KR101390328B1 - 다기능성 바이오-메모리 디바이스 - Google Patents

다기능성 바이오-메모리 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 치환된 금속 이온을 포함하는 산화환원능을 갖는 단백질이 직접 고정화된 다기능성 바이오-메모리 칩에 관한 것이다. 본 발명은 단백질의 산화환원능을 이용하여 인가 전위에 따라 산화환원 상태를 조절하는 것이 가능하며, 세가지 전위를 인가하는 방식의 작동법을 제시할 수 있다. 또한, 본 발명은 금속 단백질의 금속 이온을 치환하여 보다 다양한 특징을 갖는 바이오-메모리 디바이스를 제공 할 수 있다. 이로써, 본 발명은 생체분자가 내재한 자연계 고유의 전자 전달 원리를 정보 저장 장치를 이용하여 새로운 개념의 바이오-메모리 디바이스를 제공 할 수 있다.

Description

다기능성 바이오-메모리 디바이스{Multifunctional Biomemory Device}
본 발명은 치환된 금속 이온을 포함하는 산화환원능을 갖는 단백질이 직접 기판에 고정된 다기능성 바이오-메모리 디바이스에 관한 것이다.
생명공학 분야에서, 나노기술 및 전기공학은 칩, 센서 및 액추에이터(actuator)와 같은 새로운 타입의 전자 디바이스를 개발하기 위해 활용되고 있다.1-4 이러한 연구 결과, 분자 전자공학(molecular electronics)라 불리는 새로운 과학적 영역이 탄생하였다. 분자 전자공학은 생명공학 및 나노기술을 융합하여 정보기술로 발전시킨 영역이다.
전통적으로, 단백질 분자는 다양한 생물학적 시스템에서 중요한 역할을 수행하기위해 이용되었다. 그러나, 단백질 분자는 바이오센서, 트랜지스터 또는 메모리 디바이스와 같은 인간-맞춤형 전자 디바이스에서 중요한 요소로도 사용될 수 있다. 또한, 몇몇의 연구은 유기 분자 및 바이오분자에 기초한 전자 디바이스의 디자인를 제안하고 있다.5-10 그러나, 이러한 연구에서의 디바이스는 단지 단순한 기능만을 보이고 다기능(multi-function)을 수행할 수는 없었다.
이전에, 발명자의 연구진은 바이오분자 헤테로(hetero) 랭뮤어-블로드젯 막(Langmuir-Blodgett film)으로 구성된 단순 전자디바이스를 개발하였다. 이 디바이스는 스위칭 기능(switching functions)을 가지며, 분자 다이오드로 사용할 수 있다.11,12 초기 디바이스의 개발 이후, 발명자는 바이오센서 및 바이오전자 디바이스와 같은 추가적인 적용을 위해 전자 전송 동력학을 고려한 전기활성(electroactive) 시스템을 연구하였다. 최근에, 본 발명의 연구진은 시스테인-조작 아주린(azurin) 및 시토크롬(cytochrome) c로 구성된 다양한 전자화학-기반 바이오-메모리 디바이스의 개발에 초점을 맞추었다.17,18 그러나, 기존의 바이오-메모리 디바이스는 하나의 기능만을 보여주어 정보의 단하나의 비트로 조절할 수 있었다. 그러므로, 본 발명에서는 현재 바이오전자 디바이스의 한계를 극복하고자, 다기능을 수행할 수 있도록 노력하였다. 본 발명의 바이오-메모리 칩은 2상 및 3상(WRER-타입 및 WORM-타입)의 다기능을 수행할 수 있다.
본 발명에서, 시스테인-조작 아주린은 부위 특이적 돌연변이 유도(site-directed mutagenesis) 방법을 이용하여 4 종류의 다른 금속 이온을 도입한 다기능을 수행할 수 있는 4-비트 바이오-메모리 칩을 제조하였다. 재조합 단백질은 시스테인 잔기 및 치환된 다른 종류의 금속 이온으로 구성되며, 어떠한 화학적 링커 없이 금 표면에 직접적으로 고정화 할 수 있다. 4 종류의 다른 아주린(Co-치환 타입, Ni-치환 타입, Fe-치환 타입 및 Mn-치환 타입) 치환체의 산화 환원 반응을 측정하였다. 다른 종류의 금속 이온으로 치환한 재조합 아주린 단백질의 UV-VIS 분광도를 확인하였다. 또한, 디바이스의 표면 형태를 원자력현미경(Atomic Force Microscopy: AFM)으로 조사하였다. 4 종류의 아주린 치환체의 전자화학적 특성을 순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry: CV) 및 개회로 전위(open circuit potential)로 측정하였다. 이러한 분석에서, 재조합 아주린 치환체는 금속 이온의 치환이 성공적으로 되었음을 보여준다. 각 물질 및 조직된 금속 이온의 자연적 특성과, 물질 및 기질 사이의 전자 전송 동력학은 산화-환원 특성의 변화의 이유이다. 메모리 요소로써, 치환된 금속 이온은 다른 전도 상태(conducting state)를 갖기 때문에 다른 정보를 저장하는데 쓰일 수 있다. 게다가, 전자의 유입 및 유출은 외부 전위를 인가함에 따라 쉽게 조절될 수 있다. 디바이스의 메모리 기능을 시간대전류측정법(chronoamperometry: CA) 및 개회로 전위전류측정법(open circuit potential amperometry: OCPA)으로 확인하였다. 이전 연구에서, 발명진은 바이오-메모리 디바이스의 기본 개념을 제안하였다.17 그러나, 이번 연구에서는 각 도입된 아주린 치환체의 전기화학적 특징을 확인하여, 재조합 아주린 치환체를 이용한 다기능 4-비트 바이오 메모리를 개발하였다. 만일 다른 아주린 치환체의 특성이 적용되어 통합된다면, 다기능 바이오분자 메모리 디바이스는 현실화 될 것이다. 마이크로 크기인 각 아주린 치환체의 고정화를 조절하는 것이 제작의 핵심 요소이다. 컴퓨터화된 다채널 전자화학적 워크스테이션은 본 발명의 디바이스의 하나의 활용가능성이다. 이는 동시에 각 채널로부터 다양한 전기화학적 데이터를 얻어, 동시에 결과를 보여준다. 이는 각 디바이스 사이의 동시 결과와 비견될 수 있으며, 독립적인 작동 메모리 셀로서 작동하기위해 통합된다. 도 1은 재조합 아주린 치환체로 구성된 4-비트 바이오-메모리 칩 및 그 기작의 계통도를 보여준다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
본 발명자들은 치환된 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질이 기판에 고정된 바이오-메모리 디바이스, 특히 “읽기(Read)", "쓰기(Write)" 및 ”지우기(Erase)"와 같은 메모리 장치의 특성을 나타내는 디바이스를 개발을 위하여 노력하였고 그 결과 시스테인 잔기가 도입된 재조합 단백질의 금속이온을 치환하여 이용하는 경우, 읽기(Read)", "쓰기(Write)" 및 ”지우기(Erase)" 기능을 갖는 다기능성 바이오-메모리 디바이스을 개발해 냄으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 치환된 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질이 기판에 고정된 바이오-메모리 디바이스을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 메모리 기능이 상이한 바이오-메모리 디바이스의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 4 이상의 비트수를 갖는 바이오-메모리 디바이스의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 양태에 따르면, 본 발명은 치환된 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질이 직접 기판에 고정화 되어 있는 단백질 기반 전자 디바이스를 제공한다.
