문헌 공유: "적응형 펩타이드 분산을 통해 건조 유도 생체분자 캡슐화가 가능해졌습니다."

오늘 저희는 뉴욕 시립대학교 첨단과학연구센터의 라인 V. 울린 교수와 예 허 교수가 주도한 연구 논문을 Nature Materials에 게재했습니다. 논문 제목은 "적응형 펩타이드 분산을 통한 건조 유도 생체분자 캡슐화"입니다. 이 연구는 최소한의 트리펩타이드 서열로 형성된 동적으로 용해되는 분산을 보고하며, 건조 유도 액-액 상 분리(LLPS)를 통해 단백질과 같은 생체분자의 효율적인 캡슐화 및 보호를 가능하게 합니다. 이 연구는 생물이 탈수 스트레스에 대처하기 위해 사용하는 자연적인 생물학적 전략에서 영감을 얻었습니다(그림 1).

그림 1. 펩타이드 자가조립의 방향성과 분산성.

01 연구 배경

펩타이드는 기능성 소재의 핵심 구성 요소 역할을 하며, 펩타이드의 조립은 일반적으로 골격 수소 결합에 의해 결정되어 1차원(1D) 섬유 또는 2차원(2D) 시트와 같이 명확한 방향성을 가진 구조를 형성합니다. 그러나 생물학에서는 액체 응축물과 같이 방향성이 없고 유연하며 적응성이 있는 조립체가 널리 존재합니다. 극한의 탈수 조건에서 거대분자를 보호하기 위해 액체-액체 상 분리와 유리 상태를 활용하는 완보동물과 식물 씨앗의 자연 전략에서 영감을 얻어, 본 연구는 건조 유도 캡슐화를 위한 간단하고 효율적이며 생체활성을 보존하는 전략을 개발하는 것을 목표로 합니다.

본 연구는 트립토판(W), 티로신(Y), 라이신(K)으로 구성된 최소 트리펩타이드 서열군을 소개합니다. 이 펩타이드들은 풍부한 측쇄 상호작용을 통해 수용액에서 용해도가 높은 동적 앙상블을 형성합니다(그림 2a). 중요한 발견은 이러한 펩타이드 분산액이 공기 건조 과정에서 독특한 액-액 상 분리를 거쳐 단단하고 조밀하며 다공성인 미세구형 입자 필름으로 응고된다는 것입니다. 이 필름은 재수화 시 빠르게 재분산되고, 용액에서 단백질이나 저분자 페이로드를 효율적으로 캡슐화하여 재가용화 후에도 단백질의 안정성과 활성을 유지합니다(그림 2).

그림 2. 삼펩타이드 분산에서의 서열 의존성.

02 혁신적인 하이라이트

✓"측쇄 우세" 펩타이드 조립의 새로운 패러다임을 도입했습니다. 이 접근법은 방향성 구조를 형성하기 위해 골격 수소 결합에 의존하는 기존 펩타이드 조립의 한계를 뛰어넘습니다. 방향족 및 염기성 아미노산 측쇄 간의 여러 약한 상호작용을 활용하여 역동적이고 가용성이며 환경 적응성이 뛰어난 펩타이드 앙상블을 생성합니다.

✓펩타이드에서 건조 유도 액체-액체 상 분리(LLPS)가 발견되었습니다. 동적 분산 → 액체 응축물 물방울 → 다공성 강성 입자로 진화하는 메커니즘이 체계적으로 밝혀졌습니다(그림 3). 이 과정은 자연에서 발견되는 보호 전략과 매우 유사합니다.

✓생체분자 캡슐화 및 보호를 위한 효율적이고 순한 단일 단계 플랫폼 개발: 이 방법은 복잡한 장비나 혹독한 환경을 필요로 하지 않습니다. 생체분자의 효율적인 캡슐화 및 장기간 상온 보관은 공기 건조를 통해 간단히 달성되며, 공정은 매우 가역적입니다(그림 3).

그림 3. 증발 구동 조립.

03 결과 및 논의

✓ 분자 시뮬레이션 및 트리펩타이드 분산의 서열 의존성
연구진은 전원자 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 KFF, KYF, KYY, KYW와 같은 트리펩타이드의 조립 성향(AP)을 비교했습니다. 그 결과, F → Y → W의 서열 변화를 따라 총 수소 결합 수는 증가한 반면, 골격 수소 결합은 감소하고 측쇄 수소 결합은 증가했습니다. 이러한 변화로 인해 KYW는 비방향성 조립 특성을 보였습니다(그림 2a).

