KR20110081139A - 3ｄ 공간에서 ｄｎａ의 단일 가닥 차원의 구성 - Google Patents

Abstract

생체고분자 핵산의 3차원(3D) 어드레서블 어레이를 생성하는 공정은, 표면을 갖는 나노스케일의 3차원 형상을 제공하는 단계 및 복수의 생체고분자 핵산을 3D 형상의 표면에 규칙적인 패턴으로 결합시키는 단계를 포함한다. 3D 생체고분자 핵산은, 반응성 화학기를 갖는 상보적인 프로브와 혼성화되어, 효소 활성 부위 모사 또는 인공적인 촉매를 제공할 수 있다. 이러한 모사 또는 촉매는 바이오 연료 및 다른 산업에 사용될 수 있다.

Description

3Ｄ 공간에서 ＤＮＡ의 단일 가닥 차원의 구성{SINGLE STRAND DIMENSIONAL CONSTRUCTION OF DNA IN 3D SPACE}

본 발명은 생체고분자 핵산(biopolymeric nucleic acids)의 3 차원 어드레서블 어레이(three-dimensional addressable array) 및 상기와 같은 어레이들을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기와 같은 어레이들은 촉매 효소들을 제공하기 위해 상보성의 화학 반응 프로브들(complementary chemical reactive probes)로 기능화될 수 있다.

본 출원은 참조로서 본원에서 각각 병합된 다음의 출원: 2007년 3월 15일에 출원된 미국 가출원 제60/918,144호; 2007년 8월 30일에 출원된 미국 가출원 제60/969,154호; 2007년 11월 6일에 출원된 미국 가출원 제60/985,961호; 2007년 11월 6일에 출원된 미국 출원 제11/936,045호; 2008년 2월 28일에 출원된 미국 가출원 제61/-032,118호; 2008년 3월 14일에 출원된 PCT 출원 PCT/US08/57013; 2008년 4월 10일에 출원된 미국 가출원 제61/043,981호; 2008년 4월 23일에 출원된 미국 가출원 제61/047,201호; 2008년 4월 29일에 출원된 US 가출원 제61/048,599호에 관한 것이다. 본원에 인용되는 참조는 본 발명을 이해하는데 도움을 줄 수 있고, 참조로서 본원에서 각각 병합된다.

본 발명의 목적은 생체고분자 핵산의 3 차원 어드레서블 어레이 및 상기와 같은 어레이들을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 나노스케일 제조 플랫폼들(platforms)로서 사용될 수 있는 3 차원(3D) 기질들(substrates)에 연결된 생체고분자 핵산들의 어드레서블 어레이들을 발생시키는 방법에 관한 것이다. 생고분자 핵산은 DNA, PNA, RNA, 또는 LNA를 포함할 수 있다. 생고분자 핵산은 딥 펜 나노리소그래피(dip pen nanolithography), 희생 층을 통한 펨토초 레이저-조정 패터닝(femtosecond laser-mediated patterning), 사전에 표면 상에 형성된 홈들(grooves) 또는 상승부들(risers) 상의 레이저 조정 리소그래피, 또는 윤곽면(contoured surface)에 걸쳐 자기적으로 조정된 정렬을 사용하여 기질에 결합될 수 있다. 생체고분자 핵산들은 금속(예를 들면, 금), 플라스틱 및/또는 중합체 기질들에 부착될 수 있다. 다양한 분자들, 예를 들면, 아미노산들은 3D 어드레서블 플랫폼들(3D addressable platforms)에 연결될 수 있다. 활성화된 플랫폼들은 촉매들 또는 활성 효소 부위 모방(enzyme active site mimics)으로서 사용될 수 있다. 플랫폼들은 조합 화학을 통하여 새로운 촉매들을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 나아가 임프레션 몰딩(impression molding)을 사용하여 3D 기질들에 연결된 생체고분자 핵산들의 어드레서블 어레이들을 복제하는 방법에 관한 것으로서, 상기 복제된 어레이는 평평한 스탬프(flat stamp) 또는 롤러로 이동된다. 대안적으로, 복제 방법은 압축성형을 사용하는 단계를 포함하고, 이때, 압력은 주머니(bladder)로 구성된 탄성 물질(elastic substance)에 추가되거나, 또는 탄성 물질은 환경 변화(반응물(reagent), 온도 등을 추가)로 인해 복제되는 어레이와 상호작용하기 위해 팽창된다.