본 발명자들은 생체분자를 이용하여 다양한 전자 디바이스, 특히 "읽기(Read)", "쓰기(Write)" 및 "지우기(Erase)"와 같은 메모리 장치의 특성을 나타낼 수 있는 디바이스를 실현시키기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 산화환원능을 가지며 기판에 직접적으로 고정화 되어 자기조립막(self-assembled monolayer: SAM)을 형성할 수 있도록 시스테인 잔기가 도입된 재조합 단백질의 금속이온을 치환하는 경우에 "읽기(Read)", "쓰기(Write)" 및 "지우기(Erase)" 기능을 가지는 바이오-메모리 디바이스를 제공할 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 가장 큰 특징 중 하나는, 산화환원능이 있는 단백질을 기질의 표면에 직접 고정화 하여 전자 소자, 즉 전자 디바이스로 이용한다는 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단백질은 산화환원능을 가지는 재조합 단백질이고, 상기 재조합 단백질의 N-말단 또는 C-말단에는 시스테인 잔기가 도입되어 있으며, 상기 도입된 시스테인 잔기의 티올기를 통하여 상기 재조합 단백질이 기판에 직접 고정화된다.
본 발명의 또 다른 특징 중 하나는, 메모리 소자로 이용되는 생체분자로서 산화환원능이 있는 단백질로 이용하였고 이 단백질의 N-말단 또는 C-말단에 시스테인 잔기를 도입시켜 기판 상에서 안정된 SAM(self-assembled layer, 자기조립막)을 형성하도록 한다는 것이다. 도입된 시스테인 잔기는 티올기를 통하여 기판, 바람직하게는 금속 기판, 보다 바람직하게는 금(Au) 기판 상에 우수한 배향성(orientation)으로 안정된 단일막을 형성하도록 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 재조합 단백질에 도입된 시스테인 잔기의 수는 2-10개이다. 만일, 도입된 시스테인 잔기의 수가 2개 미만, 즉 1개인 경우에는 앵커링(anchoring) 부위로서의 시스테인 잔기의 기능의 크게 감소한다. 만일, 시스테인 잔기의 수가 10개를 초과하는 경우에는 도입된 시스테인 사이에 다이설파이드 결합을 형성하여 재조합 단백질을 정제하기 어려울 뿐만 아니라, 앵커링(anchoring) 부위로서의 시스테인 잔기의 기능의 크게 감소한다.
본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 재조합 단백질에 도입되는 시스테인 잔기의 수는 2-3개이고, 가장 바람직하게는 2개이다.
도입된 시스테인의 티올기를 통한 단백질의 고정화는 본 명세서에서 직접 고정화 방법(direct immobilization)으로 표현되어 있다. 용어 “직접 고정화”는 다른 링커의 도움 없이 단백질 내에 있는 분자를 통하여 단백질이 직접 기판에 고정화되는 것을 의미한다.
이러한 직접 고정화를 통하여, 전자 전달 과정의 불필요한 저항층을 줄일 수 있다는 이점이 있으며 고정화능 또한 주어진 조건에서 최대화할 수 있는 장점이 있다.
단백질을 기판에 고정화 하는 기술로서, 현재 가장 많이 이용되는 것은 링커를 이용하는 것이다. 그러나, 이 방법은 (ⅰ) 지나치게 많은 공정을 필요로 하고, (ⅱ) 낮은 고정화율을 나타내며, (ⅲ) 링커층의 차단효과(insulating effect)를 초래한다는 단점이 있다.
본 발명의 직접 고정화 방법을 이용하는 경우에는 이러한 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에서 메모리 소자로 이용되는 재조합 단백질은 산화환원능을 가져 전자를 수용 및 방출시킬 수 있는 단백질이면, 어떠한 것도 포함한다. 예를 들어, 본 발명에 적합한 재조합 단백질은 금속 이온을 포함하는 금속단백질(metalloprotein), 플라보독신, 플라스토사이아닌(plastocyanin) 및 티오레독신 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 이용되는 산화환원능을 갖는 재조합 단백질은 금속 이온을 포함하는 금속단백질(metalloprotein)이고, 보다 바람직하게는 아주린, 헤모글로빈, 미오글로빈, 헤메리트린, 혈색소, 시토크롬, 철-황단백질, 루브레독신, 플라스토시아닌, 페리틴, 셀룰로프라스민, 탄산 탈수 효소, 비타민 B12-종속 효소, 니트로게나아제, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, 엽록소-포함 단백질, 칼모듈린, 글루코스-6-포스파타제, 헥소키나아제, DNA 폴리메라아제, 바나빈, 아르기나아제, 카탈라아제, 수소화 효소, 철반응요소결합단백질, 아코니타제, 우레아제, 시토크롬 산화 효소, 라케이스, 알코올 탈수소 효소, 카르복시펩티다아제, 아미노펩티디아제, β-아밀로이드단백질, 질산 환원 효소, 글루타티온과산화효소, 메탈로티오네인 또는 포스파타아제를 포함하며, 보다 더 바람직하게는 아주린, 사이토크롬 a, 사이토크롬 b 또는 사이토크롬 c이고, 가장 바람직하게는 아주린이다.
본 발명에 이용되는 금속단백질의 금속 이온은 마그네슘, 바나듐, 망간, 철, 니켈, 구리, 아연, 몰리브덴, 코발트, 갈륨, 비스무트, 골드, 알루미늄, 백금, 크로늄, 은, 안티몬, 탈륨, 카드뮴, 수은, 납, 칼슘 또는 셀레늄으로 치환할 수 있으며, 보다 바람직하게는 코발트, 망간, 철 또는 니켈 이온으로 치환한다.
본 발명에 이용된 재조합 아주린의 금속이온 치환 형태는 Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린이다.
본 발명의 바이오-메모리 디바이스에 이용되는 기판은 메모리 디바이스에서 이용되는 어떠한 것도 포함한다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 기판은 금속, 금속 옥사이드, 유리, 세라믹, 석영, 실리콘, 반도체, Si/SiO2 웨이퍼, 게르마늄, 갈륨 아르세나이드, 카본, 탄소나노튜브, 폴리머, 세파로스 또는 아가로스이고, 보다 더 바람직하게는 금속이며, 가장 바람직하게는 금(Au) 기판이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 “금 기판”은 금으로 표면 코팅된 기판을 포괄하는 의미를 갖는다.