✓ 증발 구동 조립 및 상 동작 특성화
20 mM 펩타이드 용액을 액적 형태로 건조했을 때, 모든 K/Y/W 이성질체는 건조에 의해 유도된 상 분리를 나타내어, 고밀도 구형 입자로 구성된 필름을 형성했습니다(그림 3d). 시간 경과 공초점 현미경은 이 과정을 자세히 포착했습니다. 동적 앙상블 → 구형 액적(LLPS) 형성 → 액적 융합 → 기공 형성을 동반한 응고(그림 3e–g).

✓ 부력 물방울과 다공성 입자의 형성 메커니즘
건조된 필름을 분석한 결과, 입자들은 대부분 다공성 반구형 구조를 나타냈습니다(그림 4a–c). 연구진은 부력이 액적 내 내부 기포 형성과 관련이 있다고 제안했습니다. 수분 증발은 펩타이드 구조의 탈수를 초래하고, 이는 공기로 대체되어 미세 공동화(microcavitation)를 유발하고 다공성 구조를 형성합니다(그림 4).

그림 4. 부력 물방울과 다공성 입자의 형성.

✓ 크기/형태 제어 및 공정 가역성
이 연구는 건조 조건을 조절함으로써 생성되는 입자의 크기와 균일성을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 온도 또는 완충액 염 농도를 증가시키면 상전이 과정이 가속화되어 더 작고 단분산성인 입자가 생성됩니다(그림 5a-d). 중요한 것은 이 전체 과정이 완전히 가역적이라는 것입니다(그림 5).

그림 5. 크기 조절, 모양 조절 및 가역성.

✓ 건조 유도 캡슐화 및 보존 응용 분야
본 연구의 핵심 응용 분야는 생체분자의 캡슐화 및 보존입니다. 제안된 메커니즘은 다음과 같습니다. 탑재체는 먼저 용액 내에서 정전기적, π-π 및 기타 상호작용을 통해 동적 펩타이드 앙상블과 비공유 복합체를 형성한 후, 건조 유도 액-액 상 분리 과정에서 형성된 액적 내에 효율적으로 포집됩니다(그림 6a). 실험을 통해 저분자 염료와 모델 단백질 모두 효율적으로 캡슐화될 수 있음을 확인했습니다(그림 6b-c). 기능 분석 결과, 펩타이드에 의해 캡슐화된 EGFP는 건조 상태에서 5일간 보관하고 이후 재수화한 후에도 강한 형광을 유지했습니다(그림 6d-f).

그림 6. 건조에 의한 캡슐화 및 보호.

04 결론

본 연구는 골격 수소 결합이 지배하는 기존 펩타이드 자가 조립 패러다임에 도전합니다. 연구진은 트립토판, 티로신, 라이신으로 구성된 최소 트리펩타이드 서열을 설계함으로써, 주로 여러 약한 곁사슬 상호작용에 의해 제어되는 동적 가용성 분산액을 개발했습니다. 이러한 분산액은 건조에 의해 유도되는 독특한 액체-액체 상 분리를 거쳐, 단단하고 다공성이며 가역적인 미세구형 입자를 자발적으로 형성합니다. 이 시스템은 단백질과 같은 생체 분자의 효율적인 단일 단계 캡슐화를 가능하게 하는 동시에 건조 상태에서 탁월한 안정성을 제공합니다.

예 허 교수는 "단백질 캡슐화 효율이 놀라울 정도로 높았습니다. 이렇게 짧은 펩타이드 서열이 이처럼 뛰어난 보호 성능을 보일 줄은 예상하지 못했습니다."라고 언급했습니다. 라인 울린 교수는 "이 연구는 펩타이드 자가 조직화의 새로운 메커니즘을 보여줄 뿐만 아니라 생명공학 응용 분야에 매우 간단하면서도 실용적인 소재 플랫폼을 제시합니다."라고 덧붙였습니다.

이 연구는 측쇄 화학을 기반으로 하는 환경 적응형 펩타이드 조립의 새로운 패러다임을 확립하여 초분자 화학 및 재료 과학 분야의 기초 지식을 발전시킵니다. 동시에, 생체분자 보존을 위한 간단하고 다재다능하며 확장 가능한 플랫폼을 개발하여 기초 연구와 실제 응용을 성공적으로 연결합니다. 생물학적 영감에서 기술 혁신 및 구현에 이르는 완전한 연구 궤적은 콜드체인 없는 백신 운송, 스마트 약물 전달, 바이오센싱, 조직 공학 스캐폴드 등 광범위한 응용 가능성을 보여줍니다. 연구팀은 이미 분무 건조와 같은 산업 친화적인 방법을 사용하여 기능성 미세입자 제조를 검증함으로써 산업 응용을 위한 기반을 마련하고 미래 생체재료 설계에 귀중한 통찰력을 제공합니다.링크 텍스트