금속유기골격체 기반 나노자임의 최근 연구동향
2020-11-21
org.kosen.entty.User@1241216
전영호(gulliver)
금속유기골격체 기반 나노자임의 최근 연구동향
전영호, YoungJhon@gmail.com
서울시 난지물재생센터
Key words
nanozyme, metal-organic frameworks (MOF), peroxidase, oxidase, multifunctional, sensor
나노자임, 금속유기골격체, 과산화효소, 산화효소, 다기능, 센서
1. 서론
생체촉매인, 효소(enzyme)는 우수한 촉매반응효율, 기질 특이성 같은 장점이 있어서, 식품, 의약품, 바이오의학같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 효소의 종류로는, (1) 항산화효소(superoxide dismutase, SOD), (2) 카탈라아제(catalase), (3) 산화효소(oxidase), (4) 과산화효소(peroxidase) 등이 있다. 한편 활성산소(reactive oxygen species, ROS)는 화학적으로 반응성이 뛰어난 산소 원자를 포함하는 분자를 말하는데, 초과산화물 라디칼(O2-•), 과산화수소(H2O2), 수산화기 라디칼(OH•) 등이 대표적인 ROS이다. 초과산화물은 주로 체내 호흡 과정에서 생성되는데, 이러한 활성산소는 적절히 제거되지 않으면 다른 분자들과 쉽게 산화반응을 일으킬 수 있어서 세포와 조직이 손상될 수 있다. SOD는 O2-•을 과산화수소와 산소로 변화시키는 효소이며, 수소이온도 반응물로 같이 작용한다.
2O2-• + 2H+ à H2O2 + O2
카탈라아제는 과산화수소를 분해하여 물과 산소로 만드는 효소이며, 과산화효소는 과산화수소를 분해하여 물로 변화시키면서 다른 기질(A)의 탈수소화, 즉 산화반응을 일으키는 효소이다 반응식은 각각 다음과 같다.
2H2O2 à 2H2O + O2
H2O2 + 2AH à 2H2O + 2A
산화효소는 기질을 산화시키는 효소이며, 그림 1에 대표적인 효소와 그 대상 반응을 나타내었다.
그림 1. 대표적인 효소유형과 그 반응 (참고문헌 2 변형, 참고문헌 3)
효소는 많은 장점이 있지만, (1) 적절한 온도, pH의 엄격한 반응 조건, (2) 복잡한 제조 및 정제 공정, (3) 촉매의 낮은 안정성 등의 단점이 있다. 이러한 상황에서, 2007년에 최초로 Fe3O4 자기 나노입자(magnetic nanoparticle, MNP)가 과산화효소 모방(peroxidase-mimetic) 촉매활성도를 보임이 보고되고 나서부터 지금까지, 이러한, 효소 모방(enzyme-mimetic) 나노물질로 정의되는 나노자임(nanozyme)에 대한 연구와 응용이 활발히 이루지고 있다. 이에 따라, 오늘날까지, 대여섯 효소활성을 모방한, 수백개의 나노입자들이 보고되었으며, 의약, 센서, 촉매, 환경공학 등 다앙한 분야에 널리 사용되고 있다. 나노자임은 천연효소에 비해, (1) 낮은 비용, (2) 제조의 용이성, (3) 양호한 안정성, (4) 설계제조(tailoring)가 가능한 점같은 몇가지 매력적인 장점이 있다. 특히, 분석분야에서, 나노자임의 활성도의 조절이 용이하여, 분석물(analyte) 감지를 위한, 풍부한 방법들이 가능하며, 고감도 정량분석을 위해, 나노촉매로서 신호를 확대할 수 있다. 따라서, 나노자임이 생화학적 감지(biochemical sensing) 분야에서 유망한 소재로 부각되고 있다. 한편, 금속유기골격체(metal-organic frameworks, MOF)는, 유기 리간드(ligand)와 금속노드로 구성되는 나노물질로서, 금속이온과 유기리간드 사이의 강한 상호작용(interaction)으로 인해, 다재다능한(versatile) 물성을 지니는, 독특한 골격구조 화합물이 될 수 있으며, 다음과 같은 장점이 있다.
(1) MOF의 다공성 구조는, 빠른 물질전달을 위한, 넓은 표면적과 풍부한 채널을 제공.
(2) 특정한 기공크기(pore size)로 인해, 목적물질의, 선택흡착, 적재(loading), 분리가 가능.
(3) MOF의 유기리간드는, 화학적 가공처리(chemical modification)를 위한, 풍부한 기능기뿐만 아니라, 매력적인, 광학적-, 전기적-, 열적- 물성을 제공.
(4) 비배위(uncoordinated) 금속노드가 촉매 활성점이 될 수 있음.
이러한 연유로, MOF가, 기체분리, 흡착제거, 화학촉매, 약물전달, 그리고 생화학적 분석 같은 다양한분야에서, 널리 사용되며, 유망한 물질로 간주되고 있다. 특히 감지분야에서, MOF는, 높은 다공성, 발광(luminescence, 냉광) 물성이 있어서, 광학적, 전기화학적, 역학적, 또는 다른 감지 모드(sensing mode)에 기반하여, 기체, 이온, 작은 분자로부터 방향족 화합물, 생리활성물질(bioactive species)에 이르는, 다양한 분석물의 감지에 널리 사용되고 있다 .특히, 지난 수년간, 몇몇 MOF 물질이, 작용면에서 생물학적 효소와 유사한 촉매활성을 가지는 것이 발견되었다. 예를 들면, 어떤 지르코늄(zirconium, Zr) 함유 MOF가, 유기인산 화학작용제(chemical warfare agent, CWA)를 분해하는 유기인(organic phosphorus) 가수분해효소 모방물질로서 작용할 수 있다. 이러한 MOF-기반 나노자임은, 탄소-, 귀금속-, 또는 전이금속- 화합물에 비해, 설계제조할 수 있으며, 다양한 구조와 작용이 가능한 특성을 가진다. 그러므로, 어떤 MOF 물질은 과산화효소 모방 나노자임과 천연효소의 운반체, 두가지 모두로서 사용될 수 있으며, 이에 따라, 높은 효율은 연쇄단계반응(cascade reaction)을 구현할 수 있다. 이처럼, MOF-기반 나노자임은 효소모방 활성도와 더불어, 다재다능한 물성이 있어서, 점점 많은 분야에 응용되고 있으며, 특히 생화학 감지분야에서 매우 유용하다. 이 보고서에서는 MOF-기반 나노자임의, 종류 및 응용, 다기능 나노자임로서의 작용 등에 대하여 알아보고자 한다.
2. MOF-기반 나노자임의 종류 및 응용
일반적으로, MOF는, 골격구조 내에 금속노드와 유기리간드 모두가 존재하며, 따라서, 효소 모방 촉매성능이 두가지 지점에서 발현될 수 있다. 즉, (1) MOF 내의 Fe, Cu, Co, Ni, Ce같은 금속노드가 촉매활성점으로 작용하거나, (2) MOF의 특별한 유기리간드들이, 어떤 기질로부터 전자를 받고, 다른 기질로 이 전자를 줌으로써 촉매작용을 할 수 있다. 지난 몇년간, 과산화효소, 산화효소, SOD, 가수분해효소를 포함하는 다양한 효소와 유사한 촉매특성을 지니는, 많은 수의, MOF 기반 나노자임이 발견되고 연구되어 왔다. 또한, 어떤 MOF는, 동일 또는 서로 다른 조건에서, 둘 또는 그 보다 많은 종류의 촉매 활성도를 보였다.