본원에 병합되고 본원의 부분을 형성하는 첨부된 도면들은 설명과 함께, 본 발명을 제시하고, 본 발명을 기술한다. 도면들에서, 동일한 소자들은 동일한 번호로 언급된다.
도 1a는 셀룰로오스 마이크로피브릴(cellulose microfibril)에 관한 셀룰라아제 경과(cellulase progressing)의 개략적인 도면이다. 도 1b는, ssDNA로 축 방향으로 배열되고, 기능화된 프로부들로 혼성화된(hybridized) 합성 글리코시드 가수분해효소(synthetic glycoside hydrolase)(E1 엔도그루칸세 미네틱(Endoglucanse mimetic)) 플랫폼의 개략적인 도면이다. 도 1b는 크기 비교를 위해 셀룰로오스 올리고머도 도시한다.
도 2는 원통형, 예리한 (지점) 홈통, 틈/구멍(cleft/crater) 및 복합형 나선(compound helix)를 포함하여, 나노스케일 리소그래피(nanoscale lithography)로 제조할 수 있는 대표적인 활성 효소 부위와 같은 마스터 형상(master shapes)의 개략적인 도면이다.
도 3a는 일정한 2D 패턴들로 배열된 ssDNA의 개략적인 도면이다. 도 3b는 3D 유니베리어블 반경 몰드(univariable radius mold) 꼭대기에 리소그래피된 ssDNA의 개략적인 도면이다. 금 템플릿 유닛(gold template unit)의 정전위(electrostatic potential)를 관리하기 위해 사용된 전기 도선들(electrical leads)도 도시된다.
도 4는 리프트-오프 생성의 ssDC-특정 변화의 개략적인 도면이다.
도 5는 NIL 계 생성의 템플릿들 및 플랫폼들을 위해 사용된 대표적인 몰드들의 개략적인 도면이다. 도 5a는 반구형 형상 몰드들의 롤러형 어레이(roller-type array)이다. 도 5b는 평평한 스탬프형 어레이의 절단된 원뿔형 형상 몰드들이다.
도 6은 템플릿들로부터 3D 플랫폼 발생의 개략적인 도면이다.
도 7은 탄성 템플릿 물질을 사용한 마스터들로부터 3D 템플릿 발생의 개략적인 도면이다.
도 8은 팽창 템플릿 물질을 사용한 마스터로부터 3D 템플릿 발생의 개략적인 도면이다.
도 9는 대표적인 ssDC 촉매의 개략적인 도면이다.
도 10은 나선형 및 틈형 기하학적인 형상을 가진 범용 촉매 플랫폼들의 어셈블리의 개략적인 도면이다.
도 11은 대표적인 ssDC™ "촉매-온-칩(Catalyst-on-a-Chip):"의 개략적인 도면이다.
도 12a-c는 사이버네티제이션(cybernetization)에 대한 기법들을 가능케 하는 대표적인 도면이다.
도 13은 대다수의 단량체 함량의 생물학적 효소들을 나타내는, 20 개의 천연(natural occurring) 아미노산들의 개략적인 도면이다.
도 14a-c는 본원 내에서 촉매작용의 개략적인 도면이다.
도 15는 금 상에 곡선으로 이루어진 패턴에서 리소그래피화된 영구적인 ssDNA를 포함하는 대표적인 마스터 형상의 개략적인 도면이다.
도 16은 DPN-스팟형 리셉터 포인트들 상에 반복적으로 고정되고, 데카르트 패턴(cartesian patterns)을 생성하기 위해 템블릿 형상에 걸쳐 선형으로 펼쳐진 ssDNA의 개략적인 도면이다.
도 17은 희생 층(sacrificial layer) 상에 SA 또는 항(anti)-DIG로의 기능화를 통해 Fsec 레이저-소모 포인트들(Fsec laser-depleted points) 상에 반복적으로 고정되고, 마스터 형상에 걸쳐 선형으로 펼쳐진 ssDNA의 개략적인 도면이다.
도 18은 2D 표면 및 3D 마스터 윤곽 상에 Fsec 레이저-소모 포인트들 상에 반복적으로 고정되고, 사전-리소그래피화된 홈들(pre-lithographed grooves) 내에서 곡선을 이루거나 선형으로 펼쳐진 ssDNA의 개략적인 도면이다.
도 19는 하나의 ssDNA 성분(strand)이 Fsec 레이저-리소그래피화된 고정 포인트로부터 선형 벡터 자기장선을 통하여 홈 또는 상승부(rise)로 변화되는 제한 터널(confining tunnel) 내로 펼쳐지는 개략적인 도면이다.
도 20은 자기장의 이동에 영향을 받는 콜로이드 인클로저(colloidal enclosure)로부터 풀림 및 펼쳐짐을 통하여 리소그래피화된 금 상에 포스포로티오에이트(phosphorothioate)로 변형된 ssDNA 성분이 펼쳐지는 것을 나타낸 개략적인 도면이다.

