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나노입자를이용한생체분자진단및생물학적응용 김영필한양대학교생명과학과 E-mail: ypilkim@hanyang.ac.kr 1900 년대초반부터약 50년간유전체의일차적역할이단백질임을확신하고있던시대에서는대부분의과학자들은 DNA 가유전물질이라는인식을쉽게받아들이지못하였다.

1 나노입자를이용한생체분자진단및생물학적응용 김영필한양대학교생명과학과 년대초반부터약 50년간유전체의일차적역할이단백질임을확신하고있던시대에서는대부분의과학자들은 DNA 가유전물질이라는인식을쉽게받아들이지못하였다. 그러나 1940 년대초반물리학자슈뢰딩거가생물학적정보가담긴유전체를언급한이후전자현미경및 X선회절분석법등의급속한과학적도구의발전은과학의양적질적성장과함께 DNA 가유전물질이라는 20C 가장중요한과학적이론의토대를제공해주었고미시적분자세계의관찰을중심으로다양한생명현상을이해하려는분자생물학적접근방법을잉태하였다. 20세기분자생물학의발전과견줄수있는미래새로운학문의장으로서, 현재다양한분야의학문들이절묘하게만나고있는장소가바로나노바이오분야이다. 일반적으로입자의크기와모양이나노수준으로작아졌을때달라지는물리화학적특성및나노기술 (nanotechnology) 을이용하여생명과학분야에서질병진단및신약개발을포함한광범위한응용연구에초점을두고있다. 동시에현재수많은과학자들이 바이오 라는하나의구심점으로집중되어진화되고있기때문에생명과학에서파생된생명체의구조와기 능연구를역으로나노기술분야에적용하여새로운도구와기술의개발을촉진시키고있기도하다. 이처럼나노바이오분야는나노기술및생명공학기술이외에도다양한학문간의융합과학제간의연구를통해광범위하게수행되고있어어느특정영역만을국한되어말하기는매우어려운부분이있다. 따라서본개요에서는현재생명과학분야에서가장많이접근되어있는나노입자의생물학적응용연구를중점적으로서술하고자한다. 나노입자의대표주자들 : 금나노입자, 반도체나노입자, 자성나노입자 나노입자는일반적으로원자보다크고세포보다작은크기로서지름이 nm 사이의입자를말한다. 입체크기가 1cm 3 인물질이 1 nm 3 의입체크기로모두분해될경우입체의표면적은약 1,000 만배가증가한다. 이러한엄청난표면적덕택에나노입자는다양한물리화학적특징 ( 강도, 전도성, 촉매활성, 광학적특성, 자기특성등 ) 을가지게되어큰파급효과를가져온다 ( 그림 1). 대표적인나노입자들과생체 1 분자세포생물학뉴스

그림 1. 입체모형이나노구조체로변화될때나타나는표면적의증가현상. Size-changes almost everything 을내포하고있으며나노기술은단지물리적크기의축소에만국한된것이아니라물질의광범위한특성 ( 표면화학적, 분광학적, 전기적, 전자기적특성등 ) 이나노수준에서크게변화하기때문에생명과학분야에서는나노기술을다양한진단및분석에활용하고있다.