기판 상에 시스테인 변형 단백질을 고정화 하는 방법을 구체적인 일 실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다:
우선, 기판, 바람직하게는 금 기판을 고온에서 어닐링 하고, 피라나 용액을 이용하여 세척한다. 이어, 금 기판에 금속이온이 치환된 단백질을 상기 기판의 표면에 뿌리고 단백질이 기판 상에서 SAM을 형성하도록 방치하여 단백질이 고정된 기판을 얻는다.
본 발명에 의해 제조된 재조합 아주린 치환체 막의 형태는 Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린 평군 20-40 ㎚의 작은 덩어리를 형성한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 바이오-메모리 디바이스는 환원 전위, 개회로 전위 및 산화 전위의 인가에 의해 작동된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 디바이스는 전기장원(electric field source)을 추가적으로 포함한다.
본 발명은 기판, 바람직하게는 금 기판의 표면에 티올기, 즉 시스테인 잔기가 도입된 단백질 분자를 자기조립시키고, 인가되는 전압에 따라 나타나는 단백질 고유의 전자 전달 특성을 이용하여 나노 단위의 정보 저장 장치로 응용할 수 있음을 특징으로 한다.
본 발명의 단백질 기반 바이오-메모리 디바이스가 전기적으로 작동되는 경우, 본 발명의 메모리 디바이스는 가역적으로 변화되고 전기적으로 읽을 수 있는(readable) 전기적 장치로서, 다음과 같이 구성될 수 있다. 이 전기적 장치는 기판을 포함한다. 이 기판은 상술한 바와 같으며, 하기의 실시예에서는 전기적으로 대전되는 금 표면 코팅된 기판이다. 상기 기판 상에 산화환원-활성층(redox-active layer)이 이루어진다. 본 발명에서는 산화환원 활성층으로서, 산화환원능을 가지는 시스테인 도입된 재조합 단백질의 SAM이 이용된다. 상기 산화환원 활성층은 재조합 단백질에 의해 일정한 전자적 상태, 예컨대 산화상태 또는 환원상태에 놓이게 된다. 상기 산화환원-활성층에 전극이 연결된다. 상기 기판또는 전극, 또는 기판과 전극 모두에 연결된 전기장원(electric field source), 예컨대 전압공급 유니트가 본 발명의 디바이스에 포함된다. 이 전기장원에 의해 공급된 전압 또는 전자빔에 의해 전자의 흐름이 유도되며, 이에 의해 메모리 특성을 나타낸다.
따라서 전기적으로 본 발명의 메모리 디바이스를 구축하는 경우, 본 발명의 디바이스는 (ⅰ) 기판, (ⅱ) 산화환원-활성층으로서 상기 기판 상에 고정화 되어 있고 산화환원능을 가지는 시스테인 도입된 재조합 단백질의 SAM, (ⅲ) 상기 산화환원-활성층에 연결된 전극, 및 (ⅳ) 상기 기판 및/또는 전극에 전압 또는 전자빔을 공급하는 전기장원(electric field source)을 포함한다.
한편, 본 발명의 바이오-메모리 디바이스를 전기화학적으로 구현하는 구체적인 실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다:
본 발명은 전기화학적 방법으로 인가(applying) 전압을 조절, 고정된 단백질의 산화와 환원 상태를 변화시키는 것이 가능한 정보 저장 디바이스에 관한 것이다. 단백질 박막이 형성된 기판은 전해질 용액, 예컨대 HEPES 전해질 안에 배치된다. 기판은 작업 전극으로 포텐티오스탯에 연결되어 작동하고 전해질 안에 레퍼런스 전극(예컨대, Ag/AgCl)과 카운터 전극(예컨대, Pt)가 삽입된다. 레퍼런스 전극은 포텐티오스탯이 전압을 스윕하는 경우 작업 전극의 전위 변화를 읽어내는 기준이 된다. 카운터 전극은 포텐티오스탯의 전위 조절에 의해 전자가 흐르게 되는 통로다. 이와 같은 3 전극 시스템은 전기화학에서 가장 많이 구성하는 시스템 중의 하나인 것으로 알려져 있다. 상기 간단한 전기화학 시스템에서 순환전류전압법을 통해 간단한 전압-전류 곡선을 얻는다. 또한 구성된 전기화학 시스템의 평형 전위를 알기 위해 개회로 전위를 측정한다. 개회로 전위란 아무런 전압을 가하지 않은, 일종의 회로가 끊어져 있는 상태에서 단백질 박막의 고유 특성과 전해질의 고유 특성에 의해 일정 전위 차가 형성되게 되고 구성된 시스템이 자연적으로 평형에 이르는 특정 전위를 가지게 된다는 것을 의미한다. 상기 원리를 역으로 이용하면 한 시스템의 개회로 전위를 알고 있을 때 개회로 전위를 시스템에 인가하면 시스템을 인위적으로 평형 상태에 근접하게 만들 수 있게 된다. 이를 구체적으로 설명하면 단백질 박막에 특정 환원 전위가 인가되어 단백질이 전해질로부터 전자를 받아 환원 되었을 경우, 여기에 개회로 전위를 인가하면 단백질 박막이 본래의 자연적 평형 상태로 돌아가면서 흘러 들어갔던 여분의 전자를 내보내게 된다는 것을 의미한다. 반대로 단백질 박막이 전자를 내보내며 산화되었던 경우에 있어서도 개회로 전위가 인가되면 흘러나왔던 전자들이 다시 흘러 들어가면서 본래의 전위 상태로 돌아가게 된다. 즉 개회로 전위는 단백질 박막의 산화환원 상태를 읽어내는 역할을 하게 되는 것이다.
본 발명에 의해 제조된 금속이온-치환 아주린 치환체의 각 전위는 Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 환원 전위는 각각 74.10±20.75 ㎷, 51.60±7.58 ㎷, 105.12±15.24 ㎷ 및 24.97±11.26 ㎷이며, Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 산화 전위는 각각 210.03±15.58 ㎷, 172.90±16.36 ㎷, 236.09±21.75 ㎷ 및 132.61±30.54 ㎷이다. 또한, Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 개회로 전위는 각각 182.11±23.16 ㎷, 121.42±19.98 ㎷, 154.76±31.44 ㎷ 및 104.26±27.67 ㎷ 이다.
보다 바람직하게는, 본 발명의 디바이스는 WORM(Write Once Read Many) 타입 및 WRER(Write Read Erase Read) 타입의 작동 방식으로 구동된다.
본 명세서에서 용어, ‘WORM'는 정보를 단 한번만 기록할 수 있고, 그 후에는 정보가 삭제되지 않도록 보호하는 정보 저장기술이다. WORM 타입은 기록된 정보의 그 내용이 변경되지 못하도록 만들어져 있는데, 이것은 뜻하지 않게 데이터가 삭제되는 것을 방지하기 위한 의도이다. 이는 한번 기록한 다음 무제한으로 ‘읽기’할 수 있는 디바이스이다. 또한, 본 명세서의 용어, ‘WRER'는 정보의 기록 및 판독을 자유롭게 할 수 있는 저장 기술을 말한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 각 아주린 치환체의 3 종류의 전압 상태, 즉 각각 산화 전위, 개회로 전위 및 환원 전위를 조절하여 ‘읽기’, ‘쓰기’ 및 ‘지우기’기능을 구현하였다(도 10).
