Self-assembly is a process in which nanoscopic or macroscopic building blocks spontaneously form finely structured materials via weak interactions such as van der Waals interactions, hydrophobic interactions, and hydrogen bonds. With the advent and progress of nanotechnology, studies on the mechanism of self-assembly and self-assembled materials have gotten much attention because of both scientific interests and practical application. Although our attention on the self-assembly process has been gotten quite recently, self-assembly processes are utilized in many biological systems. The formation of amyloid fibrils is one of well-known examples of biological self-assembly. Amyloid fibrillation has a relevance to the etiology of various neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease, Huntington’s disease, and Parkinson’s disease. Recently, its potential to act as a template for fabricating various nanostructures, especially various nanowires, has also attracted much interest of scientists and engineers. To date, however, the mechanism for the formation of amyloid fibrils is still unclear. This is partly due to the lack of effective analytical methods and the presence of many environmental factors affecting self-assembly process in amyloid formation. In this thesis, the formation of amyloid on solid surface was studied using atomic force microscopy (AFM) and surface plasmon resonance (SPR). The effect of metal ions such as Fe3+, Cu2+, and Zn2+ on the self-assembly of beta-amyloid (A-beta) peptides on a solid template was studied using ex-situ AFM. According to our results, the balance of metal ions such as Cu2+, Zn2+, and Fe3+ played an important role in the formation of A-beta amyloid fibrils. While Fe3+ accelerated the formation of “fibrillar” amyloids on the solid surface, Cu2+ or Zn2+ resulted in the formation of amorphous aggregates. Furthermore, we developed a SPR-based analytical system which can be effectively used for studying the self-assembly of A-beta on solid surface under various conditions. Main advantage of our system is that it enables us to quantitatively analyze the formation of amyloid fibrils without labeling in a highly sensitive manner in real time from the very beginning of amyloid formation. Our system was found to be very effective to study the amyloid formation and can be further applied to develop a high-throughput screening method based on SPR imaging.
나노스케일 또는 매크로스케일의 빌딩블록(building block)들이 반데르발스 상호작용 (van der Waals interaction), 소수성 상호작용 (hydrophobic interaction), 수소결합 등의 약한 상호작용을 통해 정교한 구조를 자발적으로 형성하는 현상을 자기조립이라고 한다. 나노기술의 출현과 발전에 따라, 자기조립 매커니즘과 자기조립 물질에 대한 연구가 많은 관심을 얻고 있는데, 이는 자기조립 현상에 대한 과학적인 호기심뿐만 아니라, 자기조립이 많은 분야에 실제로 응용될 수 있다는 사실 때문이다. 자기조립현상에 대한 본격적인 연구가 최근에 시작된 반면에, 자기조립현상은 이미 많은 생물 시스템에서 활용되고 있다. 아밀로이드 섬유(Amyloid fibrils)의 생성도 생물 시스템에서 나타나는 자기조립의 예로 들 수 있다. 아밀로이드 섬유 생성은 퇴행성 뇌질환 발병과 관련이 있으며, 최근에는 다양한 나노구조를 형성하기 위한 템플레이트(template)로서의 활용가능성으로 인해 많은 과학자와 공학자들의 관심을 받고 있다. 그러나 현재까지도 아밀로이드 섬유의 정확한 생성 매커니즘은 불분명한 상황이다. 이는 효과적인 분석 방법의 부재와 아밀로이드 생성과정에 영향을 끼치는 다수의 환경 요인에 기인한다. 본 연구에서는, 원자현미경 (atomic force microscope), 표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance, SPR) 현상 등을 이용하여 고체 템플레이트 표면상에서의 아밀로이드 자기조립현상을 연구하였다. 모델 펩타이드로 자기조립을 통해 아밀로이드 섬유를 생성할 수 있는 베타-아밀로이드 (beta-amyloid) 펩타이드를 선정하여, Fe3+, Cu2+, Zn2+와 같은 전이 금속이온이 아밀로이드 생성에 끼치는 영향을 연구하였다. 본 연구의 결과에 따르면, Fe3+, Cu2+, Zn2+와 같은 전이 금속이온간의 균형이 아밀로이드 섬유의 생성에 있어서 매우 중요한 역할을 하며, Fe3+ 이온이 섬유상의 아밀로이드 생성을 촉진하는 반면에 Cu2+, Zn2+ 이온은 섬유상 구조의 아밀로이드 생성을 억제하는 것으로 나타났다. 더 나아가서, 본 연구를 통해서 베타-아밀로이드의 자기조립 현상을 다양한 환경조건하에서, 초기 자기조립과정부터 아밀로이드 섬유 생성과정까지 in-situ로 분석할 수 있는, SPR 기반의 분석 시스템을 개발하였다. 본 연구를 통해 개발한 SPR-기반의 분석 시스템은 분석대상물질을 표지(labeling)하지 않고도, 초기 자기조립과정부터 아밀로이드 섬유 생성과정까지 고감도로 실시간 분석할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 본 연구결과에 따르면, SPR기반의 분석 시스템이 아밀로이드 자기조립현상을 분석하는데 매우 효과적인 것으로 나타났으며, SPR imaging을 이용한 고효율의 분석 시스템을 개발하는데도 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