2 그림 1. 입체모형이나노구조체로변화될때나타나는표면적의증가현상. Size-changes almost everything 을내포하고있으며나노기술은단지물리적크기의축소에만국한된것이아니라물질의광범위한특성 ( 표면화학적, 분광학적, 전기적, 전자기적특성등 ) 이나노수준에서크게변화하기때문에생명과학분야에서는나노기술을다양한진단및분석에활용하고있다. 분자의결합을통한생물학적응용연구들의범위는그림 2에도식화하였다. 다양한나노입자중에서바이오진단에가장널리사용되고있는선두주자는금속나노입자로서금나노입자 (gold nanoparticle, AuNP) 가이에속한다. 금나노입자는크기와모양에따라가시광선영역에서뚜렷한흡광 (absorption) 과산란 (scattering) 에의한표면전자기공명밴드 (surface plasmon resonance, SPR) 라고불리는현상이관찰된다. 금나노입자의 SPR 현상은일반형광체에비해약 4-5 배정도크게나타날뿐만아니라형광물질에서나타나는감쇄현상 (photobleaching) 도없다. 특히동일한크기의금나노입자들을생체물질간의결합등을통해응집 (aggregation) 시킬경우 SPR 특성은보다큰파장영역에서유도되어눈에보이는색깔이적갈색에서보라빛으로바뀌게된다. 이와같이눈으로쉽게관찰될수있는비색법 (colorimetry) 의원리를이용하여다양한생체물질분석이가능하다 (1-4). 금나노입자는표면작용기의도입이쉽고원심분리에의해쉽게농축및분리가가능하며생체친화력과안정성이높기때문에 DNA 상보결합및단일염기다형성 (single nucleotide polymorphism) 분석, 면역검정법 (immunoassay), 산성도 (ph) 측정, 중금속이온분석, 병원성항원측정 (pathogenic detection), 단백질활성분석, 암세포진단등의다양한목적에널리이용되고있다. 비색법이외에도금나노입자표면위에화학표지물질을부착시켜이용할수있는표면증강라만분광법 (surface-enhanced Raman scattering), 질량분석법 (mass spectrometry), 전기화학적측정법 (electrochemical detection) 도금나노입자를효과적인신호증폭자로서사용하고있는방법들이다. 특히, 금나노입자들은세포내에직접운반될경우 light scattering 측정현미경에의해손쉽게가시화될수있어살아있는세포내에서생체분자의검출및단백질의이동경로추적을위한표지물질로서도활용되고있다 (5). 금나노입자이외에반도체나노입자 (semiconductor nanoparticle) 로구성된양자점 (quantum dot, Qdot) 은바이오이미징에자주사용하고있는물질로서높은양자효율 (quantum yield) 과흡광계수 (extinction coefficient, M -1 cm -1 ) 를가지고있어일반형광체에비해 10배에서 50배정도의높은신호세기를보여준다. 또한 life time 이길고안정성 (photostability) 이뛰어나장시간 UV노출에도 웹진 10 월

3 그림 2. 나노입자와생체분자간의결합및이를이용한생물학적응용연구들 형광감쇄효과가매우미약하게일어나기때문에세포이미징및모니터링에사용되고있다 (6). 양자점은흡광영역이넓고방출파장영역대가좁은 (full width at half maximum 이 nm) 특성을가지고있으며 UV, 가시광선및근적외선의넓은영역대에서 ( nm) 크기에따라다양한색깔을나타낼수있다. 이와같은특성은하나의흡광파장으로다양한색상을가진양자점을동시에분석할수있어 multiplexing 연구에매우효과적이다 (7). 형광나노입자들은일반형광물질과함께사용하거나서로다른나노입자간의조합을통하여분광학적특성을극대화할수있다. 대표적인예가공여자 (donor) 와수여자 (acceptor) 간의형광공명전이 (F-rster resonance energy transfer, FRET) 와발광공명전이 (bioluminescence resonance energy transfer, BRET) 를이용한측정방법이다. 형광체간의에너지전이나발광단백질 (luciferase) 과형광체사이의에너지전이를주로사용하는기존방법과는달리, 양자점을사용할경우어느경우에서든지에너지전이를크게증폭시켜분자수준의상호작용을측정할수있는높은수준의감도를나타낼수있다 ( 그림 3). 양자점은독특한형광능력때문에 FRET 에서는공여자로 BRET 에서는수여자로사용될수있고, 이러한특성은 10 nm의거리내에서만유효하므로생체분자간의미세한상호작용및단백질활성측정을위한나노센서로서사용될수있다 (8). 특히양자점과금나노입자를동시에이용할경우에는입자간유효거리를 2배가량증폭시킬수있다 (9, 10). 양자점과발광단백질을이용한 Qdot-BRET 의경우외부에서광원이없이도발광단백질 (luciferase) 의기질공급만으로특정 3 분자세포생물학뉴스

