살아있는 유기체에서 발견되는 멤브레인과 유사한 인공 멤브레인은 식품의 박테리아 오염에서부터 사람에게 질병을 유발하는 유독한 오염원을 감지하는 데까지 넓은 분야에 커다란 잠재적인 활용 가능성을 가지고 있다. 이번에 칠레 연구진은 초박막의 인공 멤브레인 구조체를 건식 공정으로 만들 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 연구진은 실리콘 기판 위에 상업적으로 흔히 사용되는 두 화학물을 이용한 건식 공정으로 인공 멤브레인을 합성하였다.

이번 연구는 액체 솔벤트 혼합없이 진행된 최초의 인공 멤브레인 제작 공정 기술에 관한 결과이다. 실리콘 표면 위에 인공 멤브레인을 형성하는 새로운 공정 기술로 인해서 바이오-실리콘 인터페이스 개발에 대한 커다란 기술 진보가 이루어지게 되었다. 생물학적 센서 분자는 기존의 전자회로와 집적하여 실리콘 칩 위에 비교적 저렴하게 프린팅될 수 있다는 장점을 가지고 있다. “이번 개념은 전기적 신호를 멤브레인을 통해서 전달하는 바이오센서를 만드는 것”이라고 이번 연구에 참여한 칠레 가톨릭대학(Universidad Católica de Chile)의 María José Retamal은 설명했다.

 

생명에서 지질 멤브레인의 역할은 매우 중요한 부분을 차지한다. 지질 멤브레인은 DNA 또는 단백질을 이루는 세포의 주요한 구성요소이다. 지구 상에 알려진 모든 유기체는 다기능성의 멤브레인을 가지고 있다. 멤브레인은 세포 내의 공간을 구분하고, 이웃하는 세포와의 벽으로 표현되기도 한다. 이러한 멤브레인은 여러 기능을 가지고 있다. 유전자 물질을 보호하는 것에서부터 세포 내 외부의 조건을 통제하는 역할을 하기도 한다. 또한 여러 분리된 기관의 기능을 유지하는 역할을 하기도 한다. 자연을 모방한 합성 멤브레인은 과학자들에게 매우 많은 관심을 받고 있다. 이는 합성 멤브레인이 질병이나 독성 물질을 감지하는데 사용되는 분자센서로 활용될 수 있는 가능성을 가지고 있기 때문이다.

 

연구진은 실리콘을 기반으로 하면서 솔벤트를 사용하지 않는 인공 멤브레인을 최초로 만드는데 성공했다. 연구진은 가격적인 측면에서 장점이 있는 실리콘을 사용했다. 또한 실리콘은 소수성 물질로 넓은 범위에 사용되고 있다. 실리콘의 소수성 특성은 화학적으로 조절이 가능하며 멤브레인을 실리콘 기판 위에 형성하는데 도움이 된다.

 

연구진은 실리콘 위에 키토산이라고 알려진 화학물을 증착하였다. 키토산은 조개, 랍스터, 새우 등에서 발견되는 키틴질에서 추출된다. 키토산은 널리 사용되는 화학물이다. 키토산은 물에 잘 녹지 않는 다공성 구조체이다. 이러한 구조적인 특성은 물을 잘 포함하는 특성을 가진다. DPPC(dipalmitoylphosphatidylcholine)라고 알려진 인지질(phospholipid)을 그 위에 다시 증착한다. 구조체는 실리콘 위에 키토산이 증착되고 그 위에 인지질이 증착된 안정된 다중층 구조로 나타난다. 현미경 사진은 인공 멤브레인이 넓은 온도 범위에서 안정적인 특성을 가진다는 것을 보여주고 있다. 멤브레인 내부에 특정한 단백질을 주입하여 표준화 작업을 거친다. 이번 기술은 인공 멤브레인의 새로운 가능성을 보여주는 놀라운 결과라고 연구진은 설명했다. 이번 연구는 The Journal of Chemical Physics에 "Towards bio-silicon interfaces: Formation of an ultra-thin self-hydrated artificial membrane composed of dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) and chitosan deposited in high vacuum from the gas-phase"라는 제목으로 게재되었다.

 

그림. 유기물과 무기물의 결합으로 이루어진 새로운 인공 멤브레인

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 15일]

 

Artificial membranes on silicon

Artificial membranes mimicking those found in living organisms have many potential applications ranging from detecting bacterial contaminants in food to toxic pollution in the environment to dangerous diseases in people. Now a group of scientists in Chile has developed a way to create these delicate, ultra-thin constructs through a "dry" process, by evaporating two commercial, off-the-shelf chemicals onto silicon surfaces.

 

 Described in The Journal of Chemical Physics ("Towards bio-silicon interfaces: Formation of an ultra-thin self-hydrated artificial membrane composed of dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) and chitosan deposited in high vacuum from the gas-phase"), this is the first time anyone has ever made an artificial membrane without mixing liquid solvents together. And because the new process creates membranes on silicon surfaces, it is a significant step toward creating bio-silicon interfaces, where biological "sensor" molecules can be printed onto cheap silicon chip holding integrated electronic circuits.

 

"Our idea is to create a biosensor that can transmit electrical signals through the membrane," said María José Retamal, a Ph.D. student at Pontificia Universidad Católica de Chile and first author of the paper.

 

 

The importance of lipid membranes to life is hard to overstate. They are a principal component of the cell, as fundamental as DNA or proteins, and all known organisms on Earth, from the bittiest bacteria to the biggest blue whales, use membranes in a multitude of ways.

 

They separate distinct spaces within cells and define walls between neighboring cells -- a functional compartmentalization that serves many physiological processes, protecting genetic material, regulating what comes in and out of cells, and maintaining the function of separate organs.

 

 Synthetic membranes that mimic nature are of great interest to science because they offer the possibility of containing membrane proteins -- biological molecules that could be used for detecting toxins, diseases and many other biosensing applications.

 

 Retamal and her colleagues created the first artificial membrane without using solvents on a silicon support base. They chose silicon because of its low cost, wide availability and because its "hydrophobicity" (how much it repels water) can be controlled chemically, allowing them to build membranes on top.

 

 Next they evaporated a chemical known as chitosan onto the silicon. Chitosan is derived from chitin, a sugar found in the shells of certain crustaceans, like lobsters or shrimp. Whole bags of the powder can be bought from chemical companies worldwide. They chose this ingredient for its ability to form a moisturizing matrix. It is insoluble in water, but chitosan is porous, so it is capable of retaining water.

 

Finally they evaporated a phospholipid molecule known as dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) onto the chitosan-covered silicon substrate and showed that it formed a stable "bilayer," the classic form of a membrane. Spectroscopy showed that these artificial membranes were stable over a wide range of temperatures.

 

More work is needed to standardize the process by which proteins are to be inserted in the membranes, to define the mechanism by which an electrical signal would be transmitted when a protein binds its target and to calibrate how that signal is detected by the underlying circuitry, Retamal said.

 

 "This is a powerful tool," she added. "The idea is that it will be used by the rest of the scientific community in order to improve existing techniques."

 

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37267.php]