능성에도 관심을 가질 것이기에, 홍합 단백질로부터 얻은 접착 메카니즘 정보를 바탕으로 최근에 시도되는 활용 분야를 소개하였다.
홍합유래 접착제 개발을 위해서는 접착 메카니즘을 이해하는 것이 필요하며, 특히 DOPA 물질의 산화, 환원 반응을 이해하는 것이 필요하다. 본 연구는 최근 홍합접착제에 대한 연구가 갑자기 증가하는 것에 맞추어 최근 10년 동안 재조명된 계면접착과 접착제 내부결합 메카니즘에 대해서 살펴보았다. DOPA 물질은 히드록시기를 2개 포함한 카테콜 기능기를 가지며, 산화와 환원 반응을 통해 외부 물질의 표면에서 접착반응이 진행하는 과정을 살펴보았다.
제안 방법
아래 Table 1에서는 홍합단백질 성분의 활용 방안에 대하여 4가지 대표적인 방안을 비교하여 나타내었다. 4가지 접근방법은 (1) 족사로부터 직접 단백질을 추출하는 방법, (2) Mfp-3, Mfp-5, 혹은 hybrid 형태로 엮은 단백질을 바이오공정을 통해서 제조하는 방안, (3) 단백질 구성 물질 중 접착과 관련된 DOPA 물질을 통한 고분자 접착제 개발, 그리고 (4) 생체공학에서 사용하는 바이오 접착응용 방안을 각각 제시하였다. 앞서 소개하였듯, 족사 추출물은 현재 Cell-Tak 제품이 있으며, 추출되는 양이 적다는 것과 생산원가가 높다는 단점이 있어 가격이 매우 비싼 것으로 알려져 있다[12].
본 연구는 최근 홍합접착제에 대한 연구가 갑자기 증가하는 것에 맞추어 최근 10년 동안 재조명된 계면접착과 접착제 내부결합 메카니즘에 대해서 살펴보았다. DOPA 물질은 히드록시기를 2개 포함한 카테콜 기능기를 가지며, 산화와 환원 반응을 통해 외부 물질의 표면에서 접착반응이 진행하는 과정을 살펴보았다. DOPA물질은 환원상태에서 표면의 금속과 바이덴타니트 수소결합을 이루며, 산화상태에서는 퀴논기로 전환되어 금속과 공유결합을 만든다.
대상 데이터
2에서, 대표적인 논문 출판사 중에서 American Chemical Society(ACS)와 Elsevier를 대상으로 4개의 검색어를 만족하는 논문수를 1997년부터 2017년까지 년도 별로 나타내었다. 사용된 검색어로는 mussel, foot, protein 그리고 adhesive를 사용하였다. 2010년 이후로 논문수의 증가세를 알 수 있었다.
최근, 의료용 바이오 접착제에 대한 관심이 급격하게 증가하고 있다. 일례로 Fig. 2에서 최근 발표되는 논문수와 관련된 자료를 소개하였다. Fig.
성능/효과
히드록시기가 가지화된 상태에서의 다른 명칭은 카테콜 기능기로 부른다. 또한, 아민기를 포함하는 라이신 아미노산에는 Mfp-5가 풍부히 존재하여 이러한 아미노산 unit들로 이루어진 족사 단백질이 홍합이 생존하는 수중 환경에서의 뛰어난 접착 특성을 수행하는 것으로 알려졌다. Fig.
후속연구
또한 잇몸 재생 등 다양한 의료소재로 그 응용성이 확대될 것으로 여겨진다[22]. 그러함에도 단백질 소재의 특성상, 양산화 구현을 위해서 화학반응을 통한 고분자 재료로의 합성 혹은 양산성을 갖춘 바이오 공정을 활용한 단백질 제품 등으로 각 분야의 발전에 따라 그 방향성이 결정될 것으로 판단된다.
공학적인 측면에서는 홍합접착제의 중요한 성분인 DOPA 물질을 따로 분리하거나 기능기를 도입하여 활용하는 방안들이 시도되고 있다. 다양한 시도들 중에는 표면개질을 통한 접착력을 향상시키는 공정개발, 습한 곳에서도 접착을 발휘하는 용도의 의료용 접착제 개발, 그리고 뼈의 재생을 위한 치과용 접착제와 조직 치료제 개발 등 다양한 분야에서 지속적인 연구 성과들이 나올 것을 기대한다.
이에 많은 연구들이 경쟁적으로 시도된다고 판단된다. 본 연구는 홍합접착제 사용을 위해서는 많은 검증이 필요하지만, 경제성 있는 접착제를 제조하기 위해서는 계면접착과 접착제 내부결합 메카니즘 연구들에 대한 재조명이 필요하다고 여겨진다. 또한, 엔지니어링 입장에서는 홍합접착제가 경제성과 함께 생산가능성에도 관심을 가질 것이기에, 홍합 단백질로부터 얻은 접착 메카니즘 정보를 바탕으로 최근에 시도되는 활용 분야를 소개하였다.
