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공업화학 전망, 제25권 제2호, 2022미국 애리조나 주립대학: 단백질 나노와이어 기반 효율적 전도체 개발
단백질은 전통적으로 열악한 전기 전도체로 간주되어 왔지만, DNA와 마찬가지로 조절 가능한 전도도, 자기 조립성 및 방대한 저장가능 정보 용량 등의 특성으로 인해 나노전자기기 소재로서 매력적이다. 또한, 단백질 구성하는 데 사용된 20개 아미노산의 확장은 DNA를 구성하는 단 4개의 뉴클레오티드와 비교할 때, 향상된 도구 키트를 제공한다.
최근, 미국 애리조나 주립대학 연구팀은 DNA 기반 나 노와이어보다 개선된 전도 특성을 나타내는 효율적 전기 전도체로서 단백질 와이어를 구현하는 데 성공했다. 구 체적으로, 단백질 전자 수송 특성의 경우, 단백질 나노와 이어는 전도체로 특별 설계된 화학적 합성 나노와이어보다 더 나은 장거리에서 전도 특성을 나타냈고, 자체 조직화 된 단백질은 구성 요소를 원자 규모로 제어할 수 있었다.
단백질을 통한 전자 흐름은 매우 짧은 거리에서 전자 터널링 및 펩타이드 사슬(또는 아미노산 사슬) 따른 전자 의 도약 통해 발생할 수 있는데, 본 연구에서는 단백질 나노와이어의 길이별 전기 전도도를 측정, 작동 체제를 결정, 단백질의 분자-전자 특성을 추산했다. 이를 위해 길이가 4~20 nm 범위에서 단백질 세그먼트를 사용, 유
전자는 DNA 주형에서 이러한 아미노산 서열을 생성하도록 설계 후, 전자 전도도가 측정되었다. 연구 결과, 전자의 터널링 거동보다는 호핑(hopping)과 일치하는 방식으로 나노와이어 길이에 걸쳐 전도도가 감소가 확 인됐다. 실제, 특정 방향족 아미노산 잔기(단백질의 각 꼬임에 6개의 티로신과 1개의 트립토판)는 연속적인 기차역처럼 지점에서 지점으로 경로를 따라 전자를 안내하는 것으로 나타났다.
단백질 나노와이어의 원자 수준에서의 미묘한 설계 및 변경과 유전자 템플릿에서의 자기 조립성은 기존 트랜지스터보다 훨씬 더 정밀한 조작을 가능케 한다. 예컨대, 이러한 단백질 나노와이어를 사용하여 새로 운 나노머신 제품군의 다른 구성요소를 연결 시 잠재적으로 전체 인간 게놈을 한 시간 이내에 저렴한 비용 으로 시퀀싱할 수 있는 장치를 만들 수 있고, 단백질 시퀀싱을 위해 아미노산을 읽을 수 있는 나노전자 장 치에 프로테오솜을 통합할 수 있다.
본 연구에서 설계된 단백질 나노와이어는 이를 기반으로 한 초소형 전자 장치뿐만 아니라 의료 감지 및 진단, 질병에 대한 탐색 및 파괴 임무를 수행하는 나노 로봇 또는 새로운 유형의 초소형 컴퓨터 트랜지스터 에 대한 잠재적인 응용 프로그램을 제공할 수 있다. 이외에도 단백질 나노와이어는 초고속 DNA 및 단백질 시퀀싱을 수행하는 새로운 장치에 적용 가능하고, 설계된 단백질을 통한 전하 수송 반응은 호흡, 대사 및 광합성을 포함한 프로세스 연구를 진행할 수 있어, 향후 관련 연구 이 플랫폼으로써 작동할 수 있다.
본 연구의 단백질 전자 수송에 대한 이해를 기반으로 분자 전자부품의 설계 및 제작이 필요하며, 이를 기반으로 한 단백질 전자 제품에 사용할 수 있다는 점에서 의미가 있다.
연구성과는 미국화학회의 ACS Nano 온라인판에 게재되었다(ACS Nano, 2022; 16 (1): 1671, DOI:
10.1021/acsnano.1c10830).
출처: 2022. 2. 24. ScienceDaily (https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220224180354.htm) 작성: 손 희 상 (광운대학교)
Figure. 조절된 길이와 구성의 분자가 쉽게 합성될 수 있는 DNA 분자 와이어는 길이가 4~20 nm의 공통 테 트라트리코펩티드 반복(consensus tetratricopeptide repeat, CTPR)된 단백질 통한 전자 회로 제어(Credit:
ACS Nano).
