[논문 리뷰] Carbon Nanotubes as Intracellular Protein Transporters: Generality and Biological Functionality

Nadine Wong Shi Kam, Hongjie Dai|arXiv (Cornell University)|2005. 03. 01.

Graphene and Nanomaterials Applications인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 산화 처리된 단일성 탄소 나노튜브(SWNTs)가 다양한 단백질을 비공유 결합하여 효율적으로 맹고기 세포로 운반할 수 있음을 입증한다. 내유된 후 엔도좀에서 방출된 단백질-나노튜브 복합체는 생물학적으로 활성 상태를 유지하며, 조혈세포 사멸을 유도하는 시토크롬 c의 기능적 전달이 가능함을 보여준다.

ABSTRACT

Various proteins adsorb spontaneously on the sidewalls of acid-oxidized single-walled carbon nanotubes. This simple non-specific binding scheme can be used to afford non-covalent protein-nanotube conjugates. The proteins are found to be readily transported inside various mammalian cells with nanotubes acting as the transporter via the endocytosis pathway. Once released from the endosomes, the internalized protein-nanotube conjugates can enter into the cytoplasm of cells and perform biological functions, evidenced by apoptosis induction by transported cytochrome c. Carbon nanotubes represent a new class of molecular transporters potentially useful for future in-vitro and in-vivo protein delivery applications.

연구 동기 및 목표

• 다양한 단백질에 대한 비공유 결합 내재 운반체로 탄소 나노튜브를 사용할 수 있는지의 가능성을 조사하기 위해.
• 단백질-나노튜브 복합체가 생물학적 기능을 잃지 않고 맹고기 세포에 내재화되는지 확인하기 위해.
• 다양한 단백질 유형에 대해 산화 처리된 SWNTs에 대한 단백질 흡착의 일반성을 평가하기 위해.
• 엔도좀에서 방출된 후 단백질의 세포 내 국소화 및 기능적 활성을 평가하기 위해.
• 이 시스템을 체외 및 체내 단백질 전달 응용 분야를 위한 새로운 플랫폼으로 구축하기 위해.

제안 방법

• 수용성 및 표면 전하를 향상시키기 위해 산화 처리를 통해 기능화된 단일성 탄소 나노튜브(SWNTs)를 제조하였다.
• 단백질을 SWNTs와 혼합하여 나노튜브 측면에 자발적인 비공유 흡착을 유도하였다.
• 단백질을 형광체로 표지한 후 형광 현미경 및 세포 분석기로 세포 내 침입을 확인하였다.
• 약리학적 억제제와 공진향 현미경을 사용하여 엔도세포 경로의 유효성을 검증하고 엔도좀 이동을 추적하였다.
• 내재화 후 세 cytoplasmic 국소화를 관찰하여 엔도좀에서의 방출 여부를 평가하였다.
• 시토크롬 c를 전달하고 세포 사멸 유도 정도를 측정하여 생물학적 기능성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 단백질이 산화 처리된 SWNTs에 비공유 결합되어 흡착될 수 있는가?
• RQ2 단백질-나노튜브 복합체가 엔도세포 경로를 통해 맹고기 세포에 효율적으로 내재화되는가?
• RQ3 엔도좀에서 방출된 후 내재화된 단백질이 생물학적 기능을 유지하는가?
• RQ4 세포 내 침입 후 단백질-나노튜브 복합체의 세포 내 운명은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템을 통해 시토크롬 c와 같은 생물학적으로 활성 단백질을 기능적으로 전달할 수 있는가?

주요 결과

• 시토크롬 c를 포함한 다양한 단백질이 산화 처리된 단일성 탄소 나노튜브의 측면에 비공유 상호작용을 통해 자발적으로 흡착된다.
• 단백질-나노튜브 복합체는 다양한 맹고기 세포주를 통해 엔도세포 경로를 통해 효율적으로 내재화된다.
• 엔도좀에서 방출된 후 단백질은 세 cytoplasm에 방출되며 기능적으로 활성 상태를 유지한다.
• SWNTs를 통한 시토크롬 c의 기능적 전달은 치료된 세포에서 세포 사멸을 성공적으로 유도하여 전달 후 생물학적 활성이 확인되었다.
• 다양한 단백질이 유사한 결합 및 운반 행동을 보임에 따라 이 시스템은 일반성(일반 적용 가능성)을 보였다.
• 단백질의 화학적 수정 없이도 효율적이고 비공유적이며 생물학적으로 기능적인 단백질 전달이 가능하다.