카테콜 (catechol) 은 자연에서 발견되는 접착성 물질중 하나인데 홍합, 담쟁이덩굴 등 평생을 어딘가에 붙어서 사는 생명체의 접착물질에서 공통되게 발견되는 물질이다. 최근 전세계 다양한 그룹들이 카테콜의 접착 기작과 그를 활용한 다양한 응용에 대해 연구해 오고 있다. 일반적으로 화학적으로 합성된 접착제들은 생체에서 사용하기에는 독성이 크지만, 카테콜은 자연 모사 접착제 이기 때문에, 적은 독성 (cytotoxicity) 를 가지고 있고 이로 인해 의료, 의약 분야 등으로 초점을 맞춰 다양한 응용연구가 진행되고 있다.
카테콜은 그 구조의 특성상 다양한 화학 반응이 가능하여 여러종류의 표면에 접착가능하다. 산화금속 구조와의 수소결합, 금속과의 배위결합, 친핵성 (nucleophilic) 작용기 (-NH2, -SH, 등) 와의 공유결합등을 이루며 물리적 결합이 아닌 화학적 접창성능을 보여준다. 따라서 연구자들이 원하는 물질들끼리의 결합이나 콤플렉스 (complex) 를 이루고 싶을 때 광범위하게 사용할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 이 연구에서는 이런 성질을 가지고 다양한 생체고분자들을 표면, 단백질 등에 결합시켜 보았고 나아가 고분자들끼리의 겔형태 (gelation) 에 관한 연구도 진행해 보았다.
챕터 1 에서는, 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol) 고분자와 히알루론산 (Hylauronic acid) 을 카테콜로 개질하여 이를 단백질 특정 부분에 결합하는 연구에 관해 진행 하였다. 단백질 위치 특이적 결합은 생화학, 의료화학 분야에서 중요한 주제이다. 단백질 표면에 무작위적은 반응을 통한 개질은 단백질 고유 기능에 영향을 끼칠 수 있기 때문에 위치특이적인 결합을 통해 기능의 영향을 끼치지 않고 일관된 작용을 기대할 수 있게 된다. 이 연구에서, 카테콜을 사용하여 단백질 N-말단 아민에 위치 특이적 결합에 대한 연구를 진행 하였다. 폴리에틸렌글리콜-카테콜 접합체 와 히알루로란산-카테콜 접합체가 중성의 pH 조건 하에서 선택적 반응을 함을 확인하였고, 다양한 단백질 (lysozyme, basic-fibroblast growth factor, granulocyte-colony stimulating factor, erythropoietin) 에 결합을 시켰고 짧은 아미노산 배열 (Hinge-3, lam-inin-derived peptide) 에서도 위치 특이적 (N-말단) 반응을 함을 확인하였다. 카테콜의 이 위치특이적 반응은 단백질 개질의 새로운 방법으로, 앞으로 의약, 의료 분야에서 광범위하게 쓰일 수 있는 기술이 될 것이다.
챕터 2 에서는 단백질 구조에서 변형된 펩토이드 (peptoid) 고분자를 카테콜 아미노산 인 도파 (DOPA) 를 합성하여 단분자 수준의 방오효과 (Anti-fouling) 에 대해 연구하였다. 방오효과에 대한 연구는 의약, 산업 등 다양한 분야에서 연구하고 있는데 주로 폴리에틸렌글리콜 (polyethylene glycol) 을 중심으로 이뤄지고 있다. 이런 방오 효과는 주로 1 ng/cm2 의 정도의 범위에서 그 효과를 관찰하고 있다. (surface plasmon resonance spectroscopy, quartz crystal microbalance, optical waveguide lightmode spectroscopy) 이 논문에서는 단분자 이미지 테크닉 (single-molecule imaging technique) 을 통해 방오효과를 테스트 하였는데 펩토이드-카테콜 시스템을 사용하여 ~5 pg/cm2 의 수준의 방오효과를 관찰 할 수 있었다. 이 방오효과의 새로운 시스템은 산화티타늄 (TiO2) 1 nm 박막 위에 펩토이드-카테콜 코팅으로 만들어 지고 단분자 이미지를 사용한 연구 분야에서 많이 사용될 것으로 보인다.
챕터 3 에서는 카테콜 개질 된 키토산 (chitosan) 의 젤화 (gelation) 에 관한 연구이다. 일반적으로 카테콜을 사용한 젤 에서는 카테콜의 산화 과정을 통해 카테콜끼리의 결합 (cross-linking) 을 유도한다. NaIO4, 철이온 (Fe 3+) 등이 그 예이다. 이 논문에서는 새로운 카테콜 결합 젤 메커니즘 (mechanism) 을 소개하는 내용으로써, 적은 비율의 바나듐 (V) 이온을 통해 ([V] << [cat]) 홀전자 (radical) 생성을 유도하고 이를 통한 키토산-카테콜 결합체의 젤화가 진행됨을 확인하였다. 반면 높은 비율의 바나듐 비율 ([V] >> [cat]) 에서는 radical 생성이 되지 않고, 카테콜끼리의 결합도 일어나지 않음을 관찰하였다. 이는 기존 산화제 및 전이금속 (transition metal) 을 통한 카테콜 반응에 반대되는 현상으로써, 적은 양의 전이금속으로 가능하다는 점은, 체내 혹은 세포의 독성 (cytotoxicity) 가 적어지게 되는 결과를 볼 수 있었다. 이 결과는 다양한 의료 및 생화학 분야에 응용 될 수 있을 것이다.
챕터 4 에서는 카테콜 개질된 폴리에틸렌이민 (PEI) 를 사용하여 바이러스 벡터 (virus vector) 를 단순 피펫 드로잉 (pipet drawing) 을 통해 표면에 고정시키는 연구를 진행 하였다. 서로 다른 유전 정보를 가진 세포들간의 상호작용을 관찰 하는 연구는 일반적인 유전자 전달을 통해서는 구현하기 어려운 상황이었다. 그래서 많은 연구자들이 복잡한 표면처리를 통한 유전자 고정화, 혹은 마이크로 플루이딕스 (mi-cro fludics) 채널을 통한 표면 개질을 통해 그 형태를 구현하여 실험해 왔는데, 본 연구를 통해 카테콜 개질된 폴리에틸렌이민을 통해 유전정보를 가진 바이러스 벡터를 표면에 손쉽게 고정화 함으로 인해 원하는 위치에 원하는 정보를 가진 세포를 개질 시킬 수 있게 되었다. 이는 다양한 정보를 가진 세포들 간의 상호작용에 관한 연구를 더 쉽게 진행 할 수 있는 새로운 기술이 될 것이다.
