유청단백질 원섬유와 탄소나노튜브 또는 탄소나노양파의 상호작용 1부
Aug 09, 2024
개요: 분리유청단백질(WPI) 원섬유는 산 가수분해 유도 공정을 사용하여 제조되었습니다.
건강한 삶에 대한 사람들의 관심이 높아지면서 기억력도 점차 화두가 되고 있습니다. 섬유질은 많은 사람들이 일반적으로 무시하는 식품 성분입니다. 이는 인간의 건강과도 밀접한 관련이 있습니다.
섬유질은 장 연동운동을 자극하고 배변을 촉진하며 인체 내 혈중 지질, 혈당, 콜레스테롤을 흡수 및 감소시키며 비만 및 심혈관 질환의 발생을 감소시킬 수 있는 난소화성 식물 셀룰로오스입니다. 또한, 피브릴은 장내 미생물의 균형을 조절하고, 영양분 흡수를 촉진하며, 면역력을 향상시킬 수 있습니다.
동시에, 피브릴이 기억과도 밀접한 관련이 있다는 사실이 점점 더 많은 연구에서 밝혀졌습니다. 섬유질 섭취는 장 건강을 촉진하고 인간의 대사 기능을 향상시키며 신체의 면역력을 향상시킬 수 있습니다. 이는 인간의 신경계와 밀접한 관련이 있으며, 신경계의 건강은 인간 건강의 중요한 초석 중 하나입니다.
또한 섬유질이 풍부한 비타민 B, 비타민 E, 아연 등의 영양소는 신경계의 정상적인 발달과 작동을 촉진하고 인간의 인지 및 학습 능력을 향상시키며 기억력을 향상시킬 수 있습니다.
요약하면, 피브릴은 신체 건강을 증진시키는 동시에 인간의 기억력과 지능도 향상시킬 수 있습니다. 좋은 식습관을 기르고 귀리, 고구마, 푸른 잎채소 등 생섬유가 함유된 식품의 섭취를 적절하게 늘려 건강을 유지하고 신경계의 건강한 발달을 촉진해야 합니다. 기억은 우리가 빨리 배우고 더 높은 삶의 질을 추구하는 데 도움이 되므로 긍정적이어야 합니다. 기억력 향상이 필요하다는 것을 알 수 있는데, 시스탄체는 기억력과 학습에 매우 중요한 아세틸콜린과 성장인자의 수치를 높이는 등 신경전달물질의 균형도 조절할 수 있기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 Cistanche는 혈류를 개선하고 산소 전달을 촉진하여 뇌가 충분한 영양과 에너지를 얻을 수 있도록 하여 뇌 활력과 지구력을 향상시킬 수 있습니다.
탄소나노튜브(CNT)와 탄소나노양파(CNO)는 메탄의 촉매화학기상증착(CVD)을 통해 만들어졌다. WPI fibril-CNT와 WPI fibril--CNO는 80°C에서 열수 합성을 통해 제조되었습니다.
복합재는 SEM, TEM, FTIR, XRD, Raman 및 TG 분석으로 특성화되었습니다. WPI 원섬유 CNT와 CNO 사이의 상호 작용이 연구되었습니다. CNT와 CNO가 포함된 WPI 원섬유는 균일한 젤과 필름을 형성했습니다. CNT와 CNO는 젤에 고도로 분산되었습니다. CNT(또는 CNO)를 함유한 WPI 원섬유의 하이드로겔은 의학이나 기타 분야에 응용할 수 있는 새로운 소재가 될 수 있습니다.
CNT와 CNO는 WPI 원섬유를 단축시켰는데, 이는 파킨슨병과 알츠하이머병과 같은 섬유증 질환을 치료하는 데 중요한 연구 가치가 있을 수 있습니다. FTIR은 CNT와 CNO가 모두 WPI 원섬유와 상호작용하는 것으로 나타났습니다.
