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인공세포를 이용한 나노입자 합성 Inven.Discov.Tech.

Making Nanoparticles In Artificial Cells

다른 반응물을 가진 기포들이 만나서 붉은 형광을 띈 나노입자를 형성하는 모습

세계에서 가장 작은 램프를 만들 수 있는 두 가지 새로운 제조 매뉴얼이 소개되었다. 이러한 방법에 따라 막스플랑크 콜로이드 및 계면 연구소의 과학자들은 세포 단백질에 빛을 비추는데 사용될 수 있는 제어가 용이한 나노입자를 만들었는데 이는 미래에 광학 정보기술이나 디스플레이에 대한 광원으로도 쓰일 수 있다. 

연구원들은 광학현미경적으로 매우 작은 멤브레인 기포 안에서 CdS 입자를 생성하였다. 그들이 따른 제조방법에 의하면 입자들은 4~50nm 크기를 가진다. 멤브레인 기포들이 살아있는 세포들과 비슷한 크기를 가지기 때문에, 과학자들의 작업 또한 나노구조물이 자연상태에서 어떻게 만들어질 수 있는지에 대한 해답을 제공한다.


세포와 미생물은 가장 작은 크기에서 완벽하게 작동할 수 있는 완전한 독립체이다. 특별히 효율적인 미세구조물들과 마찬가지로, 그들은 단지 수 나노미터의 크기를 가지는 석회조각 무기물로부터 입자들과 구조물을 만든다. 세포들은 이러한 기능을 위해 두 가지 다른 인자들을 가진다. 첫 번째 그들은 펩타이드를 가지는데, 석회를 원하는 형태로 만들 수 있는 생물학적 도구이다. 두 번째 그들은 스스로 매우 작은 크기로 인한 편리함이다. 석회 입자들은 무한히 성장할 수 없으며 석회의 구성요소인 칼슘 카보네이트가 세포 내에서 소멸될 때 성장은 멈추게 된다.

“우리는 나노입자의 합성에 대한 모델로서 세포들이 일종의 밀폐 반응 용기로서 작용한다는 사실을 이용하였다.”고 루미아나 디모바는 말한다. 막스 플랑크 콜로이드 및 계면연구소에서 그녀의 그룹은 세포를 둘러싸는 세포막을 연구하고 있다. 과학자들과 그녀의 동료들은 생물체의 세포막과 비슷한 레시틴(lecithin) 멤브레인으로부터 크기가 50um인 기포를 만들었다. 세포처럼 멤브레인 기포는 밀폐 반응용기를 제공한다. 과학자들은 멤브레인 기포에 나노입자를 위한 한 두 종의 반응물을 삽입한다.

이러한 관점에서 연구원들은 두 가지 다른 방법을 개발하였다. 한가지는 그들은 두 가지 반응물 NaS 나 CaCl중 하나만 있는 기포를 만들었다. 그 다음 다른 반응물을 가진 기포와 만나 두 기포가 더 큰 기포가 되도록 혼합한다. 이것은 기포 혼합물을 짧지만 매우 강한 전기자극을 가함으로써 가능하다. 전기자극은 두 개의 인접한 기포 멤브레인을 혼합시킨다.

대부분 이것은 다른 반응물을 가진 두 개의 기포를 융합시켜 불용성인 CdS 생성 반응이 일어나 나노입자로 석출된다. “반응물이 혼합된 기포 내에 제한된 양만 존재하기 때문에 입자들은 4 nm의 크기로만 성장한다”고 루미아나 디모바는 설명한다. 과학자들은 다른 양을 가진 기포의 멤브레인에 다른 형광 분자들을 첨가하였으므로, 전체과정을 현미경에서 직접 관찰할 수 있었다. 또한, 연구원들은 미세한 램프처럼 빛나는 나노입자들을 관찰할 수 있었다.
두 번째로 연구원들은 단지 하나의 반응물만을 가지는 기포를 생성하였다. 첫 번째 과정과 달리 기포들이 형성될 때, 연구원들은 생산 용기로부터 그들을 제거할 수 없다. 대신에 기포들은 줄에 묶인 풍선처럼 작은 멤브레인 채널을 따라 기판에 부착되며, 기포내부와 같은 용액 내에서 존재하게 된다. 루미아나 디모바와 연구원들은 이러한 상황을 변화시키기 위해 첫 번째 성분을 가진 용액을 두 번째 성분을 가진 용액으로 대체시켰다. 이것이 처음에는 기포 내에 변화를 일으키지 않는다. 두 번째 성분은 채널과 기포를 통하여 기판과 멤브레인 사이로 천천히 진전한다. 이미 다른 성분이 존재하는 기포 내에서 나노입자들은 다시 성장하여 50nm 크기까지 자란다.