2.1. 과산화효소 모방 MOF-기반 나노자임
과산화효소는, H2O2 기질을 H2O로 촉매반응시키면서, 다른 기질을 탈수소화, 즉 산화시키는 생체촉매이다. 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)는 전형적인 과산화효소 과산화효소로서, 다양한 응용분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 HRP 구조에서, 산화환원 조인자(redox cofactor)로서의 활성 헤민(hemin) [포피린의 3가 철 착염]에 나선형(helical) 단백질이 결합되어(bound) 있다. HRP와 유사하게 Fe 산화환원 노드를 함유하는, 대여섯 MOF가 과산화효소 모방 촉매성능을 보인다고 보고되었다. 또한, 이러한 Fe 기반 MOF외 에도, 구리(Cu)-, 루데늄(Ru)-, 니켈(Ni)-, 기반 MOF같은 몇몇 다른 전이금속-함유 MOF도 과산효소 모방 물질로서 연구되고 있다. 한편, 생화학적 분석 응용에서, 특정 산화되는 기질(즉, 특성 환원성 기질)이 종종 나노자임 촉매반응과 연계되어 감지시스템을 구현한다. 여기서 이러한 기질은, 발색(colorimetric), 형광(fluorescent), 라만분광(Raman spectroscopic), 화학발광(chemiluminescent), 전기화학적 응답 등을 통해 감지작용을 하며, 3,5,3’,5’-테트라-메틸벤지딘(3,5,3’,5’-tetra-methylbezidine, TMB), 2,2’-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린)-6-술폰산[2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline)-6-sulfonic acid, ABTS], 티아민(thiamine) [티오크롬(thiochrome)으로 산화됨], 도파민(dopamine) [아미노크롬(aminochrome)으로 산화됨], 루미놀(luminol) [3-아미노프탈레이트(3-aminophthalate)로 산화됨], 테레프탈산(terephthalic acid, TA ) [TAOH로 산화됨] 등이 있다. 표1에 이러한 기질과 작용 예를 나타내었다. 과산화효소를 이용한 H2O2의 발색감지의 예로서, 과산화효소에 의해 H2O2가 물과 산소로 분해되며, TMB가 대응산화물인 TMBox로 산화되는 감지공정이 있다. 이 때, TMBox는 청색을 띠며, 산처리 후에는 노란색으로 변한다. 또한, TMBox는, 내부의 바이페닐(biphenyl) 구조가 외부 표지물질(foreign label)을 형광발현을 억제하여서, 형광감지(fluorescent detection)에 사용될 수 있다. 그밖에 TMBox는, 특징적인 라만신호(characteristic Raman signal)를 발생하므로, 표면증강 라만산란(surface enhanced Raman scattering, SERS) 감지법에 이용될 수 있다.
표 1. 산화 시 감지작용을 구현하는 기질의 종류와 작용 예 (참고문헌 1 변형)
선행연구에서, 헤민(hemin) 함유 MIL-101(Al)-NH2와 HKUST-1이 각각, TMB와 티아민을, 산화되는 기질로 하는 과산화효소 반응의 촉매로 작용함을 알았다. 지금까지, MOF-기반 나노물질을 포함한, 많은 효소모방 물질이 개발되었으나, 대부분이 매우 좁은 pH영역에서만 촉매활성을 보인다. 예를 들면, 대부분의 과산화효소 모방물질이, 온건하게 산성인(약 pH 4)인 매개체에서 최대의 촉매활성도를 보이며, 반면에, 중성 조건에서는 매우 약하거나, 심지어 촉매효과가 없는, 촉매활성을 가진다. 많은 생화학반응이 생리학적 환경에서만 일어나므로, 이렇게 좁은 pH 영역은 과산화효소 모방물질의 응용에 큰 걸림돌이 된다. 예를 들면, 포도당의 감지를 위해, 생리학적 조건에서, 포도당 산화효소(glucose oxidase, GOx)를 사용해 포도당을 산화시키고, 온건한 산성 pH조건에서, 과산화효소 모방물질을 촉매로 하여, 이 때 생성된 H2O2를 반응시켜 물과 산소를 생성하며, 동시에 다른 감지용 기질(예: TMB, ABTS)을 산화시켜 감지작용을 구현한다(그림 2a). 또한, 그림 2b에 일반적인 예로서, 산화효소와 나노자임을 사용한 기질물질의 감지를 나타내었다. 이러한 두 효소/효소 모방물질의, 작동 환경조건의 불일치는, 감지공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 분석 성능에 영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 넓은 pH 영역에서 활성도를 가지는 나노자임의 개발이 바람직하다.
그림 2. (a) 포도당 산화효소와 나노자임을 사용한 포도당의 발색 감지,
(b) 산화효소와 나노자임을 사용한 기질1의 감지. (참고문헌 2 변형, 참고문헌 3)
최근에, He와 연구자들은, 산과 알칼리 용액 모두에서 과산화효소 모방 활성도를 가지는, Ru(III)-기반 금속-유기 겔( Ru(III)-based metal-organic gel, Ru-MOG)을 제시하였다. 이러한 Ru-MOG는, H2O2 존재 하에서, pH 5.5 완충용액에서, 도파민을 아미노크롬으로 촉매변환시켰을 뿐만 아니라, pH 9.0에서는, 루미놀을 촉매산화시켜 화학발광 응답을 야기하였다.
2.2. 산화효소 모방 MOF-기반 나노자임
과산화효소와 더불어, 주요 MOF-기반 나노자임의 주요 모방대상 효소로서, 산화효소가 있다. 전형적으로, 몇몇, Ce(cerium, 세륨)-, Co-, Cu- 기반 MOF가 산화효소 모방 촉매활성도를 보임이 관찰되었다. 이러한 산화효소 모방 촉매반응에서 용존산소(dissolved oxygen)가 종종 참여한다. 산화효소 모방물질은, H2O2의 물과 산소로의 변환없이 기질의 산화반응만이 대상이 되므로, 과산화효소 모방물질에 비해, 더 간단한 반응조건이 요구되며, 따라서 더 많이 선호되고 있다. 일반적으로, 나노자임의 촉매 활성도는, 형태, 크기, 결정면, 표면화학에 매우 의존한다. 이러한 물리화학적 인자 외에, 빛같은 외부자극에 의해서도, 나노자임의 효소모방 활성도가 조절될 수 있다. 선행연구에서, 광조사(light irradiation)에 의해 산화효소 모방 촉매성이 활성화되는, 광감응 MOF(photosensitized MOF, PSMOF)가 보고되었다. PSMOF의 예로서, Zn-기반 MOF에, 광활성 리간드(photoactive ligand)로서, Ru(bpy)32+ [bpy: bipyridine] 유도체를 도입함으로써 PSMOF를 제조하였으며, 이 물질은, 광조사가 없으며, 산화효소 모방 활성도가 없어서, TMB-유도 색변환이나 특성 광흡수(characteristic absorption)가 일어나지 않으며, 반면에, 광조사 시에는, 촉매 성능이 활성화되어서, TMB 촉매산화에 따른 청색으로의 변환과 특성 광흡수를 야기하였다. 이처럼 PSMOF는, 외부 광조사 제어에 따라, PSMOF 나노자임의 촉매작용을 쉽게 시작 또는 정지시킬 수 있으며, 이를 통해 제어가능 센서/바이오센서의 제작이 가능하다. 한편, 특별한 산화효소로서, 락카아제(laccase)는 페놀을 벤조퀴논(benzoquinone) 화합물로 촉매산화시킬 수 있으며, 따라서, 락카아제는 페놀류 오염물질의 감지나 제거에 사용된다. 이러한 천연 락카아제의 조성과 구조에 영감을 받아, Liang과 연구자들은, 일인산 구아노신(guanosine monophosphate, GMP)으로 배위된 구리(Cu)로 이루어진, 락카아제 모방물질, 즉, Cu/GMP MOF를 개발하였다. 이렇게 얻어진 Cu/GMP MOF [Cu:GMP = 3:4] 는, 페놀함유 기질의 촉매전환반응에서, 천연 락카아제보다 더 우수한 촉매활성도를 보였으며, 에피네프린(epinephrine)의 발색감지법(colorimetric assay)에 사용될 수 있다.
