[논문]바이오나노 전자 코

김경호; 오윤광; 권오석

doi:10.5757/vacmac.5.1.9

바이오나노 전자 코
BionanoElectronic Nose 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.5 no.1, 2018년, pp.9 - 12

김경호 (한국생명공학연구원 위해요소감지 BNT연구단) , 오윤광 (한국생명공학연구원) , 권오석 (한국생명공학연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic nose has been developed for detection of various hazardous molecules, especially vapor organic compounds (VOCs), by adsorption and desorption phenomenon. However, although conventional electronic noses have provided many advantages such as simple detection and high sensitivity, they still need advanced technologies for selective specificity in real samples. In this review, we provide bionanoelectronic noses with natural receptors for selective odorant detection. This review includes from fabrication of natural receptors and conducting nanomaterials to bioelectronic noses. We also discussed their perspective applications for the future at the conclusion.

AI 본문요약
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문제 정의

지금까지 바이오나노 전자코를 구성하고 있는 후각 리셉터와 전도성 나노구조체 제조 및 특성에 관해서 고찰을 하였으며, 특히 이들을 결합하여 다양한 바이오나노 전자 코를 제조하는 방법에 관하여 살펴보았다. 이렇게 제조된 바이오나노 전자코는 향후 식품 및 향수와 관련된 산업에 활용이 될 것이며, 더 나아가 질병 진단에도 활용이 될 것으로 사료된다.

제안 방법

[7] 본 바이오나노 전자코는 트리메틸아민을 선택적으로 인식 할 수 있는 후각 수용체 유도 펩타이드를 활용하였다. 구체적으로, 자극성 암모니아의 검출을 위해 후각 리셉터 펩타이드(NQLSNLSFSDLC)를 사용하였고, 후각 리셉터 펩타이드는 C 말단 방향족 고리로 카본나노튜브 위에 고정화되었다. 후각 리셉터 펩타이드 층은 카본나노튜브 채널에 매우 근접한 트리메틸아민 분자를 선택적으로 흡수하여 탁월한 선택성으로 10 fM의 낮은 농도에서 트리메틸아민을 즉각 검출 하였다.
또한, 플렉시블 기판을 구현하기 위하여 유연한 고분자 기판을 활용함으로써 구부러짐에도 손상이 없는 바이오나노 전자코를 제작하였다 (그림 4a). 더 나아가, 바이오나노 전자코의 성능을 향상시키기 위하여 그래핀 표면을 산소와 암모니아 가스로 각각 플라즈마 처리하였으며, 이들은 각자 p- 및 n- 형태의 트랜지스터 성격으로 변화되는 것을 관찰하였다. 플라즈마 처리된 그래핀 기반 바이오나노 전자코의 검출 한계는 0.
후각 수용체는 genomic DNA로부터 PCR을 통하여 증폭된 후 발현 벡터에 삽입한다. 동물 세포에서 세포막 표면에 후각 수용체 단백질이 올바로 삽입될 수 있도록 시각 세포 로돕신의 신호서열(signal sequence)인 rho-tag을 후각 수용체의 N 말단에 삽입 하였다. 후각 수용체는 N 말단에 신호서열이 존재하지 않아 이종 세포계(heterologous cell system)에서 발현 시 세포막 발현이 불가능하다.
이는 아밀 부틸레이트를 검출하기 위하여 인간 후각 수용체인 2AG1을 그래핀에 고정하였다. 또한, 플렉시블 기판을 구현하기 위하여 유연한 고분자 기판을 활용함으로써 구부러짐에도 손상이 없는 바이오나노 전자코를 제작하였다 (그림 4a). 더 나아가, 바이오나노 전자코의 성능을 향상시키기 위하여 그래핀 표면을 산소와 암모니아 가스로 각각 플라즈마 처리하였으며, 이들은 각자 p- 및 n- 형태의 트랜지스터 성격으로 변화되는 것을 관찰하였다.
서울대학교 장정식 교수 연구팀에 의해서 인간 후각 모사 수용체를 나노 소자의 채널에 고정하여, 다양한 냄새 분자를 검출할 수 있는 그래핀 마이크로 패턴 기반의 다중 진단 바이오나노 전자 코가 개발되었다. 이 연구는 미세전자전기 시스템(micro electromechanical system: MEMS) 공정을 통해 그래핀을 마이크로 패턴하여 한 소자 내에 여러 개의 채널을 형성하였고 (그림 3a), 각 채널마다 다른 냄새 분자를 검출 할 수 있도록 표면처리를 통해 각각의 후각 수용체(hOR2AG1, hOR3A1)를 고정화했다 (그림 3b). 이 센서에서 각 후각 수용체 별 검출 한계는 0.
폐암의 바이오 마커 헵탄알(heptanal)은 정상인 보다 폐암 환자의 혈액에서 더 많이 존재하는데, 헵탄알에 특이적으로 결합하는 후각 나노베지클(Olfactory nanovesicle)이 기능화된 카본나노튜브 전계효과 트랜지스터가 개발되었다. 이는 HEK-293 세포에서 30 가지 유형의 human olfactory receptor (hOR)를 과 발현시킴으로써 인공 후각 세포 라이브러리를 만들어 헵탄알과 특이적으로 결합하는 인공 후각 수용체 OR1J2를 채택하였으며, 이를 나노베지클 형태로 재조합 하였다. 카본나노튜브기반의 바이오나노 전자코는 건강한 사람의 혈액과 폐암 환자의 혈액을 구별하기에 충분한 수준 인 1x10-14 M 농도에서 헵타알을 선택적으로 검출 할 수 있었고, 실제 실험에서 전처리 과정 없이 인간의 혈장으로부터 극히 적은 헵탄알의 양을 검출하는데 성공하였다.
구체적으로, 자극성 암모니아의 검출을 위해 후각 리셉터 펩타이드(NQLSNLSFSDLC)를 사용하였고, 후각 리셉터 펩타이드는 C 말단 방향족 고리로 카본나노튜브 위에 고정화되었다. 후각 리셉터 펩타이드 층은 카본나노튜브 채널에 매우 근접한 트리메틸아민 분자를 선택적으로 흡수하여 탁월한 선택성으로 10 fM의 낮은 농도에서 트리메틸아민을 즉각 검출 하였다. 또한 실제 부패된 해산물 샘플에서 생성된 트리메틸아민은 전처리 과정 없이 검출하는데 성공하였다.
따라서 로돕신 신호 서열을 이용함으로써 세포막 표면에서 발현율이 높고 세포막 표면에 효과적인 전위(translocation)가 가능하다. 후각 수용체를 영구적으로 세포막에 발현하기 위해 G418이라는 선별마커를 포함하는 배지에서 2~3주 동안 배양한 후 생존한 세포를 선별한 후, 면역학적 방법(immunocytochemical method) 및 웨스턴 블롯(western blot)을 이용하여 후각 수용체 단백질의 발현을 확인하는 등 후각 기능 세포 제조가 가능하였다. 대장균시스템의 경우, 후각 수용체를 포함하는 발현 벡터로 대장균을 형질 전환한 후, IPTG처리를 통하여 발현을 유도(induction)하였다.