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 메모리 기능이 상이한 바이오-메모리 디바이스의 제조방법을 제공한다:
(a) 원래의 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질에서 원래의 금속 이온을 다른 금속 이온으로 치환시키는 단계; 및
(b) 상기 단백질을 기판에 고정시키는 단계.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 4 이상의 비트수를 갖는 바이오-메모리 디바이스의 제조방법을 제공한다:
(a) 원래의 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질에서 원래의 금속 이온을 4종 이상의 다른 금속 이온으로 치환시켜 4종 이상의 단백질 변이체를 제조하는 단계; 및
(b) 상기 4종 이상의 단백질 변이체를 기판에 고정시키는 단계.
본 명세서의 용어, ‘비트’는 정보 단위로, 최소의 정보저장단위이다. 본 발명의 ‘4 이상의 비트수’는 16개 이상의 값을 만들 수 있는 정보 저장 수준을 말한다.
바람직한 구현예에 따르면, 본 발명은 4 종류의 다른 금속 이온을 도입한 다기능을 수행할 수 있는 4-비트 바이오-메모리 칩을 제조하였다.
본 발명의 방법은 상기 바이오-메모리 디바이스와 유사하기 때문에, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 산화환원능을 갖는 단백질이 직접 기판에 고정된 바이오-메모리를 제공할 수 있다.
(b) 본 발명은 단백질의 산화환원능을 이용하여 인가 전위에 따라 산화환원 상태를 조절하는 것이 가능하며, 세가지 전위를 인가하는 방식의 작동법을 제시할 수 있다.
(c) 본 발명은 금속 단백질의 금속 이온을 치환하여 산화환원능을 인위적으로 조절할 수 있는 바이오-메모리 디바이스를 제공 할 수 있다.
(d) 본 발명은 생체분자가 내재한 자연계 고유의 전자 전달 원리를 정보 저장 장치를 이용하여 새로운 개념의 바이오-메모리 디바이스를 제공 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바이오메모리 칩의 작동 기작을 나타낸 모식도이다.
도 2는 작동 조건의 계통도를 보여준다. 본 발명의 메모리 디바이스는 3가지 전극 시스템으로 작동한다. 도 2b는 제조된 바이오-메모리 칩의 CAD 이미지를 보여주며, 도 2c는 메모리 디바이스의 사진이다. 바이오-메모리 디바이스는 본 실험에서 작동 전극으로 사용되었다.
도 3은 (a) Co-타입 아주린, (b) Ni-타입 아주린, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입 아주린의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타낸다. (a) Co-타입 아주린은 330 ㎚에서, (b) Ni-타입 아주린은 440 ㎚, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입 아주린은 각각 409 ㎚ 및 418 ㎚에서 흡수 스펙트럼을 보여준다.
도 4는 금 표면에서 자기조립된 (a) Co-타입 아주린, (b) Ni-타입 아주린, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입 아주린을 원자힘현미경으로 표면을 측정한 결과를 보여준다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 바이오-메모리 칩에 고정된 (a) Co-타입 아주린, (b) Ni-타입 아주린, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입 아주린의 순환 전압전류법 결과를 보여준다.
도 6은 각 재조합 아주린 치환체(Co, Ni, Fe 또는 Mn)의 환원 전위, 산화 전위 및 개회로 전위를 보여준다. 파랑 막대는 환원 전위를 나타내며, 빨강 막대는 산화전위를 나타낸다. 또한 녹색 막대는 개회로 전위를 나타낸다. Co-타입 아주린의 환원 전위는 74.10±20.75 ㎷이고, 산화 전위는 210.03±15.58 ㎷이다. 이러한 두 값의 표준 전위는 142.37 ㎷이며, 두 값의 차는 136.53 ㎷이다. 이러한 차이를 정점 분리(peak separation)라고 하며, 종래의 분자적 스위치의 모방으로 전위 훑음(potential sweeping)과 관계가 있다. Ni-타입 다주린 막의 환원 전위는 51.60±7.85 ㎷이며, 산화 전위는 172.90±16.36 ㎷이다. 표준 산화-환원능은 112.25 ㎷ 및 정점 분리는 121.30 ㎷이다. Fe-타입 아주린 막의 환원 전위는 105.21±15.24 ㎷이며, 산화 전위는 236.09±21.75 ㎷이다. 표준 산화-환원능은 170.61 ㎷이며, 정점 분리는 130.97 ㎷이다. Mn-타입 아주린 막의 환원 전위는 24.97±11.26 ㎷이며, 산화 전위는 132.61±30.54 ㎷이다. 표준 산화-환원능은 53.82 ㎷이며, 정점 분리는 107.64 ㎷이다. 짐작컨대, 아주린의 산화-환원능 특징은 금속이온의 치환에 따라 다를 것이다. 이러한 결과는 각 아주린이 다른 전도 상태를 갖는다는 것을 보여준다.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 바이오-메모리 칩에 고정된 (a) Co-타입 아주린, (b) Ni-타입 아주린, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입 아주린의 개회로 전위 결과를 보여준다.
도 8은 (a) Co-타입 아주린, (b) Ni-타입 아주린, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입의 다기능 메모리 수행을 확인한 결과를 보여준다. 도면의 왼쪽 부분은 산화 전위, 환원전위 및 개회로 전위의 인가에 따른 ‘쓰기’, ‘읽기’ 및 ‘지우기’기능을 나타낸다. 도면의 오른쪽 부분은 총 2.8초의 시간에 관찰되는 대응되는 충전 전류를 보여준다.
도 9는 2-상 바이오 메모리 기능을 수행하기 위해, 각 아주린 치환체의 산화 전위 및 환원 전위를 배열하고 비교한 결과로, 도 9는 메모리 평가의 전류 반응을 보여준다. Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린을 보여준다.
