Catechol and catecholamines, found ubiquitously in nature, have attracted significant attention in the field of material science due to its unique properties. Catechol can strongly interact with a variety of organ-ic/inorganic substrates via hydrogen bonding, electrostatic forces, coordination, covalent bonds, and π-π stacking. Another important property of catechol groups is that it can participate in catecholquinone-mediated crosslinking between bio-macromolecules such as polysaccharide and proteins. Also catechol pos-sess the ability to form complex with metal ions and to reduce metal ions due to its significant redox activity. Though the catechol moiety was incorporated in various polymers, surfaces, particles, and biomolecules, there has not been a report of catechol or catecholamine incorporation into biotic system ？ such as viruses, bacteria, and mammalian cells. In this thesis, catechol and catecholamine functional moieties were incorpo-rated into biotic systems and abiotic systems and they were used for various biomaterial applications.
In Chapter 2, mussel-inspired adhesive catecholamine was incorporated and displayed on the cell sur-face of Escherichia coli. Mussels attach to virtually all types of inorganic and organic surfaces in aqueous environments, and catecholamines composed of 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine (DOPA), lysine, and histi-dine in mussel adhesive proteins play a key role in the robust adhesion. DOPA is an unusual catecholic amino acid, and its side chain is called catechol. In this study, we displayed the adhesive moiety of DOPA-histidine on Escherichia coli surfaces using outer membrane protein W as an anchoring motif for the first time. Locali-zation of catecholamines on the cell surface was confirmed by Western blot and immunofluorescence mi-croscopy. Furthermore, cell-to-cell cohesion (i.e., cellular aggregation) induced by the displayed catechola-mine and synthesis of gold nanoparticles on the cell surface support functional display of adhesive catechol-amines. The engineered E. coli exhibited significant adhesion onto various material surfaces, including silica and glass microparticles, gold, titanium, silicon, poly(ethyleneterephthalate), poly(urethane), and poly(dimethyl lsiloxane). The uniqueness of this approach utilizing the engineered sticky E. coli is that no chemistry for cell attachment are necessary, and the ability of spontaneous E. coli attachment allows one to immobilize the cells on challenging material surfaces such as synthetic polymers. Therefore, we envision that mussel-inspired catecholamine displayed sticky E. coli could be used as a new type of engineered microbe for various emerging fields, such as whole living cell attachment on versatile material surfaces, cell-to-cell com-munication systems, and many others.
In chapter 3, M13 bacteriophage was engineered to display DOPA on the surface for fabrication of various nanostructure inorganic materials. M13 bacteriophage (phage) was engineered for the use as a versa-tile template for preparing various nanostructured materials via genetic engineering coupled with enzymatic chemical conversions. First, we engineered the M13 phage to display TyrGluGluGlu (YEEE) on the pVIII coat protein and then enzymatically converted the Tyr residue to 3,4-dihydroxyl-l-phenylalanine (DOPA). The DOPA-displayed M13 phage could perform two functions: assembly and nucleation. The engineered phage were able to assemble various noble metals, metal oxides, and semiconducting nanoparticles into one-dimensional arrays. Furthermore, the DOPA-displayed phage triggered the nucleation and growth of gold, silver, platinum, bimetallic cobalt？platinum, and bimetallic iron？platinum nanowires. This versatile phage template enables rapid preparation of phage-based prototype devices by eliminating the screening process, thus reducing effort and time.
In chapter 4, new hydrogel system was developed using the stoichiometric dependent reaction of cate-chol/vanadium complexation. In general, mechanical properties and gelation kinetics exhibit a positive corre-lation with the amount of gelation reagents used. Similarly, for catechol-containing hydrogels, which have attracted significant attention, because of their unique dual properties of cohesion and adhesion, increased amounts of cross-linking agents, such as organic oxidants and/or transition metals $(Fe^{3+})$, result in enhanced mechanical strength and more rapid gelation kinetics. Here, we report a new metal？ligand cross-linking chem-istry, inspired by mussels and ascidians that defies the aforementioned conventional stoichiometric concept. When a small amount of vanadium is present in the catechol-functionalized polymer solution (i.e., [V] ≪ [catechol]), organic radicals are rapidly generated which trigger the gelation reaction. However, when a large amount of the ion is added to the same solution (i.e., [V] ≫ [catechol]), the catechol remains chemically intact by coordination which inhibits gelation. Thus, a large amount of cross-linking agent is not required to prepare mechanically strong, biocompatible hydrogels using this system. This new chemistry may provide insight into the biological roles of vanadium and its interaction with catechol-containing molecules (i.e., de-termination of the liquid state versus the solid state). Excess amounts of vanadium ([V] ≫ [catechol]) coor-dinate with catechol, which may result in a liquid state for ascidian blood, whereas excess amounts of cate-chol ([V] ≪ [catechol]) generate an organic radical-mediated chemical reaction, which may result in solid-state conversion of the mussel byssal threads.
In chapter 5, bio-inspired artificial biofilm was developed. Biofilms are defined as structured communi-ty of microorganisms enclosed in a self-produced polymetric matrix. The constituent microorganisms profits from the metabolic cooperation along with the protection against environmental stress. The robustness and resilience of biofilms against toxic substances or solvent have made them attractive as biocatalyst. However, the potential of biofilm has not been fully realized due to the complexity of biofilm system. In this study, we have developed artificial biofilm termed BIOMOSAIC (Bio-Inspired Oxygen induced Microbial Organization through Self-Assembly at the air/liquid Interface as Catalyst) film which spontaneously forms when exposed to atmospheric air. The spontaneous BIOMOSAIC film formation process employs unique interfacial reac-tion of catecholamine chemistry. BIOMOSAIC film have highly porous structure with highly dense cell im-mobilization without jeopardizing the cell viability and activity. BIOMOSAIC films with various enzymatic activity were employed in actual bioreactor and showed promising results with reusability.