성능/효과

이는 HEK-293 세포에서 30 가지 유형의 human olfactory receptor (hOR)를 과 발현시킴으로써 인공 후각 세포 라이브러리를 만들어 헵탄알과 특이적으로 결합하는 인공 후각 수용체 OR1J2를 채택하였으며, 이를 나노베지클 형태로 재조합 하였다. 카본나노튜브기반의 바이오나노 전자코는 건강한 사람의 혈액과 폐암 환자의 혈액을 구별하기에 충분한 수준 인 1x10-14 M 농도에서 헵타알을 선택적으로 검출 할 수 있었고, 실제 실험에서 전처리 과정 없이 인간의 혈장으로부터 극히 적은 헵탄알의 양을 검출하는데 성공하였다.
더 나아가, 바이오나노 전자코의 성능을 향상시키기 위하여 그래핀 표면을 산소와 암모니아 가스로 각각 플라즈마 처리하였으며, 이들은 각자 p- 및 n- 형태의 트랜지스터 성격으로 변화되는 것을 관찰하였다. 플라즈마 처리된 그래핀 기반 바이오나노 전자코의 검출 한계는 0.04 fM였으며 (그림 4b), 높은 농도의 비 타겟 냄새 분자와의 선택성 실험에 있어서도 아밀 부틸레이트를 선택적으로 검출하는 것으로 확인 할 수 있었다 (그림 4c).