끝으로, 홍합 유래 단백질 접착제를 생체공학에 적용하는 기술은 계속 진행 중이다. 홍합접착제의 뼈재생 응용분야 적용 연구는 계속 진행될 것으로 예상된다. 또한 잇몸 재생 등 다양한 의료소재로 그 응용성이 확대될 것으로 여겨진다[22].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
홍합의 접착부위인 족사(byssus)의 장점은?
홍합은 염분이 많은 해수에서 뛰어난 접착력을 갖기에 많은 연구자들의 관심을 받아왔다. 홍합의 접착 부위는 족사(byssus)로서 수중 환경에서도 접착력을 유지한다는 점과 생체적합성이 뛰어나며, 면역반응이 미미하다는 큰 장점이 있다. 이러한 홍합 족사 단백질(byssal protein)과 그 단백질을 이루는 아미노산 서열에 관한 연구는 오랫동안 이어져 왔다[1,2].
홍합 족사 단백질의 어느 성분이 접착에서 중요한 역할을 하는가?
홍합 연구에 대표가 되는 marine blue mussel을 통해 9가지 단백질의 구조와 기능이 보고되었으며, 이 단백질들은 홍합 족사를 구성하는 실(threads)과 플래크(plaques)를 형성한다. 알려진 바에 의하면, 히드록시기 2개가 포함된 카테콜 기능기를 가진 DOPA 물질이 계면접착(adhesion)과 내부결합(cohesion) 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는, 최근 10년간 활발히 연구된 계면접착과 내부응력 메카니즘에 대해 소개하고 평가하였다.
홍합의 접착제로서의 특성은?
홍합은 염분이 많은 해수에서 뛰어난 접착력을 갖기에 많은 연구자들의 관심을 받아왔다. 홍합의 접착 부위는 족사(byssus)로서 수중 환경에서도 접착력을 유지한다는 점과 생체적합성이 뛰어나며, 면역반응이 미미하다는 큰 장점이 있다.
Bureau of Reclamation, "Review of Museel Adhession Mechanism and Scoping Study," Technical Memorandum, No. MERL-2013-43, Technical Service Center, Materials Engineering and Research Laboratory, Denver, Colorado, (2013).
D.S. Hwang, H.J. Yoo, J.H. Jun, W.K. Moon, H.J. Cha, “Expression of Functional Recombinant Mussel Adhesive Protein Mgfp-5 in Escherichia coli,” Appl. Environ. Mirobiol., Vol. 70, No. 6, pp. 3352-3359, (2004).
J. Yu, W. Wei, E. Danner, R.K. Ashley, J.N. Israelachvili, J. H. Waite, “Mussel Protein Adhesion Depends on Thiol-Mediated Redox Modulation,” Nat. Chem. Biol., Vol. 7, No. 9, pp. 588-590, (2011).
J.R. Burkett, J.R. Wojtas, J.L. Cloud, J.J. Wilker, "A Method for Measuring the Adhesion Strength of Marine Mussels," J. Adhes., Vol. 85, pp. 601-615, (2009).
K. Numata, P.J. Baker, "Synthesis of Adhesive Peptides Similar to Those Found in Blue Mussel (Mytilus edulis) Using Pappain and Tyrosinase," Biomacromolecules, Vol. 15, pp. 3206-3212, (2014).
S. Hong, I. You, I.T. Song, H. Lee, "Material-Independent Surface Functionalization Inspired by Mussel-Adhesion, Polym Sci. Tech., Vol. 23, No. 4, 396-406, (2012).
E. Shin, S. W. Ju, L. An, E. Ahn, J.-S. Ahn, B.-S. Kim, B.K. Ahn, “Bioinspired Catecholic Primers for Rigid and Ductile Dental Resin Composites,” ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 10, No. 2, pp. 1520-1527, (2018).
M. Rahimnejad, W. Zhong, "Mussel Inspired Hydrogel Tissure Adhesives for Wound Closure," RCS Adv., Vol. 7, pp. 47380-47396, (2017).
B.K. Ahn, S. Das, R. Linstadt, Y. Kaufman, N.R. Martinez-Rodriguez, R. Mirshfian, E. Kesselman, Y. Talmon, B.H. Lipshutz, J.N. Israelachvili, J.H. Waite, "High-Performance Mussel-Inspired Adhesives of Reduced Complexity," Nat. Commun., Vol. 6, p.8633, (2015).
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