홍합은 접착 단백질로 이루어진 족사 (Byssal thread)를 생성하여 수중환경에서 다양한 표면에 강하게 붙어서 생존하는 수중생물이다. 이러한 홍합의 뛰어난 접착능력은 홍합 접착 단백질의 구성요소 중 하나인 도파 (3,4-Dihydroxyphenylalanin, DOPA)라는 특이한 아미노산의 존재에서 기인한다. 도파는 아미노산 티로신(Tyrosine)이 타이로시나아제 (Tyrosinas)와 같은 폴리페놀 산화제를 통해 해독 후 변형 (Post-translational modification)과정을 통해 생성된다. 도파의 작용기인 카테콜 (Catechol)은 다양한 유기/무기 표면과 화학적 상호작용을 할 수 있다. 카테콜은 친수성 표면과 매우 강한 수소 결합을 형성 할 수 있으며, 금속이나 전이금속 등과도 강한 배위 결합을 할 수 있다. 그 외에 정전기력, π-π 스태킹, 공유결합 등을 통해 거의 모든 물질 표면에 결합 할 수 있다. 또한 카테콜이 카테콜퀴논으로 산화가 되면 퀴논 분자간 화학 결합을 할 수 있고, 친핵체인 아민기 또는 티올기와 공유 결합을 형성할 수 있다. 카테콜기는 산화/환원 능력도 뛰어나 금속환원도 시킬 수 있다. 카테콜을 고분자나 DNA, 단백질 등과 같은 생체분자에 도입하여 표면에 무관한 접착성을 부여하여 표면을 개질 시킬 수 있다. 이러한 카테콜의 다양한 화학적 특성 때문에 오늘날 카테콜은 많은 과학 분야에서 각광받고 있다. 하지만 기존의 연구는 카테콜기의 도입이 고분자, 생체분자 그리고 표면 등과 같은 무생물 시스템으로 국한되어 있었다. 본 연구에서는, 카테콜기의 도입을 무생물 시스템뿐만 아니라 박테리아나 바이러스 같은 생물 시스템에 도입하여 그에 따른 생체재료학적 응용에 대한 연구들을 진행하였다.
2장에서는, 접착성을 가지는 카테콜기와 아민기가 같이 있는 카테콜아민을 대장균 세포표면에 발현시켜, 균주를 다양한 표면에 고정화 시킬 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 유전자 재조합 기술을 통해 대장균 세포 표면에 있는 외막 단백질에 원하는 단백질과 카테콜아민 (도파+하스티딘)을 발현시켰다. 카테콜아민이 표면에 발현된 균주는 금, 실리카, 타이타늄과 같은 금속표면과 PET, PU, PDSM과 같은 고분자 표면에 강한 접착성을 가지는 것을 확인하였다. 카테콜아민이 표면에 발현된 균주는 다양한 모양과 재질의 표면에 고정화 되였으며 고정화된 균주는 생촉매로써 가능성을 보여주었다.
3 장에서는, 카테콜기를 M13 박테리오파지 표면에 유전자 재조합 기술을 통해 발현시켜 다양한 무기 나노 물질들을 제작하였다. 카테콜과 금속간의 상호작용을 통해 다양한 금속 나노 크기의 파티클들을 M13 박테리오파지 표면에 정렬시켰으며, 카테콜의 금속 환원능력을 통해 다양한 성분의 나노 와이어들을 제작하였다. 또한, 카테콜기가 표면에 발현된 M13 박테리오파지를 이용하여 리튬 이온전지의 바인더로 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다.
4장에서는, 홍합과 우렁쉐이족 해양생물에 존재하는 바나듐 (Vanadium)과 카테콜기의 복합체에서 영감을 얻어, 카테콜기를 가지는 고분자를 사용하는 새로운 하이드로젤 시스템을 개발하였다. 카테콜기와 복합체를 이루는 금속이온으로 기존에 연구에서는 철 이온이 주로 사용 되어져 왔다. 이 연구에서는, 철 대신에 바나듐을 사용하여 하이드로젤을 제작하였는데 기존의 철과는 반대되는 양상의 하이드로젤이 만들어졌다. 기존의 시스템에서는 철이온의 농도가 높을수록 기계적 물성이 뛰어난 하이드로젤이 만들어졌지만, 바나듐을 이용한 시스템에서는 적은 농도의 바나듐을 사용할 수록 더 기계적 물성이 좋은 하이드로젤이 만들어지는 것이 확인되었다. 적은 양의 바나듐이 사용되어서 상대적으로 생체독성이 낮으며 새로운 생체재료로서의 가능성을 보여주었다.
5장에서는, 카테콜기의 화학적 성질과 균주의 효소 활성을 통해 자연에서 발견되는 바이오 필름을 모방한 인공바이오 필름을 개발하였다. 개발된 인공 바이오 필름은 페놀기를 가지고 있는 고분자와 타이로시나아제 활성을 가지는 균주를 같이 섞어주는 것만으로 쉽게 형성 되었으며, 고농도의 균주가 필름에 높은 생존율로 고정화 되었다. 만들어진 인공 바이오 필름은 생촉매제로 기름분해, L-DOPA생성과 폴리인산의 분해 등 다양한 반응에 사용되었다.