4 그림 3. 형광에너지공명전이 (FRET) 법과발광에너지공명전이 (BRET) 법을이용한단백질 - 단백질상호작용분석방법 (D: donor, A: acceptor) 으로서기존에사용되는방법 (A) 과반도체나노입자인양자점 (quantum dot) 을이용한새로운방법 (B) 의비교모식도. 양자점을이용시 FRET 과 BRET 에서에너지전이효율이크게증가되고하나의시료에서동시에 multiplex 분석이가능해진다. 영역에서이미징이가능하고바탕노이즈가거의없기때문에동물이미징에효과적으로사용될수있는기술이다 (11). 자성나노입자의경우는세포의분리, 유전자클로닝, 바이오센서, MRI 등의의과학분야에널리적용되고있는물질로서큰주목을받고있다. 특히자기산화철나노입자 (magnetic iron oxide nanoparticles) 는크게 2종류의산화철코어 (core) 로구성될수있고 (magnetite Fe 3 O 4 와 maghemite γ-fe 2 O 3 ), 다양한종류의생체물질 ( 탄수화물, 폴리머, 지질, 단백질등 ) 로표면을개질화하여코어-쉘 (core-shell) 구조를가지고있다. 전통적으로자성나노입자는자성을갖는마이크로입자와함께 DNA, 단백질및펩타이드을분리하거나정제하는데효과적으로이용되어왔다. 자성나노입자은외부자기장이존재시에만자성의특성을갖는초상자성 (superparamagnetism) 을띠고있다. 이러한자성나노입자의표면을지질이나폴리머등으로안정화시킨후다양한리간드를도입할경우 DNA/RNA, 단백질, 박테리아, 바이러스, 암세포등을간단한자석만으로효과적으로분리할수있는장점이있다. 이러한이유로많은회사에서자성나노입자를다양한생화학적분리및정제기법에도입하여상품화하고있다. 스탠포드대 Wang 그룹에서는항체와나노입자를결합한후항원측정방법에 ELISA 와동일한형태로자성나노센서를구축하였는데측정원리는하드디스크의자기부분을읽는방법과동일한 Giant magnetoresistive (GMR) 센서의원리를적용한사례로서주목을받고있다. 이방법은주변환경에영향을받는형광, 흡광등의방법과는달리, ph, 온도, ionic strength, 자가발광과같은어떤환경에서도영향을받지않는초고감도분석장치에사용되었고랩온어칩기술과접목되어 multiplex 웹진 10 월

