초록 ▼

연구개발목표 및 내용

최종 목표
본 연구에서는 (세포 내 환경과 같은) 다양하고 복잡한 생체조건에서 인공적인 화학반응을 구현하고 이들 화학반응의 속도를 원격제어 할 수 있는, 다중자극 반응성 (muti-stimuli responsive) 생물직교성(bioorthogoanl) 나노반응기를 개발하고 자 한다. 개발된 나노반응기를 이용하여, 세포액, 세포막, 세포소기관 들을 표적화해서 화학적 상태를 영상화하거나 약물이나 활성분자를 전달하는 신규 방법을 구현하고자 한다.

전체 내용
본 과제에서 제안하는

연구개발목표 및 내용

최종 목표
본 연구에서는 (세포 내 환경과 같은) 다양하고 복잡한 생체조건에서 인공적인 화학반응을 구현하고 이들 화학반응의 속도를 원격제어 할 수 있는, 다중자극 반응성 (muti-stimuli responsive) 생물직교성(bioorthogoanl) 나노반응기를 개발하고 자 한다. 개발된 나노반응기를 이용하여, 세포액, 세포막, 세포소기관 들을 표적화해서 화학적 상태를 영상화하거나 약물이나 활성분자를 전달하는 신규 방법을 구현하고자 한다.

전체 내용
본 과제에서 제안하는 연구는, 대부분의 세포 내 소기관들이 속 빈 소포체의 구조를 가지며, 각각의 소포체 내에 구획화된 최적의 생물-화학학적 환경을 유지함으로써, 복잡한 생체시스템에서의 이루어지는 일렬의 생화학적 반응들을 안정적으로 유지/제어 하고 있는 것에 착안하였다. 세포 내에서 작용할 수 있는 우수한 생체직교성 촉매 (bioorthogoanl catalyst)가 개발된 다면, 생체의 생화학적 기능을 인위적으로 조절하는 방법을 제공할 수 있을 뿐 만 아니라 분자진단 영상이나 약물전달 등의 분야의 성장을 이룰 수도 있을 것으로 기대한다. 하지만, 지금까지 유기반응에서 주로 사용되어온 대부분의 금속화합물-기반촉매 물질들은 높은 생체 내 독성, 생체분자와의 비선택적 결합 및 상호작용, 생체분자에 의한 불활성화 등의 문제들로 인해서 생체 내의 촉매로서 적용하기가 매우 쉽지 않은 현실이다. 특히, 생체 환경에서 불활성화 되거나 느려지는 금속화합물 촉매의 반응속도를 크게 높일 수 있는 획기적인 방법의 개발이 필요한 상황이기도 하다.
본 연구에서는, 세포 소포체와 유사한 구조를 지니는 속빈 다공성 실리카/고분자-기반 나노구조체들을 합성하고, 이들의 밀폐형 혹은 반노출형 나노동공에 자성체, 플라즈모닉 물질, 촉매활성 물질들을 도입하고 기능을 통합함으로써, 외부자극 (빛이나 자기장)에 대한 반응성과 촉매 기능이 융합된 속빈 나노반응기 물질를 제조하고자 한다. 다수의 서로 다른 촉매물질들은 나노반응기의 분리된 나노공간 내에서 세밀하게 구획화하는 방식을 통해서, 필요한 유기반응에 따라 알맞게 촉매기능을 맞춤화하고자 하며, 각 촉매의 기능을 외부자극 (NIR이나 외부자기장 등)을 통해서 독립적으로 활성화함으로써 다양한 다단계의 유기반응을 설계하고 조절하는 연구를 하고자 한다. 최종적으로는 세포 내에서의 다단계연속 유기반응을 외부자극을 이용해서 원격제어하는 시도를 하고자 한다.

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구의 결과는 나노구조제의 정교한 설계 및 합성, 비균질 촉매와 생체분자간의결합 및 연결 기술 및 생체 내에서의 나노물질의 기능, 독성, 분포, 배설 등을 연구하는 방법의 발전을 가져올 것으로 기대한다. 또한, 생체 내에서 다양한 유기반응을 인공적으로 가능하게 함으로써, 이를 이용한 새로운 세포분자영상 및 영상진단 방법이나 세포표적치료나 신개념-약물전달과 같은 신규 의료진단 및 치료 방법을 파생시킬 것으로 생각된다. 결국, 본 제안서의 내용이 성공한다면, 기초(나노, 무기, 생물)화학분야와 (의료진단, 치료 등) 의료산업을 포함하는 광범위한 분야에서 매우 큰 영향을 일으킬 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 요약문 3p)

Abstract ▼

1. 연구개발과제의 개요
Objective of the current research was to develop highly functional and customizable biorthogonal catalytic nanoreactors for discovering and performing variety of new-to-nature chemical reactions and controlling their rates on-demand under multi-modular stimuli in complex bio-media t

1. 연구개발과제의 개요
Objective of the current research was to develop highly functional and customizable biorthogonal catalytic nanoreactors for discovering and performing variety of new-to-nature chemical reactions and controlling their rates on-demand under multi-modular stimuli in complex bio-media to synthesize bioimaging probes, drug molecules and active reagents for biomolecular tagging spatiotemporally in cytosol, cell-membrane and targeted-organelles microenvironments.

Inspiration of the proposed research stemed from the nature's ability to utilize hollow vesicular structures of different organelles which can perform unique set of biochemistries and functionalities in a highly controllable manner, mainly due to their compartmentalized bio-environment maintaining optimum reaction conditions. By developing innovative bioorthogonal catalytic nanoreactors, we can not only provide new tools for biochemical manipulation but also direct the growth towards completely new approaches for molecular bioimaging, drug discovery and therapy. However, with the so far known catalytic platforms for biorthogonal synthesis, it's not easy to directly apply metal-based catalysts to biological systems due to their inherent toxicity, unwanted interaction with biomolecules, inactivation and surface poisoning.[1] Importantly, in the conventional existing platforms, there is no multi-modular plug-in to enhance or control the reaction rates of sluggish catalytic reactions applicable in the complex bioenvironment.[2-10] In the present research work, we have synthesized magnetic-plasmonic multimodular nanoreactors (MPNRs) with distinct catalytic sites (Pt, Pd, Ru, and Rh) interfaced with magnetic Fe3O4-yolk (MagC) and plasmonic Au-shell (PlasC) components. The non-contacting tailorable proximity of MagC and PlasC is expected to maintain the critical hollow interior to regulate products by fine-controlling individual steps in a tandem reaction. MPNRs can function in complex biomedia in response to the light and magnetic field. These nanoreactors allowed the customization with multimodular catalytic functionalities in a compartmentalized manner to affect variety of multi-step organic reactions where each step of those reactions can be remotely controlled by applying stimuli such as NIR light or magnetic fields.

(source : 본문 : 1. 연구개발과제의 개요 5p)