KR100864422B1 - Method for immobilizing of biomaterials on fullerene nano structures - Google Patents

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정진영
이성호
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한국생명공학연구원
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Abstract

An immobilization method for biomaterial on fullerene nano structure is provided to obtain various biochips, biosensors etc. from various types of fullerene nano structure by altering the surface of fullerene structure into hydrophilic state by means of pyrene series. An immobilization method for biomaterial on fullerene nano structure comprises steps of: (a) altering the surface of fullerene nano structure by means of pyrene series compound; (b) introducing a linker which binds to biomaterial on the altered surface; and (c) anchoring biomaterial on the fullerene nano structure having the linker. An alternative immobilization method for biomaterial on fullerene nano structure comprises steps of: (a) introducing a linker which binds to biomaterial on the altered surface, concurrently with altering the surface of fullerene nano structure into hydrophilic state; and (b) anchoring biomaterial on the fullerene nano structure having the linker on the altered surface. The fullerene nano structure is selected from a group consisting of nano-rod, nanotube, nanocube, nanosphere and nanoprism. Optionally, an auxiliary agent, which enhances the dispersing activity of fullerene nano structure is added to the composition comprising pyrene series compounds before the step (a). Further, the auxiliary agent is sodiumdoecylbenzensulfonic acid.

Description

플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법{Method for Immobilizing of Biomaterials on Fullerene Nano Structures}Method for Immobilizing of Biomaterials on Fullerene Nano Structures}

도 1은 파이렌 계통 물질과 반응시킨 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법을 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a method of immobilizing a biomaterial to a fullerene nanostructure reacted with a pyrene-based material.

도 2는 톨루엔과 2-프로판올 사이의 경계면에 생성된 플러렌 나노막대 및 나노튜브를 주사현미경으로 관찰한 것이다.2 is a scanning microscope of the fullerene nanorods and nanotubes formed at the interface between toluene and 2-propanol.

도 3는 물에 분산된, 파이렌 계통 물질과 반응시킨 플러렌 나노막대 및 나노튜브를 광학현미경으로 관찰한 것이다.Figure 3 is a microscopic observation of the fullerene nanorods and nanotubes reacted with a pyrene-based material dispersed in water.

도 4은 물에 분산된, 파이렌 계통 물질과 반응시킨 플러렌 나노막대 및 나노튜브의 흡광도 그래프를 나타낸 것이다.FIG. 4 shows absorbance graphs of fullerene nanorods and nanotubes reacted with pyrene-based materials dispersed in water.

도 5는 형광안료를 포함하는 스트렙타비딘이 고정화된, 파이렌 계통 물질과 반응시킨 플러렌 나노막대 및 나노튜브를 형광현미경으로 관찰한 것이다.FIG. 5 is a fluorescence microscope observation of fullerene nanorods and nanotubes reacted with pyrene-based materials to which streptavidin including fluorescent pigments is immobilized. FIG.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, (a) 플러렌 나노구조체의 표면을 친수성으로 개질하는 단계, (b) 상기 개질된 친수성 표면에 생체물질과 결합하는 역할을 하는 링커를 도입하는 단계 및 (c) 상기 링커가 도입된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정하는 단계를 포함하는 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of immobilizing a biomaterial to a fullerene nanostructure, and more particularly, (a) modifying the surface of the fullerene nanostructure hydrophilically, (b) binding to the biomaterial on the modified hydrophilic surface The present invention relates to a method of immobilizing a biomaterial to a fullerene nanostructure comprising the step of introducing a linker and (c) fixing the biomaterial to the fullerene nanostructure in which the linker is introduced.

발명의 배경Background of the Invention

Smally와 Kroto에 의해 발견된 플러렌(fullerene, C60)은 탄소분자로 구성된 안정한 화합물 구형의 구조를 나타내며, 많은 연구자들에 의해 다양한 종류의 유기 및 무기 물질과 높은 화학적 반응성을 가지고 있다고 밝혀져 있다. The fullerenes (C 60 ) found by Smally and Kroto show a stable spherical structure of carbon molecules, and many researchers have shown that they have high chemical reactivity with various types of organic and inorganic materials.

구체적으로, C60으로 대표되는 플러렌은 분자간력에 의해 결합되어 있으며, 높은 대칭성을 가진 축구공형의 분자이다. 분자중의 모든 탄소원자는 등가이고, 서로 공유 결합되어 있으며, 매우 안정된 결정체이다. C60 등의 플러렌은 결정 구조적으로는 면심입방구조를 취한다고 할 수 있으며, 소성변형능이나 가공경화성 등의 금속적인 역학 특성을 나타낸다.Specifically, fullerene represented by C 60 is bound by intermolecular force and is a soccer ball molecule having high symmetry. All carbon atoms in the molecule are equivalent, covalently bonded to each other, and very stable crystals. Fullerenes such as C 60 can be said to have a face-centered cubic structure in terms of crystal structure, and exhibit metallic mechanical properties such as plastic deformation capacity and work hardenability.