Part Ⅰ. 단일 성분 차원 구조

단일 성분 차원 구조("ssDC"로 본원에서 언급되기도 함; "단일 성분 차원 구조" 및 "ssDC" 모두는 인사이터(lncitor) LLC의 트레이드마크들(trademarks)임)은 3 차원 공간의 물리-화학적인 기능성을 해결하기 위해 단일 성분 DNA 및 나노스케일 형태를 이용하고, 나노스케일 3D 구조물들의 발달 및 생성에 대해서는 이산 분자들(discrete molecules)의 특정 배치를 요구하여 촉매들 및 다른 생성물들을 제공할 수 있다. 이종 촉매 작용(heterogeneous catalysis), 동적 고분자(polymer dynamics), 멀티패셜 유기 합성(multifacial organic synthesis), 초분자 어셈블리(supramolecular assembly), 마이크로어레이 및 지향 전개(directed evolution)/조합적인 화학(DE/CC)의 양태들을 조합함으로써, ssDC는 다양한 생성물들의 대량 생성을 가능케 할 수 있다. 예들은 대부분 존재하는 효소 및 촉매작용의 새로운 모드들(new modes)의 발견물에 따라서 복제 및 개선을 위한 전위를 포함한다.

ssDC는 단일 성분 템플릿 제조 방법(본원에서는 "SSTM"으로 언급되기도 함; "SSTM" 및 "단일 성분 템플릿 제조" 모두는 인사이터(lncitor) LLC의 트레이드마크들임)을 기반으로 하고, 모방 펩티드들(mimetic peptides), 생체고분자들 및 템플릿화된 형태의 DNA로부터 직접화된 다른 분자 구조물들을 합성시킬 수 있다. SSTM으로, 고밀도 어레이의 DNA 어드레스들은 기하학적인 정밀성(geometric precision)을 가진 2 차원(2D) 표면에 고정되고, 제조 플랫폼들의 역할을 하고, 이때 상기 플랫폼들 상에는 합성물이 고체상(solid phase) 상의 DNA와, 벌크(bulk)에서, 액체상에서 중합된 단량체 성분 사이의 안정한 계면을 통해 일어나는 커플링 화학 작용 및 혼성화를 통해 용이하게 된다.

ssDC의 제조 플랫폼 형상이 2D(또는 "평평함") 기하학적인 형상들에 한정되지 않고, 합성 후의 템플릿로부터 연결이 해제되는데 필요한 최종 생성물들이 아니기 때문에, ssDC는 여분의 차원이 이로운 조건하에서 상기의 작용기들을 실행할 수 있는 선택을 나타내기도 한다. 그 결과, 3D 플랫폼들은 많은 생성물들 및 과정들, 예를 들면 기하학, 입체로 특정하게 위치된 성분들(stereo-specifically placed components)을 가진 초분자 생성물들의 하부 내지 상부 어셈블리(bottom-to-top assembly), 및 효소와 같은 기능을 실행하는 촉매 센터들(catalytic centers)에 의해 용이하게 된 멀티패셜 합성을 위한 기반의 역할을 할 수 있다.

