[논문 리뷰] Proteotronics: Electronic devices based on proteins

E. Alfinito, L. Reggiani외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 15.

Advanced Chemical Sensor Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단백질의 선택적 전기적 반응을 바탕으로 하는 전자 소자를 제안하는 새로운 분야인 '프로테오토닉스(proteotronics)'를 소개한다. 특정 휘발성 유도물질 분자를 측정 가능한 전류 변화를 통해 감지하는 프로토타입 후각 수용체 기반 센서를 구현하여, 분자 전자공학 분야에서 실험적 검증이 가능한 고도로 선택적인 생체 센서의 길을 열어준다.

ABSTRACT

The convergent interests of different scientific disciplines, from biochemistry to electronics, toward the investigation of protein electrical properties, has promoted the development of a novel bailiwick, the so called proteotronics. The main aim of proteotronics is to propose and achieve innovative electronic devices, based on the selective action of specific proteins. This paper gives a sketch of the fields of applications of proteotronics, by using as significant example the detection of a specific odorant molecule carried out by an olfactory receptor. The experiment is briefly reviewed and its theoretical interpretation given. Further experiments are envisioned and expected results discussed in the perspective of an experimental validation.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 단백질을 전자 소자에 통합하여 선택적 분자 감지를 위한 연구를 수행한다.
• 단백질가 지닌 본질적 선택성을 활용하여 고도로 특이적인 생체 센서를 제작하는 데 도전한다.
• 단백질을 기능 성분으로 사용하여 분자 전자공학 분야에 새로운 패러다임을 제안한다.
• 단백질 기반 전자 소자(프로테오토닉스)의 개발을 통해 생화학과 전자공학을 연결한다.

제안 방법

• 필드-효과 트랜지스터 유사 구조에서 활성 감지 요소로 특정 후각 수용체 단백질을 사용한다.
• 표적 휘발성 물질 분자가 수용체 단백질에 결합할 때 전류 변화를 측정한다.
• 휘발성 물질 농도와 수용체 상태에 따른 전류 조절을 설명하기 위해 이론적 모델링을 수행한다.
• 단백질의 천연 결합 친화도를 이용하여 선택적 감지를 가능하게 하는 장치 구조를 설계한다.
• 단백질 나노구조를 통한 전자 이동을 모델링하기 위해 부드러운 응집물리학 원리를 적용한다.
• 단백질-전극 인터페이스의 제어된 측정을 통해 이론적 모델의 실험적 검증에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질 기반 필드-효과 장치는 높은 선택성으로 특정 휘발성 물질 분자를 감지할 수 있는가?
• RQ2 표적 휘발성 물질 분자가 수용체 단백질에 결합할 경우 단백질 채널을 통과하는 전류는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 단백질 기반 전자 소자에서 전류 조절의 이론적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 부드러운 물질 물리학 원리를 사용하여 관측된 전류 반응을 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ5 기능적인 프로테오토닉스 장치를 실현하기 위한 핵심 설계 매개변수는 무엇인가?

주요 결과

• 이론적 모델링은 휘발성 물질 결합이 단백질 기반 장치를 통과하는 전류에 측정 가능한 변화를 유도함을 확인한다.
• 전류 조절은 리간드 결합에 의해 단백질의 전자 구조가 변화함에 기인한다.
• 후각 수용체 단백질의 높은 특이성 덕분에 장치는 특정 휘발성 물질 분자에 대해 선택적 반응을 보인다.
• 이론적 예측에 따르면 전류 반응은 휘발성 물질 농도에 비례하여 변화하므로 정량적 감지가 가능하다.
• 향후 조절 가능한 감도와 선택성을 갖춘 프로테오토닉스 센서 설계를 위한 프레임워크를 제공한다.
• 제안된 시스템은 생체 센서 적용 분야에서 단백질 기반 전자 소자의 개념 증명을 성공적으로 보여준다.