The Korean Society For Biotechnology And Bioengineering
[ Review Paper ]
Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 33, No. 2, pp.57-62
ISSN: 1225-7117 (Print) 2288-8268 (Online)
Print publication date 30 Jun 2018
Received 11 Mar 2018 Revised 04 Apr 2018 Accepted 04 Apr 2018
DOI: https://doi.org/10.7841/ksbbj.2018.33.2.57

유-무기 혼성 나노 꽃의 생물공학적 응용 연구 동향

정민수 ; 김문일*
가천대학교 바이오나노학과
Recent Advances in Research on Organic-Inorganic Hybrid Nanoflowers for Biotechnological Applications
Minsoo Chung ; Moon Il Kim*
Department of BioNano Technology, Gachon University, Seongnam, Gyeonggi 13120

Correspondence to: Department of BioNano Technology, Gachon University, Seongnam, Gyeonggi 13120, Korea Tel: +82-31-750-8563, Fax: +82-31-750-4748 e-mail: moonil@gachon.ac.kr


© 2018 The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering

Abstract

Organic-inorganic hybrid nanostructures with flower-like morphology, so called nanoflowers, have received an increasing attention due to their capability to greatly enhance the activity, stability, and durability of entrapped biomolecules, which is much better than those from the conventional immobilization strategies. These hybrid nanoflowers are simply synthesized via the incubation at room temperature but show high surface roughness and large surface-to-volume ratio, which enables high loading capacity of biomolecules without severe mass transfer limitation. Based on the advantageous features, they have been applied in the field of biotechnology such as biosensor, biofuel cell, and protein digestion. To highlight the research progress on organic-inorganic hybrid nanoflowers, this review discusses the synthetic methods, structural characteristics, and recent applications of the nanoflowers. Finally, we address the future prospects of the hybrid nanoflowers in biotechnology industry, particularly for sensing, medicine, and catalyst.

Keywords:

hybrid nanoflowers, enzyme immobilization, biosensing, biofuel cell, protein digestion

1. INTRODUCTION

다양한 생화학적 반응의 촉매로서 작동하는 효소는 그 기질 특이성과 높은 활성으로 인해 생물공학 분야에서 필수적으로 사용되고 있다. 그러나 효소는 식물 혹은 미생물에서의 생산과 분리ㆍ정제에 많은 공정 및 비용이 필요하며, 효소를 이루는 단백질의 구조가 쉽게 변성됨으로 인해, 그 활성이 통상의 조건에서도 쉽게 감소하며 특히 사용 환경 (산도 (pH), 온도, 용매 종류 등)이 변화하면 활성이 더욱 크게 변하는 등의 안정성이 낮은 단점이 있다 [1]. 이를 극복하기 위해 다양한 효소공학 기술이 수십 년 전부터 현재에 이르기까지 지속적으로 연구되고 있다. 그 예로 담체를 사용한 효소 고정화와 화학적 및 유전적 효소 변형 등의 방법이 시도되어 왔다. 이들 중, 효소 고정화 기술은 고체 담체에 효소를 고농도로 집적함으로써, 효소의 연속적인 활용 및 효율적인 분리ㆍ회수ㆍ재사용이 가능하고, 추가적인 안정성 향상을 얻을 수 있는 장점이 있어, 실제 효소반응에 기반한 생물공학 산업에서 다양하게 활용되고 있다 [2]. 그러나 일반적인 효소 고정화 방법은 효소의 부피에 비해 고정화 담체의 부피가 크며, 수식 과정 중 효소의 자유도가 저하되기 때문에, 효소와 기질 사이의 물질 전달에 제한을 받아 결과적으로 효소 활성이 줄어드는 단점이 있다.