이러한 예의 제 3 적용은 효소들 또는 생체 혼성(bio-inspired heterogeneous) 촉매들과 유사한 플랫폼들의 생성은 다음에서 상세하게 기술될 것이다. 본원에 기술된 기술들 및 방법들은 전반적인 기술 및 그의 적용에서만 대표적인 것으로 의미한다.

촉매들을 발생시키는 과정으로서 ssDC를 사용한 예들

본 발명의 적용의 예는 생물연료 산업에서 유용한 효소들에 의해 일어난 기하학적인 형상을 가진 촉매 플랫폼들 및 생성 템플릿들을 발달시키는 것이다. 대부분 셀룰라아제들 및 다른 글리코시드 가수분해효소들은 틈과 유사한 활성 부위들 내에서 크게 이들의 작용기들을 실행시키고, 상기 틈과 유사한 활성 부위들은 기질들을 인식, 결합 및 위치시키고, 중간물의 형성을 안정화 및 촉진시키고 그리고 일반적으로 발효당들(fermentable sugars)인 생성물들을 발생 및 방출시킨다(G. J. Davies 및 B. Henrissat, "Structures and mechanisms of glycosyl hydrolases," Structure 3, 853 (1995) 참조). 본 발명은 이러한 기하학적인 형상 및 기능성과 유사할 수 있는 나노스케일 촉매들의 성공적인 구조를 가능케 하면서, 또한 이들의 구조에서 보다 많은 탄성 물질을 사용하는 것에 있다.

도 1은 개념을 설명한다. 도 1a는 셀룰로오스 마이크로피브릴에 과한 셀룰라아제 진행을 보여준다(public domain image of the U.S. Dept. of Energy, Oak Ridge National Laboratory, ORNL Review 40(1), (2007)). 도 1b는, ssDNA로 축 방향으로 배열되고, 기능화된 프로부들로 혼성화된 합성 글리코시드 가수분해효소(E1 엔도그루칸세 미네틱) 플랫폼을 나타낸다. 셀룰로오스 올리고머는 크기 비교를 위해 플랫폼 상에서 도시된다.

ssDC를 사용한 촉매를 발생시키는 방법은 다음의: a) 활성 효소(enzyme active) 및/또는 결합 부위들의 기하학적인 형상과 유사한 나노스케일 차원을 가진 형상을 발생시키는 단계; b) 반복가능하고 예측가능한 방식으로 나노 형상들에 ssDNA를 결합시키는 단계; c) 다량의 생성 기술들을 사용한 이러한 ssDNA 함침 나노형상들(ssDNA impregnated nanoshapes)을 선택적으로 재생성시키는 단계; 및 d) 아미노산과 같은 다양한 분자들에 결합된 상보성 ssDNA 시퀀스들을 나노형상들 상의 특정 위치에 결합시킴으로써 ssDNA 함침 나노형상들을 기능화시키는 단계를 포함할 수 있다.

이 설명의 목적에 있어서, 단계들 a) 및 b)로부터 나타난 ssDNA 함침된 나노형상들은 "마스터들(masters)" 이라고 언급된다. 이러한 마스터들의 미러 이미지들(mirror images)은 "템플릿들"로 공지된다. 관심이 되는 다양한 분자들에 결합된 ssDNA 시퀀스들로 기능화된 마스터들의 정확한 재생성은 "플랫폼들"로 공지된다. 명백해질 수 있는 바와 같이, 마스터들은, 상기 마스터가 결국 기능적으로 되는 경우에 플랫폼들일 수도 있다.