5 바이오마커측정기술에사용되고있다 (12). 초상자성나노입자 (superparamagenetic nanoparticles, SPIONs) 의또다른대표적응용사례는자기공명이미징 (magnetic resonance imaging, MRI) 분야이다. 가돌리늄 (gadolinium) 과같은기존 MRI 조영제와는달리인체독성이거의없어종양과전이성질병탐지에광범위하게활용되고있다 (13). 최근에는산화철 (Fe 3 O 4 ) 과산화아연 (ZnO) 으로구성된코어-쉘구조의자성나노입자를수지상세포 (dendritic cell) 에탑재하여수지상세포가인체내에서어느위치에전달되었는지를 MRI 로모니터링할수있을뿐만아니라자성나노입자표면에있는종양특이항원을통하여수지상세포내전달효율을효과적으로향상시킬수있음이국내연구진에의해보고되었다 (14). 유전자전달체로서자성나노입자와 4 가지의필수유전자들과의조합을통해자기장에의한유전자의세포내전달효율을증가시켜보다효과적으로유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells) 를생성할수있다는최신연구결과도발표된바있다 (15). 이와같이점차자성나노입자의응용범위및융합연구의범위가넓어지고있는추세이고보다최근에는자성기반의발열 (magnetic hyperthermia) 을이용하여자성나노입자를이용한종양치료법이크게부각되고있다 (16). 즉, 종양조직에축적된자성나노입자에외부에서교번전류 (alternative current) 에의한자기장을걸어주면나노자성입자내에서자기모멘트 (magnetic moments) 가회전하면서이완 (relaxation) 되는원리로전자기에너지를효과적으로열로변환시킬수있다. 자성나노입자주변의열은약 정도로발생하는데종양조직은일반조직보다이온도범위에서보다민감하게반응하여손상을입는다. 최근국내연구진에의해다양한크기와종류에따른코어- 쉘구조의자성나노입자에대한발열기작이보고된바가있다 (17). 나노입자의진화 : 생물유래나노입자와단백질나노입자 1975년경에 Richard P. Blakemore 에의해발견된 Magnetotactic 박테리아는지구자기장방향으로주자성 (magnetotaxis) 을갖는일종의자석미생물이다. 이박테리아는세포내에마그네토좀 (megnetosome) 이라고불리는작은소낭의세포소기관을형성하여산화철나노입자가염주모양으로배열된구조를가지고있다. 박테리아세포내존재하는생물유래산화철나노입자뿐만아니라, 다양한종류의나노입자들이세포내에서합성될수있다. 예를들어, 금이온 (Au(III)) 은 Au(I)-S 복합체를거쳐박테리아세포막에서서서히환원되고결국에는 Au(0) 형태의나노입자를세포내에축적하거나일부는세포외부에서생성할수있다 (18). 일종의생광물화 (biomineralizaiton) 과정의산물이다. 다양한종류의금속나노입자들은박테리아, 조류 (algae), 곰팡이 (fungi), 심지어는고등식물에서도합성가능한것으로알려져있다. 여기에는metal-binding transcriptional activator 나 metallochaperon 등이연관되어있는것으로추측되는데최근국내연구진이대장균에서금속에특이적으로결합하는단백질의유전자를임의로삽입한이후대장균배양액에다양한금속이온들을투여한결과금속이온특이적인나노입자가대장균세포내에서성공적으로제조되었음이보고된바있다 (19). 배양액의금속이온의농도를조절하여각금속또는무기이온나노입자의크기또한조절이가능하다. 생물유래나노입자이외에 in vitro 혹은세포내에서단백질기반으로케이지 (cage) 형태의나노입자를구성할수가있다. 다양한형태의펩타이드 subunit 이사슬이나리본모양의자가조립형태로구성되면다공성을가진독특한모양의단백질나노입자가만들어진다. 가장큰장점은생체친화성이높다는점과유전공학적으로손쉽게다양한생체분자들을결합할수있다는점이다. 잘알려진단백질나노입자의대표적인예는페리틴 (ferritin) 이다. 페리틴은광범위한생물체에공통적으로존재하는데원핵생물과진핵생물간의약간의차이가있으나 ferric oxide 와 phosphate 가 mineralized 되어형성되는내부가빈구형모양의단백질나노입자이다. 대개 24 5 분자세포생물학뉴스

