서론
바이오미네랄화(Biomineralization)는 환경으로부 터 유기물과 무기물을 생물체가 받아들여 잘 조절된 생리활성을 이용하여 기능이 있는 구조물을 만드는 과정이다. 뼈와 조개껍질을 형성하는 과정은 생물체의 골격을 형성하는 데에 필수적이며, 무기물로 탄산칼슘, 인산칼슘, 실리카 그리고 유기물로 단백질, 지질, 탄수 화물이 사용된다. 지질학에서 칼슘, 철, 탄소, 인, 실리 콘의 지구상 순환은 고생물학의 중요 연구대상이고, 바이오미네랄이 화석으로 남겨진 고생물 골격의 성분 이 된다. 바이오미네랄이 생물체 골격 형성자로 중요 역할을 하고, 자연현상을 나노체 합성에 이용하는 연 구자의 노력에 의해 바이오미네랄화는 나노연구에서 빛을 발하고 있다. 자연은 건축자로서 인류에게 생명 현상을 여러 면에서 가르치고 있다. 신화학으로서 생 무기화학은 바이오미네랄화 연구를 중요 연구주제로 삼게 되었다. 이 글에서는 먼저 탄산칼슘, 인산칼슘, 실리카, 산화철 등의 바이오미네랄화에서 단백질이 미 치는 영향을 살피고, 이러한 바이오미네랄화의 원리를 모방하는 결정화 연구 예를 소개하고자 한다.
본론
1. Biomineralization에서 단백질과 무기물의 상호작용 (1) 탄산칼슘
탄산칼슘의 결정구조는 clacite, aragonite, vaterite, 무정형으로 분류되고 있고 결정형성에 단백질이 영향 을 미친다. 조개껍질의 바깥층은 주로 calcite로 구성 되고 내부 진주층은 벽돌모양의 aragonite로 형성되어
있다. 결정구조의 다형성(polymorphism)을 조개가 선택하는 원리는 아직 잘 알려져 있지 않고 바이오미 네랄에서 calcite-aragonite 문제라고 불리우고 있다.
진주층은 단백질-다당류 사이에 끼어 있으며 무기물 만으로 구성된 aragonite에 비해 3000배의 강도를 갖 고 있다. Vaterite는 가장 불안정한 결정구조로 calcite 나 aragonite로 변환되지만 해면의 침상 구조에서 종 종 발견된다. Calcite, aragonite, vaterite 다형체 형성 에 미치는 생물고분자 연구는 다수가 있다. Glycine과 alanine을 vaterite 결정합성에 이용하고, 유기산을 다 양한 calcite 모양형성에 사용하며, calmodulin 유사 단백질을 aragonite 유도물질로 사용하였다. 또 산성 단백질이 탄산칼슘 경정 성장 속도를 조절하는 것을 이해 한 후 여러 단백질이 연구되었다. Ansocalcin, lysozyme, lithostathine, fibroin 단백질들이 탄산칼슘 다형성에 미 치는 영향이 발표되었다.
다당류를 사용한 탄산칼슘 다형성 연구로 Xiao et al.와 Arias and Fernandez의 연구, 그리고 핵산을 이 용한 다형성 연구로 Lukeman et al.의 보고가 발표되 었다.
블록공중합체에 산성 아미노산인 아스파르트산을 포함하여 공중합체를 합성하고 이를 이용하여 탄산칼 슘 결정성장을 조절한 연구자들은 단일 분포 입자를 만드는 제법을 제시하였다.
(2) 인산칼슘
뼈와 이의 인산칼슘 성분은 hydroxyapatite 형태로 콜라겐, osteopontin, enamelin 단백질들과 결합하고
Biomineralization 원리 및 생체모방 결정화 기술
김인호, 김일원*
충남대학교 바이오응용화학부, [email protected]
*숭실대학교 환경/화학공학과, [email protected]
있다. 뼈와 이는 인산칼슘이 유기물과 결합하므로 기 계적 강도가 커지며, 콜라겐과 amelogenin 단백질이 주뼈대를 이루고 산성 당단백질인 osteopontin과 enamelin이 보조뼈대로 탄산칼슘 결정이 뼈대 위에서 성장하도록 하여 뼈와 이를 생성한다. Glycine이 단백 질의 30% 이상으로 된 콜라겐은 특이 단백질로 3중 나선 구조를 갖는다. 콜라겐은 섬유상으로 중간에 규 칙적으로 공간이 존재하며 이곳에서 인산칼슘이 결정 을 이룬다. 뼈를 물로 추출하면 산성 당단백질인 ostenectin(44,00 dalton), sialoprotein(200,000 dalton), dentine(100,000 dalton), sialoprotein(200,000 dalton), 그리고 Gla 단백질인 osteocalcin(6,000 dalton)등의 다양한 단백질을 검출할 수 있으며 비콜라겐 단백질 로 불리운다.
