Due to its ubiquitous nature and importance in numerous physiological phenomena, research on mass transport across the biological cell membrane has been widely investigated, stimulating the development of various model cell membrane systems based on bottom-up approaches. However, previous model cell membrane systems generally exhibit poor stability and require laborious fabrication steps and sophisticated analysis tools. Therefore, the development of a novel model cell membrane system for effective mass transport study is necessary. In this dissertation, mass transport systems based on biomimetic lipid membranes were developed, and their potential for use in various applications was demonstrated. By spontaneous self-assembly of phospholipids at the oil/water interface, a stable freestanding planar lipid bilayer with millimeter-scale size could be constructed in a simple and reproducible manner. Next, the application of the developed mass transport system to permeability assay for lipophilic drug compounds was explored. Real-time transport curves for six lipophilic drug compounds could be obtained, and by applying an integrated transport model considering both permeation through the lipid bilayer and partitioning to the oil phase, membrane permeability and membrane retention fraction for individual compounds could be calculated. In addition, by incorporating protein nanopores into the lipid membrane, chiral selective transport of amino acids through protein pores was also investigated. Transport of total 13 kinds of amino acids depending on their enantiomeric forms could be successfully measured with the highest observed permeation selectivity of 15.63 for glutamine. These results provide a comprehensive structure-selectivity relationship in amino acid transport through protein pores for the first time, where it is discovered that hydrogen bond propensity of the amino acid side chain and molecular size of the amino acid determine the extent of chiral selective transport of amino acids. Further investigations using steered molecular dynamics simulations elucidate the molecular mechanism behind the enantioselective transport of amino acids in our system. This dissertation is expected to provide an effective strategy to build a biomimetic membrane-based system optimized for various mass transport studies, as well as pave the way to find novel applications with broad interests in both academia and industry.
생체 시스템에서 쉽게 찾아볼 수 있는 세포막을 통한 물질수송은 여러 생리학적 현상들에 중요한 역할을 하기 때문에 활발하게 연구되어 왔으며 다양한 상향식 모델 세포막 시스템이 개발되어 왔다. 하지만 기존 모델 세포막 시스템은 일반적으로 낮은 안정성을 보이며 복잡한 제조과정과 값비싼 분석 장비를 필요로 한다. 따라서 효과적인 물질수송 연구를 위한 새로운 모델 세포막 시스템 개발이 필요하다. 본 학위논문에서는 생체모방형 지질막 기반 물질수송 시스템 개발 및 응용에 대해 소개한다. 물/기름 계면에서 일어나는 지질분자의 자발적인 자기조립을 이용해 밀리미터 스케일의 크기를 가지는 안정한 자립형 평면 지질막을 간단하고 재현 가능한 방식으로 만들 수 있었다. 다음으로 개발된 물질수송 시스템을 지용성 약물의 투과도 분석에 적용하였다. 총 여섯 종류의 지용성 약물에 대한 실시간 투과 곡선을 얻었고, 지질막을 통한 투과와 기름상으로의 분배현상을 고려한 종합적인 물질수송 모델을 통해 약물의 지질막 투과도와 막 잔류비율을 계산할 수 있었다. 또한 단백질 나노기공을 지질막에 삽입하여 이를 통한 아미노산의 광학선택적 수송에 대해 연구하였다. 총 13 종류의 아미노산을 적용하여 단백질 기공을 통한 수송을 성공적으로 측정하였고, 가장 높은 선택도 15.63은 글루타민에 대해 관찰되었다. 본 연구는 단백질 기공을 통한 아미노산 광학이성질체 투과에서의 구조-선택도 관계를 포괄적으로 제시한 첫 연구이며, 이 결과로부터 아미노산 곁사슬의 수소결합 참여도와 아미노산의 분자 크기가 광학선택적 투과 정도를 결정한다는 것을 발견하였다. 추가적으로 분자동역학 시뮬레이션을 통해 본 연구에서 나타난 아미노산의 광학선택적 수송의 분자수준 메커니즘을 규명하였다. 본 학위논문은 물질수송 연구에 최적화된 생체모방형 막 기반 시스템을 개발하기 위한 효과적인 전략을 제시하고 있으며, 학계와 산업 전반에 광범위한 영향을 줄 수 있는 새로운 활용분야를 제시할 것으로 기대한다.