도 10은 (a) Co-타입 아주린, (b) Ni-타입 아주린, (c) Fe-타입 아주린 및 (d) Mn-타입의 WRER-타입 메모리 기능을 개회로 전위 전류측정법으로 확인한 결과이다. 위의 도면은 산화 전위, 개회로 전위 및 환원 전위로 인가된 전위의 ‘쓰기’, ‘읽기’및 ‘지우기’를 각각 나타낸다. 밑의 도면은 총 2.8초의 시간에 관찰되는 대응되는 충전 전류를 보여준다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실험 재료 및 방법
슈도모나스 애루지노사 아주린의 유전적 조작
서브클로닝을 위해 이스케리치아 콜라이 주 DH5α를 사용하였다. 블루 쿠퍼 단백질 아주린을 코딩하는 유전자를 슈도모나스 애루지노사의 지노믹 DNA로부터 PCR을 이용하여 증폭하였다. 정방향 프라이머는 NcoⅠ 제한효소 사이트를 포함하며, 역방향 프라이머는 BamHⅠ 제한효소 사이트를 포함하도록 디자인하였다. PCR 반응산물은 DNA 정제 키트(QIAZEN, 미국)를 이용하여 정제한 후, NcoⅠ 및 BamHⅠ(New England Biolabs, 영국)의 두 제한효소로 분해하였다. 분해된 DNA 프래그먼트를 미리 NcoⅠ 및 BamHⅠ제한효소 처리한 pET-21a(+) 벡터(노바젠, 독일)에 라이게이션 키트(다카라, 일본)을 이용하여 라이게이션 하였다. Azu Cys F 및 Azu Cus R 프라이머는 부위특이적 돌연변이 유도되게 디자인하여, AA에서 TGC로 Lys92Cys(K92C)이 되게 제조하였다. 부위특이적 돌연변이를 이용하여 아주린 유전자의 돌연변이 하였다.20
재조합 아주린 치환체의 발현 및 정제
아주린 유전자를 포함하는 플라스미드를 E.coli BL21(DE)에 형질전환 하였다. 형질전환주를 50 ㎎/㎖ 앰피실린을 포함하는 LB 배지 1 L가 든 쉐이킹 플라스크에서 37℃로 OD 0.6까지 배양하였다. IPTG(isopropyl β-D-thiogalactopyranoside)를 최종 농도 0.839 mM이 되게 첨가하여 발현을 유도하였다. 형질전환된 세포를 37℃에서 16시간 동안 추가적으로 배양하였다. 5000 g로 4℃, 15분 동안 원심분리하여 세포를 수확하였다. 세포 페이스트를 수크로오스 버퍼(20% 수크로오스, 0.3 M Tris-HCl, pH 8.1 및 1 mM EDTA)에 부유하고, 삼투압 충격(0.5 mM MgCl2)을 주었다. pH를 3.0까지 감소시켜 오염 단백질을 주변 세포질로부터 침전하여 아주린이 포함된 상층액을 수득하였다. 아포-아주린 및 시스테인-도입 아포-아주린 분획(각각의 일루션 pH= 4.6 및 4.8)을 pH 4.0-6.0의 농도구획(50 mM 초산나트륨)을 갖는 CM 셀룰로오즈 이온-교환 컬럼으로 분리하였다. 아주린 대체물을 제조하기 위해, 상온에서 7일 동안 10 mM tris-HCl에 0.1 M KCN로 투석하여 구리를 제거하였다. 아포-아주린 수용액에 0.5 M CoCl2, 0.5 M NiCl2H2O, 0.5 M FeCl2nH2O 또는 0.5 M MnSO4의 금속 이온을 첨가하여 아주린 치환체를 준비하였다. 아포-아주린의 금속 이온 흡수는 4℃에서 3일 동안 진행하였다. 금속 대체 아주린은 MWCO 5 k 아미콘 울트라 원심 필터(밀리포어, 미국)로 정제하였다.21,22
바이오-메모리 칩 제작
작동 전극으로 바이오-메모리 칩을 제작하기 위해, 종래의 제작 방법에 따라 Si/SiO2 기질에 금 작동 전극을 디자인하고 대량으로 제작하였다. 전극은 1 ㎜의 측면 길이를 갖는 정사각형 모양의 활성 영역 및 1.5 ㎜×2 ㎜의 금 영역으로 전기적 연결된 동일한 배열을 갖는다. 본 과정의 초기 기질은 p-타입(10-20 V㎝-1)의 4 인치 실리콘 웨이퍼이다. 웨이퍼는 열에 의해 산화되어 30 ㎚ 두께의 산화피막을 형성하고, 크롬(50 ㎚) 막 및 금(200 ㎚)이 연속적으로 실리콘 다이옥사이드 웨이퍼 표면에 증발시켜, 실리콘 나이트라이드 막을 에칭하여, 금 전극을 형성한다. 도 2a는 제작된 바이오-메모리 칩의 작동 전극으로써 전기화학적 실험을 기능하게 하기 위한 기본 도식을 설명한다. 도 2b 및 도 2c는 바이오-메모리 칩의 CAD 이미지 및 바이오-메모리 칩의 사진 이미지를 보여준다. 제작된 금 전극은 30 vol% H2O2(덕산 순수 화학, 대한민국) 및 70 vol% H2SO4(대정 화학, 대한민국)의 피라나 용액으로 60 C로 5분 세척한다. 금 전극은 탈염수로 헹구고 질소 스팀 밑에서 건조한다.20.21 금 전극을 이용하여 아주린 치환체 용액의 20 ㎕를 제작된 금 전극에 떨어뜨리고 6시간동안 반응하여 재조합 아주린과 금 기질이 공유결합 되게 한다. 모든 실험의 물은 증류수 및 탈염수(밀리포어, 미국)이다. 10 mM HEPES 버퍼(pH 7.0)에 0.1 ㎎/㎖ 재조합 아주린 치환체 용액을 준비하였다. HEPES 용액을 전해버퍼로 사용하였다.19
재조합 아주린 치환체 막의 지형 조사
탭핑-모드 원자힘현미경(디지탈 인스트루먼트 나노스코프, 미국)으로 제작된 재조합 아주린 치환체의 표면 형태를 상온에서 조사하였다. 이 탭핑-원자힘현미경 이미지를 230 및 305 ㎑의 공명 주파수를 갖는 1-10 Ω-㎝ 포스포로어스(n)돕드(Si)팁을 이용하여 모니터하였다. 이미지 크기는 500 ㎚×500 ㎚이며, 표면 형태를 스캔 속도 1.0 ㎐로 측정하였다.
재조합 아주린 치환체 막의 전기화학적 실험
본 시스템은 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극으로 구성된 종래의 3 전극 시스템이다. 제작된 칩은 작동 전극으로 사용하였다. Pt 상대 전극 및 Ag/AgCl 기준 전극은 BAS(미국)으로부터 구매하였다. 전기화학적 실험은 CHI660A 전기화학 워크스테이션(CH 인스트루먼트, 미국)으로 수행하였다. 모든 전기화학적 실험은 HEPES 버퍼 용액에서 수행하였다.
결과 및 토론
재조합 아주린 치환체의 제조
재조합 아주린 치환체의 발현 및 폴드 시스테인-도입 아포-아주린에 의한 금속(Co, Ni, Fe, Mn)의 흡수는 UV-VIS 분광기로 분석하였다. 슈도모나스 아루기노사 아주린은 블루 카퍼 단백질이다. 재조합 아주린은 시스테인 설퍼 리간드(Cys112) 및 산화된 구리 이온 사이에 리간드-금속 전하이동으로 인해 푸른색을 갖는다. 구리는 독특한 기하학 구조로 다섯 개의 잔기(Gly45, His46, Cys112, His117 및 Met121)에 의해 통합되어있으며, 627 ㎚에 강하게 흡수하게 된다.21 대조적으로, Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 흡광도는 각각 330 ㎚, 440 ㎚, 409 ㎚ 및 418 ㎚이다. 그러므로, UV-VIS 스펙트럼은 금속이 결합 되었는지 결정할 수 있다. 금속-대체 아주린의 결과는 각각 도 3a, b, c, d로 나타내었다.22,23 이러한 분석에 기초하여, 금속이 아주린에 잘 결합되었는지 보여준다(도 4a 내지 도 4d).