이와 같은 특성에 기초하여 플러렌은 새로운 탄소계 재료로서 각종 용도로의 응용이 기대되고 있다. 또, 플러렌 자체의 특성에 기초하여 초전도 재료, 촉매재료, 윤활제 재료, 생체 재료, 비선형 광학재료 등으로의 응용도 연구되고 있다.Based on these characteristics, fullerene is expected to be applied to various applications as a new carbon-based material. In addition, applications to superconducting materials, catalyst materials, lubricant materials, biomaterials, nonlinear optical materials, and the like have been studied based on the characteristics of fullerene itself.

또한, 플러렌은 금속물질과의 결합을 통하여, 고체 버키민스터 플러렌이 상온에서는 전도체가 되고, 극저온에서는 초전도체가 되는 현상을 나타내는 등 매우 특이적인 전기적 성질을 나타내고 있으며, 이러한 전기적 성질을 이용하여 반도체로써 트랜지스터, 직접회로 등에 적용할 수 있다. In addition, fullerenes exhibit very specific electrical properties, such as the phenomenon that solid Buckyminster fullerenes become conductors at room temperature and superconductors at cryogenic temperatures through bonding with metal materials. It can be applied to an integrated circuit.

최근, 나노재료를 사용하여 생명현상을 조절하거나, 원리를 밝히려는 움직임이 활발해지면서 플러렌의 물리적 및 화학적 특성을 이용해 바이오분야에 적용하려는 시도가 진행되고 있다. 대표적으로는, 사이클로덱스트린(cyclodextrin)을 이용해 유기용매에만 용해되는 플러렌을 물에 용해가능하게 한 연구결과가 공개된 바 있으며(S. Samal et al ., Chem Comm, 1373, 2000), 신경보호제(neuroprotective agents) 역할을 하는 카르복시플러렌(carboxyfullerene)으로 제작되기도 하였다 (L.L. Dugan et al ., Proc . Matl . Acd . Sci., 94:9434, 1997). 또한 플러렌을 기반으로 한 나노구조체가 제작되기도 하였으며, 그 대표적인 예가 플러렌 나노와이어 어레이이다 (Lin Wang et al ., Adv . Mater., 1883:1888, 2006). 또한 최근에는, K.Miyazawa와 그의 동료들에 의해 용매의 경계면에서 플러렌 나노막대 및 나노튜브를 제작하기에 이르렀다 (K. Miyazawa et al ., Mater . Res., 17:83, 2003).Recently, as the movement to control the phenomena using nanomaterials or to reveal the principle becomes active, attempts are being applied to the biotechnology field using the physical and chemical properties of fullerenes. Representatively, studies on the use of cyclodextrins to dissolve water in fullerenes dissolved only in organic solvents have been published (S. Samal et. al . , Chem Comm , 1373, 2000), and also made from carboxyfullerenes, which act as neuroprotective agents (LL Dugan et. al . , Proc . Matl . Acd . Sci ., 94: 9434, 1997). In addition, fullerene-based nanostructures have been fabricated, a typical example of which is a fullerene nanowire array (Lin Wang et al. al . , Adv . Mater ., 1883: 1888, 2006). Recently, K. Miyazawa and his colleagues have also made fullerene nanorods and nanotubes at the solvent interface (K. Miyazawa et. al . , Mater . Res ., 17:83, 2003).

한편, 적합한 조건하에서 플러렌과 구아닌 함유 DNA를 반응시키는 경우, 플러렌이 구아닌 염기에 공유결합하고 이로서 구아노신 부위에서 광분열이 유도됨으로써, 플러렌의 생물학적 활성을 나타내면서도 수용성이고 생체에 비독성인, 플러렌-결합 DNA 단편에 대한 연구결과가 공개된 바 있으나, 상기 연구에서 생성된 플러렌-결합 DNA 단편은 결합의 강도가 약하여 실제 산업에의 적용에 어려움이 있고, 또한, 최근 주요 연구분야로 대두되고 있는 나노기술분야에의 응용에 어려움이 있다 (한국등록특허 10-0479331).On the other hand, when fullerene is reacted with guanine-containing DNA under suitable conditions, fullerene covalently binds to guanine base and thereby induces light splitting at the guanosine site, thereby showing fullerene's biological activity while being water-soluble and non-toxic to the body. Although the results of research on binding DNA fragments have been published, the fullerene-binding DNA fragments produced in the above studies have a weak bond strength, which makes it difficult to apply to the actual industry. There is a difficulty in application in the technical field (Korean Patent Registration 10-0479331).

이와 같이, 높은 반응성과 특이적인 전기적 성질을 가지는 플러렌 나노구조체에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으나, 이를 이용한 생물학적 응용에 대한 연구와 생체물질을 고정화하는 기술은 미흡한 실정이다.As such, studies on fullerene nanostructures having high reactivity and specific electrical properties are being actively conducted, but studies on biological applications using the same and techniques for immobilizing biomaterials are insufficient.

