유사 단백질 선별하는 신소재 분리막 기술 개발
유사 단백질 선별하는 신소재 분리막 기술 개발
  • 더케이뷰티사이언스 ( office@thekbs.co.kr)
  • 승인 2019.01.16 12:00
  • 매거진 : 2019년 01월호
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김동표 교수(교신저자, 포항공대 화학공학과) 최경민 교수(교신저자, 숙명여대 화공생명공학과), 정관영 박사(제1저자, 포항공대), 아제이 싱그 선임연구원(제1저자, 포항공대)

 

"각종 단백질의 맞춤형 정밀 분리 장치로서 매우 유용하게 활용될 것"

 

Metal-organic framework patterns and membranes with heterogeneous pores for flow-assisted switchable separations

국내 연구진이 유사한 크기의 단백질을 분리하는 새로운 분리막 제조 기술을 개발했다. 김동표 교수(포항공대), 최경민 교수(숙명여대) 연구팀은 금속과 유기물질 복합체로 제조한 막에 거대 기공을 뚫어, 단백질을 포함한 거대 복합 분자를 선택적・효율적으로 분리하는 기술을 개발했다.

금속-유기 구조체1 기반의 기존 분리막은 미세 기공만 가지고 있어서, 아주 작은 분자물질과 기체만 분리할 수 있다. 구조가 크고 복잡한 단백질을 분리하기 위해서는 이들이 통과할 수 있는 거대 기공이 필요할 뿐만 아니라 내부 공간의 표면 전기를 조절해야 하지만, 쉽지 않았다.

연구팀은 미세 기공만으로 구성된 금속-유기 구조체 내에 단백질도 통과할 수 있는 거대 기공을 제조해냈다. 마치 골목길만 있는 지역에 고속도로를 굴착한 것과 닮았다. 이는 유기물의 특정 부분과 금속 이온의 결합을 절단하는 촉매화학 반응을 이용함으로써 가능했다. 제조된 거대 기공과 미세 기공 표면에 양전기 또는 음전기를 가지도록 유도하면, 전기적인 이끌림과 반발력에 의해 단백질마다 이동속도에 차이가 생긴다. 이러한 원리로 유사 크기의 단백질도 분리할 수 있다. 특히 기공의 표면전기 특성을 전환할 수 있는 유동성 액체를 흘려주면 특정 단백질만 분리할 수 있는 공정으로 손쉽게 전환할 수 있다.

최경민 교수는 “기존에 거대·복합 물질을 적용하지 못했던 금속-유기 구조체에 거대기공을 도입하여 성공적으로 유사 단백질을 선별한 사례”라며, “의약품, 천연 원료, 박테리아 등 각종 단백질의 맞춤형 정밀 분리 장치로서 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 밝혔다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구, 신진연구) 지원으로 수행되었다. 최상위 학술지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 2018년 9월 27일 게재되었다.

연구의 필요성

단백질과 같은 거대·복합 분자는 거대 기공을 가진 분리막을 사용해야 했으나, 거대기공 내장형 분리막의 제조 기술과 분리막 내부기공 크기 정밀조절이 불가능해 유사한 크기를 가지는 거대·복합 분자들은 선택적 구분이 어려웠다. 또한 미세기공을 가진 금속-유기 구조체 분리막은 기체나 단순한 형태의 작은 분자들을 선택적으로 분리할 수 있었지만, 거대·복합 물질의 분리에는 사용이 불가능했다.

금속-유기 구조체의 높은 선택성을 이용한 기체, 단분자의 분리는 활발한 연구가 진행되고 있지만, 금속-유기 구조체의 높은 선택성을 거대·복합 물질의 분리에 적용할 수 있는 분리막은 개발되지 못하고 있었다. 또한 단백질과 같은 거대·복합 물질들 중 특히 유사한 크기와 구조를 가지는 물질을 분리할 수 있는 분리막의 개발이 크게 요구되어 왔다.