재조합 아주린 치환체 막의 형태 분석
재조합 아주린 치환체의 표면 형태를 원자힘현미경으로 조사하였다. 도 5a는 금 표면에 자기조립 된 시스테인-도입 Co-타입 아주린 막을 원자힘현미경으로 관찰한 이미지를 보여준다. 크기는 20-30 ㎚의 작은 덩어리로 표면에서 관찰되었다. 도 5b는 재조합 Ni-타입 아주린 막의 원자힘현미경 이미지이다. 유사하게, 금 표면에 고정화된 Ni-타입 아주린 클러스터의 크기는 30-40 ㎚이다. 또한, 도 5c 및 도 5d는 각각 Fe-타입 및 Mn-타입 아주린 막의 형태를 보여준다. 각 아주린 치환체 막은 대략 20 ㎚-40 ㎚ 사이의 구조로 구성되었다. 그러므로, 다른 금속은 아주린 치환체의 어셈블리에 영향을 주지 않았다. 이러한 결과는 시스테인-도입 아주린 치환체가 금 표면에 추가적인 화학적 링커 없이 제대로 배열되고 조직되었음을 나타낸다.
전기화학적 특성
발명진은 4 종류의 아주린 치환체(Ni 타입; Co 타입; Mn 타입; Fe 타입)의 산화-환원 반응의 특성을 측정하였다. 이러한 실험의 목적은 각 시스테인-도입 아주린의 전기화학적 특성을 메모리 기능의 수행력을 측정하여 조사하였다. 이 점에서, 발명진은 다른 금속이 아주린 치환체의 전자화학적 특징에 영향을 줄 것이라고 가정하였다. 발명진은 처음에 각 자기조립 아주린 치환체 막을 순환전압전류법(CV)으로 측정하였다(도 5 및 도 6). 발명진은 또한 모든 10 종류의 시스테인-도입 아주린 샘플의 환원 전위 및 산화 전위를 측정하였다. 두 피크는 선명하게 보였으며, 이는 정상 아주린과 일치하였다.17 Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 환원 전위는 각각 74.10±20.75 ㎷, 51.60±7.58 ㎷, 105.12±15.24 ㎷ 및 24.97±11.26 ㎷이며, Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 산화 전위는 각각 210.03±15.58 ㎷, 172.90±16.36 ㎷, 236.09±21.75 ㎷ 및 132.61±30.54 ㎷이다. 이러한 결과는 금속의 치환으로 아주린의 산화-환원 반응 특성이 바뀔 수 있는 것을 분명히 말해준다. 각 물질, 결합 금속, 물질 및 기질간 전자전송 동역학의 자연적 특성은 합성물의 산화-환원 반응의 특성을 변하게 할 수 있다. 이전에, 구조적 및 전기화학적 산화-환원 특징은 포르피린 분자의 중심에 위치하는 Ni(Ⅱ), Cu(Ⅱ) 및 Zn(Ⅱ)과 같은 결합 금속에 따라 달라진다는 것을 보여준다. 이전 연구에서, 환원 및 산화 전위는 각각 약 ±7.661% 및 ±8.757%정도 변화하였다.24
또한, 아주린의 각 타입의 개회로 전위(OCP)를 조사하였다. 도 7는 각 재조합 아주린의 개회로 전위를 보여준다. 개회로 전위는 전해액 및 아주린 분자 사이의 평형을 이루는 전위에 요구되는 시간을 정의한다. 일반적으로, 이는 1000초에서 Ag/AgCl에 근거한 특정 전위에 다가갈수록 극적으로 감소한다. 1000초 후에, 개회로 전위는 전위가 안정화되는 특정 전위에 다가간다. Co-타입 아주린, Ni-타입 아주린, Fe-타입 아주린 및 Mn-타입 아주린의 개회로 전위는 각각 182.11±23.16 ㎷, 121.42±19.98 ㎷, 154.76±31.44 ㎷ 및 104.26±27.67 ㎷이다(도 7a 내지 도 7d). 이러한 4 종류의 다른 아주린 치환체 사이의 시간차는 ‘개회로 전위 vs. 시간’은 전적으로 제작된 전기화학적 세포의 초기 조건에 의존적이기 때문에 중요하지 않다. 때때로 전위범위는 안정화를 위해 중요한 변화를 필요로 하며, 다른 시간은 약간의 변화가 요구될 뿐이다. 최종 전위는 초기 조건에 따라 경우마다 다를 것이다. 이러한 결과에 기초하여, 발명진은 준비된 기질에 아주린 치환체의 자기-조립은 적절한 전기화학적 특징을 보여주며, 다른 전도 상태에서 그의 산화-환원적 특징 및 개회로 전위를 유지한다. 결과적으로, 메모리 수행능력을 평가하기 위한 추가적인 실험을 하였다.
2-상 메모리 기능의 평가
본 발명의 디바이스의 2-상 메모리 수행능을 평가하기 위해, 시간대전류측정법을 이용하였다. 시간대전류측정법은 작동 전극의 전위를 움직여 전위의 움직임으로 인해 전극에 일어나는 유도전류부터 나오는 전류를 시간함수로 나타내는 전기화학적 기술이다. 이러한 접근법을 이용하여, 발명진은 이전의 순환전압전류법 실험부터 각 아주린 치환체 막을 결정한 산화 전위 및 환원 전위를 인가하였다. 산화 전위의 인가 및 전류의 측정은 “쓰기”단계(아주린 분자로 전자유입)로 정의된다. 대조적으로, 환원 전위의 인가(applying)는 아주린 분자로부터 전자가 유출된다. 이러한 개념을 이용하여, 2-상 바이오-메모리 기능이 정립되었다. Co-타입 아주린의 경우, 210.03 ㎷의 산화 전위 및 74.10 ㎷의 환원 전위를 인가하여, 전자의 유입 및 유출을 측정하였다. 전자는 산화 전위가 제작 적극에 인가되었을 때, 고정화된 아주린 분자로 흘러가며 이를 정보값(information value)‘1’이라고 정하였다. 대조적으로, 환원 전위가 인가되었을 때, 아주린으로부터 저장된 전자가 빠져나가는 것을 정보값 '0'이라고 정하였다. 도 8a는 전류 반응의 도식도를 보여준다. 이러한 전류값으로, Co-타입 아주린 저장된 전하 막을 다음의 공식(1)으로 계산하였다.
Figure 112011058706776-pat00001
상기 공식(1)의 Q는 전하량, i는 전류량이며 t는 시간을 의미한다.
“쓰기” 또는 “지우기”에 의해 Co-타입 아주린에 저장된 전하는 시간대전류측정법(CA)의 전류로부터 계산된다. 그리고 이는 대략 107×10-8 C이다. 또한, Co-타입 아주린의 표면 커버리지(surface coverage)은 공식(2)로부터 산출한다.