당단백질은 음이온성 기가 많으며 Gla 단백질은 감 마카르복실글루탐산 잔기를 포함한다. 뼈 생성에 관한 많은 연구가 Mckee 연구진에 의해 이루어지고 있다.
(3) 실리카
단세포 조류인 규조류는 무정형의 실리카를 이용하 여 세포골격을 형성한다. 중성용액에서 실리카는 실 리식산으로 존재하고 1mM 이상의 농도에서 축합반 응을 거쳐 무정형의 실리카 결정이 된다. 바닷물에서 조류는 능동 수송에 의해 체내의 실리식산 농도를 증 가시킨다. 관련 단백질은 frustulin, HEP, Silaffin이 다. Frustulin은 75,000 dalton의 분자량을 갖고 [Cys- Glu-Gly-Asp-Cys-Asp]n의 반복구조를 갖는다.
HEP는 hydrofluoric acid extractable protein의 약자 로 세린과 스레오닌이 많이 함유되어 있다. Silaffin은 분자량이 4,000~17,000으로 다양하며 양성아미노산 인 라이신, 아르기닌이 함유되어 있다. 실리카 바이오 미네랄화 연구는 Kröger그룹에 의해 선도되고 있다.
(4) 산화철
산화철 결정은 magnetite로 불리우며 자성 박체리 아의 세포내에 형성된다. Magnetite 결정이 생성되는 과정은 Fe+3흡수, Fe+2로 환원, Fe+2이온의 소포체로 이동, 무정형의 산화철 형성, 무정형에서 magnetite로 전환을 거치는 과정이다.
철이온은 생명체에 독성이 있기에 포유동물체내에 서 페리틴 단백질 소포체에 저장된다. 아포페리틴은 철이 없는 80Å 크기의 구조체이며 철이 포함된 페리 그림 1. Three Polymorphic structures of calcium carbonate:
Calcite, aragonite, and vaterite from left to right.
그림 2. Biomineral structure of nacre in shell.
그림 3. Collagen fibril structure (A) Helix, (B) Superhelix.
틴은 120Å 직경을 갖는 구형 구조체이다. 페리틴 소 단위는 H, L chain의 2종류이며 분자량이 각각 21,000과 20,000 dalton이다. 페리틴 소포체는 90%의 H chain 소단위와 10%의 L chain 소단위가 24개 모 여 구성되어 있고 가운데 공간에 4,500개의 철 원자를 포함한다. 철은 ferrihydrite 형태로 페리틴 소포체 안 에 저장되었다가 소포체 막에 있는 구멍을 통해 페리 틴 안이나 밖으로 전달된다. 페리틴의 분리와 분석에 대해 Kim이 보고하고 있다. 페리틴은 빈공간이 있는 단백질 구조체로 미세반응기로 역할을 할 수 있으며, 나노 입자를 제조하는데 응용할 수 있다.
2. Biomineralization에서의 상호작용을 모방한 결정화 바이오미네랄의 무기물질과 유기물질 사이의 상호 작용 원리는 아직 정확히 밝혀지지는 않은 상태이지 만, 유기물질의 공간적 규칙성과 계면흡착능력이 복 합적인 역할을 하는 것으로 추정하고 있다. 이에 따라 미네랄 결정화를 바이오미네랄 형성 원리를 모방하여 제어하기 위한 방법은 epitaxy, stereochemistry, 흡착 등의 원리를 이용하는 것으로, 크게 다음 3가지 영역 으로 나눌 수 있다.