따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 다양한 형태의 수불용성 플러렌 나노구조체를 수용액에 분산하여 생체물질에 고정화할 수 있는 방법에 대한 기술개발이 절실하게 요구되고 있다. Therefore, in order to solve the above problems, there is an urgent need for technical development of a method of immobilizing various types of water-insoluble fullerene nanostructures in an aqueous solution and immobilizing them on a biological material.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 개선하고자 예의 노력한 결과, 파이렌 계열의 화합물을 이용하여 플러렌 나노구조체의 표면을 개질함으로써, 상기 표면 개질된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Thus, the present inventors have made diligent efforts to improve the problems of the prior art, and as a result, by modifying the surface of the fullerene nanostructures using a pyrene-based compound, it is possible to immobilize the biomaterial to the surface-modified fullerene nanostructures It confirmed and completed this invention.

본 발명의 목적은 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for immobilizing a biomaterial to a fullerene nanostructure.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 관점에서 (a) 플러렌 나노구조체의 표면을 친수성으로 개질하는 단계, (b) 상기 개질된 친수성 표면에 생체물질 과 결합하는 역할을 하는 링커를 도입하는 단계 및 (c) 상기 링커가 도입된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정하는 단계를 포함하는 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a step of (a) modifying the surface of the fullerene nanostructure hydrophilic, (b) introducing a linker that serves to bind the biomaterial to the modified hydrophilic surface And (c) immobilizing the biomaterial to the fullerene nanostructure in which the linker is introduced.

본 발명에 있어서, 상기 상기 플러렌 나노구조체는 나노막대, 나노튜브, 나노큐브, 나노스피어 및 나노프리즘으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the fullerene nanostructures may be selected from the group consisting of nanorods, nanotubes, nanocubes, nanospheres and nanoprisms.

본 발명에 있어서, 상기 (a)단계 이전에 수용액에서 플러렌 나노구조체의 분산력을 높이는 보조제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 보조제는 소듐도데실벤젠술폰산(sodiumdoecylbenzensulfonic acid)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, before the step (a) may further comprise the step of adding an adjuvant to increase the dispersibility of the fullerene nanostructures in the aqueous solution, the adjuvant is sodium doecylbenzensulfonic acid (sodiumdoecylbenzensulfonic acid) It can be characterized by.

본 발명에 있어서, 상기 (a)단계의 개질은 파이렌 화합물에 의해 수행하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 파이렌 화합물은 파이렌부타논산(pyrenebutanoic acid), 아미노파이렌(aminopyrene) 및 파이렌알데하이드(pyrene-aldehyde)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the modification of step (a) may be carried out by a pyrene compound, wherein the pyrene compound is pyrenebutanoic acid, aminopyrene and pyrene It may be characterized in that it is selected from the group consisting of aldehyde (pyrene-aldehyde).

본 발명에 있어서, 상기 (b)단계의 링커는 에스테르 화합물인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 에스테르 화합물은 숙신이미딜에스테르(succinymidyl ester)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the linker of step (b) may be characterized in that the ester compound, the ester compound may be characterized in that the succinymidyl ester (succinymidyl ester).

본 발명에 있어서, 상기 (c)단계의 생체물질은 아민기를 가지거나 아민기로 개질된 것임을 특징으로 할 수 있고, 상기 생체물질은 단백질, 효소, 항체, DNA, RNA, PNA 및 세포로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the biomaterial of step (c) may be characterized as having an amine group or modified with an amine group, wherein the biomaterial is composed of proteins, enzymes, antibodies, DNA, RNA, PNA, and cells. It may be characterized by being selected.

본 발명은, 다른 관점에서, (a) 플러렌 나노구조체의 표면을 친수성으로 개질하여 생체물질과 결합하는 역할을 하는 링커를 도입하는 단계 및 (b) 상기 표면 개질되어 링커가 도입된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정하는 단계를 포함하는 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법을 제공한다. The present invention, in another aspect, (a) introducing a linker that serves to bind the biomaterial by modifying the surface of the fullerene nanostructure hydrophilic and (b) to the fullerene nanostructures in which the surface-modified linker is introduced It provides a method of immobilizing a biomaterial to a fullerene nanostructure comprising the step of fixing the biomaterial.

본 발명에 있어서, 상기 (a)단계 이전에 수용액에서 플러렌 나노구조체의 분산력을 높이는 보조제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 보조제는 소듐도데실벤젠술폰산(sodiumdoecylbenzensulfonic acid)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, before the step (a) may further comprise the step of adding an adjuvant to increase the dispersibility of the fullerene nanostructures in the aqueous solution, the adjuvant is sodium doecylbenzensulfonic acid (sodiumdoecylbenzensulfonic acid) It can be characterized by.