용어 "폴리뉴크레오베이스(polynucleobases)" 또는 "생체고분자 핵산"은 단일 성분 DNA, 단일 중합체(monopolymeric)(동종 단량체)에서의 단일 성분의 RNA, PNA, 또는 LNA, 이종 단량체(heterogeneous monomeric)(즉, 약 0.5 nm 공간을 두고 베이스들의 적층 능력을 유지하는, 디옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotides) 및 핵염기 베타-아미노산들(nucleobasic beta-amino acids)의 공중합체) 또는 혼성물 중합체 조합들로 언급된다. 본 발명의 예로서, 표시 "ssDNA"는 마스터들 상에 영구적인 부착을 위해 변형된 상기의 생체고분자 핵산들을 나타내기 위해 본원에서 사용되어, 템플릿들의 리소그래피의 상보성 생체고분자들로서 사용될 것이다.

마스터들의 생성

마스터들을 생성하는 과정은 3D 나노형상의 형태, 오목형 또는 볼록형 상태에서 시작된다. 이러한 나노형상들은 전자-빔 리소그래피(electron-beam lithography), 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography), 및/또는 딥 펜 나노리소그래피를 포함하지만, 이에 한정되지 않은 다수의 서로 다른 방법들에 의해 발생될 수 있다. 이 예의 목적에 대해, 3D 패턴 이동 나노임프린트 리소그래피(Kim et al., "Three-dimensional pattern transfer and nanolithography: modified soft molding", Appl . Phvs . Lett . 81, 1011(2002) 참조), 또는 강성-주조 물질(hard-cast material) 상에 퇴적된 희생 층들의 선택적인 제거에 의해, 정확한 몰드 형상, 크기 및 분리 거리(+/- 10 nm)의 어레이들을 생성할 수 있는 광-또는 전자-빔 리소그래피 과정(S. Y. Chou et al., "Sub 10 nm Imprint Lithography and Applications", J. Vac . Sci . Technol . B 15(6), 2897 (1997) 참조)에 의해 생성된 틈형상 함몰부들이 고려된다. 상기 과정은 본원에 기술된 모든 단계들 없이 완료될 수 있고(예를 들면, 촉매들은 기능화된 마스터들로부터 직접적으로 구성될 수 있음), 예를 들면 오목형 형상보다 오히려 볼록형으로부터 시작하기 위해 반대로 될 수 있다. 틈형의 정확한 형상 및 치수를 판별함에 있어, 효소의 활성 및/또는 결합 부위(들)로부터의 계측들이 사용될 수 있고, 효소의 활성 부위의 컴퓨터 발생 모델들이 사용될 수 있거나, 또는 형상은 단지 손쉽게 이용가능한 것으로 판별될 수 있다. 형상의 최종 생산물 버전(end product version)은 촉매작용 모방을 위해 물리-화학 군들로 기능화될 수 있다. 그 후에 이러한 동일한 형상들의 어레이들은 Si(100) 또는 Si0₂(2 개의 많은 예들) 또는 다른 물질과 같은 표면 상에서, 광-또는 전자-빔 리소그래피에 의해, 그리고 다른 방법들에 의해 제조될 수 있고, 그 후에, 품질은 탭핑 모드(tapping mode)의 원자 힘 현미경(atomic force microscopy)(AFM)), 스캐닝 전자 현미경 또는 기하학을 입증하기 위해 나노스케일을 볼 수 있는 다른 현미경에 의해 검사된다.

도 2는 원통형(22), 예리한 (지점) 홈통(24), 틈/구멍(26) 및 화합물 헬릭스(28)를 포함하여, 나노스케일 리소그래피로 제조할 수 있는 대표적인 활성 효소 부위와 같은 마스터 형상의 개략적인 도면이다.

동일한 형상들의 어레이가 단일 표면 상에서 합성되면, 2 개의 과정들 중 하나는 최종 촉매들을 기능화하기 위해 사용된 과정에 따라 달라질 수 있고: 1) 이러한 마스터 형상들의 영향은 낮은 고유 점도 및 작은 거품 크기의 공간 충전 중합체(small bleb size space-filling polymer)를 통하여 취해질 수 있다(G. H. Cross et al., "Refractometric discrimination of void-space filling and swelling during vapour sorption in polymer films," Analyst 125, 2173 (2000) 참조). 주조 후에, 중합은 UV 광 또는 다른 방법들에 의해 시작될 수 있다. 이러한 강성-주조의 영구적인 몰드들은 추가적인 마스터들, 또는 대량 생산의 최종-사용자 플랫폼들의 생성을 반대로 하기 위해 사용될 수 있거나; 또는 2) ssDNA는 어레이의 형상들에 추가될 수 있고, 이 어레이의 형상들은 "마스터"라고 한다.