XRD 분석은 대부분의 CNT가 WPI 원섬유로 포장된 반면 CNO는 부분적으로 포장된 것으로 나타났습니다. 이는 생체 적합성을 높이고 CNT 및 CNO의 세포 독성을 줄이는 데 도움이 되었습니다. HR-TEM 및 라만 분광학 연구에 따르면 CNT의 흑연화 수준은 CNO보다 높았습니다.
WPI 피브릴과의 혼성화 후 CNT에서 더 많은 결함이 생성되었지만 CNO에서는 일부 원래 결함이 무시되었습니다. TG 결과는 WPFifibril-CNT 또는 CNO의 새로운 단계가 형성되었음을 나타냅니다.
키워드: 유청단백질 원섬유; 탄소나노튜브; 탄소나노양파; 복합재; 상호 작용.
1. 소개
유청 단백질은 일반적이며 소의 우유에서 쉽게 얻을 수 있습니다. 분리유청단백질(WPI) 원섬유를 제조하는 것은 실용적으로 중요했습니다. 요즘에는 유청 성분을 기반으로 한 자가조립다밀로이드 원섬유가 중요한 연구 분야입니다[1-3].
일반적으로 아밀로이드 원섬유는 아밀로이드증과 연관되어 파생됩니다. 예를 들어, 이슬레타밀로이드 펩타이드는 당뇨병과 연관되어 있고 α-아밀로이드 단백질은 알츠하이머병과 연관되어 있습니다[4].
단백질 원섬유는 시험관 내에서 합성될 수도 있습니다. 또한 락토글로불린(-lg)은 원섬유 단백질을 자가 조립할 수 있습니다[5,6]. -lg는 분자량이 18,400g·mol−1이고 반경이 약 2nm인 구형 단백질입니다[7].
80°C에서 장기간 가열(6~24시간)하면 원섬유 형성을 유도할 수 있으며 pH는 2이고 이온 강도는 낮습니다[8]. 원섬유의 평균 길이는 1~8μm이고 직경은 약 4nm입니다[9].
이러한 원섬유의 단백질성 물질은 분자간 시트에 의해 결합됩니다[10]. 원섬유 형성 중에 시트의 양이 증가합니다. 탄소 나노튜브(CNT)는 동일한 축을 중심으로 회전하고 컬링되는 다층 흑연 시트로 만들어진 중공 튜브입니다. 특정 각도에서 [11].
직경은 0.4(SWCNT)에서 100nm(MWCNT)까지입니다. 그 길이는 수 미크론에 달할 수 있습니다. 우수한 기계적 특성, 화학적 안정성 및 큰 비표면적을 가지고 있습니다[12]. 탄소 나노튜브는 매트릭스 재료의 기계적 거동을 개선하기 위해 나노복합체를 제조하기 위한 충전재로 자주 사용됩니다.
탄소나노튜브의 생물학적 응용은 바이오센서, 약물 및 백신 전달, 조직공학[13], 새로운 생체재료[14] 등 광범위하게 연구되어 왔습니다. 그러나 pristineCNT는 용해도가 낮고 잠재적인 세포 독성을 가지고 있습니다 [15]. 단백질, DNA, RNA 등 생체거대분자가 부착되어 CNT의 분산을 촉진할 수 있다[16].
생체거대분자와의 물리적 상호작용은 생체 내에서 생물학적 활성을 변화시킬 수 있습니다[17]. 기능화 및 변형 후 CNT는 표적 목적을 위해 다양한 유형의 약물을 로드할 수 있습니다[18]. 생체적합성 CNT 기반 시스템은 암 치료를 위한 다양한 치료제, 표적화제, 프로빙제를 탑재할 수 있습니다.
기능화된 CNT는 특히 세포내이입을 통해 다양한 메커니즘을 통해 원형질막을 통과할 수 있다는 것이 입증되었습니다[19-21]. 탄소 나노 양파(CNO)는 풀러렌의 여러 동심 껍질로 구성됩니다.
케이지 내 케이지 구조는 몇 가지 독특한 물리화학적 특성을 생성합니다. 다른 탄소 동소체와는 달리[22,23], CNO는 CNT 및 풀러렌과 마찬가지로 중요하며, 이는 몇 시간 동안 전신 순환을 유지하여 표적 부위에 접근할 가능성을 높이는 능력으로 인해 약물 전달 응용 분야에 이상적입니다[24-28].