본 발명에 있어서, 상기 (b)단계의 표면 개질하여 링커를 도입하는 단계는 파이렌계 화합물에 의해 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the step of introducing the linker by surface modification of the step (b) may be characterized in that performed by a pyrene-based compound.

본 발명에 있어서, 상기 파이렌계 화합물은 친수성 파이렌 화합물과 아민기와 결합하는 에스테르 화합물이 에스테르 결합된 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the pyrene-based compound may be characterized in that the ester compound is bonded to the hydrophilic pyrene compound and the amine group.

본 발명에 있어서, 상기 파이렌계 화합물은 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르(pyrenebutanoic acid succinymidyl ester)인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the pyrene-based compound may be characterized in that the pyrenebutanoic acid succinymidyl ester (pyrenebutanoic acid succinymidyl ester).

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 플러렌 나노구조체에 고정화된 생체물질을 포함하는 바이오칩을 제공한다.The present invention also provides a biochip comprising a biomaterial immobilized on the fullerene nanostructure by the above method.

본 발명은 또한, 상기 방법에 의해 플러렌 나노구조체에 고정화된 생체물질을 포함하는 바이오센서를 제공한다.The present invention also provides a biosensor comprising a biomaterial immobilized on a fullerene nanostructure by the above method.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 수불용성인 플러렌 나노구조체의 표면을 친수성으로 개질한 후, 링커를 이용하여 생체물질을 고정화함으로써, 바이오칩 또는 바이오센서와 같은 바이오 기술분야에 적용할 수 있도록 하는, 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법에 관한 것이다.The present invention is to modify the surface of the water-insoluble fullerene nanostructure to hydrophilic, and then to immobilize the biomaterial using a linker, to be applied to biotechnology fields such as biochips or biosensors, biomaterials to fullerene nanostructures It is about how to fix the.

본 발명에 있어서, 플러렌 나노구조체는 액체-액체 계면 석출방법(liquid-liquid interface precipitation method)을 이용하여 제조할 수 있으며, 이때, 액체-액체 계면 석출방법이란, 상 분리가 일어나는 두 가지 액체를 혼합한 다음 상기 두 액체의 상분리가 일어나면, 상기 상분리된 액체 사이의 계면에서 입자를 성장시켜 물질을 수득하는 방법으로서, 구체적으로 본 발명에서는 플러렌을 분산시킨 톨루엔 용액에 2-프로판올을 첨가하여 계면을 형성시킨 후 계면 사이에서 플러렌 막대 혹은 튜브로 성장시키는 것이 바람직하다.In the present invention, the fullerene nanostructure may be prepared using a liquid-liquid interface precipitation method, wherein the liquid-liquid interface precipitation method is a mixture of two liquids in which phase separation occurs. After the phase separation of the two liquids, a method of obtaining particles by growing particles at the interface between the phase separated liquids, specifically, in the present invention, an interface is formed by adding 2-propanol to a toluene solution in which fullerene is dispersed. After growth, it is preferable to grow a fullerene rod or tube between the interfaces.

즉, 본 발명에서는 플러렌이 용해된 톨루엔과 2-프로판올이 형성하는 경계면에서 플러렌 나노막대 및 나노튜브가 형성되는데, 이때, 상기 두 용액을 첨가하여 경과된 시간에 따라 나노막대 및 나노튜브의 크기 및 길이가 달라지며, 일반적으로는 수십 ㎛ 크기의 나노구조체가 제조된다.That is, in the present invention, fullerene nanorods and nanotubes are formed at the interface formed by toluene and 2-propanol in which fullerene is dissolved, wherein the size and size of nanorods and nanotubes are changed according to the elapsed time by adding the two solutions. The length varies and generally nanostructures of several tens of micrometers in size are prepared.

본 발명에서는 또한, 플러렌 나노구조체로서 나노막대와 나노튜브 이외에 나노큐브(nanocube), 나노스피어(nanosphere) 및 나노프리즘(nanoprism)을 사용할 수도 있으며, 플러렌을 다양한 유기용매 또는 알코올과 혼합하여 이와 같은 다양한 형태의 플러렌 나노구조체를 제조할 수 있다. In the present invention, nanocubes, nanospheres, and nanoprisms may be used as fullerene nanostructures in addition to nanorods and nanotubes, and fullerenes may be mixed with various organic solvents or alcohols. Fullerene nanostructures can be prepared.

본 발명에서, 상기와 같은 방법으로 제조된 플러렌 나노구조체는 일부 유기용매에서는 형태를 유지하며 용해되지만, 물에서는 용해되지 않는 특성을 나타낸다. 따라서, 상기 플러렌 나노구조체를 물에 용해시키기 위해서는 플러렌 나노구조체 표면을 친수성으로 개질하여야 한다. In the present invention, the fullerene nanostructures prepared by the method as described above exhibit the property of dissolving in some organic solvents but not in water. Therefore, in order to dissolve the fullerene nanostructure in water, the surface of the fullerene nanostructure must be modified to be hydrophilic.