2.3. SOD 모방 MOF-기반 나노자임
SOD는 초산소이온 라디칼(superoxide radical, 2O2-• )을 과산화수소와 물로 변환시키는 효소이다. Qu와 연구자들은, SOD 모방 나노자임인 Cu-TCPP MOF 화합물을 설계하였다 .또한, 이 화합물의 촉매 활성도를 향상시키기 위해, 초음파처리(sonification)을 통해, Cu-TCPP 나노시트(nanosheet)를 초소형(ultrasmall) 나노점(nanodot) 형태로 만들었다. 이렇게 제조된 나노점은, 천연효소와 유사한 크기를 가졌으며, 원 나노시트에 비해, 더 낮은 확산장벽을 가지고, 기질에 더 많은 접근가능 촉매점을 제공하였을 뿐만 아니라, 신장 청소(renal clearance)를 통해 체내에서 제거될 수도 있어서, 나노자임의 독성(toxicity)을 크게 감소시켰다. 시험관(in vitro) 및 체내(in vivo) 실험에서, SOD 모방 Cu-TCPP MOF 나노자임은, 내독소혈종(endotoxemia)을 높은 효율로 완화시키면서, 나노점 자체의 독성을 매우 낮게 유지하였다.
2.4. 가수분해효소 모방 MOF-기반 나노자임
가수분해효소는 기질의 가수분해 반응에 작용하는 생체촉매이다 이러한 가수분해효소는 크게세가지 주요유형 즉, (1) 유기인 가수분해효소(organophosphorus hydrolase) [인산 에스테르 결합 가수분해 효소임], (2) 프로테아제(protease) [단백질의 가수분해 효소임], (3) 에스테라제(esterase) [에스테르결합의 가수분해 효소임]으로 나뉠 수 있다. 이러한 가수분해효소들을 모방하는 MOF-기반 나노자임의 예는 다음과 같다.
유기인 가수분해효소 모방 MOF-기반 나노자임 : Zr-함유 MOF가, 유기인 가수분해효소처럼, 인산 에스테르 결합을 효과적으로 끊을 수 있다. 이러한 특성은, 이 MOF 내의 Zr-O 클러스터와 인산기 사이의 강하고 특정적인(specific) 상호작용에 기인한다고 생각된다. 선행연구에서, Farha와 연구자들은, Zr6-기반 MOF인 Nu-1000이, 인산 에스테르 결합을 함유하는 화학작용제(chemical warfare agent, CWA)를 효율적으로 가수분해한다고 보고하였다. 이러한 Nu-1000은, 8개의 Zr6(μ3-O)4(μ3-OH)4-(H2O)4(OH)4 노드와 4원 1,3,6,8(p-벤조에이트)피렌 [ tetratopic 1,3,6,8(p-benzoate) ] 링커로 구성되며, 극도로 넓은 기공과 채널을 지니고 있어, 반응을 위해, 부피가 큰(bulky) 인산 에스테르 분자를 전체 골격구조 내로 퍼질(permeate) 수 있도록 한다.
프로테아제 모방 MOF-기반 나노자임 : 선행연구에서, HKUST-1 MOF가, 프로테아제 모방 나노자임으로 작용하여, 트립신(trypsin)에 비해, 소혈청알부민(bovine serum albumin, BSA)에 더 강한 친화성(affinity)을 가진다고 [BSA에 대한 Michaelis 상수가 트립신에 대한 값보다 26000배 더 작음], 보고되었다.
에스테라제 모방 MOF-기반 나노자임 : 최근, 인간 탄산무수화효소(carbonic anhydrase) [이산화탄소와 물을 탄산수소이온(HCO3-)과 수소이온(H+)으로 전환시키는 효소]인 hCAII의 조성과 구조에 영향을 받아, 에스테르를 효과적으로 가수분해시킬 수 있는, 일련의 zeolitic imidazole frameworkZ (ZIF) 물질을 설게 및 제조하였다. hCAII에서, 활성중심은, 3개의 대칭 히스티딘 이미다졸과 1개의 물분자가 사면체 형태로 배위된 Zn2+이다. hCAII와 유사하게, ZIF-8 MOF의 활성중심은, 4개의 2-메틸아미다졸레이트(2-methylimidazolate, 2mIM) 리간드로 배위된 Zn2+이다(그림 3). 이러한 ZIF-8은, p-니트로페닐 아세티이트(p-nitrophenyl acetate, p-NPA)의 가수분해에 대해, 천연 에스테라제에 비견되는 촉매활성도를 보였다.
그림 3. hCAII (위)와 ZIF-8(아래)의 구조 비교 (참고문헌 5 변형)
지금까지, 과산화효소-, 산화효소-, SOD-, 가수분해효소- 모방 MOF-기반 나노자임에 대하여 알아보았으며, 표2에 MOF-기반 나노자임의 분석방법으로의 응용예를 나타내었다.
표 2. MOF-기반 나노자임의 분석적 응용 (참고문헌 6 변형)
※ LOD : 검출한계(limit of detection), AA : 아스코로브산(ascorbic acid), Cys : 시스테인(cysteine),
GSH : 글루타티온(glutathione), Hcy : 호모시스테인(homocysteine)
3. 다기능 MOF-기반 나노자임
MOF는, 금속노드와 유기링커로 구성되는 독특한 골격구조를 지녀서, 나노자임으로서 작용할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 다른 역할도 할 수 있다. 이러한 예들은 다음과 같다.