조직 공학에서 수정된 CNO 지지체는 조직 재생 능력을 나타냅니다[28]. 원적외선 형광성 CNO는 세포 이미징 목적으로 개발되었습니다[29].
이러한 엄청난 잠재력에도 불구하고, 생의학 분야에서 이 새로운 나노 시스템의 역할은 수년 동안 간과되어 왔습니다. 단백질 원섬유-탄소나노물질 시스템에 대한 연구는 인간의 질병 치료, 탄소나노물질의 세포독성 감소, 신기술 개발에 큰 의미가 있을 것이다.
생체 내에서 아밀로이드 원섬유가 형성되면 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 신경퇴행성 질환과 같은 다양한 질병이 발생할 수 있습니다. 연구자들은 아밀로이드 섬유증을 억제하거나 아밀로이드 원섬유를 파괴할 수 있는 물질을 찾고 있습니다[30,31]. 표 1은 탄소 나노물질과 아밀로이드 원섬유의 상호작용에 관한 일부 연구를 요약한 것입니다[32].
일부 연구에서는 탄소나노물질이 다양한 생물학적 단백질과 상호작용할 수 있음을 보여주었습니다[33]. CNT는 높은 비표면적과 소수성 표면으로 인해 생물학적 용액에서 흡착된 생물학적 거대분자로 덮여 있습니다.
흡착된 단백질은 탄소나노물질 표면에 모여 '단백질 크라운'을 형성한다[34]. CNT와 단백질 사이의 상호작용도 시트 형성에 중요한 역할을 합니다.
Ghuleet al. 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)가 단백질 흡착 또는 캡슐화를 위한 상호 작용 표면을 제공한다는 사실을 발견했습니다. 이는 단백질의 비극성 표면이 단백질 원섬유에 결합하는 능력을 억제하여 단백질의 추가 섬유화를 방지할 수 있습니다[35].
Jana 및 Sengupta [36] 및 Wei et al. [37]은 분자 역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)가 있는 상태에서 A-펩타이드의 자가 조립을 연구했습니다. A-펩티드는 짧은 양친매성 펩티드이며, 그 응집은 알츠하이머병의 발병과 밀접한 관련이 있다[38]. CNT의 강한 소수성 효과는 SWCNT 표면에서 펩타이드를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.
이는 확산을 방지하고 펩타이드의 섬유화를 억제합니다. 인슐린, 라이소자임, -락토글로불린, 시토크롬 C와 같은 단백질은 흑연에 패턴을 형성할 수 있습니다[39,40]. 이 나노패턴 흑연은 아밀로이드 원섬유의 정렬을 주형으로 안내할 수 있습니다[39]. 풀러렌과 단백질 물질 사이의 상호작용도 연구되었습니다.
Kim과 Lee는 ThT 형광 측정을 통해 풀러렌이 단백질의 섬유화를 억제할 수 있음을 발견했습니다. 풀러렌은 중심 소수성 모티프 KLVFF에 특이적으로 결합하여 A-펩티드의 응집을 방해할 수 있습니다[41].
수화된 풀러렌은 성숙한 아밀로이드 원섬유를 파괴할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 원섬유의 형성도 방지할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다[42]. Podolskiet al. 수화된 풀러렌이 A25-35의 응집을 효과적으로 차단할 수 있다는 것을 발견했습니다[43].
CNO와 아밀로이드 원섬유 사이의 상호작용에 대한 연구는 거의 없습니다. CNO는 독성이 낮고 생체적합성이 우수한 새로운 동소체입니다. CNO와 아밀로이드 원섬유 사이의 상호작용에 대한 연구가 바람직합니다.
반면, 일부 탄소 나노물질은 기계적, 전기적 장점 때문에 조직 공학이나 약물 전달을 위한 하이브리드 나노복합체를 제조하기 위해 생물학적 거대분자와 결합되었습니다.