6 개의 subunit (light 과 heavy chain 의조합 ) 으로구성되어지름이 12.5 nm이고쉘의두께는약 2.5nm 인형태이며하나의단백질입자가약 5,000 개의철이온을포화시킬수있어효과적인 MRI 조영제로서도사용될수가있다. 또한 light chain 과 heavy chain 을각각유전공학적으로디자인하면특정단백질과결합시킬수가있어세포내단백질상호작용분석및 kinase 활성등에도손쉽게이용될수있다. 이밖에 viral capsid (VP) 를이용한자기조립단백질로서 CPMV, CCMV, MS2 bacteriophage 가있다. Small heat shock protein (shsp) 역시 24 subunits 로구성된단백질나노입자로서지름이 12 nm, 내부공간이약 6.5 nm가되며약 3 nm의내부 pore 가존재하여 small molecules 들이손쉽게유출입될수가있는장점이있다. doxorubicin 같은항암치료약제를내부공간에충진시켜고정화시키게되면좋은약물전달체로사용할수있다. 나노입자와나노메디슨 현재임상학적연구에사용되고있는다양한나노입자의종류와용도는표 1에나타내었다. 금속나노입자및무기나노입자이외에도다양한종류의유기나노입자들도의학분야에성공적으로사용되어왔고가장큰경제적부가가치를창출하고있는분야는 MRI 와약물전달분야로서다양한종류의나노입자들은현재 FDA 승인을받았거나임상시험중에있다. 암진단을위한연구로서, 나노입자를종양부위에선택적으로전달하기위해서는두가지전략이필요하다. 첫째는암조직에서는 lymphatic drainage 이느슨해지기때문에대부분의나노입자들은암조직내에축적되어 enhanced permeability and retention (EPR) 효과를이용한 passive targeting 방법을이용할수있으며, 둘째는암세포만특이적으로인지하는물질을나노입자표면에장착시켜암세포의세포막에있는특정리셉터를인지하여암세포를 그림 4. 나노입자를이용한 drug delivery 와암세포치료방법. EPR effect 를통한 passive targeting 과나노입자표면에암세포특이적리간드처리를통한 active targeting 을유도할수있다. (28) 웹진 10 월

그림 5. Cupriavidus metallidurans (metallophilic bacteria) 주변세포질내금나노입자의 TEM 사진 (A) 과 SEM 사진 (B, C) 및바이오 film 의 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) 분석결과 (D) 공격하는 active targeting 방법을사용할수있다 ( 그림4).

7 그림 5. Cupriavidus metallidurans (metallophilic bacteria) 주변세포질내금나노입자의 TEM 사진 (A) 과 SEM 사진 (B, C) 및바이오 film 의 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) 분석결과 (D) 공격하는 active targeting 방법을사용할수있다 ( 그림4). 특히운반자의역할을하는나노입자내부에는다양한약물, 형광물질, 자성물질, 유전자등의어느하나를포함하거나혹은동시에두종류이상의물질을운반하여진단및치료에효과적으로이용될수가있고나노입자외부표면에는잘알려진리간드들을부착시켜암세포특이적인표적지향성을부여할수가있다. 리간드의예로서는 chlorotoxin, RGD, CREKA, bombesin, F3, A54, LHRH 등의펩타이드나 anti-her2, anti-egfr 등의항체들그리고 folate 와같은 small molecules 등이있다. 또한특정암세포에대한특이성은없으나나노입자를세포내부로전달하기위한효율을증가시키기위한방법으로서 cell- penetrating peptide (CPP), protamine 등의양이온성펩타이드와 polyentyleneimine 같은합성폴리머가나노입자표면부착물질로널리사용되고있다. 나노입자 -리간드결합체의또다른장점은위와같은리간드들이하나의나노입자에여러개가붙는효과를가져오기때문에 (multivalent ligands) 암세포막에보다강하에 부착하여표적치료효율을높여줄수가있다는점이다. 이밖에도질병의직접치료의목적으로서이용되고있는약물전달시스템에도 liposome과같은전통적폴리머이외에 dendrimers, nanospheres, aquasomes (carbohydrateceramic nanoparticles), polyplexes (nucleoacidpolycations liposome assembly) 등이사용되고있으며보다높은표면적과빠른약물의방출을유도하여치료목적에다양하게응용되고있다 (20). 약물전달이외에나노입자가의학분야에많이적용되고있는사례는질병관련단백질이나바이오마커를고감도로측정하는진단법에서찾을수있다 ( 표2). 나노입자나나노물질을사용할경우기존방법에비해전반적으로측정감도가향상될수있으며이는나노입자만이가지고있는전기적, 화학적, 분광학적특성에기인한다. 바이오마커검출이외에약물치료의효과나새로운약물제재의개발을위해서는 in vitro 나세포실험단계를넘어서 mouse 같은 1차동물모델을통한검증과정이필수적으로요구된다. 이를분석하고모니터링하기위해서는분광학적방법과더불어 MRI나 computed tomography, positron emission tomography, 초음파영상방법이결합되어사용될수있다. 바로다기능성의 (multi-modal) 나노입자들은이와같은분자영상 (molecular imaging) 분야에서다각도로진행되고있으며나노입자의독특한특징과장점을이용하여현재는 sirna 나 photo-therapy, thermal therapy 와도접목되어진단및치료를동시에구현하고자하는노력이활발히진행중에있다. 나노입자이외에도원자현미경 (atomic force microscope, AFM) 에사용되는나노캔틸레버 (nanocantilever) 는생체분자들의상호작용과관련된기계적힘을계측할수있고, 다양한소재를이용한나노막대 (nanorod), 나노와이어 (nanowire) 및나노튜브 (nanotube) 는크기와형태에따른우수한광학적, 전기적특성을제공해주고있다. 예를들어, Lieber 그룹은실리콘나노와이어 (silicon nanowire) 의전계효과 (field effect) 를이용하여전기적신호로부터혈액내 cancer marker 를고감도로측정 7 분자세포생물학뉴스