천연효소 운반체 역할도 하는 MOF-기반 나노자임 : 많은 생물시스템에서, 제한된 공간에서, 연속촉매반응이 일어난다. MOF는 독특한 기공구조를 지녀서, 효소모방 물질뿐만 아니라 천연효소 운반체 역할도 수행할 수 있다. 천연효소 적재(loading)를 위해서 크게 두가지 전략, 즉 (1) MOF 합성 중의 천연효소 가둠(다시 말해, ‘ship in the bottle’) 전략과 (2) MOF 합성 후의 천연효소 적재 가공처리 전략이 있다. 선행연구에서, Wei와 연구자들은, ZIF-8 합성 중에, 연속반응의 두 촉매 중의 하나인, 헤민-GOx를 골격구조 가두어, 천연효소 헤민-GOx와 MOF 나노자임을 모두 함유하는 화합물을 구현하였다. 이러한 화합물에서, 첫번째 효소반응이 두번째효소의 모방물질 근처에서 이루어지기 때문에, 첫번째반응의 생성물이 즉시, 기질로서 두번째 반응에 참여할 수 있으며, 이로 인해 확산-율속 반응동력학(diffusion-limited kinetics)과 첫번째반응 생성물이 불안전한 경우의 문제를 극복할 수 있게 한다.
분석신호원으로 작용하는 MOF-기반 나노자임 : 전형적인 나노자임의 감지공정에서, 응답신호를 발생하기 위해, 종종 신호발생 기질이 첨가된다. 이는 감지공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 촉매반응을 약화시킬 수 있다. MOF-기반 나노자임은, 이러한 신호발생 기질을 골격구조에 포함할 수 있다. 예를 들면, CuBDC MOF는 두 종류의 촉매모방 물질과 1개의 형광신호 발생 물질을, 골격구조에 모두 함유하고 있다. 즉, CuBDC의 Cu-O 클러스터는 시스테인(cysteine)을 시스틴(cystine)으로 촉매산화시키며, 이 때 생성된 H2O2를 기질로 하여 과산화효소 작용을 하여, 수산화기 라디칼(•OH)을 생성한다. 또한, 바이디카복실레이트(bidicarboxylate, BDC) 유기 리간드가, 형광신호 발생원으로 작용한다(그림 4). 이러한 CuBDC를 촉매로 한 연속 2단계 반응과, 이 MOF의 자극-응답 형광 작용의 조합 시스템은, 단순한 공정을 통한 시스테인의 고효율 감지를 구현한다.
그림 4. 시스테인 감지를 위한, CuBDC의, 시스테인 산화효소 모방 활성도,
과산화효소 모방 활성도 및 형광 자극-응답 (참고문헌 39 변형)
4. 결론
의심할 여지없이, 지난 수년간, 나노자임에 대한, 다양한 물질 연구와 응용 개발이 급속히 이루어졌다. 이러한 나노자임 중에서, MOF-기반 나노자임이, 독특한 특성을 지녀서, 많은 관심을 받고 있다. 즉, MOF의 다재다능한 물성과 효소모발 촉매활성을 조합할 수 있으며, 이는, 바이오약품, 환경공학, 촉매합성, 그리고 특히 센서 분야에 적합하다. 하지만, MOF는-기반 나노자임의 산업적 응용확장을 위해서는, 몇가지 해결과제가 있다. 그 중에서, 대부분의 MOF가 수분에 약하다는 점은 응용확장에 큰 걸림돌이 된다. 즉, 많은 생리반응이 수용액 상에서 일어나는데, 대부분의 MOF는 유기용매 상에서 제조되며, 수용액상에서는 MOF 구조가 파괴되기 시작하여, 반응 후에는, MOF-기반 나노자임의 재이용이 불가능하게 된다. 이에 따라, 수분에 강한 MOF의 개발이 시급하다. 선행연구에서, Zr-기반 MOF가 수용액에서 안정적이며, HKUST-1의 금속 노드에 희생결합(sacrificial bond) [어떤 자금에 의해 결합이 끊어지면서, 그 자극의 효과를 완화시키는, 결합형태]을 추가함으로써 내수성을 강화할 수 있다는 보고가 있었다. 향후, 범용으로 적용가능한, MOF의 내수성을 부여하는 일반적인 후처리 방법이나 내수성 MOF 제조방법 등의 개발이 이루어져야 할 것으로 생각된다. MOF-기반 나노자임 물질개발과 응용은, 잠재성과 응용가능 분야의 다양성이 막대하지만, 아직 초기단계에 있다. 이에 대하여, 많은 관련 연구자들의 심도있고 다양한 연구가 활발히 이루어지길 기대한다.
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전영호, YoungJhon@gmail.com
서울시 난지물재생센터
Key words
nanozyme, metal-organic frameworks (MOF), peroxidase, oxidase, multifunctional, sensor
나노자임, 금속유기골격체, 과산화효소, 산화효소, 다기능, 센서
1. 서론
생체촉매인, 효소(enzyme)는 우수한 촉매반응효율, 기질 특이성 같은 장점이 있어서, 식품, 의약품, 바이오의학같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 효소의 종류로는, (1) 항산화효소(superoxide dismutase, SOD), (2) 카탈라아제(catalase), (3) 산화효소(oxidase), (4) 과산화효소(peroxidase) 등이 있다. 한편 활성산소(reactive oxygen species, ROS)는 화학적으로 반응성이 뛰어난 산소 원자를 포함하는 분자를 말하는데, 초과산화물 라디칼(O2-•), 과산화수소(H2O2), 수산화기 라디칼(OH•) 등이 대표적인 ROS이다. 초과산화물은 주로 체내 호흡 과정에서 생성되는데, 이러한 활성산소는 적절히 제거되지 않으면 다른 분자들과 쉽게 산화반응을 일으킬 수 있어서 세포와 조직이 손상될 수 있다. SOD는 O2-•을 과산화수소와 산소로 변화시키는 효소이며, 수소이온도 반응물로 같이 작용한다.
2O2-• + 2H+ à H2O2 + O2
카탈라아제는 과산화수소를 분해하여 물과 산소로 만드는 효소이며, 과산화효소는 과산화수소를 분해하여 물로 변화시키면서 다른 기질(A)의 탈수소화, 즉 산화반응을 일으키는 효소이다 반응식은 각각 다음과 같다.
2H2O2 à 2H2O + O2
H2O2 + 2AH à 2H2O + 2A
산화효소는 기질을 산화시키는 효소이며, 그림 1에 대표적인 효소와 그 대상 반응을 나타내었다.
그림 1. 대표적인 효소유형과 그 반응 (참고문헌 2 변형, 참고문헌 3)
효소는 많은 장점이 있지만, (1) 적절한 온도, pH의 엄격한 반응 조건, (2) 복잡한 제조 및 정제 공정, (3) 촉매의 낮은 안정성 등의 단점이 있다. 이러한 상황에서, 2007년에 최초로 Fe3O4 자기 나노입자(magnetic nanoparticle, MNP)가 과산화효소 모방(peroxidase-mimetic) 촉매활성도를 보임이 보고되고 나서부터 지금까지, 이러한, 효소 모방(enzyme-mimetic) 나노물질로 정의되는 나노자임(nanozyme)에 대한 연구와 응용이 활발히 이루지고 있다. 이에 따라, 오늘날까지, 대여섯 효소활성을 모방한, 수백개의 나노입자들이 보고되었으며, 의약, 센서, 촉매, 환경공학 등 다앙한 분야에 널리 사용되고 있다. 나노자임은 천연효소에 비해, (1) 낮은 비용, (2) 제조의 용이성, (3) 양호한 안정성, (4) 설계제조(tailoring)가 가능한 점같은 몇가지 매력적인 장점이 있다. 특히, 분석분야에서, 나노자임의 활성도의 조절이 용이하여, 분석물(analyte) 감지를 위한, 풍부한 방법들이 가능하며, 고감도 정량분석을 위해, 나노촉매로서 신호를 확대할 수 있다. 따라서, 나노자임이 생화학적 감지(biochemical sensing) 분야에서 유망한 소재로 부각되고 있다. 한편, 금속유기골격체(metal-organic frameworks, MOF)는, 유기 리간드(ligand)와 금속노드로 구성되는 나노물질로서, 금속이온과 유기리간드 사이의 강한 상호작용(interaction)으로 인해, 다재다능한(versatile) 물성을 지니는, 독특한 골격구조 화합물이 될 수 있으며, 다음과 같은 장점이 있다.