아밀로이드 원섬유는 또한 나노와이어[58], 하이드로겔[59], 섬유질 세포 지지체[60,61] 및 고체 기능성 유기 필름[62]을 준비하는 데 사용되는 특정 기계적 거동과 아미노산 표면을 가지고 있습니다. 단백질은 수용성을 향상시키고 세포 독성을 줄이기 위해 모노머 오올리고머 형태로 CNT 표면에 부착됩니다.
CNT는 생체 내에서 치료 약물 전달을 목표로 하고 암세포를 파괴하기 위해 혼성화 및 재조합을 통해 단백질 원섬유의 구조적 특성을 변경합니다[64,65].Hendler et al. 색 분리 나노마커, 진단 물질 및 광전자 장치의 제조에 사용되는 하이브리드 아밀로이드-풀러렌 복합 섬유를 형성하기 위해 "공동 조립" 방법을 사용했습니다.
단백질 피브릴과 탄소나노물질의 특수한 특성(예: 탄소나노물질의 기계적, 전자기적 특성과 단백질 물질의 생물학적 특성)은 서로 이익을 줄 수 있으며, 이들의 결합은 이 두 종류의 나노물질의 응용 범위를 크게 넓힐 수 있습니다.
그러나 단백질 원섬유와 탄소나노물질의 상호작용을 완전히 이해하려면 아직 갈 길이 멀다. 이 연구에서 우리는 WPI 원섬유와 CNT(또는 CNO)의 상호 작용을 연구하고 SEM, TEM, XRD, Raman, FTIR 및 TG를 통해 WPI 원섬유-CNT(또는 CNO)의 복합체를 특성화했습니다. WPI 원섬유는 산 가수분해 유도 공정을 사용하여 제조되었습니다. WPI 원섬유-CNT(또는 CNO) 복합재는 열수 합성을 사용하여 만들어졌습니다.
2. 재료 및 방법
2.1. WPI 섬유소 형성
WPI-1는 Davisco Foods International Inc.(레시틴 제외 97.8%, NM, USA)에서 구입했으며 WPI{3}}는 Hilmar Ingredients(레시틴 포함 90.39%, Hilmar, CA, USA)에서 구입했습니다.
WPI를 Millipore 물에 용해시켜 원액(약 6 중량%)을 만들었습니다. 그런 다음 1M HCl을 첨가하여 용액의 pH를 4.75로 조정한 후 원심분리(10,000 rpm, 60분, 4°C)하고 상층액을 여과(FP 030/ 0.45μm, Schleicher 및 Schuell). 여과 후, 6 M HCl을 이용하여 여과된 용액의 pH를 2로 맞추었다.
원액의 단백질 농도는 UV 분광 광도계(UV{0}}PC, MAPADA, Shanghai, China)와 278 nm 파장에서 알려진 WPI 농도의 보정 곡선을 사용하여 결정되었습니다.
원액은 pH 2의 HCl 용액을 사용하여 단백질 농도 2wt.%로 희석되었습니다. 그런 다음 WPI 용액을 80oC에서 20시간 동안 가열하고 교반하여(약 290rpm) 피브릴을 형성했습니다.
2.2. CNT 및 CNO 준비
2.2.1. CNT의 준비
La2NiO4 촉매 제조: La(NO3)3·6H2O 및 Ni(NO3)2·6H2O(La/Ni의 몰배율=2:1)를 탈이온수에 용해시킨 후 구연산을 첨가하였다. 용액을 80℃에서 1시간 동안 교반하면서 가열하였고, 최종적으로 콜로이드 물질로 변하였다.
콜로이드 물질은 머플로(공기 중 10°C/분, 1시간 동안 300°C, 5시간 동안 800°C)에서 하소되었습니다. CNT를 만들기 위한 메탄의 촉매 화학 기상 증착(CVD): 고정- CNT를 만들기 위한 메탄 CVD에는 베드가스-고체 촉매 반응기가 채택되었습니다.
La2NiO4촉매(0.5g)를 관형 석영 반응기의 석영 보트 내부에 배치했습니다. 먼저 질소(30 mL/min)를 사용하여 30분간 반응기를 세척한 후 수소(10 mL/min)를 사용하여 La2NiO4를 600oC에서 1시간 동안 환원시켰다.