“우리의 방법으로, 처음으로 크기가 세포와 유사한 기포 내에서 어떤 지름을 가진 입자들을 생성하는데 성공하였다.”고 루미아나 디모바는 말한다. 이전에 생물학자들은 세포는 나노입자의 합성을 위해 펩타이드의 도움에 의존하는 것으로 생각하였다. 그러나 루미아나 디모바와 그녀의 동료들은 펩타이드의 도움 없이도 가능하다는 것을 발견하였다.

이 연구결과는 "Small"지에 “Nanoparticle Formation in Giant Vesicles: Synthesis in Biomimetic Compartments”라는 제목으로 게재되었다.(Yang et al. Small, 2009; DOI: 10.1002/smll.200900560)

www.sciencedaily.com



 

Making Nanoparticles In Artificial Cells

ScienceDaily (June 27, 2009) — Two new construction manuals are now available for the world's smallest lamps. Based on these protocols, scientists from the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces have tailor-made nanoparticles that can be used as position lights on cell proteins and, possibly in the future as well, as light sources for display screens or for optical information technology.
Vesicles with different reactants have different fluorescent substances in their membranes (a). When the bubbles fuse, red fluorescent nanoparticles form (b). The particles can be seen as bright dots under the transmission electron microscope (c). (Credit: Max Planck Institute of Colloids and Interfaces)

The researchers produced CADmium sulphide particles in microscopically small membrane bubbles. Depending on which of the construction manuals they follow, the particles can be 4 or 50 nanometres in size. Because the membrane bubbles have the same size as living cells, the scientists' work also provides an indication as to how nanostructures could arise in nature.

Cells and microorganisms are absolute masters when it comes to working in the smallest possible dimensions. Like particularly efficient micro-factories, they produce particles and structures from inorganic material, for example pieces of chalk, that are only a few nanometres in size, that is, millionths of a millimetre. Cells have two different factors to thank for this capability. First, they have peptides, a biological tool at their disposal that may shape the chalk into a desired form. Second, the fact that they are very small themselves is convenient: the chalk particles cannot grow boundlessly - the end is reached when the calcium carbonate, the building block of chalk, runs out in the cell.

"We used the fact that cells represent a closed reaction container as a model for the synthesis of nanoparticles," says Rumiana Dimova. Her group at the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces studies membranes - the cell envelope. The scientist and her colleagues form bubbles that are around 50 micrometres in size from lecithin membranes, which are similar to biological membranes. Like cells, membrane bubbles - or vesicles as scientists refer to them - also provide a closed reaction container. The scientists load the membrane bubbles with one of two reactants for the nanoparticles.

From this point, the researchers have developed two different sets of protocols. In one case, they produce bubbles loaded with one of the two reactants, sodium sulphide or cadmium chloride. The scientists then bring the bubbles with the different loads together and fuse two vesicles to form a bigger vesicle - this is done by subjecting the bubble cocKTail to a short but very strong electrical pulse. The electric shock fuses the membranes of two adjacent bubbles.

In many cases, this results in the fusion of two bubbles containing different reactants. These then react to form cadmium sulphide, which is not water soluble and thus precipitates in the form of nanoparticles. "Because the reactants are only present to a limited extent in the fused bubbles, the particles only grow to a size of four nanometres," explains Rumiana Dimova. The scientists were able to track the entire process directly under the microscope because they had added different fluorescent molecules to the membranes of the differently loaded vesicles. The researchers were also able to see the nanoparticles forming as the particles shone like tiny lamps.

In the second process, the researchers only produce vesicles with one of the reactants. When the vesicles have formed, unlike in the first procedure, the researchers do not remove them from the production chamber. Instead, the bubbles remain attached to their substrate via small membrane channels, like balloons tied to strings, and stand in a solution that is the same as the one inside them. The researchers working with Rumiana Dimova then altered this situation: they substituted the solution with the first ingredient for the nanoparticles with a second component. This causes no change inside the vesicles at first. The second ingredient only creeps gradually between the substrate and membrane into the channel and to the vesicle. In the vesicle, where the other ingredient is already waiting, the nanoparticles grow again - this time to a size of 50 nanometres.

"With our method, we succeeded for the first time in producing particles with a certain diameter in vesicles whose size corresponds to that of cells," says Rumiana Dimova. Previously, biologists thought that cells depended on the help of peptides for the synthesis of nanoparticles. However, as Rumiana Dimova and her colleagues have discovered, it can also be done without them.


Journal reference:

  1. Yang et al. Nanoparticle Formation in Giant Vesicles: Synthesis in Biomimetic Compartments. Small, 2009; DOI: 10.1002/smll.200900560

Adapted from materials provided by Max-Planck-Gesellschaft.


Source
: KISTI, sciencedaily.com

 




 





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