The self-assembly of molecular building blocks into ordered nanostructures is not only a key to various biological phenomena but also an attractive route for fabricating novel nanomaterials. Recently, a peptide-based self-assembly has drawn much attention due to its unparalleled properties, such as diverse functionality and molecular recognition abilities, as well as environmentally-friendly characteristics not requiring harsh processing conditions. Among the various peptide-based building blocks reported to date, aromatic short peptide derivatives are simplest one and can be self-assembled various nanostructures. Moreover, they exhibit novel optical, mechanical, and electrochemical properties. Therefore, many researchers investigated the applications using the peptide derivatives-based nanostructures for electronics, sensors, catalysis, drug delivery, tissue engineering, and medical imaging. In this thesis study, a self-assembled nanomaterials consisting of aromatic short peptide derivatives has been employed as a sensing platform through in-situ immobilization of functional molecules. We used the FF molecules as building blocks for self-assembly and fabricated the three dimensional nanofibrous matrix (i. e. hydrogel) with micropores and nanotubes. The peptide-based nanomaterials (hydrogel or nanotubes) were functionalized by quantum dots/enzymes or lanthanide complexes. In this work, we investigated (1) characterization of Fmoc-FF hydrogels incorporated with quantum dots and enzymes, (2) biosensing applications using self-assembled, photoluminescent peptide hydrogels, (3) characterization of photoluminescent peptide nanotubes, and (4) sensing applications using the FF nanotubes incorporated with lanthanide complexes. The self-assembled, photoluminescent peptide nanomaterials were found to be efficient development for the optical event-based sensory format.
분자를 구성요소 (building block)로 사용하여 자발적으로 정렬된 구조를 형성하는 자기조립 현상은 다양한 생물학적 현상의 비결일 뿐만 아니라 특별한 나노소재 (nanomaterials)를 제작하는데 새로운 방법으로 대두되고 있다. 최근에는 펩타이드를 이용한 자기조립 현상이 다양한 기능성, 분자 인지 능력, 환경친화적인 특성과 같이 특별한 성질에 기인해서 많은 주목을 받고 있다. 지금까지 알려진 다양한 펩타이드 기반 구성요소 중에서 다이펩타이드 (dipeptide) 유도체는 가장 간단하고 다양한 나노구조를 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 그래서, 많은 연구진들은 이 다이펩타이드를 통해 만들어지는 나노구조를 이용하여 전자 장치, 센서, 촉매, 약물 전달, 조직 재생 등에 응용을 시도하고 있다. 본 연구에서는, 다이펩타이드의 자기조립 현상을 이용한 나노소재를 기능성 분자들과 결합을 통해 센서 플랫폼 (platform)으로 개발하였다. 먼저, 다이페닐알라닌 (diphenylalanine)을 분자 구성요소로 사용하여 자기조립 현상을 통해 하이드로젤 (hydrogel)과 나노튜브 (nanotube)를 합성하였다. 그리고 각각 양자점 (quantum dots)/효소 또는 란타나이드/광감응제(photosensitizer)를 기능성 분자로 사용하여 하이드로젤과 나노튜브에 광학적 성질을 기능화시켰다. 이런 광학적 펩타이드 나노소재를 통해 하이드로젤의 경우 당뇨나 환경오염물질과 관련이 있는 글루코즈 (glucose) 또는 페놀릭 계열 합성물질(phnolic compounds)를 검출할 수 있는 바이오센서의 플랫폼으로 사용이 가능함을 확인하였다. 특히, 마이크로 크기의 기포를 가지는 하이드로젤의 구조에 기인해서 기존의 바이오센서 플랫폼으로 사용한 젤 (gel) 계열 물질을 이용한 바이오센서 플랫폼보다 타겟물질의 확산에 있어서 용이한 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한 란타나이드/광감응제로 광학적 성질을 띄는 나노튜브의 경우, 생화학무기나 농약 등으로 사용되고 있는 유기인계 물질을 검출할 수 있는 특징을 가지고 있는 것을 확인하였다. 특히, 펩타이드의 경우 유기인계 물질을 검출하는 데 있어서 민감도와 선택도를 란타나이드/광감응제만을 이용한 검출에서보다 높이고 있는 것을 확인하였다. 이는 펩타이드가 란타이나이드/광감응제의 안테나 (antenna) 역할을 하여 센서의 신호로 사용하는 광학적 특성을 높여주고, 고정화 할 수 있는 매트릭스 (host matrix)의 기능을 하기 때문이다.