(1) MOF의 다공성 구조는, 빠른 물질전달을 위한, 넓은 표면적과 풍부한 채널을 제공.
(2) 특정한 기공크기(pore size)로 인해, 목적물질의, 선택흡착, 적재(loading), 분리가 가능.
(3) MOF의 유기리간드는, 화학적 가공처리(chemical modification)를 위한, 풍부한 기능기뿐만 아니라, 매력적인, 광학적-, 전기적-, 열적- 물성을 제공.
(4) 비배위(uncoordinated) 금속노드가 촉매 활성점이 될 수 있음.
이러한 연유로, MOF가, 기체분리, 흡착제거, 화학촉매, 약물전달, 그리고 생화학적 분석 같은 다양한분야에서, 널리 사용되며, 유망한 물질로 간주되고 있다. 특히 감지분야에서, MOF는, 높은 다공성, 발광(luminescence, 냉광) 물성이 있어서, 광학적, 전기화학적, 역학적, 또는 다른 감지 모드(sensing mode)에 기반하여, 기체, 이온, 작은 분자로부터 방향족 화합물, 생리활성물질(bioactive species)에 이르는, 다양한 분석물의 감지에 널리 사용되고 있다 .특히, 지난 수년간, 몇몇 MOF 물질이, 작용면에서 생물학적 효소와 유사한 촉매활성을 가지는 것이 발견되었다. 예를 들면, 어떤 지르코늄(zirconium, Zr) 함유 MOF가, 유기인산 화학작용제(chemical warfare agent, CWA)를 분해하는 유기인(organic phosphorus) 가수분해효소 모방물질로서 작용할 수 있다. 이러한 MOF-기반 나노자임은, 탄소-, 귀금속-, 또는 전이금속- 화합물에 비해, 설계제조할 수 있으며, 다양한 구조와 작용이 가능한 특성을 가진다. 그러므로, 어떤 MOF 물질은 과산화효소 모방 나노자임과 천연효소의 운반체, 두가지 모두로서 사용될 수 있으며, 이에 따라, 높은 효율은 연쇄단계반응(cascade reaction)을 구현할 수 있다. 이처럼, MOF-기반 나노자임은 효소모방 활성도와 더불어, 다재다능한 물성이 있어서, 점점 많은 분야에 응용되고 있으며, 특히 생화학 감지분야에서 매우 유용하다. 이 보고서에서는 MOF-기반 나노자임의, 종류 및 응용, 다기능 나노자임로서의 작용 등에 대하여 알아보고자 한다.
2. MOF-기반 나노자임의 종류 및 응용
일반적으로, MOF는, 골격구조 내에 금속노드와 유기리간드 모두가 존재하며, 따라서, 효소 모방 촉매성능이 두가지 지점에서 발현될 수 있다. 즉, (1) MOF 내의 Fe, Cu, Co, Ni, Ce같은 금속노드가 촉매활성점으로 작용하거나, (2) MOF의 특별한 유기리간드들이, 어떤 기질로부터 전자를 받고, 다른 기질로 이 전자를 줌으로써 촉매작용을 할 수 있다. 지난 몇년간, 과산화효소, 산화효소, SOD, 가수분해효소를 포함하는 다양한 효소와 유사한 촉매특성을 지니는, 많은 수의, MOF 기반 나노자임이 발견되고 연구되어 왔다. 또한, 어떤 MOF는, 동일 또는 서로 다른 조건에서, 둘 또는 그 보다 많은 종류의 촉매 활성도를 보였다.
2.1. 과산화효소 모방 MOF-기반 나노자임
과산화효소는, H2O2 기질을 H2O로 촉매반응시키면서, 다른 기질을 탈수소화, 즉 산화시키는 생체촉매이다. 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)는 전형적인 과산화효소 과산화효소로서, 다양한 응용분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 HRP 구조에서, 산화환원 조인자(redox cofactor)로서의 활성 헤민(hemin) [포피린의 3가 철 착염]에 나선형(helical) 단백질이 결합되어(bound) 있다. HRP와 유사하게 Fe 산화환원 노드를 함유하는, 대여섯 MOF가 과산화효소 모방 촉매성능을 보인다고 보고되었다. 또한, 이러한 Fe 기반 MOF외 에도, 구리(Cu)-, 루데늄(Ru)-, 니켈(Ni)-, 기반 MOF같은 몇몇 다른 전이금속-함유 MOF도 과산효소 모방 물질로서 연구되고 있다. 한편, 생화학적 분석 응용에서, 특정 산화되는 기질(즉, 특성 환원성 기질)이 종종 나노자임 촉매반응과 연계되어 감지시스템을 구현한다. 여기서 이러한 기질은, 발색(colorimetric), 형광(fluorescent), 라만분광(Raman spectroscopic), 화학발광(chemiluminescent), 전기화학적 응답 등을 통해 감지작용을 하며, 3,5,3’,5’-테트라-메틸벤지딘(3,5,3’,5’-tetra-methylbezidine, TMB), 2,2’-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린)-6-술폰산[2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline)-6-sulfonic acid, ABTS], 티아민(thiamine) [티오크롬(thiochrome)으로 산화됨], 도파민(dopamine) [아미노크롬(aminochrome)으로 산화됨], 루미놀(luminol) [3-아미노프탈레이트(3-aminophthalate)로 산화됨], 테레프탈산(terephthalic acid, TA ) [TAOH로 산화됨] 등이 있다. 표1에 이러한 기질과 작용 예를 나타내었다. 과산화효소를 이용한 H2O2의 발색감지의 예로서, 과산화효소에 의해 H2O2가 물과 산소로 분해되며, TMB가 대응산화물인 TMBox로 산화되는 감지공정이 있다. 이 때, TMBox는 청색을 띠며, 산처리 후에는 노란색으로 변한다. 또한, TMBox는, 내부의 바이페닐(biphenyl) 구조가 외부 표지물질(foreign label)을 형광발현을 억제하여서, 형광감지(fluorescent detection)에 사용될 수 있다. 그밖에 TMBox는, 특징적인 라만신호(characteristic Raman signal)를 발생하므로, 표면증강 라만산란(surface enhanced Raman scattering, SERS) 감지법에 이용될 수 있다.