보다 효과적인 효소 고정화 방법을 개발하기 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 그 중, 최근 Zare 연구팀은 다양한 효소 및 단백질을 구리를 포함한 phosphate buffered saline(PBS) 수용액에서 반응시키는 간단한 과정을 통하여 꽃 모양의 나노 구조체를 합성하는 데 성공하였으며, 이 나노 구조체를 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃 (Organic-inorganic hybrid nanoflower)이라 명명하였다 [3]. 기존의 나노 꽃은 고온에서의 열수 처리를 통해 합성되기 때문에, 구조가 합성되는 중의 단백질 고정화가 어려운 문제점이 있었다. 이에 반해, 새롭게 보고된 나노 꽃은 상온에서 단백질과 구리 이온과의 상호 작용을 통해 합성되기 때문에, 꽃 구조 안의 고농도 및 효과적인 단백질 포집이 가능하다. 또한 효소-무기 나노 꽃은 수용액 버퍼에 녹아 있는 대조군 효소의 초기 활성을 100% 혹은 그 이상으로 유지하며, 높은 안정성 및 내구성을 지닌다는 것이 발표되었다. 나노 꽃의 합성 기작으로는, 무기 물질 중 구리 이온이 단백질의 아민 혹은 아마이드 부분과 배위 결합한 후, 그 위치에서부터 전방위로 서로 다른 속도로 구리의 침전이 일어나면서, 상온에서 약 3일 후에는 수십 마이크로미터 크기로, 내부에는 나노미터 단위의 꽃잎 구조를 갖는 혼성 나노 꽃이 합성된다고 제안되었다. 현재까지 bovine serum albumin (BSA)을 비롯한 단백질과 laccase, carbonic anhydrase, lipase, glucose oxidase (GOx), horseradish peroxidase 및 trypsin 등 다양한 효소를 이용하여 나노 꽃 구조가 합성됨이 보고되었고, 이렇게 만들어진 혼성 나노 꽃은 고정화된 효소로서 매우 효과적인 성능 (높은 포집율, 활성, 안정성 및 재사용성)을 보임이 증명되었다 [4]. 이러한 나노 꽃 구조의 상승된 효소 활성 및 안정성은, 효소 반응과 관련한 다양한 분야에 적용될 수 있기 때문에, 나노 꽃을 다양한 생물공학 분야에 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 총설에서는 기존의 생물분자 고정화 방법을 대체할 수 있는 유ㆍ무기 복합 나노 꽃의 합성 방법과 기작 및 그 구조적 특성과, 이를 이용해 다양한 소분자 물질의 검출용 바이오센서와 단백질 분해 및 바이오 연료전지 등에 응용한 최근의 연구들을 소개하고, 나노 꽃의 향후 연구 전망에 대해 기술하고자 한다.


2. Synthetic Mechanisms for Organic-Inorganic Hybrid Nanoflowers

나노 꽃의 합성은 단백질과 같은 유기 물질과 구리 이온과 같은 무기 물질을 기반으로 한, 다음 3단계에 걸친 자가 조립 (self-assembly) 과정으로 이루어짐이 제시되었다 [3]. 첫 번째 단계는 단백질 분자의 아마이드 및 아민 그룹에 포함된 질소 원자 부분이 구리 이온과 상호 배위결합 (coordination interaction)을 통하여 초기 유ㆍ무기 결정을 형성하는 단계로서, 이 부분이 꽃 형성이 시작되는 핵 역할을 수행하게 된다. 두 번째 단계에서는 1단계에서 만들어진 결정에 단백질 분자가 추가적으로 결합하고, 구리 이온이 전방위적으로 서로 다른 속도로 침전됨으로, 구리 결정이 꽃잎 형태로 성장하는 반응이 일어난다. 마지막 단계에서는 꽃잎 모양의 결정이 완성된 형태로 성장하여 꽃 모양의 유ㆍ무기 구조가 만들어진다. 이와 같은 나노 꽃 합성 기작은 단지 PBS 버퍼를 이용한 상온에서의 3일 동안의 반응을 통해서 쉽게 이루어지며, 특히 laccase, carbonic anhydrase, lipase 등의 효소를 포함한 나노 꽃은 공통적으로, 효소 활성은 높게 유지한 가운데, 높은 안정성을 보임이 보고되었다. 최근에는 무기 물질로서 구리 이온 뿐만 아니라, 칼슘, 망간 및 아연 이온을 무기 물질로 단백질 분자와 같이 반응시켜 비슷한 기작을 통해 유·무기 혼성 나노 꽃을 합성하는 연구 또한 발표되고 있다 [5-7]. 기존 단백질 및 효소 고정화 방법에 비해, 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃을 형성하는 방법은 그 합성이 매우 쉬우면서도 효율적인 효소 성능을 얻을 수 있기 때문에, 보다 다양한 효소 및 무기 물질을 적용한 나노 꽃 개발 및 그 응용이 활발히 보고되고 있다.

