Biomineralization enables control over organic/inorganic composites and thin film formation on the nanometric scale. The minerals form under ambient conditions, and can therefore be applied for biological research. In this research, organic/inorganic composites/thin film formation, its mechanism, and its applications to cell surfaces were investigated.
Arginine (R) and lysine (K) peptides are known to efficiently form $\TiO_2$ under ambient conditions. Using $(RKK)_4(D)_8$ peptides as a template (aspartic acid (D) was added to improve cytocompatibility), the mechanism of $\TiO_2$ formation was explored, and the determining factor of crystallinity was analyzed. Ultimately, the $(RKK)_4(D)_8$ peptide was found not to be a catalyst, but inducer in the reaction.
Afterwards, biomineralization on living cell surfaces using the $(RKK)_4(D)_8$ peptide was conducted. Biomineralization of the naturally present cell membrane results in the creation of robust artificial cell structures with novel structures and properties. For cell encapsulation, all materials and methods should be cytocompatible, and the artificially-made shell should be both durable and permeable for maintaining viability. These newly formed entities are the result of interfacial reactions between the fragile cellular membrane and tough artificial shells. Through this work, we can protect cells from harmful external stresses, much like artificial spores found in nature, as well as ensure their long-term preservation.
First, living Chlorella cells were encapsulated individually with abiological, functionalizable $\TiO_2$. The bioinspired cytocompatible reaction conditions allowed the encapsulated Chlorella cells to maintain their viability and original shapes. After formation of the $\TiO_2$ shells, the shells were post-functionalized by using catechol chemistry. Second, individual Chlorella cells were encapsulated within a $SiO_2$-$\TiO_2$ nanoshell with high cell viability. The encapsulated Chlorella showed thermo-tolerance due to the heat dissipative property of the inorganic material.
Mammalian cell encapsulation is difficult because of their innate fragility, however, encapsulation of mammalian Jurkat T cells in artificial $\TiO_2$ shells was achieved. The artificially-made $\TiO_2$ shells were maintained for more than 3 days, and granted long-term thermoprotection. Also, encapsulated cells maintained their immunoreactive properties after the encapsulation processes.
생광물화반응은 유.무기 복합체 및 박막 형성을 나노수준에서 제어하는 것을 가능케 한다. 또한, 온화한 조건에서 형성되기 때문에 바이오 분야로의 응용이 용이하다. 본 연구에서는 유기물 주형을 활용하여 유.무기 복합체가 형성되는 기작을 탐색하고, 그 유기물 주형을 활용하여 박막을 형성하였다. 이 기술을 활용하여, 살아있는 세포 위에 유.무기 복합 박막을 형성하고, 그 응용성에 대해서 살펴보았다.
아르기닌(R) 펩타이드와 리신(K) 펩타이드는 산화티타늄($\TiO_2$)을 온화한 조건에서 높은 효율로 형성한다고 알려져 있다. 여기에, 세포독성을 줄이는 아스파트산(D)를 붙인 $(RKK)_4D_8$펩타이드를 디자인하고, 이 펩타이드가 어떻게 TiO2를 생성하는지에 관한 자세한 기작을 살펴 보았다. 이를 통하여, $(RKK)_4D_8$펩타이드는 촉매제가 아닌 유도제로서 작용한다는 사실을 알게 되었다.
이후, 이 펩타이드를 활용한 생광물화 반응을 살아있는 세포 위에서 진행하였다. 이 과정을 통해, 살아있는 세포는 인공적으로 형성된 껍데기를 가지게 되는데, 이를 세포피포화라고 한다. 세포피포화를 가능케 하려면, 우선 사용되는 모든 물질과 반응이 세포친화적이어야 한다. 또한, 생성된 인공 껍데기는 구조적으로 안정적이면서도, 생존력을 유지하기 위해서는 투과성이 있어야 한다. 또한, 인공 껍데기를 활용하여 세포표면 기능화를 간접적으로 가능케 할 수 있다. 이 세포피포화를 통해서 얻게 될 수 있는 장점은, 박테리아 내생포자의 특성처럼, 외부의 유해한 환경으로부터 세포를 보호할 수 있게 되어, 장기적 보존이 용이해진다는 것이다.
첫 번째로, 클로렐라 세포를 $TiO_2$로 피포화하였다. $\TiO_2$는 카테콜기를 이용하여 온화한 조건에서 손쉽게 기능화가 가능하므로, 이를 활용하여 피포화된 클로렐라 세포를 기능화하는데에 성공하였다. 두 번째로, 클로렐라 세포를 $SiO_2$-$\TiO_2$ 복합체로 피포화하였다. 피포화된 클로렐라 세포는 $\TiO_2$ 피포화 대비 생존력이 증가하였으며, 새로운 성질을 가지는 것을 확인하였다. 첫 번째 성질은 세포 성장 주기가 조절된다는 것이다. $SiO_2$-$\TiO_2$ 박막 두께를 조절하는 것을 통해, 세포 성장 주기를 조절할 수 있음을 확인하였다. 두 번째로는, $SiO_2$-$\TiO_2$ 박막이 세포에게 열 안정성을 부여하는 것을 확인하였다. 무기물의 방열 효과 덕분에, 피포화된 세포는 높은 온도에서 피포화되지 않은 세포 대비 큰 열 안정성을 보여주었다.
마지막으로, 동물세포 피포화 실험을 진행하였다. 미생물인 클로렐라나 효모 세포처럼 세포벽이 없는 동물세포는 다루기 훨씬 까다롭고, 동일한 조건의 실험에서도 쉽게 죽고 만다. 동물세포 중에서도, 부유세포인 T세포를 피포화 대상으로 삼고 실험을 진행하였다. 동일한 $(RKK)_4D_8$펩타이드를 사용하여, $\TiO_2$로 피포화하였으며, 생성된 인공껍데기는 3일 이상 유지된다는 것을 확인하였다. 또한, 피포화 된 후에도 면역학적 성질을 유지하였으며, 열 안정성도 가지게 되었다.
