Many scientists are interest in liquid environment, because almost physical, chemical and biological reactions occur in the liquid environment. However, since the transmission electron microscopy (TEM) obligatorily need ultra-high vacuum for observing the specimens, it is impossible to preserve and observe liquid conditions without evaporation of liquid. To overcome these limitation, the cryo-EM, which prepare frozen specimens, and liquid-EM, which encapsulate liquid using thin membrane, have been researched.
Especially, observing the biomolecules using TEM is appreciated with recent development of cryo-EM. However, frozen specimens represent only static snap shot of biomolecules. Therefore, liquid-EM is required to observe dynamic phenomena by adopting the electron transparency membranes. And the graphene, which has atomic thickness, is desirable membrane materials for observing biomolecules.
In this thesis, single particle analysis of protein structure using graphene liquid cell (GLC) is accomplished. First, the graphene surface treatment methods are introduced to improve the wettability of graphene and protein adsorption efficiency for reliable sample preparation. Also, protein particles, which are sandwiched between graphene layers, are directly observed by using GLC and 3D model of protein in the GLC is reconstructed by suing single particle analysis. Finally, reconstructed 3D model is compared with reference models for evaluating reconstructed model.
대부분의 물리적, 화학적, 생물학적 반응들이 액체 환경에서 일어나기 때문에, 액체 환경에서 발생하는 현상들에 대한 과학적인 관심이 높다. 하지만, 투과전자현미경 경통 내부의 높은 진공 때문에 기존에는 액체 시료를 관찰하는 것이 제한되어 왔다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로 액체를 얼려서 관찰하는 초저온 전자현미경법과 액체를 얇은 막에 가둬서 관찰하는 액체 전자현미경법에 대한 연구가 이루어져 왔다.
특히, 최근 초저온 전자현미경의 발전으로 전자현미경을 이용한 생체 분자들의 관찰법에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만, 얼린 샘플의 경우에는 동적인 움직임의 정적인 모습만을 보여줄 수 있어 동적인 거동에 대한 연구는 불가능하다는 한계점이 있다. 이를 극복하기 위한 대안으로 전자 빔이 투과 가능한 얇은 막을 이용하여 전자현미경의 경통 내에서 액체 내에서 발생하는 현상을 관찰하는 액상 전자현미경법에 대한 필요성이 높아졌고, 원자 단위의 두께를 가지는 그래핀을 막으로 이용한 그래핀 액상 셀이 생체 분자를 관찰 할 수 있는 방법으로 떠오르고 있다.
본 학위논문에서는 그래핀 액상 셀을 이용하여 단백질 구조의 단 입자 분석을 진행하였다. 첫번째로 그래핀의 표면 처리를 통해 그래핀의 젖음성과 단백질 입자들이 그래핀 표면에 흡착되는 효율 향상을 통해 신뢰성 있는 시편 준비 방법을 제시하였다. 또한, 그래핀 액상 셀을 이용하여 그래핀 층 사이에 존재하는 단백질 입자들을 관찰하고, 이를 바탕으로 단 입자 분석을 통해 3차원의 단백질 구조를 재현하였다. 마지막으로 재현된 구조의 유효성을 입증하기 위해 기존의 알려진 구조와의 비교를 진행하여 현재 구조의 타당성에 대해서 다루고자 한다.