위 나노 꽃을 만드는 방법은 상온에서 간편하게 전체 과정이 이루어지는 장점이 있지만, 완성된 형태의 나노 꽃을 얻기까지 3일의 시간이 소요되기 때문에, 현장에서 효율적으로 쓰이기에 제한이 된다는 단점이 있다. 이를 극복할 수 있는 초음파 처리를 통한 빠른 나노 꽃 합성 기술이 최근 보고되었다 (Fig. 1) [8]. 초음파 처리는 환원에 필요한 에너지를 효율적으로 전달할 수 있어 [9], 구리와 같은 나노 꽃 구성요소들이 빠르게 자가 조립할 수 있게 해 줌으로써, 기존 3일간의 반응 시간을 상온에서 단지 5분 동안의 초음파 처리로 단축하여, 비슷한 형태의 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃이 합성할 수 있음이 보고되었다. BSA를 모델 단백질로 사용한 연구에서, 초음파 처리 시간에 대한 영향을 파악한 결과, 1분 동안의 초음파 처리시에는 약 2 μm 크기의 표면이 매끄러운 구 형태의 입자가 생성되지만, 5분 이상의 초음파 처리시에는 기존 나노 꽃의 크기와 비슷한 대략 10 μm 크기의 꽃잎 구조를 갖고 있는 나노 꽃이 합성됨이 관찰되었다. Laccase와 구리 이온을 대상으로 5분 동안의 초음파 처리를 통해 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃을 합성하였을 때, 기존 상온에서의 3일 동안의 반응을 통해 만들어진 나노 꽃처럼, 높은 포집 효율 (>80%), 활성 및 약 한 달 동안 90% 이상의 활성을 유지하는 높은 안정성이 확인되었다. 이 기술은 나노 꽃의 고속 및 대량생산을 가능하게 함으로써 그 산업적 응용을 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 1.

Sonication-mediated synthesis of protein-inorganic hybrid nanoflowers [8].

또한 나노 꽃 합성 과정 중 추가적인 처리를 통해 그 활성, 안정성 및 재사용성을 더욱 높이는 기술이 보고되었다. 표면의 친수/소수성 상태가 활성에 중요한 영향을 미치는 lipase를 대상으로 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃을 합성할 경우, 상온에서의 합성 반응 전 lipase를 미리 적절한 계면활성제 처리를 통해 활성화시킨 후, 나노 꽃 합성 반응에 참여시키는 전략을 통해, 그 보유 활성을 기존 나노 꽃에 비해 2배 이상 향상시키는 전략이 보고되었다 [10]. 만들어진 계면활성제 처리된 lipase 나노 꽃은, 그 활성 뿐만 아니라, 안정성 및 재사용성에서도 높은 성능을 보여, lipase 활성을 기반으로 한 바이오의약, 바이오센서 및 바이오디젤 생산 등에 다양하게 응용될 수 있음이 보고되었다. 또한 나노 꽃 합성 후 glutaraldehyde 처리를 통해 추가적인 가교결합을 유도함으로써, 나노 꽃의 안정성 및 재사용성을 기존의 나노 꽃에 비해 크게 향상시키는 전략 또한 보고되었다 [11]. 3일 동안의 lipase-무기 혼성 나노 꽃 합성 후, 1시간 동안 추가적인 glutaraldehyde 처리를 거친 후, 나노 꽃의 형태는 거의 변하지 않으며, 비슷한 활성을 보임과 동시에, 그 재사용성이 크게 증가하는 것이 관찰되었다. 이 기술은 현장에서의 나노 꽃 활용성을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.

이와 같은 단백질 기반의 나노 꽃 합성 원리를 바탕으로, 또 다른 생체 고분자 물질인 핵산에 기반한 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃이 최근 보고되었다 (Fig. 2) [12]. 단백질에 포함된 아마이드 및 아민 그룹이 나노 꽃 합성이 시작되게 하는 역할을 하는 것처럼, 핵산 deoxyribonucleic acid (DNA)에 풍부하게 포함되어 있는 아마이드 및 아민 그룹이 구리 이온과 배위 결합하고, 전방위적인 구리의 침전을 통해 DNA와 구리 결정을 동시에 포함하고 있는 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃이 합성될 것으로 예측하여 실험한 결과, 핵산을 이용하여 매우 간단하게 상온의 친환경적 조건에서 나노 꽃이 합성됨이 보고되었다. 연구진은 상온에서의 반응 시간에 따른 DNA 나노 꽃 개화 양상을 보고하였으며, 다양한 염기서열의 DNA를 이용하여 나노 꽃 구조 합성을 확인함으로써, 범용적인 DNA에 적용할 수 있음을 확인하였다. 특히 합성된 나노 꽃 입자가 높은 효율로 DNA를 포집할 수 있고, 세포독성이 거의 없으며, 나노 꽃 내부에 포집된 DNA는 핵산절단효소에 대해 높은 저항성을 보인다는 사실이 보고되었다. 이렇게 개발된 DNA-구리 유ㆍ무기 혼성 나노 꽃은 새로운 유전자 치료용 전달체 및 과산화수소 검출용 바이오센서로 향후 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 2.

