The self-assembly of bioorganic molecules, which are ubiquitous in nature, is an attractive route for fabricating functional supramolecular architectures and facilitates the organization of highly ordered nanostructures from molecular building blocks through the combination of noncovalent interactions including hydrogen bonds, electrostatic interactions, π-π stacking, hydrophobic, and dipole-dipole interactions. In particular, the self-assembly of an aromatic dipeptide consisting of two covalently linked phenylalanine units (i.e., diphenylalanine, FF), which is a key structural motif in the Alzheimer’s β-amyloid polypeptides, serves as not only a hallmark of many protein mispolding disease such as Alzheimer’s, but also an excellent model for synthesis of functional nanomaterials because of the unique properties of peptides, such as functional flexibility and molecular recognition capability. In this thesis, the self-assembly of Alzheimer’s β-amyldoi peptide and synthesis of functional nanobiomaterials through self-assebmly of diphenylalanine peptides is studied from the viewpoint of materials science.
Chapter 1 deals with the development of efficient analytical system for the dissociation and clearance of Alzheimer’s Aβ aggregates in vitro. When we applied the microfluidic platform to the clearance of metal ion-induced Aβ aggregates by different types of metal chelators, we found that DFO possessed a high capacity for the clearance of Fe3+-induced Aβ aggregates. We further investigated morphological and conformational changes of destabilized Aβ removed from preformed Aβ aggregates and Aβ deposits remaining within the microchannels both before and after the microfluidic clearance treatment. The ratio ofβ -sheet to α-helix of Aβ deposits within microchannels significantly decreased after the clearance treatment. These results suggest that the microfluidics-based clearance assay system has a potential to become a platform for efficient analysis of multiple environmental factors that affect the clearance of amyloid aggregates.
Chapter 2 describes synthesis of semiconducting, single-crystalline, peptide-based nanowires (NWs) through a simple vapor-transport process with clear characterization of their molecular arrangement. Single-crystalline NWs were synthesized using linear FF peptide as starting material through a simple vapor-transport process. FF powder was vaporized at 250 °C in an argon atmosphere and transported to the downstream of a horizontal tube. The NWs are well-faceted with smooth surfaces, are orthorhombic crystals, and exhibit strong luminescence at 465 nm. Furthermore, electric transport measurements reveal that the cyclo-FF NW possesses semiconducting properties. These results should open new possibilities for employing the self-assembly of biological molecules in the fabrication of nanoelectronic and optical devices
In Chapter 3, bio-inspired fabrication of a superhydrophobic surface through peptide self-assembly is presented. The superhydrophobic surface was developed by growing peptide nanowire film in the presence of pentafluoroaniline vapor at high temperatures. We succeeded in developing a self-cleaning superhydrophobic surface with a static water contact angle of 154.09º and a water-sliding angle lower than 5º by using a solvent evaporation-induced capillary force that induced the formation of hierarchical nano/micro-structures through a reorganization of peptide nanowires. We found that superhydrophobic characteristics of the peptide nanowire film originated from an increased nano-scale roughness of the film and the decreased surface free energy through the incorporation of pentafluoroaniline molecules into the peptide nanowires. We could fabricate a self-cleaning superhydrophobic surface by re-organizing vertically aligned peptide nanowires into hierarchical nano/microstructures driven by a solvent evaporation-induced capillary force. Our approach provides an alternative way of nanofabrication for superhydrophobic materials, which should broaden the spectrum of applications for peptide self-assembly.
Chapter 4 deals with the synthesis of peptide/noble metal hybrid nanowires using self-assembled peptide nanowires as a template, and bio-inspired polydopamine adhesive as a glue between organic and inorganic materials and an environmentally friendly reducing agent. The peptide nanowire film was grown by the solid-phase self-assembly of diphenylalanine and readily hybridized with noble metal nanoparticles by coating it with polydopamine. A simple immersion of polydopamine-coated peptide nanowires in a metal precursor solution led to the uniform growth of Ag, Pd, and Pt nanoparticles with a good crystalline order along the peptide nanowires. We found that polydopamine coating not only enhanced the adhesion stability of the peptide nanowire film to the underlying substrate, but also acted as an environmentally friendly reducing agent. The strategy presented here will provide a new horizon for peptide-based nanofabrication by allowing a ready integration of functional noble metal nanoparticles onto peptide nanostructures in an environmentally friendly manner.
Lastly, Chapter 5 deals with microfluidic reactor system incorporated with vertically-aligned peptide/Pd hybrid nanowires (NW) having excellent stability applicable to soft polymeric substrates under mild conditions. The FF peptide/Pd NWs within polymer microchannel highly improved the catalytic performance of the microreactor due to the increased surface-to-volume ratio and catalyst loading. An aligned array of FF peptide NWs (of 300 nm in diameter and 10 μm long) would give a surface area ~102 times larger than that of a flat surface, highly increasing the amount of immobilized Pd nanoparticles in the microchannel. The strategy presented here provides a new and facile route for fabricating the nanostructure-embedded microchemical system that may offer new applications in the areas of heterogeneous catalytic reactions as well as biological sensing.