(1) 무기결정과의 상호작용 이용
결정성을 지니고 있는 무기물질 substrate를 이용한 미네랄 결정화는 epitaxy를 효과적으로 이용한 방법 이다. 탄산칼슘 polymorph의 선택적 형성에 epitaxy
가 미치는 영향을 살피기 위해서, Kim 등은 탄산칼슘 의 polymorph 중 aragonite와 결정구조가 같은 물질 들을 이용하여 epitaxial strain을 체계적으로 변화시킨 연구를 보고하였는데, 결정의 방향성을 제어하는 것보 다 polymorph의 제어에 더욱 친밀한 epitaxy가 필요 하다는 것을 관측하였다. 또한, Pokroy와 Zolotoyabko 는 carbonate가 없는 oxide 단결정 substrate들을 이용 하여 aragonite 결정화에 성공하였으며, stereochemistry 가 중요한 역할을 한다고 보고하였다. 비슷한 연구는 다른 미네랄에 대해서도 이루어지고 있는데 최근에는 탄산바륨을 quartz substrate를 이용하여 체계적으로 연구한 예도 있다. 또한, 이러한 연구의 범위를 한층 더 확장하여 유기결정의 선택적 polymorph 성장을 위 해서 무기결정 substrate와의 epitaxy를 이용하기도 한다.
(2) 규칙적으로 배열한 유기분자들과의 상호작용 이용 유기분자들을 규칙적으로 배열시킨 대표적인 예는 Langmuir 단분자막, 자기조립 단분자막 등이다. 이러 한 구조를 이용한 연구는 방향성이 제어된 탄산칼슘 의 결정화에서 활발하게 진행되었다. Langmuir 단분 자막을 이용하여 Mann 등은 탄산칼슘, 황산바륨, 황 산칼슘 등의 미네랄이 핵을 형성하는 표면을 제어하 였고, 이에 따라 미네랄이 단분자막에 대해 뚜렷한 방 향성을 지니고 자라났다. 비슷하게 Aizenberg 등은
(A) (B)
그림 4. Ferritin structures; (A) Ferritin and apoferritin interconversion, (B) Molecular structure showing polypeptide chains.
그림 5. Calcite grown on PbCO3; aragonite on {001} faces and calcite on {hk0} faces. Epitaxial strain was noted.
thiol 화학을 이용하여 제조한 자기조립 단분자막 위 에 방향성을 지닌 미네랄 성장을 체계적으로 연구하 였다. 특히, Mg (II) 이온과 같은 첨가물이 추가로 존 재할 때는 방향성을 지닌 결정화와 결부하여 독특한 형상제어도 가능하다는 것도 관찰하였다. 한편, Küther 등은 특정한 자기조립 단분자막은 약간의 결 정화 온도 증가를 통해서 탄산칼슘의 aragonite polymorph을 주된 결정상으로 유도할 수 있음을 보 고하였다. 또한, apatite 형성에 미치는 자기조립 단분 자막 특성작용기의 역할과 불소이온과 같은 첨가제의 공존효과 등이 연구되고 있다.
(3) 용액에 존재하는 고분자 첨가제와의 상호작용 이용 미네랄이 성장하는 과포화용액에 분자수준으로 녹 아 있는 고분자들은 결정의 모양과 polymorph에 중 요한 영향을 미칠 수 있는데, 이는 바이오미네랄 형성 을 제어하는 단백질의 작용메커니즘과 관련이 있다.
특별히 흥미있는 결과는 탄산칼슘 박막을 poly(acrylic acid), poly(aspartate)와 같은 고분자 첨 가물을 이용해 얻은 결과이다. 또한, Cölfen 등은 다양 한 block copolymer들을 이용하여 황산바륨, 탄산칼 슘 등의 미네랄 형성을 광범위하게 연구하였는데, 독 특한 형태들을 관측하였으며 전구체들의 응집을 통한 미네랄 형성 메커니즘을 주장하였다. 이러한 연구는 다른 연구자들에 의해 인산칼슘 미네랄 형성에 확장 되기도 했다. 한편, Hartgerink 등은 펩타이드 amphiphile을 이용하여 인산칼슘 미네랄의 형성을 제 어하였다. 또한, 간단한 poly(vinyl alcohol)을 이용하 여 탄산칼슘의 polymorph를 제어하여 calcite, aragonite, vaterite 등을 선택적으로 형성하는 메커니
즘 또한 Kim 등이 보고한 바 있는데, poly(vinyl alcohol)을 적절한 양으로 첨가하였을 때는 calcite의 결정화가 방해되어 aragonite가 선택적으로 형성되고, 과량으로 첨가하였을 때는 aragonite의 결정화도 방 해되어 vaterite가 선택적으로 형성함을 관측하였다.