금속-유기 구조체(입자, 패턴, 분리막)에서의 거대기공 형성 및 유사 단백질 분리 환경, 수처리 등에도 응용할 수 있는 방법을 발견하였다는 것이다. 금속-유기 구조체의 입자, 패턴 및 분리막에 선택적 식각 처리 방법을 도입해 거대 기공을 형성하고, 유동보조 시템스에 적용해 유사 단백질을 선택적으로 분리할 수 있게 된다. 라디컬은 홀전자 오비탈을 가진 화학종의 하나. 대개는 불안정하여 오래 존재할 수없고, 화학 반응 중에 일시적으로 생성되어 다른 물질의 반응을 촉진하는 역할을 한다. 식각은 시료 표면의 부분을 산 따위를 써서 부식시켜거 소하는 방법이다.
금속-유기 구조체(입자, 패턴, 분리막)에서의 거대기공 형성 및 유사 단백질 분리 금속-유기 구조체의 입자, 패턴 및 분리막에 선택적 식각 처리 방법을 도입해 거대 기공을 형성하고, 유동보조 시템스에 적용해 유사 단백질을 선택적으로 분리할 수 있게 된다. 라디컬은 홀전자 오비탈을 가진 화학종의 하나. 대개는 불안정하여 오래 존재할 수 없고, 화학 반응 중에 일시적으로 생성되어 다른 물질의 반응을 촉진하는 역할을 한다. 식각은 시료 표면의 부분을 산 따위를 써서 부식시켜거 소하는 방법이다.

연구의 내용
공동연구팀은 금속-유기 구조체 및 이를 지지하는 기저 물질의 화학적 구조의 변화를 최소화 하면서 거대 기공을 도입 할 수 있는 방법을 개발했으며, 이 방법을 이용해 입자, 패턴 및 분리막 형태의 거대 기공을 가지는 금속-유기 구조체를 개발할 수 있었다.

또한 거대기공을 가지는 금속-유기 구조체 분리막을 이용해, 단백질이 거대기공을 통과하면서 선택적으로 조절된 미세 기공의 정전기적 영향을 받아 분리되는 원리로 유사 단백질을 선택적으로 분리할 수 있었다. 이 단백질 분리 공정은 거대기공을 가지는 금속-유기 구조체 분리막을 유동보조 분리 시스템에 적용하여 완성함으로써, 추가적인 에너지의 투입이나 큰 압력을 발생 시키지 않고 유사단백질을 분리하는 공정이 가능하도록 하였다.

연구성과·기대효과
이와 같이 거대기공을 가지는 금속-유기 구조체 분리막을 이용한 유동보조 분리시스템은 단백질과 같은 다양한 거대·복합 분자의 선택적 분리에 확대 적용될 수 있다.

가장 중요한 점은, 기존에 높은 분리 선택성을 가지고 있음에도 불구하고 적용되지 못하였던 금속-유기 구조체를, 단백질과 같은 거대·복합 물질의 영역에도 사용할 수 있도록 하여 의약품, 천연 물질, DNA, 박테리아 등의 천연 물질의 분리 연구 혹은 대기 금속-유기 구조체(입자, 패턴, 분리막)에서의 거대기공 형성 및 유사 단백질 분리 환경, 수처리 등에도 응용할 수 있는 방법을 발견하였다는 것이다.


ABSTRACT
Porous metal-organic-frameworks(MOFs) are attractive materials for gas storage, separations, and catalytic reactions. A challenge exists, however, on how to introduce larger pores juxtaposed with the inherent micropores in different forms of MOFs, which would enable new functions and applications. Here we report the formation of heterogeneous pores within MOF particles, patterns, and membranes, using a discriminate etching chemistry, called silver-catalyzed decarboxylation. The heterogeneous pores are formed, even in highly stable MOFs, without altering the original structure. A decarboxylated MOF membrane is shown to have pH-responsive switchable selectivity for the flow-assisted separation of similarly sized proteins. We envision that our method will allow the use of heterogeneous pores for massive transfer and separation of complex and large molecules, and that the capability for patterning and positioning heterogeneous MOF films on diverse substrates bodes well for various energy and electronic device applications.


1. 금속-유기 구조체
유기 리간드(organic ligand)와 메탈이온(metal ion)의 조합으로 만들어지는 삼차원 분자단위 구조체로써 내부에 수많은 미세기공이 있으며 넓은 표면적을 제공한다.

 

 


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