자연계에 많이 존재하는 유기생체 분자들의 자기조립은 기능성 초분자의 구조를 제조하기 위한 매력적인 방법이며, 수소결합, 정전기적 상호작용, 파이-파이 스태킹, 소수성, 다이폴-다이폴 상호작용을 포함하는 비공유 상호작용의 조합을 통하여 분자 빌딩 블락으로부터 잘 정렬된 나노구조로 구성되는 것을 용이하게 한다. 특히 펩타이드 자기조립을 통해 형성된 나노소재는 치매 등 각종 퇴행성 신경질환 등과의 연관성이 있을 뿐 아니라 새로운 기능성 나노소재로서 많은 관심을 받고 있다. 펩타이드 자기조립에 기반을 둔 나노구조 제조는 펩타이드 본연의 유연성, 분자 인식 능력과 같은 펩타이드 특유의 특성 때문에 다양한 나노소재 합성에 용이하다. 특히 공유결합으로 연결된 두 개의 페닐알라닌 유닛인 다이페닐알라닌 (diphenylalanine)은 알쯔하이머 병에서 관찰되는 베타 아밀로이드 폴리펩타이드의 주요한 구조적 모티프이며 이러한 아로마틱 다이펩타이드의 자기조립은 유기용매 또는 수분 환경하에서 다양한 구조를 형성 할 수 있기 때문에 훌륭한 모델로서의 역할을 할 수 있다. 본 논문에서는 알츠하이머 병과 연관된 자기조립된 아밀로이드 플라크에 관하여 금속이온과의 상호작용과 효율적인 침착물 제거 분석을 위한 미세유체 시스템에 관한 연구와 다이페닐알라닌 (diphenylalanine) 펩타이드의 자기조립을 통한 기능성 나노소재의 합성 및 응용에 관한 연구를 하였다.
제 1 장에서는 자기조립된 아밀로이드 펩타이드 나노선의 제거를 위한 효율적인 분석 시스템 개발에 관한 연구를 다루었다. 알츠하이머 병은 뇌속의 신경세포들 제기능을 못하게 되거나 기억력 감퇴와 연관있는 퇴행성 신경질환이다. 아밀로이드 펩타이드 단량체는 자기조립을 통해 아밀로이드 플라크 (plaque)를 형성한다. 이것은 알츠하이머병 환자들에게서 나타나는 중요한 특성이다. 아밀로이드 펩타이드는 금속 이온과 함께 존재하면 자기조립되는 특성이 금속 종류에 따라 다르다. 실제로 알츠하이머병 질병을 가진 환자들의 뇌를 분석하면 아밀로이드 플라크 주변에 금속이온의 농도가 상대적으로 매우 높다고 밝혀졌다. Chapter 1에서는 미세유체 소자내에 아밀로이드 펩타이드를 금속이온과 함께 자기조립시킨 후 여러 종류의 금속 킬레이터 (chelator)를 이용하녀 자기조립된 아밀로이드 펩타이드를 제거하였다. FT-IR, 원자힘 현미경, 형광분석을 통하여 미세유체 소자내의 아밀로이드 펩타이드를 분석하였으며, Fe3+이온과 함께 자기조립된 아밀로이드 펩타이드의 경우 DFP가 가장 뛰어난 제거 능력을 가지는 것으로 확인되었다. 미세채널내의 아밀로이드 펩타이드 침착물의 a-helix에 대한 b-sheet의 비율이 DFO 처리 후 현저히 줄어들었다. 미세유체 소자를 기반으로한 아밀로이드 제거 시스템은 아밀로이드 침착물의 제거에 영향을 주는 다양한 환경적 요소들의 효율적인 분석을 위한 플랫폼으로 적용 될 수 있다.
제 2장에서는 간단한 기체-전달 공정을 통해 자기조립된 단결정 반도체 펩타이드 나노선의 합성과 결정 분석 및 특성평가를 다루었다. 펩타이드 나노선은 알쯔하이머 병에서 관찰되는 베타 아밀로이드 폴리펩타이드의 중요한 구조적 모티프인 다이페닐알라닌을 사용하여 합성되었다. 우리는 펩타이드 나노선의 반도체 특성이 orthorhombic 결정구조 속cyclo-FF의 아로마틱 사이드 체인사이의 아로마틱 상호작용으로 발생한다고 확인하였다. 반면에 전기 전도성이 없는 다이페닐알라닌 나노구조는 일직선의 다이페닐알라닌으로 이루어진 헥사고날 정렬을 가진다. 게다가 본 연구에서의 단결정 펩타이드 나노선은 고유의 광학특성을 가진다. 펩타이드 파우더와 나노튜브에서는 가시광선 영역에서 매우 낮은 emission이 관찰된 반면 펩타이드 나노선은 465 nm의 파장에서 강력한 파란색의 발광특성을 나타내었다. 펩타이드 나노선의 라만성질을 편광의존적 단일 나노선 라만 마이크로스코피를 이용하여 분석하였다. 또한 하나의 펩타이드 나노선의 라만 밴드가 FF 나노 튜브의 라만 밴드의 것과 일치하였고, 나노선 길이 방향에 대하여 레이저 편광의 방향이 평행할 때만 뚜렷하게 관찰 되었다. 순수한 생체 분자 (i.e., 펩타이드)로 이뤄진 나노선의 새로운 반도체, 발광 특성은 분자 디자인, 다양성, 그리고 유연성을 통하여 전자, 광학 특성을 조절하여 나노전자, 광학 소자에서의 적용을 할 수 있는 중요한 장점을 제공할 수 있을 것이다.