후속연구

지금까지 바이오나노 전자코를 구성하고 있는 후각 리셉터와 전도성 나노구조체 제조 및 특성에 관해서 고찰을 하였으며, 특히 이들을 결합하여 다양한 바이오나노 전자 코를 제조하는 방법에 관하여 살펴보았다. 이렇게 제조된 바이오나노 전자코는 향후 식품 및 향수와 관련된 산업에 활용이 될 것이며, 더 나아가 질병 진단에도 활용이 될 것으로 사료된다. 특히, 한번에 다양한 냄새를 검출 및 통계분석이 가능하다면 이는 후각 표준화에도 활용이 될 것으로 사료된다.
이렇게 제조된 바이오나노 전자코는 향후 식품 및 향수와 관련된 산업에 활용이 될 것이며, 더 나아가 질병 진단에도 활용이 될 것으로 사료된다. 특히, 한번에 다양한 냄새를 검출 및 통계분석이 가능하다면 이는 후각 표준화에도 활용이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오나노 전자코는 어떻게 구성되어 있나?	바이오나노 전자코는 기존 전자코와는 근본적으로 다른 접근 방법으로, 생물학적 후각 메커니즘에 기초하여 후각 신호 감지부, 후각 수용체 및 후각 세포 등을 이용하는 1차 신호 전달자(Primary transducer)와 1차 신호를 증폭하는 다양한 전도성 나노소자로 구성된 2차 신호 전달자(Secondary transducer), 트랜지스터,로 구분이 된다 (그림 1). 1차 신호 전달자, 후각 수용체는 탄소 한 개의 차이를 가지는 냄새 분자들을 정확하게 구분이 가능하며, 특히, 액상 및 기상의 냄새 분자를 모두 구분할 수 있다.
	펩타이트 리셉터-카본나노튜브 기반 바이오나노 전자코의 구성요소에 대해 구체적으로 서술하시오.	[7] 본 바이오나노 전자코는 트리메틸아민을 선택적으로 인식 할 수 있는 후각 수용체 유도 펩타이드를 활용하였다. 구체적으로, 자극성 암모니아의 검출을 위해 후각 리셉터 펩타이드(NQLSNLSFSDLC)를 사용하였고, 후각 리셉터 펩타이드는 C 말단 방향족 고리로 카본나노튜브 위에 고정화되었다. 후각 리셉터 펩타이드 층은 카본나노튜브 채널에 매우 근접한 트리메틸아민 분자를 선택적으로 흡수하여 탁월한 선택성으로 10 fM의 낮은 농도에서 트리메틸아민을 즉각 검출 하였다.
	FET 기반 바이오 나노센서의 장점은 무엇인가?	이러한 바이오 나노 소자에 사용되는 전기 트랜지스터(transducer)로는 전도성 고분자, 나노입자, 나노 튜브, 카본나노라드, 그래핀과 같은 전도성 나노 구조체 (그림 2)가 있으며, 특정 냄새 분자와의 선택적 상호작용으로인한 화학적 변화 를 전기적 신호로 변환하여 감지를 한다. 특히, 반도체 소자와 나노재료 사이의 접합 형태로 이루어진 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor: FET) 기반의 바이오 나노 센서는 소형화, 대량생산, 단분자 분석, 실시간 관찰이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (8)

Gopel, W.; Ziegler, C.; Breer, H.; Schild, D.; Apfelbach, R.; Joerges, J.; Malaka, R. Bioelectronic noses: A status report. Biosens. Bioelectron. 1998, 13, 479-493.

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Park, C. S.; Yoon H.; Kwon, O. S. Graphene-based nanoelectronic biosensors. J. Ind. Eng. Chem. 2016, 38, 13-22.

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Park, C. S.; Lee C..; Kwon, O. S. conducting polymer based nanobiosensors. Polymers 2016, 8, 13-22.

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Lee, J.Y., KO, H.J., Lee, S.H., and Park, T.H. Cell-based measurement of odorant molecules using surface plasmon resonance. Enzyme Microb. Technol. 2006, 3, 39, 375-380.
Lim, J.H., Park, J., Oh, E.H., Ko, H.J., Hong, S., and Park, T.H. Nanovesicle- Based Bioelectronic Nose for the Diagnosis of Lung Cancer from Human Blood. Adv. Healthc. Mater. 2014, 3, 360-366.

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Kwon, O. S.; Song, H. S.; Park, S. J; Lee, S. H.; An, J. H.; Park, J. W.; Yang, H.; Yoon, H.; Ban, J.; Park, T. H.; Jang, J. An Ultrasensitive, Selective, Multiplexed Superbioelectronic Nose That Mimics the Human Sense of Smell. Nano Lett. 2015, 15, 6559-6567.

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Lim, J. H., Park, J., Ahn, J. H., Jin, H. J., Hong, S., and Park, T. H. A peptide receptor-based bioelectronic nose for the real-time determination of seafood quality. Biosens. Bioelectron. 2013, 39, 244-249.

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Park, S. J.; Kwon, O. S.; Lee, S. H.; Song, H. S.; Park, T. H.; Jang, J. Ultrasensitive Flexible Graphene Based Field-Effect Transistor (FET)- Type Bioelectronic Nose. Nano Lett. 2012, 12, 5082-5090.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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