[논문 리뷰] Prevalent Intrinsic Emission from Nonaromatic Amino Acids and Poly(Amino Acids)

Xiaohong Chen, Weijian Luo외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 12.

Biotin and Related Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 비향기성 아미노산 및 폴리(아미노산)에서 군집화 촉발 발광(Crystallization-Triggered Emission, CTE)에 의해 내재된 가시광 발광이 발생함을 밝혀냈다. 여기서 비전통적 칼로메이트(아미노기, 카복실기, 수산기)가 전자 구 nuage 겹침과 구조적 강성화를 통해 군집을 이룬다. 주요 발견은 광범위한 발광, 특히 에너지 상태에서의 인산염 발광(RTP)과 에피-폴리-L-라이신에서 지속적인 RTP를 포함하며, 비향기성 아미노산은 발광하지 않는다는 오랫동안 지속된 믿음에 도전한다.

ABSTRACT

Nonaromatic amino acids are generally believed to be nonemissive, owing to their lack of apparently remarkable conjugation within individual molecules. Here we report the intrinsic visible emission of nonaromatic amino acids and poly(amino acids) in concentrated solutions and solid powders. This unique and widespread luminescent characteristic can be well rationalized by the clustering-triggered emission (CTE) mechanism, namely the clustering of nonconventional chromophores (i.e. amino, carbonyl, and hydroxyl) and subsequent electron cloud overlap with simultaneously conformation rigidification. Such CTE mechanism is further supported by the single crystal structure analysis. Besides prompt fluorescence, room temperature phosphorescence (RTP) are also detected from the solids. Moreover, persistent RTP is observed in the powders of exampled poly(amino acid) of ε-poly-L-lysine (ε-PLL) after ceasing UV irradiation. These results not only illustrate the feasibility of employing the building blocks of nonaromatic amino acids in the exploration of new luminescent biomolecules, but also provide significant implications for the RTP of peptides and proteins at aggregated or crystalline states.

연구 동기 및 목표

• 비향기성 아미노산이 향기계 공명을 갖지 않음에도 불구하고 내재된 발광성을 보이는지 조사하기 위해.
• 비향기성 아미노산은 발광하지 않는다는 전통적 가정을 도전하기 위해.
• 농축된 용액 및 고체 상태에서 관찰된 발광의 배경이 되는 광물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 비향기성 아미노산 및 그 폴리머가 새로운 종류의 발광성 생체분자로서의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 응집 또는 결정 상태의 펩타이드 시스템에서 실온 및 지속적 인산염 발광이 가능한지 검토하기 위해.

제안 방법

• 비향기성 아미노산 및 폴리(아미노산)의 농축 용액과 고체 분말에서 체계적인 광발광(PL) 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 단일 결정 X선 회절을 통해 CTE 메커니즘을 뒷받침하는 분자 배열과 분자 간 상호작용을 분석하였다.
• 발광 수명과 양자수율을 특성화하기 위해 시간 분해형 형광 및 인산염 측정을 실시하였다.
• 고체상 샘플에서 지속적 인산염 발광 거동을 연구하기 위해 자외선 조사 조건을 적용하였다.
• 구조적 및 광물리적 데이터를 바탕으로 군집화 촉발 발광(Crystallization-Triggered Emission, CTE) 메커니즘을 제안하였으며, 칼로메이트 군집화와 구조적 강성화를 강조하였다.
• 다양한 아미노산 및 폴리머 간 발광 스펙트럼과 양자수율의 비교 분 析를 통해 구조-성질 상관관계를 수립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비향기성 아미노산은 향기계 칼로메이트가 없음에도 불구하고 농축 또는 고체 상태에서 내재된 가시광 발광을 보이는가?
• RQ2 비향기성 아미노산 및 그 폴리머에서 관찰된 발광의 광물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 고체상 비향기성 아미노산 衍생체에서 실온 인산염 발광(RTP)을 관찰할 수 있는가?
• RQ4 에피-폴리-L-라이신과 같은 폴리펩타이드 시스템에서 자외선 조사 후 지속적 인산염 발광이 가능한가?
• RQ5 분자 군집화와 구조적 강성화가 비향기성 아미노산 기반 재료의 발광 성질에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 글리신, 알라닌, 라이신과 같은 비향기성 아미노산은 농축 용액과 고체 분말에서 강한 내재된 가시광 발광을 보이며, 이는 오랫동안 지속된 비발광성 가정과 정면으로 배치된다.
• 이 발광은 아미노기, 카복실기, 수산기 등 비전통적 칼로메이트가 응집 시 전자 구름 겹침을 통해 형성되는 군집화 촉발 발광(Crystallization-Triggered Emission, CTE) 메커니즘에 기인한다.
• 단일 결정 X선 분석을 통해 CTE 메커니즘을 뒷받침하는 전자 구름 겹침과 강성화를 유도하는 밀접한 분자 간 접촉 및 특정 배열 무늬가 확인되었다.
• 실온 인산염 발광(RTP)은 고체상 샘플, 특히 에피-폴리-L-라이신(ε-PLL)에서 관찰되었으며, 인산염 수명은 밀리초 범위로 연장되었다.
• 자외선 조사 중단 후 ε-PLL 분말에서 지속적 인산염 발광이 검출되어 응집 상태에서 장수명의(excited) 상태가 존재함을 시사한다.
• ε-PLL에서 발광 양자수율은 희석 용액에 비해 고체 상태에서 크게 향상되어 응집이 발광을 촉진하는 역할을 함을 확인하였다.