Protein-based Molecular Memory Consist of Cysteine-modified Azurin
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 최정우
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 바이오융합기술학 협동과정
- 식별자(기타) 000000107533
- 본문언어 영어
목차
In this study, we demonstrate the protein based memory device composed of metalloprotein azurin. Our approach to demonstrate the practical protein-based bio memory device utilizing a protein as a memory element is the validation of an new information manipulation principle and the robustness of a bio-device through stable redox properties of their well-oriented immobilization layer by a recombination technique to compete with previously-demonstrated molecular electronic concepts.
We introduced two anchoring sites, cysteine residues, into Pseudomonas aerusinosa azurin (MW=14KDa) to improve the uniformity of protein monolayer on gold surface because a wild type form of the azurin irregularly adsorbed to the gold surface via its exposed disulfide moiety (Cys3-Cys26). Cysteine-modified azurin was directly assembled on gold surface by gold-thiol chemistry without any organic linker materials to achieve stable information reading and writing functions. The optimum immobilization condition was achieved. The existence of unstable protein on the layer can be confirmed by OCV (Open Circuit Voltage) measurement because the stabilization time of OCV of direct protein immobilization layer was shorter than that of indirect immobilization by the linker. The open circuit potential of cysteine-modified azurin layer was 105mV. We have concluded that direct immobilized azurin layer have three distinct conducting states. The first one is reduced states when reduction voltage (350mV) was applied to the azurin layers. The second one is oxidized states when oxidation voltage (150mV) was applied to the azurin layers. It has been artificially oxidized as a contrary concept. The memory device characteristics, including the “Read”, “Write”, and “Erase” functions of the self-assembled azurin layer, were well-demonstrated with three distinct electrical states of azurin layers by cyclic voltammetry. The robustness of the protein-based bio-memory device was successfully validated by the repeated electrochemical performance of 500,000 cycles
목차
전자 전달 능력을 자연적으로 보유한 금속 단백질 아주린을 이용하여 단백질 기반의 메모리 장치를 고안하였다. 아주린은 14kDa의 단백질로 구조적으로 구리를 포함하고 있다. 이에 우리는 아주린을 분자적으로 새롭게 발현, 시스테인을 말단에 도입하여 금 기판상에 곧바로 고정화될 수 있도록 하였다. 이와 같은 아주린을 금 기판 상에 고정화시켜 단백질 박막을 구성하였고 이를 표면 플라즈몬 공명(SPR)과 주사 터널링 현미경(STM)을 통하여 확인하였다. 표면 플라즈몬 공명(SPR)은 Optical Thickness를 주사 터널링 현미경(STM)은 Surface Analysis를 위해 사용되었다. 그 결과 시스테인이 도입되지 않은 아주린과의 고정화능 비교를 위해 시스테인 앵커의 효과를 증명할 수 있었다. 고정된 아주린 단백질의 산화환원능을 측정하기 위해 순환전류전압법(Cyclic Voltammetry)을 사용하였다. 고정된 단백질은 +350mV에서 산화되고 +150mV에서 환원되는 것을 확인할 수 있었으며 표준산화환원전위는 +250mV 가량으로 계산된다. 이로써 금 기판 상에 고정된 단백질이 고정화 이후에도 활성을 잃지 않음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 우리는 전기화학적으로 전자의 흐름을 구동할 수 있는 단백질 기반의 메모리 장치를 구현하였다. 여기에 사용한 전기화학적 테크닉은 열린회로전위(Open Circuit Potential)과 정전류법(Chloroamperometry)이다. 열린회로전위(OCP)는 구성된 전기화학셀에서 전극과 전해질이 안정한 상태를 이루는 전압을 측정한 것이고 정전류법(CA)은 환원전위와 열린회로전위, 그리고 산화전위를 번갈아 가함으로써 단백질 박막을 차례로 산화환원 시키는 것이다. 그 결과 단백질 박막이 전자를 받아들이고 내보내는 스위칭 효과를 시간에 따라 확인할 수 있었으며 이러한 결과는 500,000 회를 진행하는 동안 유지되었다. 이에 위와 같은 기능을 나노 단위에서 구현하기 위해서 전기화학주사터널링현미경(Electrochemical Scanning Tunneling Microscopy)을 이용, 형성된 단백질 박막을 산화시키고 환원시키는 과정에서 표면의 변화를 확인하였으며 팁을 이용하여 나노 단위에서의 볼타모그램과 전류 프로파일을 얻어내었다. 이와 같은 결과는 향후 나노 스케일의 패턴과 결합 기존의 전자소자를 대체할 수 있는 신개념의 소자로 구현할 수 있는 가능성을 가지고 있는 것으로 사료된다.