8 표 1. 임상연구에사용되는대표적나노입자들 할수있는시스템을보고하였고 (21), 탄소나노튜브 (carbon nanotube) 는우수한전도성으로인하여생체물질과의결합을통한면역센서, DNA 센서등에다양하게응용되고있다 (22). 최근 nanocantilever, nanowires, nanotubes 등도암치료 (cancer nanotherapeutics) 를위한초기감별 (early detection) 및진단 (diagnostics) 과예방 (prognostics) 에직접적으로응용되고있다 (23). 결론적으로나노물질을이용한다양한생물학적임상학적진단방법은생명공학분야에서큰진전을이루고있음에도불구하고아직많은연구를필요로하고있는현재진행형의단계이다. 나노바이오분야에서실행되고있는다양한기초분야의융합과더불어차후에는생체물질의기능및구조와관련된보 다정밀한응용연구를통해빠르고정확한분석과수많은정보를제공해줄것으로기대한다. 향후과제와전망 다양한바이오마커 (proteins and genes) 를검출하기위해서많은종류의나노입자가사용되고있지만, 금나노입자의경우단순한실험모델에서임상실험을위한상업적인용도가증가되는추세이다. 금나노입자의비색법은실험장비나인프라가부족한국가나지역에서손쉽게적용될수있는기술이기때문에일회용의 microfluidic 장치와연계될경우보다값싸고편리한방법으로현장진단 (point-of-care) 기술로서이용될수있을것으로예측된다. 그러나육안으로분 웹진 10 월

9 표 2. 다양한측정방법에기초한단백질 Biomarker 의측정민감도 석가능한금나노입자의농도는약 정도로충분해야하고분석물질도 10 펨토몰수준이상으로존재해야한다. 실제생체시료에서측정가능한시료의양은이보다수십- 수백만배작은농도로존재하기때문에매우적은양으로존재하는시료를분석하기위해서는다양한증폭기술 ( 예를들어나노입자표면의 PCR 에의한증폭 ) 및시료의전처리및농축기술이동원되어야한다. 무엇보다나노입자의생물학적응용연구에서가장염두해야할점은나노입자의독성 (toxicity) 여부이다. 예를들어반도체양자점 (CdSe Qdot) 의카드뮴독성은 primary rat heptocytes 에서세포의기능과활성에영향을보여주었을뿐만아니라세포형태도변형시키는결과를초래하였고 (24), 카드뮴 -셀레늄 (CdSe) 양자점의경우예쁜꼬마선충 (C. elegans) 에서장기간노출시셀레늄 (Se) 의산화에의해 core/shell 이붕괴되고궁극적으로카드뮴이방출되어독성을유발하고있음이증명된바있다 (25). 또한치료의목적으로 sirna 를운반하는나노입자를 사용시신장독성을유발한사례가있고 (26), thermal albation 에사용되는자성나노입자일부는 urinary tract 에서존재하여질병을유발할수가있다 (27). 이와는반대로수많은연구들은 hepatic renal markers 의분석과조직염색학적연구를병행했음에도불구하고특정나노입자나나노복합체에대해서명확한독성효과를규명하지는못하고있다. 따라서나노입자독성에대한이슈는논란의여지가많고여전히많은데이터와연구결과들이필요한실정이다. 이와같은독성연구는인체에적용되기전에독성의지표로서활용되거나활용가치가있는많은생물들을모델로하여장기간의광범위한연구를수행하여야의미있는결과가있을것이라고기대한다. 독성문제를해결하기위해서앞서제시한생물유래나노입자나단백질나노입자를이용한방법도하나의대안이라고볼수있으나생물유래나노입자라할지라도그독성평가는보다엄밀히수행되어야한다. 자성나노입자의경우실제 in vitro 분석에는효과적이지만아직 in vivo 에서 9 분자세포생물학뉴스