제 1 과정은, 촉매들의 생성이 형태의 분리 유도, 그 후의 DNA의 추가를 필요로 할 시에 사용될 수 있다. ssDNA가 없는 마스터는 형상을 유도하기 위해 사용된다. 그 후에 ssDNA를 가진 마스터는 DNA를 상기 형상에 추가시킨다.

제 2 과정은, 형상 및 DNA가 촉매 제조 내에 동시에 적용될 시에 사용된다. 마스터에 ssDNA를 추가하는 상기 제 2 공정이 이 설명의 부분 III에서 보다 완전하게 기술되지만, ssDNA를 추가하는 이용가능한 선택들 일부는: (i) 딥 펜 리소그래피(나노스케일 스타일러스(nanoscale stylus)는 정전기 및 계면의 영향을 통해 DNA를 정렬시키고 잡아당김), (ii) 위치이동 불안정성(translocational uncertainty)을 줄이는 사전-형성된 홈들 또는 상승부들 상의 레이저 조정 패턴 리소그래피, 및/또는 (iii) DNA의 말단에 부착된 받아들일 수 있는 양(susceptible mass)에 영향을 미치는 장들(fields)의 선형부들을 사용한 펼쳐진 DNA의 자기장 패턴닝(magnetic field patterning)을 포함한다. 합성 DNA는 템플릿과의 공유 결합들을 형성하기 위해 화학적으로 변형될 수 있고, 아주 근접하게(10 nm 거리) 추가되어, 최종 생성물 상에서 고밀도 어드레서블 어레이를 패턴화할 수 있다. 생성된 패턴은 곡선을 이룰 수 있거나, 또는 예측할 수 있는 어드레싱을 용이하게 하고 물리-화학 기능 및 촉매작용 프로파일들의 동적 모델링을 간단하게 하는 데카르트일 수 있다.

도 3은 참조된 공보에 기술된 기본적인 패턴닝 접근법에 대한 ssDC 특정 변화의 예들을 도시한다. 도 3a는 일정한 2D 패턴들로 배열된 ssDNA(31, 32, 33 및 34)를 나타낸다(L. M. Demers et al., "Direct Patterning of Modified Oligonucleotides on Metals and Insulators by Dip-Pen Nanolithography," Science 296, 1836 (2002) 참조). 도 3b는 3D 유니베리어블 반경 몰드 꼭대기에 리소그래피된 ssDNA(35)의 개략적인 도면이다(예를 들면, 티타늄(37) 상에 배치된 Au(36))(C. M. Waits et al., "Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etching," Sensors and Actuators A 119, 245 (2005) 참조). 전기 도선들(38 및 39)은 금 템플릿 유닛의 정전위를 관리하기 위해 사용될 수 있고, 이 또한 도시된다.

마스터들이 구조화되면, 상기 마스터들은 3 가지 방법 중 하나에 사용될 수 있고, 이때 상기 3 가지 방법은 다음과 같다: 1) 마스터들이 그들 상에 ssDNA를 가지지 않는 경우, 상기 마스터들은 나노형상을 재생성하기 위해 사용될 수 있고; 2) 마스터들이 그들 상에 ssDNA를 가지는 경우, 상기 마스터들은 비-ssDNA 활성 마스터에 의해 생성된 형상에 대한 ssDNA의 그리드(grid)(및 가능한 형상)를 재생성하기 위해 사용될 수 있고; 또는 3) 마스터들이 그들 상에 ssDNA를 가지는 경우, 상기 마스터들은 상기 마스터를 기능화시키는 상기 마스터에 연결된 상보성 프로브들을 가질 수 있고, 이를 "플랫폼", 또는 기능화된 ssDC 생성물로 전환시킬 수 있다.