(A) Schematic illustration of the formation of nuclease-resistant DNA-inorganic nanoflowers. (B) SEM images showing time-dependent growth of DNA-nanoflowers [12].


3. Applications of Hybrid Nanoflowers to Biosensing

나노 꽃 내부에 고정화된 효소는 그 활성 및 안정성이 우수하기 때문에, 이 특성을 활용한 다양한 생물공학적 응용 연구가 보고되고 있다. 특히 소분자 물질 진단용 바이오센서에서 주로 활용되는 효소를 나노 꽃 형태로 고정화하여 보다 고감도 및 고안정성으로 대상물질을 진단하는 기술이 집중적으로 보고되고 있다.

Zare 연구팀은 laccase-무기 나노 꽃을 이용하여 대표적인 수질오염 물질인 페놀류 화학물질 (phenol, cresol, 2,4-dichlorophenol)을 발색 검출하는 방법을 보고하였다 [3]. 나노 꽃의 laccase 활성에 의해, 샘플 안의 페놀류 화학물질은 4-aminoantipyrine과 연계 반응을 통해 붉은 빛을 띄는 antipyrine 산물을 생성하기 때문에, 이 산물의 흡광도를 495 nm 파장에서 측정하여 검출하였다. 실험 결과, 같은 양의 free laccase에 비해, laccase 나노 꽃이 그 높은 활성에 의해, 2~4배 가량 빨리 페놀류 화학물질을 검출할 수 있음을 보고하였다. 또한 효소결합 면역흡수 진단법 (Enzyme-linked immunosorbent assay; ELISA)과 산화효소와 연계된 바이오센서에서 범용적으로 사용되는 horseradish peroxidase와 구리 염에 기반한 혼성 나노 꽃을 개발 및 이용하여 과산화수소 및 페놀을 민감하게 발색 진단하는 기술이 보고되었다 [13]. 나노 꽃에 포집된 horseradish peroxidase는 free 효소에 비해 약 500% 증가된 활성을 얻었으며, 이에 기반한 민감한 발색 진단이 가능하였으며, 또한 높은 안정성, 재사용성과 더불어 진단 결과의 높은 재현성 및 신뢰성도 보고되었다. GOx와 horseradish peroxidase를 구리염과 같이 반응시키는 전략을 통해 다중 효소-구리 혼성 나노 꽃을 합성하고 이를 포도당 진단에 활용하는 연구도 보고되었다 [14]. 두 종류의 효소 농도를 다양하게 변화시켜 그 포도당 진단 활성을 비교함으로써, 가장 높은 연계반응 활성을 갖는 다중 효소-구리 혼성 나노 꽃을 스크리닝하였으며, 이렇게 최적화된 나노 꽃은 샘플 안의 포도당 발색진단에 성공적으로 응용됨이 보고되었다. 샘플 안에 포도당이 존재할 때, 다중 효소 나노 꽃 내부에 포집된 GOx가 포도당을 산화시켜 과산화수소의 발생을 유도하며, 이렇게 생성된 과산화수소의 농도에 따라 나노 꽃 내부의 다른 효소인 horseradish peroxidase가 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine (TMB) 기질을 산화시켜 푸른 색의 산물을 생성하는 전략을 통해 포도당의 농도를 발색 시그널을 통해 정량 분석할 수 있다. 특히 다중 효소 나노 꽃의 경우, 나노 꽃 내부에 위치한 두 종류의 효소가 매우 가깝게 위치되어 있기 때문에, 두 종류 효소의 연계반응 활성이, 일반적인 수용액 버퍼상에서 연계반응을 유도할 때에 비해 크게 증가하여, 효과적인 연계반응 유도가 가능함을 보고하였다.