10 명확한사용을위해서는보다많은실험이요구되고있다. 가령인간의뇌 (brain) 에적용하기위한노력은아직많은제약을가지고있다. 실질적으로미미한거리에서만조절되는자성나노입자가치료와진단에광범위하게적용하기위해서는무엇보다향상된범위에서자성나노입자를조절할수있는특화된 magnetic field gradient 가필요하고나노입자의구조와크기생체내에서의이동을조절할수있는다양한기술이요구된다. 나노물질을이용한다양한임상학적진단방법도생명공학분야에서기존진단기술에비해상대적으로측정감도가크게향상되었으나보다복잡한생체시료 (blood, urine, serum 등 ) 에간편하고손쉽게적용할수있는방법으로진화해야할것으로보이며이와더불어진단타겟물질의정성및정량적측정이외에생체물질의활성 / 비활성여부와다른생체물질과의상호작용여부를정확하게실시간으로감지할수있는능력은차후나노입자를이용한생물학적응용분야에서해결해야할가장중요한과제이다. 대표논문 1. R. Elghanian, J. J. Storhoff, R. C. Mucic, R. L. Letsinger, C. A. Mirkin, Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distancedependent optical properties of gold nanoparticles. Science 277, 1078 (Aug 22, 1997). 2. H. M. E. Azzazy, S. H. Radwan, Gold nanoparticles for molecular diagnostics. Expert Rev Mol Diagn 9, 511 (Jul, 2009). 3. W. J. Parak, R. A. Sperling, P. Rivera gil, F. Zhang, M. Zanella, Biological applications of gold nanoparticles. Chem Soc Rev 37, 1896 (Sep, 2008). 4. R. Wilson, The use of gold nanoparticles in diagnostics and detection. Chem Soc Rev 37, 2028 (Sep, 2008). 5. L. Cognet et al., Single metallic nanoparticle imaging for protein detection in cells. Proc Natl Acad Sci U S A 100, (Sep 30, 2003). 6. X. Michalet et al., Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science 307, 538 (Jan 28, 2005). 7. M. Han, X. Gao, J. Z. Su, S. Nie, Quantum-dottagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules. Nat Biotechnol 19, 631 (Jul, 2001). 8. E. A. Jares-Erijman, T. M. Jovin, FRET imaging. Nat Biotechnol 21, 1387 (Nov, 2003). 9. C. S. Yun et al., Nanometal surface energy transfer in optical rulers, breaking the FRET barrier. J Am Chem Soc 127, 3115 (Mar 9, 2005). 10. H. S. Kim et al., Energy transfer-based multiplexed assay of proteases by using gold nanoparticle and quantum dot conjugates on a surface. Anal Chem 80, 4634 (Jun 15, 2008). 11. M. K. So, C. Xu, A. M. Loening, S. S. Gambhir, J. Rao, Self-illuminating quantum dot conjugates for in vivo imaging. Nat Biotechnol 24, 339 (Mar, 2006). 12. S. X. Wang et al., Matrix-insensitive protein assays push the limits of biosensors in medicine. Nat Med 15, 1327 (Nov, 2009). 13. C. Alexiou, R. Jurgons, C. Seliger, H. Iro, Medical applications of magnetic nanoparticles. J Nanosci Nanotechnol 6, 2762 (Sep-Oct, 2006). 14. N.-H. Cho et al., A multifunctional core-shell nanoparticle for dendritic cell-based cancer immunotherapy. Nat Nanotechnol Accepted, (2011). 15. S. Kim et al., The generation of ips cells using non-viral magnetic nanoparticle based transfection. Biomaterials 32, 6683 (Oct, 2011). 16. G. F. Goya, V. Grazu, M. R. Ibarra, Magnetic nanoparticles for cancer therapy. Curr Nanosci 4, 1 (Feb, 2008). 17. J. Cheon et al., Exchange-coupled magnetic nanoparticles for efficient heat induction. Nat Nanotechnol 6, 418 (Jul, 2011). 18. F. Reith et al., Mechanisms of gold biomineralization in the bacterium Cupriavidus metallidurans. P Natl Acad Sci USA 106, (Oct 20, 2009). 19. S. Y. Lee, T. J. Park, N. S. Heo, T. S. Seo, In Vivo Synthesis of Diverse Metal Nanoparticles by Recombinant Escherichia coli. Angew Chem Int Edit 49, 7019 (2010). 20. K. K. Jain, The role of nanobiotechnology in drug discovery. Drug Discov Today 10, 1435 (Nov 1, 웹진 10 월