본 발명에서는 플러렌 나노구조체를 친수성으로 개질하기 위하여 파이렌 계통의 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 파이렌 계통의 화합물은 벤젠구조를 가진 화합물로 수용성이 아니나, 수용성의 잔기를 가지는 파이렌 화합물들이 일부 존재하며, 상기 수용성의 잔기를 가지는 파이렌 화합물의 대표적인 예로서 파이렌부타논산(pyrenebutanoic acid), 파이렌보론산(pureneboronoic acid), 아미노파이렌(aminopyrene) 등이 있다 (Stephan Laib et . al ., Chem . Comm ., 5566, 2005).In the present invention, it is preferable to use a pyrene-based compound in order to modify the fullerene nanostructure hydrophilically. Generally, the pyrene-based compound is a compound having a benzene structure and is not water soluble, but some pyrene compounds having water-soluble residues exist, and pyrene butanoic acid is a representative example of a pyrene compound having water-soluble residues. pyrenebutanoic acid), pyreneboronoic acid, aminopyrene, and the like (Stephan Laib et . al ., Chem . Comm . , 5566, 2005).

상기 (a)단계 이전에 수용액에서 플러렌 나노구조체의 분산력을 높이는 보조제를 첨가하는 단계Adding an adjuvant to increase the dispersibility of the fullerene nanostructure in the aqueous solution before step (a)

한편, 본 발명에서는 플러렌 나노구조체를 친수성으로 표면개질하기 전에 수용액에서 플러렌 나노구조체의 분산력을 높이는 역학을 하는 보조제를 첨가할 수도 있으며, 이때, 첨가하는 보조제는 소듐 도데실벤젠술폰산(sodiumdodecylbenzensulfonic acid)의 용액을 사용하는 것이 바람직하다. On the other hand, in the present invention, before the surface modification of the fullerene nano-structure hydrophilic may be added to the auxiliary agent to increase the dispersibility of the fullerene nano-structure in aqueous solution, wherein the adjuvant is added of sodium dodecyl benzenesulfonic acid (sodiumdodecylbenzensulfonic acid) It is preferable to use a solution.

본 발명에서 친수성으로 표면개질된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하기 위해서는 링커를 도입하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 플러렌 나노구조체의 표면을 개질하여 상기 표면개질된 플러렌 나노구조체에 링커를 도입하는 단계 를 동시에 수행할 수도 있고, 플러렌 나노구조체의 표면을 개질하는 단계 및 상기 표면개질된 플러렌 나노구조체에 링커를 도입하는 단계를 각각 수행할 수도 있다. In the present invention, it is preferable to introduce a linker to immobilize the biomaterial to the hydrophilic surface-modified fullerene nanostructure, and in the present invention, the step of introducing the linker to the surface-modified fullerene nanostructure by modifying the surface of the fullerene nanostructure. May be performed simultaneously, or the step of modifying the surface of the fullerene nanostructure and the step of introducing a linker into the surface-modified fullerene nanostructure may be performed.

본 발명에서는 플러렌 나노구조체의 표면개질 및 상기 표면개질된 플러렌 나노구조체에 링커도입을 하는 단계를 동시에 수행할 경우, 대표적으로 친수성 경향이 큰 파이렌부타논산(pyrenebutanoic acid) 및 생체물질의 아민과 결합하는 링커 역할을 하는 숙신이미딜에스테르(succinymidyl ester)로 구성되는 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르(pyrenebutanoic acid succinymidyl ester)를 디메틸술폭사이드(dimetyl sulfoxide) 용매에 용해시켜 플러렌 나노구조체의 표면개질을 위하여 사용한다. In the present invention, when the surface modification of the fullerene nanostructures and the step of linker introduction to the surface-modified fullerene nanostructures are carried out at the same time, typically, pyrenebutanoic acid having a high hydrophilic tendency and binding with amines of a biomaterial Pyrenebutanoic acid succinymidyl ester, consisting of succinymidyl ester, which acts as a linker, is dissolved in a dimethyl sulfoxide solvent to modify the surface of the fullerene nanostructure. use.

한편, 플러렌 나노구조체의 표면을 개질하는 단계 및 상기 표면개질된 플러렌 나노구조체에 링커를 도입하는 단계를 각각 수행할 경우, 상기 플러렌 나노구조체의 표면을 개질하기 위하여 파이렌부타논산 또는 아미노파이렌을 파이렌 화합물로 사용하는 것이 바람직하고, 상기 표면개질된 플러렌 나노구조체에 링커를 도입하기 위하여, 숙신이미딜에스테르를 에스테르 화합물로 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, when performing the step of modifying the surface of the fullerene nanostructures and the step of introducing a linker to the surface-modified fullerene nanostructures, respectively, in order to modify the surface of the fullerene nanostructures pyrene butanoic acid or aminopyrene It is preferable to use as a pyrene compound, and in order to introduce a linker into the surface-modified fullerene nanostructure, it is preferable to use succinimidyl ester as an ester compound.