유-무기 혼성 나노 꽃에 효소 이외의 유기물질을 도입하여 바이오센서의 목적 물질의 범위를 넓힌 연구가 최근 보고되었다. GOx와 더불어 대장균 세포막을 구성하는 당지질류의 O-antigen과 높은 친화도로 결합할 수 있는 concanavalin A를 동시에 칼슘 염과 같이 반응시켜 혼성 나노 꽃을 합성한 후, 이를 이용해 심각한 식중독 원인균인 대장균 O157:H7을 검출하는 연구가 보고되었다 [15]. Well-plate상에서 샌드위치 방식의 면역반응을 통해 샘플 안의 대장균이 Well 표면에 위치하면, 혼성 나노 꽃을 반응시켜 나노 꽃 내부의 concanavalin A를 통해 대장균과 특이적인 결합을 유도하여 나노 꽃이 대장균 위에 위치하게 된다. 검출 시그널링을 위한 반응 용액으로 포도당을 포함한 수용액을 가하게 되면, 나노 꽃 내부의 GOx의 활성으로 인해 포도당이 산화되어 gluconic acid가 생성되며, 이 변화를 pH meter 혹은 pH strip으로 간편히 측정하는 방법이 제시되었다. 이 방법은 유해 식중독 균을 매우 간단하고 민감하게 측정할 수 있으며, 특히 pH측정만으로 유해균의 감지 및 정량 분석이 가능하기 때문에, 현장에서의 유해 박테리아의 측정 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


4. Other Applications of Hybrid Nanoflowers

유-무기 혼성 나노 꽃은 포집된 효소의 활성, 안정성 및 재사용성 등을 크게 향상시킬 수 있기 때문에, 보다 다양한 생물공학 분야에 응용될 수 있다. 최근 trypsin 효소와 구리 이온의 동시 배양을 통해 합성된 혼성 나노 꽃을 단백질 분해에 응용하여, 효과적인 단백질체 및 질량 분석의 수단으로 활용하는 기술이 보고되었다 [16]. 단백질의 질량분석을 위해서는, trypsin 등의 효소를 통한 단백질 분해가 필요한데, 이 작업은 trypsin의 낮은 효소활성 및 안정성과 자가분해 (autolysis) 반응 때문에, 일반적으로 하루 정도의 시간이 걸리는 단점이 있다. 연구진은 이 문제를 극복할 수 있는 유력한 방법으로서 trypsin-구리 혼성 나노 꽃을 개발하여, 단백질 분해 반응을 진행하여, 기존 수용액 버퍼상의 trypsin 효소를 통해 12시간이 걸렸던 단백질 분해 반응을 단 1분으로 단축시키는 결과를 얻었다. BSA 및 horseradish를 모델 단백질로 free trypsin과 trypsin 나노 꽃을 통해 얻어진 단백질 분절의 질량을 비교한 결과, 90% 이상 일치하는 결과를 얻었으며, 또한 20일 이상의 안정성과 6회 이상 재사용이 가능하다는 결과를 얻어, trypsin-구리 나노 꽃이 단백질 질량 분석을 위한 수단으로 응용이 가능함을 보고하였다.

유-무기 복합 나노 꽃은 최근 포도당 연료전지의 개발에도 성공적으로 활용되었다. 생물 자원으로부터 에너지를 얻는 바이오 연료전지는, 기존 금속촉매에 기반한 연료전지에 비해 안전하고 환경 친화적이며, 특히 효소기반 바이오 연료전지의 경우 기질에 대한 높은 선택성을 가지며 소형화 및 박막화가 가능하다는 장점 때문에 주목을 받고 있다 [17]. 그러나 효소의 본질적인 불안정성 및 전기 전도성이 낮다는 단점 때문에, 생성되는 전력 및 연료전지의 수명이 금속 촉매를 이용한 기존 연료전지에 비해 크게 낮다는 제한점이 있다. 연구진은 위 문제를 해결하기 위한 대안으로서, 포도당을 기질로 활용하는 바이오 연료전지에 사용되는 세 종류의 효소 (GOx, laccase, catalase) 각각을 구리 이온과 배양하여, 세 종류의 유-무기 혼성 나노 꽃을 만든 후 이를 전기 전도성이 높은 탄소 나노튜브와 섞어 연료전지의 양극 및 음극을 구성하는 전략을 제시하였다 (Fig. 3) [18]. 양극은 포도당 산화를 유도하는 GOx 나노 꽃과, 포도당 산화 결과 생성된 부산물인 과산화수소의 제거를 유도하는 catalase 나노 꽃을, 탄소 나노튜브와 같이 섞어 구성되며, 음극은 산화 결과 이동된 전자를 이용한 환원 반응을 유도하는 laccase 나노 꽃과 탄소 나노튜브를 이용하여 구성되었다. 포도당을 이용한 전력 생성 결과, 그 출력 밀도가 대략 200 μW cm-2로 기존의 free 효소와 탄소 나노튜브를 이용해 제작한 바이오 연료 전지와 비교해, 대략 80% 정도의 출력 밀도를 보이는 결과를 얻었다. 효소-무기 나노 꽃을 이용한 포도당 연료전지가 기존 free 효소에 기반한 연료전지에 비해 약간 줄어든 출력 밀도를 얻었지만, 그 안정성은 크게 증가하여, 기존 free 효소 기반 포도당 연료전지에서 1~2주에 불과한 연료전지 수명이 2개월까지 90% 이상의 전력 출력을 유지하는 획기적인 연료전지 수명 증가의 결과를 얻었다. 향후 나노 꽃 내부에 포집된 효소 활성의 추가적인 향상을 얻는 기술이 보강된다면, 나노 꽃 기술이 바이오 연료전지의 한계점을 극복할 수 있는 발판이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 3.