Figure 112011058706776-pat00002
(Ip: CA 전류; v: 스캔속도; Γ: 표면 범위; n: 전송된 전자의 수, A: Co-타입 아주린 고정화의 표면 커버리지; F: 파라데이 상수(faraday constant), R: 기체 상수; T: 온도)25,26 공식(2)에 따르면, CA 전류는 표면 커버리지에 비례한다. 그러나 아주린 분자의 형태가 구 모양이고 아주린 분자는 정의된 금 표면에 단층으로 자기-조립되며, 전극 표면은 이론적으로 표면 커버리지를 산출하기 위한 어떠한 캐비티(cavity)가 없는 동일한 조건을 갖는다는 가정이 필요하다. 그러므로, Co-타입 아주린의 표면 커버리지의 양은 산화 전위일 때, 대략 2.278 nmol/㎠로 측정된다. 또한, Ni-타입 아주린(산화 전위: 172.90 ㎷ 및 환원 전위: 105.12 ㎷), Fe-타입 아주린(산화 전위: 236.09 ㎷ 및 환원 전위: 105.12 ㎷) 및 Mn-타입 아주린(산화 전위: 132.61 ㎷ 및 환원 전위: 24.97 ㎷)도 비슷한 현상을 나타내었다(도 9). 그러므로, 이러한 전자 전송 양식에 기초하여, 발명진은 전류를 조절할 수 있었다. 결론적으로, 발명진은 4 정보값을 저장하는 2-상 메모리 칩을 성공적으로 개발하였다.
WRER -타입 및 WORM -타입 메모리 측정
이전에, 발명진은 ‘쓰기’기능과 ‘지우기’기능을 갖는 2-상 메모리 기능을 제안하였다. 그러나, 상기 기술은 저장된 전하를 읽는데 따른 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 개회로 전위 실험으로부터 얻은 추가적인 파라미터를 정하였다. 각 아주린 치환체는 개회로 전위가 인가되었을 때, 조립된 아주린 및 전극 사이의 안정된 평형 상태에 도달하였다. 시스템에 어떠한 전위도 인가되지 않았을 때, 만일 개회로 전위를 환원된 아주린에 인가한다면, 산화될 것이고 한 방향은 전극으로, 다른 방향은 전극에서 유출되는 두 방향의 전류 사이의 평형상태에 도달하는 같은 원리로 전자는 방출될 것이다. 그러므로 개회로 전위 상태는 메모리 디바이스에서 ‘읽기’ 단계로 활용할 수 있다. 산화 전위의 인가 및 전류의 측정은 ‘쓰기’단계로 정의된다(전자 유입). 개회로 전위의 인가 및 전도 전류의 측정은 ‘읽기’단계로 정의된다(전자 유출). 이러한 접근법을 이용하여, 산화 전위 및 개회로 전위는 조립된 아주린 막에 교대로 인가되어 ‘쓰기’및 ‘읽기’기능을 반복할 수 있다. 다시 말해서, ‘읽기’, ‘쓰기’ 및 ‘지우기’의 3 파라미터가 디바이스에 각각 산화 전위, 개회로 전위 및 환원 전위로 사용되어진다. 환원 전위는 트래핑된 전하를 모두 방출하여 인공적인 ‘지우기’단계를 수행한다. 그러므로, 상기 디바이스를 사용하여 재조합 아주린 치환체의 3 종류의 전압 상태를 조절함으로써 저장/읽기/지우기를 할 수 있다.
발명진은 직접적으로 고정화한 아주린 치환체 막은 3 종류의 구별되는 전도 상태를 갖는다고 결론지었다. 간단하게, Co-타입 아주린의 경우, 산화 전위(210.03 ㎷)의 인가는 고정화된 아주린 막에서 금 물질로 전자가 이동하게 되고 양성 전하는 아주린 막에 저장된다. 반대 과정은 환원 단계 동안 일어난다. 환원 전위(74.10 ㎷)가 인가되면, 전자는 아주린 막으로 다시 이동되고 저장되었던 전하는 지워진다. 개회로 전위(182.11 ㎷)는 이러한 전하의 상태를 읽는데 사용한다. 이러한 3상은 개회로 전위전류측정법(Open Circuit Potential Amperometry: OCPA)에 기초하였다. 도 8b는 Ni-타입 아주린에 인가된 전위에 따른 WRER(Write Read Erase Read)-타입 메모리 작용을 보여준다. 이 경우에, Ni-타입 아주린의 메모리 파라미터는 산화 전위는 172.90 ㎷, 개회로 전위는 121.42 ㎷, 환원 전위는 51.60 ㎷이다. 도 10는 다른 금속-치환 아주린 디바이스의 WRER-타입 메모리 수행능력을 나타낸다.
Fe-타입 아주린의 경우(산화 전위: 236.09 ㎷; 개회로 전위: 154.76 ㎷; 환원 전위: 105.12 ㎷)에, WORM(Write Once Read Many)-타입 메모리로 다른 기능을 수행하였다. 236.09 ㎷의 산화 전위는 디바이스에 전하를 재생할 수 있다. 짧은 단절시간에 154.76 ㎷의 두 개회로 전위 펄스의 연속세트는 필요한 전류 반응을 제조하고, 이러한 전하는 메모리 디바이스의 산화상태를 유지한다. 최종적으로, 51.60 ㎷의 환원 전위 펄스는 모든 저장된 전하를 지운다. 도 8c는 WORM-타입 메모리의 기본적인 기작을 보여준다.
또한 Mn-타입 아주린(산화 전위: 132.61 ㎷; 개회로 전위: 104.26 ㎷; 환원 전위: 24.97 ㎷)은 3 종류의 정의된 파라미터에서 WORM-타입의 전류 반응을 보여주었다. 이 경우, 121.42 ㎷ 개회로 전위를 저장된 정보를 매우 짧은 연결해제시간(disconnecting time)으로 3번 읽었을 때, 저장된 전하의 관찰된 전류 반응은 3번이였다(도 8c 및 도 8d).
종합적으로, WRER 전주기 및 WORM 전주기의 각 아주린 치환체는 주어진 전하에 따라 작동될 수 있다. 다기능 바이오-메모리로 작용하기 위해, 다른 전하를 주면 각 아주린 치환체-고정화된 바이오-메모리 칩에 적용하였다. 이러한 결과는 본 발명의 바이오-메모리 개념을 입증한다. 생분자 즉. 특정 단백질을 전자 디바이스에 성공적으로 적용하는 것은 저장된 다른 정보에서 그들의 불안정성을 포함하는 본질적인 문제로 대개 어렵다. 그러나 본 발명은 다양한 기능을 갖는 생분자를 전자 디바이스에 적용하여 뇌 또는 망막에 비견되는 기능 및 초고밀도의 바이오-메모리 디바이스를 제조하는 것을 설명한다. 바이오-메모리 디바이스를 이용하여현재 실리콘-기반 메모리 디바이스가 할 수 없는 다기능을 수행할 수 있었다. 더욱이, 단일 단백질로부터 낮은 전기-화학적 신호를 갖더라고, 본 발명의 바이오-메모리 디바이스는 가까운 미래에 현실적인 메모리 디바이스로 직접 적용될 수 있게 구성되었다.