제 3 장에서는 펩타이드의 자기로집을 통한 초소수성 표면의 개발 및 특성평가에 관한 연구를 다루었다. 초소수성 표면은 고온에서 표면에너지가 낮은 펜타플로로아닐린 (pentafluoroaniline) 기체 하에서 펩타이드 나노선을 성장시켜 제조하였다. 자정 능력을 갖는 펩타이드 나노선 초소수성 표면은 평균 154.9의 고정된 접촉각을 가진다. 펩타이드 나노선의 합성 과정에서 용매 증발을 통한 모세관힘 (capillary force)을 이용하여 계측 (hierarchical)의 나노/마이크로 구조를 형성하면 물방울이 5 보다 낮은 접촉각에서도 자발적으로 흘러갈 수 있다. 펩타이드 필름의 나노-스캐일 표면거칠기의 증가와 펩타이드 나노선 내부로 pentafluoroaninline의 침투를 통한 표면에너지의 감소에 의해 펩타이드 나노선의 초소수성 특성이 나타난다. 또한 용매의 증발에 의해 생긴 모세관힘은 수직정렬된 펩타이드 나노선의 나노/마이크로 구조로 재배열 시켜 뛰어난 자정능력을 갖는 초소수성 펩타이드 필름을 제조할 수 있다.
제 4 장은 펩타이드 나노선의 자기조립을 이용한 펩타이드/금속 하이브리드 나노선의 합성 및 특성 평가에 관한 연구를 다루었다. 펩타이드/금속 하이브리드 나노선의 합성을 위해 펩타이드 나노선이 템플릿으로 사용되고 폴리도파민 (polydopamine)이 유기재료와 무기재료의 접합 물질 및 친환경 환원제로 사용되었다. 다이페닐알라닌의 비정질 필름으로부터 고온에서 자기조립을 통해 펩타이드 나노선이 형성되고, 형성된 펩타이드 나노선은 폴리도파민으로 코팅되었다. 폴리도파민으로 코팅된 펩타이드 나노선을 은, 팔라듐, 백금 금속 전구체 용액에 간단히 담구는 것만으로 균일한 은, 팔라듐, 백금 나노입자가 펩타이드 나노선을 따라 결정화되어 성장하였다. 폴리도파민 코팅은 펩타이드 나노선과 바닥 기판과의 접착능력을 높여줄 뿐 아니라 환견 친화적인 금속 환원제 역할을 하였다. 수직 정렬된 3차원의 펩타이드/은 하이브리드 나노선을 MALDI-TOF 분석 시 효율적인 기판으로 사용할 수 있었다. 펩타이드/백금 하이브리드 나노선은 백금 나노입자의 전기화학적 특성과 일치하였으며 하이브리드 나노선에서 펩타이드 나노선만을 선택적으로 제거하여 금속 나노 튜브를 제조할 수 있었다.
제 5 장은 수직 정렬된 펩타이드/팔라듐 하이브리드 나노선 기반의 미세유체 반응 시스템의 개발에 관한 연구를 다루었다. 기존의 3차원 구조를 갖는 미세유체 반응 시스템을 제조하기 위해서는 고온, 고압하에서 금속 기판을 이용하였지만 펩타이드 나노선 기반의 미세유체 반응 시스템은 상대적으로 온화한 조건에서 유연한 폴리머 기판을 이용한 제조가 가능하였다. 미세채널 내의 펩타이드/팔라듐 나노선들은 반응 표면적을 증가시키고 고정화된 촉매의 양이 많기 때문에 마이크로리엑터 (microreactor)의 촉매 반응 성능을 월등히 향상시켰다. 평균 300 nm의 직경과 10um의 높이를 갖는 정렬된 펩타이드/팔라듐 나노선은 2차원의 평면 표면 보다 100배 이상의 표면적 증가를 가지며 미세채널 내에 많은 양의 촉매를 고정화 할 수 있다.
결론적으로 펩타이드 자기조립을 통해 형성된 나노물질에 관한 연구를 통해 알츠하이머 병과 관련된 아밀로이드 펩타이드 침착물의 제거와 효율적인 분석과 단결정 펩타이드 나노선의 합성 및 응용에 관한 연구를 하였다. 생체물질인 펩타이드라는 재료의 자기조립은 의학분야인 퇴행성 신경질환에과의 관련뿐 아니라 기능성 나노소재의 합성 및 다양한 분양에 적용 가능할 것으로 기대된다.