표 1. 산화 시 감지작용을 구현하는 기질의 종류와 작용 예 (참고문헌 1 변형)
| 과산화효소 기질 | 생성물 | 비고 | 적용 |
 TMB |
 TMBox |
TMBox는 청색을 띠며, 외부표지물질의 형광작용을 억제하고, 특징적인 라만신호를 가짐 | 발색법, 형광감지, SERS |
 ABTS |
 ABTSox |
ABTSox는 녹색을 띠며, 전기화학적 으로 ABTS로 환원될 수 있음. |
발색법, 전기화학센서 |
 thiamine |
 thiochrome |
thiochrome은 435 nm 부근에서 형광함 | 형광감지 |
 dopamine |
 aminochrome |
aminochrome은 525 nm 부근에서 형광함 | 형광감지 |
 luminol |
 3-aminophthalate |
luminol의 3-aminophthalate 로의 산화는 화학발광 신호를 발생시킴 |
화학발광 감지 |
 terephthalic acid |
 TaOH |
aminochrome은 525 nm 부근에서 형광함 | 형광감지 |
선행연구에서, 헤민(hemin) 함유 MIL-101(Al)-NH2와 HKUST-1이 각각, TMB와 티아민을, 산화되는 기질로 하는 과산화효소 반응의 촉매로 작용함을 알았다. 지금까지, MOF-기반 나노물질을 포함한, 많은 효소모방 물질이 개발되었으나, 대부분이 매우 좁은 pH영역에서만 촉매활성을 보인다. 예를 들면, 대부분의 과산화효소 모방물질이, 온건하게 산성인(약 pH 4)인 매개체에서 최대의 촉매활성도를 보이며, 반면에, 중성 조건에서는 매우 약하거나, 심지어 촉매효과가 없는, 촉매활성을 가진다. 많은 생화학반응이 생리학적 환경에서만 일어나므로, 이렇게 좁은 pH 영역은 과산화효소 모방물질의 응용에 큰 걸림돌이 된다. 예를 들면, 포도당의 감지를 위해, 생리학적 조건에서, 포도당 산화효소(glucose oxidase, GOx)를 사용해 포도당을 산화시키고, 온건한 산성 pH조건에서, 과산화효소 모방물질을 촉매로 하여, 이 때 생성된 H2O2를 반응시켜 물과 산소를 생성하며, 동시에 다른 감지용 기질(예: TMB, ABTS)을 산화시켜 감지작용을 구현한다(그림 2a). 또한, 그림 2b에 일반적인 예로서, 산화효소와 나노자임을 사용한 기질물질의 감지를 나타내었다. 이러한 두 효소/효소 모방물질의, 작동 환경조건의 불일치는, 감지공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 분석 성능에 영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 넓은 pH 영역에서 활성도를 가지는 나노자임의 개발이 바람직하다.
그림 2. (a) 포도당 산화효소와 나노자임을 사용한 포도당의 발색 감지,
(b) 산화효소와 나노자임을 사용한 기질1의 감지. (참고문헌 2 변형, 참고문헌 3)
최근에, He와 연구자들은, 산과 알칼리 용액 모두에서 과산화효소 모방 활성도를 가지는, Ru(III)-기반 금속-유기 겔( Ru(III)-based metal-organic gel, Ru-MOG)을 제시하였다. 이러한 Ru-MOG는, H2O2 존재 하에서, pH 5.5 완충용액에서, 도파민을 아미노크롬으로 촉매변환시켰을 뿐만 아니라, pH 9.0에서는, 루미놀을 촉매산화시켜 화학발광 응답을 야기하였다.
2.2. 산화효소 모방 MOF-기반 나노자임
과산화효소와 더불어, 주요 MOF-기반 나노자임의 주요 모방대상 효소로서, 산화효소가 있다. 전형적으로, 몇몇, Ce(cerium, 세륨)-, Co-, Cu- 기반 MOF가 산화효소 모방 촉매활성도를 보임이 관찰되었다. 이러한 산화효소 모방 촉매반응에서 용존산소(dissolved oxygen)가 종종 참여한다. 산화효소 모방물질은, H2O2의 물과 산소로의 변환없이 기질의 산화반응만이 대상이 되므로, 과산화효소 모방물질에 비해, 더 간단한 반응조건이 요구되며, 따라서 더 많이 선호되고 있다. 일반적으로, 나노자임의 촉매 활성도는, 형태, 크기, 결정면, 표면화학에 매우 의존한다. 이러한 물리화학적 인자 외에, 빛같은 외부자극에 의해서도, 나노자임의 효소모방 활성도가 조절될 수 있다. 선행연구에서, 광조사(light irradiation)에 의해 산화효소 모방 촉매성이 활성화되는, 광감응 MOF(photosensitized MOF, PSMOF)가 보고되었다. PSMOF의 예로서, Zn-기반 MOF에, 광활성 리간드(photoactive ligand)로서, Ru(bpy)32+ [bpy: bipyridine] 유도체를 도입함으로써 PSMOF를 제조하였으며, 이 물질은, 광조사가 없으며, 산화효소 모방 활성도가 없어서, TMB-유도 색변환이나 특성 광흡수(characteristic absorption)가 일어나지 않으며, 반면에, 광조사 시에는, 촉매 성능이 활성화되어서, TMB 촉매산화에 따른 청색으로의 변환과 특성 광흡수를 야기하였다. 이처럼 PSMOF는, 외부 광조사 제어에 따라, PSMOF 나노자임의 촉매작용을 쉽게 시작 또는 정지시킬 수 있으며, 이를 통해 제어가능 센서/바이오센서의 제작이 가능하다. 한편, 특별한 산화효소로서, 락카아제(laccase)는 페놀을 벤조퀴논(benzoquinone) 화합물로 촉매산화시킬 수 있으며, 따라서, 락카아제는 페놀류 오염물질의 감지나 제거에 사용된다. 이러한 천연 락카아제의 조성과 구조에 영감을 받아, Liang과 연구자들은, 일인산 구아노신(guanosine monophosphate, GMP)으로 배위된 구리(Cu)로 이루어진, 락카아제 모방물질, 즉, Cu/GMP MOF를 개발하였다. 이렇게 얻어진 Cu/GMP MOF [Cu:GMP = 3:4] 는, 페놀함유 기질의 촉매전환반응에서, 천연 락카아제보다 더 우수한 촉매활성도를 보였으며, 에피네프린(epinephrine)의 발색감지법(colorimetric assay)에 사용될 수 있다.
2.3. SOD 모방 MOF-기반 나노자임
SOD는 초산소이온 라디칼(superoxide radical, 2O2-• )을 과산화수소와 물로 변환시키는 효소이다. Qu와 연구자들은, SOD 모방 나노자임인 Cu-TCPP MOF 화합물을 설계하였다 .또한, 이 화합물의 촉매 활성도를 향상시키기 위해, 초음파처리(sonification)을 통해, Cu-TCPP 나노시트(nanosheet)를 초소형(ultrasmall) 나노점(nanodot) 형태로 만들었다. 이렇게 제조된 나노점은, 천연효소와 유사한 크기를 가졌으며, 원 나노시트에 비해, 더 낮은 확산장벽을 가지고, 기질에 더 많은 접근가능 촉매점을 제공하였을 뿐만 아니라, 신장 청소(renal clearance)를 통해 체내에서 제거될 수도 있어서, 나노자임의 독성(toxicity)을 크게 감소시켰다. 시험관(in vitro) 및 체내(in vivo) 실험에서, SOD 모방 Cu-TCPP MOF 나노자임은, 내독소혈종(endotoxemia)을 높은 효율로 완화시키면서, 나노점 자체의 독성을 매우 낮게 유지하였다.