이후 촉매 CVD를 위해 가스를 메탄(60 mL/min)으로 전환하여 800oC에서 8시간 동안 CNT를 합성했습니다. CNT의 정제: 촉매와 혼합된 CNT는 80oC에서 0.1M 질산으로 정제되었습니다. ◦C에서 5시간 동안 저어줍니다.
이를 여과하고 탈이온수로 5회 세척했습니다. 마지막으로 샘플을 120oC에서 6시간 동안 건조했습니다.
2.2.2. CNO 준비
스테인리스 스틸 메쉬 캐리어의 전처리: 20 mm × 20 mm 크기의 SS316 스테인리스 스틸 메쉬를 0.1 M HCl 용액에서 30분간 초음파 세척했습니다. 그런 다음 테마쉬를 관형 석영 반응기에 배치했습니다.
질소 가스를 운반하는 수증기(90°C 수증기)가 석영 튜브에 도입되었습니다. 석영 튜브를 1시간 동안 300°C로 가열했습니다. 이러한 처리 후 스테인레스강의 표면을 촉매 담체로 사용하였다.
촉매 로딩: 상기 전처리된 스테인레스 스틸 메쉬를 니켈옥살레이트 용액에 담갔다. 시트르산을 1시간 동안 교반하면서 첨가하였다. 용액을 80℃로 가열한 후 최종적으로 콜로이드로 변했습니다. 콜로이드와 스테인리스 스틸 메쉬를 도가니에 넣고 머플로(Zhonghuan, Tianjin, China)에서 900℃(10℃/min, 대기 중)로 3시간 동안 하소하였다.
마지막으로 촉매가 포함된 스테인레스 스틸 메시가 얻어졌습니다. CNO를 만들기 위한 메탄의 촉매 CVD[67]: 고정층 가스-고체 반응기(중국 천진 Zhonghuan)도 사용되었습니다. 스테인레스 스틸 메쉬 촉매를 석영 튜브에 넣었습니다.
질소(30mL/min)를 사용하여 실온에서 1시간 동안 반응기를 퍼지한 후 온도를 반응 온도 900oC로 올리고 접촉 분해를 위해 질소를 메탄(30mL/min)으로 8시간 동안 전환했습니다. .
마지막으로 메탄을 질소 가스로 다시 전환하고 반응기를 실온으로 냉각했습니다. 마지막으로 스테인레스 스틸 메쉬 촉매와 CNO를 꺼냈습니다. CNO의 정제: CNO 샘플을 먼저 체로 걸러 유리 촉매 입자를 제거했습니다.
그런 다음 농축된 HNO3와 혼합하고 90oC에서 40시간 동안 환류했습니다. 희석하고 냉각한 후 4000rpm에서 10분간 원심분리하고 산성 용액을 제거했다.
나머지 CNO는 중성 pH에 도달할 때까지 증류수를 사용하여 여러 번 철저히 헹구었습니다. 마지막으로, 정제된 CNO를 건조시켰다.
2.3. WPI Fibril-CNT(또는 CNO) 준비
WPI fibril-CNT(또는 CNO)는 열수법을 사용하여 합성되었습니다. {{0}}.05 중량%, 0.10 중량%, 0.15 중량% 농도의 CNT(또는 CNO)를 탈이온수에 혼합하고 30분간 초음파 처리하여 분산시켰습니다. 뿐만 아니라 가능한 한.
동일한 부피의 WPI 피브릴 용액을 첨가하고 30분 동안 자기 교반하면서 혼합했습니다. 그런 다음 혼합물을 열수 반응(80oC, 20시간)을 위해 오토클레이브 반응기(Hongchen, Xi'an, China)에 부었습니다.
그 후, 생성물을 상온으로 냉각시키고 오토클레이브를 열어 혼합물을 꺼냈다. 제품은 오븐(60°C)에서 48시간 동안 건조되었습니다.
For more information:1950477648nn@gmail.com