템플릿들 및 최종 플랫폼들을 발생시키기 위해 마스터들을 사용하는 다수의 방법들이 있고, 이들은 원하는 데로 생산을 빠르게 하고 생산 비용을 낮출 수 있다. 이러한 방법들의 예들은 접촉압성형(impression molding) 및 압축 성형(pressure molding)을 포함하고, 상기 접촉압성형 및 압축성형 각각은 이하에서 상세하게 기술된다. 이러한 용어들은 상기와 같은 용어들을 사용하는 이러한 설명의 외부에 존재하는 과정을 함축하는 것으로 의미되지는 않는다. 다음의 부분들은 템플릿들 및 플랫폼들을 발생시키는 "접촉압성형" 및 "압축성형" 기술들을 기술한다.

접촉압성형

접촉압성형에서, 2 개의 서로 다른 마스터들이 사용된다. 첫 번째는 형상만을 가진 마스터로 구성된다. 이 마스터는 연성 중합체 물질 상에 찍히게 되고, 상기 중합체는 UV 광 또는 다른 방법들에 의해 경화되고, 상기 템플릿은 리프트-오프에 의해 제거되고, 치수화된 양으로 본래 마스터 형상을 발생시킨다.

도 4는 참조 공보에 기술된 기본적인 테마들에 관한 ssDC-특정 변화를 포함하는 리프트-오프 생성을 도시한다(P. W. Snyder et al., "Biocatalytic Microcontact Printing," J. Org . Chem . 72, 7459 (2007); 및 Duke University Office of News and Communications, Sept. 2007 참조). 성형된 형상들(42)을 가진 템플릿(41)은 어드레스 뉴클레오티드들(address nucleotides)(43)과 혼성되고, 그 후에, 중합체 플랫폼(44) 상에 찍히게 되고, 접촉압(impressions) 내에서 프로브 ssDNA(45)를 방출시키고, 미러-이미지 상보성 어드레스들을 유지시킨다.

ssDNA는, 마스터에 부착된 ssDNA를 가진 마스터를 사용함으로써, 이렇게 형상화된 템플릿들에 추가될 수 있다. 템플릿의 어드레서블 어레이를 형성하기 위해 의도된 상보성 DNA 또는 PNA(펩타이드 핵산, Peptide Nucleic Acid)는 ssDNA와 마스터로 혼성될 수 있고, 패턴 이동을 나중에 "잉킹(inking)"된다. 핵염기 시퀀스 상보성 및 마스터 상에 위치된 DNA의 미러 이미지는 템플릿들로서 생성된 양일 수 있다.

대부분 경우에서, 템플릿들은 ssDNA를 가진 마스터와의 빈 템플릿들을 재정렬함으로써, 롤러형 템플릿들로부터, 또는 스탬프-엔-필 몰드들(stamp-and-peel molds)에 의해 생성될 수 있다. 도 5는 참조된 공보에 기술된 기본적인 테마들 상의 ssDC-특정 변화들을 사용하여 NIL 계 생성의 템플릿들 및 플랫폼들을 위해 사용될 수 있는 대표적인 몰드들을 도시한다. 도 5a는 반구형 형상 몰드들의 롤러형 어레이(roller-type array)이다. 도 5b는 평평한 스탬프형 어레이의 절단된 원뿔형 형상 몰드들이다. 도 5a는 반구형 형상 몰드들의 롤러형 어레이를 도시한다(H. Tan et al., "Roller nanoimprint lithography," J. Vac . Sci . Technol . B 16(6), 3926 (1998) 참조). 도 5b는 평평한 스탬프형 어레이의 절단된 원뿔형 형상 몰드들이다(S. Diegoli et al., "Engineering nanostructures at surfaces using nanolithography," Proc . Inst . Mech . Eng . G: J. Aerospace Eng . 221(4), 589 (2007) 참조).