한편, 바이오미네랄의 층상 형성을, 무기물질이‘미 네랄 다리’를 통해 층층이 연속적으로 결정화하며 그 사이에 유기물질이 끼어든다고 설명하는 논리도 존재 한다. 미네랄 다리로 미네랄 단층들이 연결되어 있다 면, 바이오미네랄의 결정 방향성을 설명하는데 유기 고분자와 무기미네랄 사이의 heteroepitaxy가 필요없 다는 장점이 있다. 미네랄 다리는 abalone의 nacre 층 에 대해서 처음 주장되었으며, 비슷한 가설이 최근 gastropod의 nacre 층에 대해 제기되었다. 또한, 이러 한 설명은 고분자 첨가제의 영향으로 나노결정들이 연결되어 형성하는 메조결정에도 적용하고 있다. 이 현상을 모방하고자 Tseng 등은 gelatin을 이용하여 ZnO를 결정화한 결과, 나노입자들이 나노판상을 형 성하고 나노판상들이 미네랄 다리를 통해서 연결하는 것을 관측하였다. 또한, 미량의 poly(vinyl alcohol)을 이용하여 calcite 단결정의 성장 모드를 변화시키는 그림 6. Oriented calcite growth on different self-assembled
monolayers.
그림 7. Calcium carbonate film formation in the presence of poly(acrylic acid).
그림 8. (A) Gastropod nacre, (B) Calcite island formed on a single crystal of calcite with PVA.
연구도 최근 Kim 등에 의해 보고되었다. Poly(vinyl alcohol)이 단순한 step 성장에 의한 결정 성장을 2D 핵형성을 통한 마이크로 domain 형성으로 변화시키 는 현상을 관측하였는데, 이는 homoepitaxy를 통해 단결정 위에 동일한 방향성을 지니는 마이크로결정을 동시다발적으로 형성하기 때문에 고차원적인 구조를 지니는 미네랄 형성을 유도하는 효과가 있다.
결론
바이오미네랄 형성에서 관측한 특이한 구조와 성질 은 공학적인 결정화 연구에 새로운 아이디어들을 제 공하고 있다. 자연에는 다양한 바이오미네랄이 존재 하며 이는 무기물과 유기물이 고도로 조직화된 구조 안에서 복합체를 이룬다. 바이오미네랄화의 기본 개 념은 생고분자가 무기 이온이 핵 생성, 결정 성장, 형 태 형성, 다형체를 만들 때, 매우 정교하게 조절한다는
것이다. 일반적인 무기결정에서는 찾아보기 어려운 바이오미네랄의 고차원적인 구조와 복잡한 모양을 이 해하기 위해, 바이오미네랄의 형성 메커니즘을 지속 적으로 연구하고 있으며 그 원리를 공학적으로 적용 하기 위한 시도가 계속 이루어지고 있다. 다양한 바이 오미네랄을 여러 생물체들이 형성하는 메커니즘은 생 물체별로 독특할 수 있고, 그 완전한 작용을 이해하기 위해서는 오랜 연구기간이 필요하리라 생각한다. 현 재 알려진 실험적인 사실은, 미네랄의 형성을 유기물 질이 제어하고 있으며, 제어의 핵심이 되는 상호작용 은 epitaxy, stereochemistry, 흡착 등에 의존한다는 것이다. 우리가 구현하려 하는‘자연모방 결정화’는 복잡한 생물학적 바이오미네랄 형성의 정확한 복제가 아니라, 공학적인 결정화 문제를 해결하기 위해 자연 이 이미 이용하고 있는 기술을 차용하여 나노 수준의 분자조립 원리를 이용하는 것이라 생각한다.