결론
본 발명에서, 다기능 바이오 메모리 디바이스는 정보의 다른 타입으로 저장하도록 개발되었다. 발명의 목적을 위해, 시스테인-도입 아주린은 다양한 금속 이온을 구성한다. UV-VIS 연구는 다양한 금속 이온을 갖는 재조합 아주린 분자를 보여준다. 원자힘현미경의 결과는 각 아주린 치환체 막이 잘 형성되어 조직됨을 보여준다. 순환전환전류법 및 개회로 전위 결과는 이러한 아주린 치환체 분자는 다른 산화-환원능을 갖으며, 개회로 전위는 원래의 아주린 분자와 비교하여 설명한다. 다양한 메모리 기능은 시간대전류측정법 및 개회로 전위 전류측정법으로 설명한다. 재조합 아주린 치환체는 특정 전류 상태에 배열된 전자를 저장 할 수 있다. 결과적으로, 다기능 바이오-메모리 칩의 기본 개념은 잘 설정되었다. 이러한 결과는 바이오-메모리 시스템의 개발을 위한, 새로운 차원의 개념 및 재료 조합을 제공한다. 가까운 미래에, 본 발명의 바이오-메모리 디바이스는 복합적인 메모리 기능을 수행하며, 실리콘-기반 칩을 대체하는 강력한 기술이 될 것이다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
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Claims (21)

  1. 치환된 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질이 기판에 고정된 바이오-메모리 디바이스; 상기 단백질은 금속 단백질이고, 상기 금속 단백질은 아주린, 헤모글로빈, 미오글로빈, 헤메리트린, 혈색소, 시토크롬, 철-황단백질, 루브레독신, 플라스토시아닌, 페리틴, 셀룰로프라스민, 탄산 탈수 효소, 비타민 B12-종속 효소, 니트로게나아제, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, 엽록소-포함 단백질, 칼모듈린, 글루코스-6-포스파타제, 헥소키나아제, DNA 폴리머라아제, 바나빈, 아르기나아제, 카탈라아제, 수소화 효소, 철반응요소결합단백질, 아코니타제, 우레아제, 시토크롬 산화 효소, 라케이스, 알코올 탈수소 효소, 카르복시펩티다아제, 아미노펩티디아제, β-아밀로이드단백질, 질산 환원 효소, 글루타티온과산화효소, 메탈로티오네인 또는 포스파타아제이며, 상기 금속 단백질은 원래의 금속 이온이 마그네슘, 바나듐, 망간, 철, 니켈, 아연, 몰리브덴, 코발트, 갈륨, 비스무트, 골드, 알루미늄, 백금, 크로늄, 은, 안티몬, 탈륨, 카드뮴, 수은, 납, 칼슘 또는 셀레늄으로 치환된 금속 단백질이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화환원능을 갖는 단백질은 재조합 단백질로, 시스테인 잔기가 도입되어 기판에 직접 고정화 되는 것을 특징으로 하는 바이오-메모리 디바이스.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속단백질은 원래의 금속 이온이 코발트, 망간, 철 또는 니켈 이온으로 치환된 것을 특징으로 하는 바이오-메모리 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 금속, 금속 옥사이드, 유리, 세라믹, 석영, 실리콘, 반도체, Si/SiO2 웨이퍼, 게르마늄, 갈륨 아르세나이드, 카본, 탄소나노튜브, 폴리머, 세파로스 또는 아가로스인 것을 특징으로 하는 바이오-메모리 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기판은 금(Au) 기판인 것을 특징으로 하는 바이오-메모리 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오-메모리 디바이스는 환원 전위, 개회로 전위 및 산화 전위의 인가에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 바이오-메모리 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오-메모리 디바이스는 WORM(Write Once Read Many)타입 및 WRER(Write Read Erase Read) 타입으로 작동하는 것을 특징으로 하는 바이오-메모리 디바이스.
  11. 다음 단계를 포함하는 메모리 기능이 상이한 바이오-메모리 디바이스의 제조방법:
    (a) 원래의 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질에서 원래의 금속 이온을 마그네슘, 바나듐, 망간, 철, 니켈, 아연, 몰리브덴, 코발트, 갈륨, 비스무트, 골드, 알루미늄, 백금, 크로늄, 은, 안티몬, 탈륨, 카드뮴, 수은, 납, 칼슘 또는 셀레늄으로 치환시키는 단계; 및
    (b) 상기 단백질을 기판에 고정시키는 단계.
  12. 다음 단계를 포함하는 4 이상의 비트수를 갖는 바이오-메모리 디바이스의 제조방법:
    (a) 원래의 금속 이온을 포함하는 산화환원능(redox potential)을 갖는 단백질에서 원래의 금속 이온을 4종 이상의 다른 금속 이온으로 치환시켜 4종 이상의 단백질 변이체를 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 4종 이상의 단백질 변이체를 기판에 고정시키는 단계.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 산화환원능을 갖는 단백질은 재조합 단백질로, 시스테인 잔기가 도입되어 기판에 직접 고정화 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 단백질은 금속단백질인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 금속단백질은 아주린, 헤모글로빈, 미오글로빈, 헤메리트린, 혈색소, 시토크롬, 철-황단백질, 루브레독신, 플라스토시아닌, 페리틴, 셀룰로프라스민, 탄산 탈수 효소, 비타민 B12-종속 효소, 니트로게나아제, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, 엽록소-포함 단백질, 칼모듈린, 글루코스-6-포스파타제, 헥소키나아제, DNA 폴리머라아제, 바나빈, 아르기나아제, 카탈라아제, 수소화 효소, 철반응요소결합단백질, 아코니타제, 우레아제, 시토크롬 산화 효소, 라케이스, 알코올 탈수소 효소, 카르복시펩티다아제, 아미노펩티디아제, β-아밀로이드단백질, 질산 환원 효소, 글루타티온과산화효소, 메탈로티오네인 또는 포스파타아제인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 산화환원능을 갖는 단백질은 원래의 금속 이온이 마그네슘, 바나듐, 망간, 철, 니켈, 아연, 몰리브덴, 코발트, 갈륨, 비스무트, 골드, 알루미늄, 백금, 크로늄, 은, 안티몬, 탈륨, 카드뮴, 수은, 납, 칼슘 또는 셀레늄으로 치환된 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 산화환원능을 갖는 단백질은 원래의 금속 이온이 코발트, 망간, 철 또는 니켈 이온으로 치환된 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 기판은 금속, 금속 옥사이드, 유리, 세라믹, 석영, 실리콘, 반도체, Si/SiO2 웨이퍼, 게르마늄, 갈륨 아르세나이드, 카본, 탄소나노튜브, 폴리머, 세파로스 또는 아가로스인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 기판은 금(Au) 기판인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 바이오-메모리 디바이스는 환원 전위, 개회로 전위 및 산화 전위의 인가에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 바이오-메모리 디바이스는 WORM(Write Once Read Many)타입 및 WRER(Write Read Erase Read) 타입으로 작동하는 것을 특징으로 하는 방법.
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