2.4. 가수분해효소 모방 MOF-기반 나노자임
가수분해효소는 기질의 가수분해 반응에 작용하는 생체촉매이다 이러한 가수분해효소는 크게세가지 주요유형 즉, (1) 유기인 가수분해효소(organophosphorus hydrolase) [인산 에스테르 결합 가수분해 효소임], (2) 프로테아제(protease) [단백질의 가수분해 효소임], (3) 에스테라제(esterase) [에스테르결합의 가수분해 효소임]으로 나뉠 수 있다. 이러한 가수분해효소들을 모방하는 MOF-기반 나노자임의 예는 다음과 같다.
유기인 가수분해효소 모방 MOF-기반 나노자임 : Zr-함유 MOF가, 유기인 가수분해효소처럼, 인산 에스테르 결합을 효과적으로 끊을 수 있다. 이러한 특성은, 이 MOF 내의 Zr-O 클러스터와 인산기 사이의 강하고 특정적인(specific) 상호작용에 기인한다고 생각된다. 선행연구에서, Farha와 연구자들은, Zr6-기반 MOF인 Nu-1000이, 인산 에스테르 결합을 함유하는 화학작용제(chemical warfare agent, CWA)를 효율적으로 가수분해한다고 보고하였다. 이러한 Nu-1000은, 8개의 Zr6(μ3-O)4(μ3-OH)4-(H2O)4(OH)4 노드와 4원 1,3,6,8(p-벤조에이트)피렌 [ tetratopic 1,3,6,8(p-benzoate) ] 링커로 구성되며, 극도로 넓은 기공과 채널을 지니고 있어, 반응을 위해, 부피가 큰(bulky) 인산 에스테르 분자를 전체 골격구조 내로 퍼질(permeate) 수 있도록 한다.
프로테아제 모방 MOF-기반 나노자임 : 선행연구에서, HKUST-1 MOF가, 프로테아제 모방 나노자임으로 작용하여, 트립신(trypsin)에 비해, 소혈청알부민(bovine serum albumin, BSA)에 더 강한 친화성(affinity)을 가진다고 [BSA에 대한 Michaelis 상수가 트립신에 대한 값보다 26000배 더 작음], 보고되었다.
에스테라제 모방 MOF-기반 나노자임 : 최근, 인간 탄산무수화효소(carbonic anhydrase) [이산화탄소와 물을 탄산수소이온(HCO3-)과 수소이온(H+)으로 전환시키는 효소]인 hCAII의 조성과 구조에 영향을 받아, 에스테르를 효과적으로 가수분해시킬 수 있는, 일련의 zeolitic imidazole frameworkZ (ZIF) 물질을 설게 및 제조하였다. hCAII에서, 활성중심은, 3개의 대칭 히스티딘 이미다졸과 1개의 물분자가 사면체 형태로 배위된 Zn2+이다. hCAII와 유사하게, ZIF-8 MOF의 활성중심은, 4개의 2-메틸아미다졸레이트(2-methylimidazolate, 2mIM) 리간드로 배위된 Zn2+이다(그림 3). 이러한 ZIF-8은, p-니트로페닐 아세티이트(p-nitrophenyl acetate, p-NPA)의 가수분해에 대해, 천연 에스테라제에 비견되는 촉매활성도를 보였다.
그림 3. hCAII (위)와 ZIF-8(아래)의 구조 비교 (참고문헌 5 변형)
지금까지, 과산화효소-, 산화효소-, SOD-, 가수분해효소- 모방 MOF-기반 나노자임에 대하여 알아보았으며, 표2에 MOF-기반 나노자임의 분석방법으로의 응용예를 나타내었다.
표 2. MOF-기반 나노자임의 분석적 응용 (참고문헌 6 변형)
| 감지법 | 목적 물질 | MOF 기반 나노자임 | 선형범위 | LOD | 참고문헌 |
| 발색 감지 |
H2O2 | MIL-53(Fe) | 0.95-19 μM | 0.13 μM | 7 |
| H2O2 | MIL-53(Fe) | 0.25-20 μM | - | 8 | |
| H2O2 | MIL-53(Fe) | 2-20.3 μM | 0.56 μM | 9 | |
| 포도당 | MIL-53(Fe) | 0.25-20 μM | 0.25 μM | 8 | |
| 포도당 | Fe-MIL-88NH2 | 2-300 μM | 0.48 μM | 10 | |
| 포도당 | Cu-hemin MOFs | 0.01-3 μM | 6.9 μM | 11 | |
| AA | MIL-53(Fe) | 28.6-190 μM | 15 μM | 7 | |
| AA | Fe-MIL-88A | 2.57-10.1 μM | 1.03 μM | 9 | |
| AA | MIL-68(Fe) | 30-485 μM | 6 μM | 12 | |
| Cys | Ce-MOF | 0-40 μM | 0.135 μM | 13 | |
| Cys | Ce-MOF | 0-1.0 μM | 0.150 μM | 14 | |
| Cys | UIO-66(NH2) | 5-120 μM | 0.306 μM | 15 | |
| GSH | Ce-MOF | 0-40 μM | 0.129 μM | 13 | |
| GSH | Ce-MOF | 0-1.0 μM | 0.132 μM | 14 | |
| GSH | UIO-66(NH2) | 5-120 μM | 0.310 μM | 15 | |
| Hcy | Ce-MOF | 0-40 μM | 0.143 μM | 13 | |
| Hcy | Ce-MOF | 0-1.0 μM | 0.125 μM | 14 | |
| Hcy | UIO-66(NH2) | 5-120 μM | 0.330 μM | 15 | |
| 콜레스테롤 | Fe3O4@MIL-100(Fe) | 2-50 μM | 0.8 μM | 16 | |
| 요산(uric acid) | MIL-53(Fe) | 4.5-60 μM | 1.3 μM | 17 | |
| 도파민 | Fe-MIL-88NH2 | 0.05-30 μM | 50 nM | 18 | |
| 에피네프린 | Cu-GMP MOF | 5-50 μg/mL | 0.41 μg/mL | 19 | |
| 페놀 | BHb@ZIF-8 | 0-200 μM | 1 μM | 20 | |
| Hg2+ | Pt NP@UIO-66(NH2) | 0-10 nM | 0.35 nM | 21 | |
| Hg2+ | PCuS | 3.0-40 μM | 0.22 μM | 22 | |
| 암세포 | Fe-MIL-1001 | 50-500 셀(cell) | 10 셀 | 23 | |
| 트롬빈 | Fe-MIL-88A | 10-80 nM | 0.8 nM | 24 | |
| 형광 감지 |
H2O2 | TMBDA-MIL-100(Fe) | 1-30 μM | 0.329 μM | 25 |
| H2O2 | PA-Tb-Cu MOF | 0-500 μM | 0.2 μM | 26 | |
| 포도당 | GOx-hemin@ZIF-8 | 100-1000 μM | - | 27 | |
| 도파민 | Fe-MIL-88 | 0.05-30 μM | 46 nM | 28 | |