본 발명에서, 플러렌 나노구조체의 표면개질은 플러렌 나노구조체와 파이렌 계통의 물질을 혼합할 경우 파이렌 계통 물질과 플러렌 사이의 π-π 결합에 의해 상기 플러렌 나노구조체의 표면이 카르복실기 또는 숙신이미딜에스테르로 둘러싸여 친수성을 나타내는 원리를 이용한다. 이때, 아민기를 포함하는 생체물질을 첨가하면, 상기 숙신이미딜에스테르가 링커 역할을 하면서 아민과 치환되어 플러렌 나노구조체 표면에 생체물질이 고정화된다 (도 1).In the present invention, the surface modification of the fullerene nanostructure is a carboxyl group or succinimidyl by the π-π bond between the pyrene-based material and the fullerene when the fullerene nanostructure and the pyrene-based material are mixed. The principle of hydrophilicity surrounded by esters is used. In this case, when the biomaterial including the amine group is added, the succinimidyl ester serves as a linker and is substituted with the amine to immobilize the biomaterial on the fullerene nanostructure surface (FIG. 1).

본 발명에서 생체물질이 고정화된 다양한 형태의 플러렌 나노구조체를 바이오칩, 바이오센서 및 나노지지체로 활용함으로써, 생물학적 및 의학적으로 광범위하게 적용할 수 있다.In the present invention, by utilizing various types of fullerene nanostructures in which biomaterials are immobilized as biochips, biosensors, and nanosupports, they can be widely applied biologically and medically.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

하기 실시예에서는 플러렌 나노구조체로 플러렌 나노막대 및 플러렌 나노튜브를 사용하였으나, 나노큐브, 나노스피어 및 나노프리즘 등 다양한 플러렌 나노구조체가 제한없이 사용될 수 있다.In the following examples, fullerene nanostructures and fullerene nanotubes were used as fullerene nanostructures, but various fullerene nanostructures such as nanocubes, nanospheres, and nanoprisms may be used without limitation.

또한, 하기 실시예에서는 파이렌 계통 물질로 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르를 사용하였으나, 친수성 경향을 나타내는 동시에 생체물질의 아민기와 결합하는 특성을 나타내는 파이렌 계통 물질은 제한없이 사용될 수 있다.In addition, in the following examples, pyrene-butanoic acid succinimidyl ester was used as the pyrene-based material, but pyrene-based material showing the hydrophilic tendency and the property of binding to the amine group of the biological material may be used without limitation.

또한, 하기 실시예에서는 생체물질로서 형광안료를 포함하는 스트렙타비딘을 사용하였으나, 효소, 기타 단백질, 항체, 또는 말단에 아민을 기능화시킨 DNA, RNA, PNA, 세포 등을 사용하는 것도 본 발명에 범위에 포함될 것이다.In addition, in the following examples, streptavidin including fluorescent pigments was used as a biomaterial, but DNA, RNA, PNA, cells, etc. functionalized with enzymes, other proteins, antibodies, or amines at the terminal are also used in the present invention. It will be included in the scope.

실시예Example 1:  One: 플러렌Fullerene 나노구조체 제조 Nanostructure Manufacturing

톨루엔(toluene) 10ml에 플러렌(fulleren, C60)(SES research, Texas, USA) 5mg을 용해시킨 다음, 2-프로판올(2-propanol) 10ml를 첨가하여 톨루엔과 2-프로판올 사이에 경계면이 생성된 것을 확인한 후, 일주일 동안 보관하였다. 그 결과, 상기 경계면에서 플러렌 나노막대 및 나노튜브가 생성되어 아래로 침전되었으며, 생성된 플러렌 나노막대 및 나노튜브는 다양한 크기와 길이를 나타내는 것을 주사현미경으로 확인할 수 있었다 (도 2).5 mg of fulleren (C 60 ) (SES research, Texas, USA) was dissolved in 10 ml of toluene, and then 10 ml of 2-propanol was added to form an interface between toluene and 2-propanol. After confirming that, it was stored for a week. As a result, fullerene nanorods and nanotubes were generated and precipitated down at the interface, and the resulting fullerene nanorods and nanotubes could be confirmed by scanning microscope (FIG. 2).

실시예Example 2:  2: 플러렌Fullerene 나노구조체의 수용성 용액에 분산  Dispersed in aqueous solution of nanostructures

실시예 1에서 제조된 플러렌 나노막대 및 나노튜브를 1% 소듐도데실벤젠술폰산(sodiumdodecylbenzensulfonic acid)(Sigmaldrich, USA)를 첨가한 다음, 상기 플러렌 나노막대 및 나노튜브를 수용액에 분산시킨 결과, 상기 수용액에 분산된 플러렌 나노막대 및 나노튜브는 뭉침 현상 없이 수용액에 분산이 잘 되어있는 것을 광학현미경으로 확인할 수 있었다 (도 3).The fullerene nanorods and nanotubes prepared in Example 1 were added with 1% sodium dodecylbenzensulfonic acid (Sigmaldrich, USA), and the fullerene nanorods and nanotubes were dispersed in an aqueous solution. The fullerene nanorods and the nanotubes dispersed in were well dispersed in an aqueous solution without agglomeration phenomenon by using an optical microscope (FIG. 3).