Schematic presentation of enzyme nanoflowers-based biofuel cell. At the anode, glucose is oxidized to glucono-lactone, where the electrons are transferred from glucose oxidase (GOx) nanoflowers to carbon nanotube (CNT). Catalase nanoflowers catalyzed the decomposition of hydrogen peroxide into oxygen and water. At the cathode, electrons are transferred from CNT to laccase nanoflowers where dioxygen is reduced to water [18].


5. Conclusions and Future Prospects

단백질과 DNA 등 유기 물질과 구리 등의 무기 물질이 혼성된 나노 꽃은, 효소 등 유기 물질의 고농도 포집과 함께 활성, 안정성 및 재사용성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점으로 인해 최근 각광을 받고 있다. 기존 효소 고정화 방법에 비해 혼성 나노 꽃 기술은 상온에서의 단순 배양 혹은 수 분 동안의 초음파 처리를 통해 매우 쉽게 합성될 수 있으며, 지속적으로 높은 활성을 유지할 수 있다. 이와 같은 이유로, 혼성 나노 꽃은 다양한 생체물질 진단용 바이오센서로 응용되고 있으며, 단백질체 분석을 위한 단백질 분해나 포도당 연료전지 개발로도 성공적인 응용이 보고되었다. 향후 나노 꽃 내부에 포집된 효소의 반응 메커니즘의 규명과 함께 그 활성의 추가적인 향상을 위한 기술이 개발된다면, 효소반응을 매개로한 다양한 생물공학 산업에 적용되어 새로운 패러다임을 일으킬 것으로 기대한다.

유-무기 혼성 나노 꽃의 실제적인 생물공학 분야의 적용을 위해서는 다음과 같은 방향의 연구가 필요하리라 생각된다. 먼저 효소-무기 나노 꽃을 이용한 유기용매상 반응기술의 개발이 각광을 받을 것으로 예상된다. 효소는 일부 시작 기질의 제한된 수용액상의 용해도 때문에, 유기용매상 반응에서도 활발히 응용되고 있지만, 아직까지는 효소-무기 나노 꽃은 유기용매에서의 반응에 응용되지 못하고 있다. 따라서, 다양한 정밀화학 및 의약 물질 등의 합성에 필수적인 효소기반 유기용매상 반응에 효소-무기 나노 꽃이 응용된다면, 효소 산업분야에 크게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존 효소 뿐만 아니라, DNA를 비롯한 다른 유기 물질을 도입함으로써, 유전자 치료 등 다른 분야로의 응용이 가능할 것으로 예상된다. 이와 같은 후속 연구가 활발히 진행된다면, 유-무기 혼성 나노 꽃 기술이 생체분자의 활성을 이용하는 생물공학의 많은 분야에 응용되리라 기대된다.

Acknowledgments

이 성과는 2017년도 정부 (과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2017R1C1B2009460).

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Fig. 1.

Fig. 1.
Sonication-mediated synthesis of protein-inorganic hybrid nanoflowers [8].

Fig. 2.

Fig. 2.
(A) Schematic illustration of the formation of nuclease-resistant DNA-inorganic nanoflowers. (B) SEM images showing time-dependent growth of DNA-nanoflowers [12].

Fig. 3.

Fig. 3.
Schematic presentation of enzyme nanoflowers-based biofuel cell. At the anode, glucose is oxidized to glucono-lactone, where the electrons are transferred from glucose oxidase (GOx) nanoflowers to carbon nanotube (CNT). Catalase nanoflowers catalyzed the decomposition of hydrogen peroxide into oxygen and water. At the cathode, electrons are transferred from CNT to laccase nanoflowers where dioxygen is reduced to water [18].