11 2005). 21. G. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W. U. Wang, C. M. Lieber, Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat Biotechnol 23, 1294 (Oct, 2005). 22. G. Pagona, N. Tagmatarchis, Carbon nanotubes: materials for medicinal chemistry and biotechnological applications. Curr Med Chem 13, 1789 (2006). 23. M. Ferrari, Cancer nanotechnology: opportunities and challenges. Nat Rev Cancer 5, 161 (Mar, 2005). 24. S. N. Bhatia, A. M. Derfus, W. C. W. Chan, Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots. Nano Lett 4, 11 (Jan, 2004). 25. Z. Y. Tang et al., Full Assessment of Fate and Physiological Behavior of Quantum Dots Utilizing Caenorhabditis elegans as a Model Organism. Nano Lett 11, 3174 (Aug, 2011). 26. M. E. Davis et al., Administration in non-human primates of escalating intravenous doses of targeted nanoparticles containing ribonucleotide reductase subunit M2 sirna. P Natl Acad Sci USA 104, 5715 (Apr 3, 2007). 27. M. Johannsen et al., Morbidity and quality of life during thermotherapy using magnetic nanoparticles in locally recurrent prostate cancer: Results of a prospective phase I trial. Int J Hyperther 23, 315 (May, 2007). 28. D. Peer et al., Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat Nanotechnol 2, 751 (Dec, 2007). 저자약력 김영필 연구책임자 한양대학교생물학과, 이학사 한양대학교생명과학과, 이학석사 한국바이오시스템 연구팀장 KAIST 생명과학과, 이학박사 Stanford 의대분자영상프로그램, 박사후과정 현재 한양대학교생명과학과, 조교수 11 분자세포생물학뉴스

[ 화학 ] 과학고 R&E 결과보고서 나노입자의표면증강을이용한 태양전지의효율증가 연구기간 : ~ 연구책임자 : 김주래 ( 서울과학고물리화학과 ) 지도교사 : 참여학생 : 원승환 ( 서울과학고 2학년 ) 이윤재 ( 서울과학고 2학년 ) 임종

[ 화학 ] 과학고 R&E 결과보고서 나노입자의표면증강을이용한 태양전지의효율증가 연구기간 : 2013. 3 ~ 2013. 12 연구책임자 : 김주래 ( 서울과학고물리화학과 ) 지도교사 : 참여학생 : 원승환 ( 서울과학고 2학년 ) 이윤재 ( 서울과학고 2학년 ) 임종찬 ( 서울과학고 2학년 ) 소재원 ( 서울과학고 2학년 ) 1,.,.,.... surface