실시예Example 3:  3: 플러렌Fullerene 나노구조체에  On the nanostructure 파이렌계Pyrene 화합물 첨가 Compound addition

실시예 2에서 수용액에 분산된 플러렌 나노막대 및 나노튜브에 파이렌계 화합물인 1mM 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르(pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)가 용해되어 있는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 용액을 첨가하고 30분간 상온에서 혼합시켰다. 광학현미경으로 관찰한 결과, 약 400nm에서 형광을 나타내는 파이렌계 화합물의 특성으로 인하여, 약 400nm에서 형광을 띠는 긴 막대를 관찰할 수 있었다. 또한 자외선/가시광선 분광법(UV/Visible spectroscopy)으로 분석한 결과, 자외선 영역 범위 내의 약 324nm 및 약 344nm에서 흡광을 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 파이렌계 화합물이 자외선 영역의 파장을 흡수하는 성질을 가지고 있어서, 플러렌 나노구조체와 결합했을 경우, 그 존재여부를 자외선 분광법으로 확인할 수 있다는 것을 입증한다 (도 4).In Example 2, a dimethyl sulfoxide solution containing 1 mM pyrenebutanoic acid succinimidyl ester dissolved in a fullerene nanorod and nanotube dispersed in an aqueous solution was added. Mix at room temperature for minutes. As a result of observing with an optical microscope, long bars fluorescing at about 400 nm could be observed due to the characteristics of the pyrene-based compound exhibiting fluorescence at about 400 nm. In addition, UV / Visible spectroscopy showed that the absorbance is about 324 nm and about 344 nm within the ultraviolet range, which is due to the fact that the pyrene-based compound absorbs the wavelength in the ultraviolet range. When combined with the fullerene nanostructures, it is proved that the presence of the ultraviolet spectroscopy (FIG. 4).

실시예Example 4:  4: 플러렌Fullerene 나노구조체에 생체물질 고정화 Immobilization of Biomaterials in Nanostructures

실시예 2에서 파이렌 계통 물질인 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르와 결합된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하기 위하여 단백질을 첨가하였다. 이때, 사용한 단백질은 스트렙타비딘(streptavidin)으로 파장이 514nm에 해당하는 빛을 내는 형광안료(Alexa488)가 첨가된 것을 사용하였다. 그 결과, 상기 스트렙타비딘의 아민기와 플러렌 나노구조체 표면에 존재하는 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르의 숙신이미딜에스테르의 아민반응으로 스트렙타비딘이 플러렌 나노구조체에 결합된 것을 형광현미경으로 관찰할 수 있었다 (도 5).In Example 2, a protein was added to fix the biomaterial to the fullerene nanostructure combined with pyrene butanoic acid succinimidyl ester. At this time, the protein used was a streptavidin (streptavidin) was used to add a fluorescent pigment (Alexa488) that emits light with a wavelength of 514nm. As a result, it was observed by fluorescence microscopy that the streptavidin is bound to the fullerene nanostructure by the amine reaction of the amine group of the streptavidin and the succinimidyl ester of pyrenebutanoic acid succinimidyl ester on the surface of the fullerene nanostructure Could (Figure 5).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따 라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정 의된다고 할 것이다.Having described the specific part of the present invention in detail, it is obvious to those skilled in the art that such a specific description is only a preferred embodiment, thereby not limiting the scope of the present invention. something to do. Therefore, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 파이렌 계통의 물질을 이용하여 수불용성인 플러렌 나노구조체의 표면을 개질하여 상기 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화시키는 방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따르면, 표면개질된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화함으로써, 나노막대, 나노와이어, 나노스피어 및 나노튜브와 같은 다양한 형태의 플러렌 나노구조체를 이용하여 바이오칩, 바이오센서 등을 제작할 수 있다.As described above, the present invention has an effect of providing a method of immobilizing a biomaterial on the fullerene nanostructure by modifying the surface of the water-insoluble fullerene nanostructure using a pyrene-based material. According to the present invention, by immobilizing a biomaterial on a surface-modified fullerene nanostructure, biochips, biosensors, and the like may be manufactured using various types of fullerene nanostructures such as nanorods, nanowires, nanospheres, and nanotubes.