| 도파민 | Fe-MIL-88NH2 | 0.03-4 mM | 30 μM | 18 | |
| GSH | Fe-MIL-88 | 50 nM - 10 μM | 30 nM | 29 | |
| Cys | Fe-MIL-88 | 50 nM - 10 μM | 40 nM | 29 | |
| Hcy | Fe-MIL-88 | 50 nM - 10 μM | 40 nM | 29 | |
| 티아민 | HKUST-1 | 4-700 μM | 1 μM | 30 | |
| 헤파린 | 2D Zn-TCPP(Fe) | 01.-10 μg/mL | 15 μg/mL | 31 | |
| 콜린 | TMBDA-MIL-100(Fe) | 0.5-10 μM | 0.027 μM | 25 | |
| 아세틸콜린 | TMBDA-MIL-100(Fe) | 0.1-10 μM | 0.036 μM | 25 | |
| 파툴린 | AgNPs@ZnMOF | 0.1-10 μM | 0.06 μM | 32 | |
| 화학 발광 감지 |
H2O2 | MIL-53(Fe) | 0.06-10 μM | 0.02 μM | 33 |
| H2O2 | Fe-MIL-88NH2 | 0.1-10 μM | 0.025 μM | 34 | |
| H2O2 | Hemin@HKUST-1 | 5-1000 μM | 2 μM | 35 | |
| 포도당 | MIL-53(Fe) | 0.1-10 μM | 0.05 μM | 33 | |
| 포도당 | Hemin@HKUST-1 | 7.5-70 μM | 7 μM | 35 | |
| 도파민 | HKUST-1 | 0.01-7 μM | 2.3 nM | 36 | |
| SERS 감지 | 포도당 | AuNPs@MIL-101(Cr) | 10-200 μM | 4.2 μM | 37 |
| 젖산(lactate) | AuNPs@MIL-101(Cr) | 10-200 μM | 5 μM | 37 | |
| 도파민 | AgNPs/MIL-101(Fe) | 1.054 pM – 210.8 nM | 0.32 pM | 38 |
※ LOD : 검출한계(limit of detection), AA : 아스코로브산(ascorbic acid), Cys : 시스테인(cysteine),
GSH : 글루타티온(glutathione), Hcy : 호모시스테인(homocysteine)
3. 다기능 MOF-기반 나노자임
MOF는, 금속노드와 유기링커로 구성되는 독특한 골격구조를 지녀서, 나노자임으로서 작용할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 다른 역할도 할 수 있다. 이러한 예들은 다음과 같다.
천연효소 운반체 역할도 하는 MOF-기반 나노자임 : 많은 생물시스템에서, 제한된 공간에서, 연속촉매반응이 일어난다. MOF는 독특한 기공구조를 지녀서, 효소모방 물질뿐만 아니라 천연효소 운반체 역할도 수행할 수 있다. 천연효소 적재(loading)를 위해서 크게 두가지 전략, 즉 (1) MOF 합성 중의 천연효소 가둠(다시 말해, ‘ship in the bottle’) 전략과 (2) MOF 합성 후의 천연효소 적재 가공처리 전략이 있다. 선행연구에서, Wei와 연구자들은, ZIF-8 합성 중에, 연속반응의 두 촉매 중의 하나인, 헤민-GOx를 골격구조 가두어, 천연효소 헤민-GOx와 MOF 나노자임을 모두 함유하는 화합물을 구현하였다. 이러한 화합물에서, 첫번째 효소반응이 두번째효소의 모방물질 근처에서 이루어지기 때문에, 첫번째반응의 생성물이 즉시, 기질로서 두번째 반응에 참여할 수 있으며, 이로 인해 확산-율속 반응동력학(diffusion-limited kinetics)과 첫번째반응 생성물이 불안전한 경우의 문제를 극복할 수 있게 한다.
분석신호원으로 작용하는 MOF-기반 나노자임 : 전형적인 나노자임의 감지공정에서, 응답신호를 발생하기 위해, 종종 신호발생 기질이 첨가된다. 이는 감지공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 촉매반응을 약화시킬 수 있다. MOF-기반 나노자임은, 이러한 신호발생 기질을 골격구조에 포함할 수 있다. 예를 들면, CuBDC MOF는 두 종류의 촉매모방 물질과 1개의 형광신호 발생 물질을, 골격구조에 모두 함유하고 있다. 즉, CuBDC의 Cu-O 클러스터는 시스테인(cysteine)을 시스틴(cystine)으로 촉매산화시키며, 이 때 생성된 H2O2를 기질로 하여 과산화효소 작용을 하여, 수산화기 라디칼(•OH)을 생성한다. 또한, 바이디카복실레이트(bidicarboxylate, BDC) 유기 리간드가, 형광신호 발생원으로 작용한다(그림 4). 이러한 CuBDC를 촉매로 한 연속 2단계 반응과, 이 MOF의 자극-응답 형광 작용의 조합 시스템은, 단순한 공정을 통한 시스테인의 고효율 감지를 구현한다.
그림 4. 시스테인 감지를 위한, CuBDC의, 시스테인 산화효소 모방 활성도,
과산화효소 모방 활성도 및 형광 자극-응답 (참고문헌 39 변형)
4. 결론
의심할 여지없이, 지난 수년간, 나노자임에 대한, 다양한 물질 연구와 응용 개발이 급속히 이루어졌다. 이러한 나노자임 중에서, MOF-기반 나노자임이, 독특한 특성을 지녀서, 많은 관심을 받고 있다. 즉, MOF의 다재다능한 물성과 효소모발 촉매활성을 조합할 수 있으며, 이는, 바이오약품, 환경공학, 촉매합성, 그리고 특히 센서 분야에 적합하다. 하지만, MOF는-기반 나노자임의 산업적 응용확장을 위해서는, 몇가지 해결과제가 있다. 그 중에서, 대부분의 MOF가 수분에 약하다는 점은 응용확장에 큰 걸림돌이 된다. 즉, 많은 생리반응이 수용액 상에서 일어나는데, 대부분의 MOF는 유기용매 상에서 제조되며, 수용액상에서는 MOF 구조가 파괴되기 시작하여, 반응 후에는, MOF-기반 나노자임의 재이용이 불가능하게 된다. 이에 따라, 수분에 강한 MOF의 개발이 시급하다. 선행연구에서, Zr-기반 MOF가 수용액에서 안정적이며, HKUST-1의 금속 노드에 희생결합(sacrificial bond) [어떤 자금에 의해 결합이 끊어지면서, 그 자극의 효과를 완화시키는, 결합형태]을 추가함으로써 내수성을 강화할 수 있다는 보고가 있었다. 향후, 범용으로 적용가능한, MOF의 내수성을 부여하는 일반적인 후처리 방법이나 내수성 MOF 제조방법 등의 개발이 이루어져야 할 것으로 생각된다. MOF-기반 나노자임 물질개발과 응용은, 잠재성과 응용가능 분야의 다양성이 막대하지만, 아직 초기단계에 있다. 이에 대하여, 많은 관련 연구자들의 심도있고 다양한 연구가 활발히 이루어지길 기대한다.
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