Claims (21)

다음의 단계를 포함하는 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법:A method of immobilizing a biomaterial on a fullerene nanostructure comprising the following steps: (a) 플러렌 나노구조체의 표면을 친수성으로 개질하는 단계;(a) hydrophilically modifying the surface of the fullerene nanostructure; (b) 상기 개질된 친수성 표면에 생체물질과 결합하는 역할을 하는 링커를 도입하는 단계; 및 (b) introducing a linker that binds the biomaterial to the modified hydrophilic surface; And (c) 상기 링커가 도입된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정하는 단계.(c) fixing the biomaterial to the fullerene nanostructure in which the linker is introduced. 제1항에 있어서, 상기 플러렌 나노구조체는 나노막대, 나노튜브, 나노큐브, 나노스피어 및 나노프리즘으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the fullerene nanostructure is selected from the group consisting of nanorods, nanotubes, nanocubes, nanospheres, and nanoprisms. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계 이전에 수용액에서 플러렌 나노구조체의 분산력을 높이는 보조제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.The method of claim 1, further comprising adding an adjuvant to increase the dispersibility of the fullerene nanostructure in the aqueous solution before step (a). 제3항에 있어서, 상기 보조제는 소듐도데실벤젠술폰산(sodiumdoecylbenzensulfonic acid)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 3, wherein the adjuvant is sodium doecylbenzensulfonic acid. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계의 개질은 파이렌 화합물에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the modifying of step (a) is performed by a pyrene compound. 제5항에 있어서, 상기 파이렌 화합물은 파이렌부타논산(pyrenebutanoic acid), 아미노파이렌(aminopyrene) 및 파이렌알데하이드(pyrene-aldehyde)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 5, wherein the pyrene compound is selected from the group consisting of pyrenebutanoic acid, aminopyrene and pyrenealdehyde. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계의 링커는 에스테르 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the linker of step (b) is an ester compound. 제7항에 있어서, 상기 에스테르 화합물은 숙신이미딜에스테르(succinymidyl ester)인 것을 특징을 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein said ester compound is a succinymidyl ester. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계의 생체물질은 아민기를 가지거나 아민기로 개질된 것임을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the biomaterial of step (c) has an amine group or is modified with an amine group. 제9항에 있어서, 상기 생체물질은 단백질, 효소, 항체, 펩티드, 지질, DNA, RNA, PNA 및 세포로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 9, wherein the biomaterial is selected from the group consisting of proteins, enzymes, antibodies, peptides, lipids, DNA, RNA, PNA, and cells. 다음의 단계를 포함하는 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정화하는 방법:A method of immobilizing a biomaterial on a fullerene nanostructure comprising the following steps: (a) 플러렌 나노구조체의 표면을 친수성으로 개질함과 동시에 생체물질과 결합하는 역할을 하는 링커를 도입하는 단계; 및 (a) introducing a linker that modifies the surface of the fullerene nanostructure to be hydrophilic and simultaneously binds to a biomaterial; And (b) 상기 표면 개질되고 링커가 도입된 플러렌 나노구조체에 생체물질을 고정하는 단계.(b) immobilizing the biomaterial to the surface modified, linker-incorporated fullerene nanostructure. 제11항에 있어서, 상기 플러렌 나노구조체는 나노막대, 나노튜브, 나노큐브, 나노스피어 및 나노프리즘으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 11, wherein the fullerene nanostructure is selected from the group consisting of nanorods, nanotubes, nanocubes, nanospheres, and nanoprisms. 제11항에 있어서, 상기 (a)단계 이전에 수용액에서 플러렌 나노구조체의 분산력을 높이는 보조제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.12. The method of claim 11, further comprising adding an adjuvant to increase the dispersibility of the fullerene nanostructures in the aqueous solution before step (a). 제13항에 있어서, 상기 보조제는 소듐도데실벤젠술폰산(sodiumdoecylbenzensulfonic acid)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 13, wherein the adjuvant is sodium doecylbenzensulfonic acid. 제11항에 있어서, 상기 (a)단계는 파이렌계 화합물에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 11, wherein step (a) is performed by a pyrene-based compound. 제15항에 있어서, 상기 파이렌계 화합물은 친수성 파이렌 화합물과 에스테르 화합물이 에스테르 결합된 구조인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 15, wherein the pyrene-based compound has a structure in which a hydrophilic pyrene compound and an ester compound are ester-bonded. 제16항에 있어서, 상기 파이렌계 화합물은 파이렌부타논산 숙신이미딜에스테르(pyrenebutanoic acid succinymidyl ester)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 16, wherein the pyrene-based compound is pyrenebutanoic acid succinymidyl ester. 제11항에 있어서, 상기 (b)단계의 생체물질은 아민기를 가지거나 아민기로 개질된 것임을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, wherein the biomaterial of step (b) has an amine group or is modified with an amine group. 제18항에 있어서, 상기 생체물질은 단백질, 효소, 항체, 펩티드, 지질, DNA, RNA, PNA 및 세포로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 18, wherein the biomaterial is selected from the group consisting of proteins, enzymes, antibodies, peptides, lipids, DNA, RNA, PNA, and cells. 삭제delete 삭제delete
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