템플릿 ssDNA 또는 PNA의 이동을 용이하게 하기 위해, 그리고 마스터들의 재사용성을 유지시키기 위해, 리소그래피화된 ssDNA는 예를 들면 포스포로티오에이트-온-금 접착을 통해, 또는 실록산 기능성 강성 주조(siloxane functionalized hard cast) Si(100) 상의 아민 ssDNA 백본들(backbones)을 통하여 마스터 물질에 공유 결합될 수 있다. 게다가, 템플릿의 미러 이미지 패턴 및 어드레스 성능(addressability)을 유지하는 방식으로 템플릿 상으로의 중합체의 이동(즉, "핵염기들 상승")은 다음 것: 온도, 마스터 표면 에너지 및 전위의 변화, UV 또는 다른 중합 방법들, 롤 대 리프트-오프 템플릿, 용매화(solvation), 윤활(마찰학), 기계적인 요소 및 다른 요소에 의해 용이하게 될 수 있다. 플랫폼들은 템플릿들과 동일한 방식으로 구성될 수 있지만, 그러나 ssDNA가 있거나 없는 마스터들 대신에 ssDNA가 있거나 없는 템플릿들을 사용하여 구성될 수 있다.

도 6은 3D 템플릿들 및 플랫폼들 모두를 위한 ssDNA 이동 방법을 제시한다. 상기 도면은 플랫폼(66)으로부터 리프트-오프된 후에 금 템플릿(64) 상에 리소그래피화된 포스포로티오에이트-백본형 ssDNA(phosphorothioate-backboned ssDNA)(62)를 도시한 것으로서, 이때 상보성 어드레스 DNA 또는 PNA(68)는 남아 있게 된다.

압축성형

템플릿들 및/또는 플랫폼들에서 마스터를 재생성하기 위한 또 다른 대표적인 방법은 또한 특정 조건들 하에 탄성 또는 팽창이 되는 연성 중합체 또는 다른 물질을 사용한다. 마스터는 측면 이동을 한정하는 컨테이너에 위치될 수 있다. 템플릿의 어드레서블 어레이를 형성하기 위한 의도된 상보성 DNA 또는 PNA는 ssDNA와 마스터로 혼성될 수 있고, 패턴 이동을 나중에 "잉킹"된다.

그 후에, 연성 중합체, 또는 다른 탄성 또는 팽창 물질은 컨테이너에 추가될 수 있다. 상기 물질이 탄성인 경우, 탄성 물질은 블래더로서 구성될 수 있다. 상기 블래더의 외부 표면은 ssDNA에 영구적으로 결합하기 위해 준비될 수 있다. 압력은 탄성 블래더의 내부에 가해질 수 있고, 상기 탄성 블래더는 물질이 콘테이너의 치수로 팽창하도록 하고, 마스터의 형상을 접착하고, 그리고 마스터와 이전에 혼성되는 상보성 DNA를 취득할 수 있다(picking up). 그 후에 탄성 물질은 그의 고유 속성들, 예를 들면 UV 경화 또는 다른 공정에 대해 적합한 방식으로 경화될 수 있다. 상기 물질이 팽창하는 경우, 압력이 가해지는 대신에, 팽창(예를 들면, 온도 변화, pH 변화 등)을 일으키는 조건들이 마스터의 형상에 접착되도록 하는 물질로 도입될 수 있고 ssDNA를 취득할 수 있는 동일한 단계들은 얻어지고 절감될 수 있다.

도 7 및 8은 이러한 방법들을 증명한다. 도 7은 탄성 블래더를 사용한 마스터로부터의 3D 템플릿 발생을 도시한다. 압력으로 인해, 템플릿 탄성 물질은 팽창되고, 마스터의 형상을 취하고, 마스터 상에서 이전에 아래로 놓인 상보성 ssDNA에 연결된다. 템플릿이 상보성 ssDNA에 연결될 후에, 템플릿은 벗겨질 수 있다. 도 8은 팽창 물질을 사용한 마스터로부터의 3D 템플릿 발생을 도시한다. 환경적인 변화로 인해, 템플릿 팽창 물질은 팽창되고, 마스터의 형상을 취하고, 마스터 상에서 아래에 놓인 상보성 ssDNA에 연결된다. 그 후에 템플릿은 벗겨질 수 있다.

플랫폼들의 제조는 템플릿 제조와 유사한 방식으로 진행될 수 있다. 템플릿들은 플랫폼들의 구조를 위해 마스터의 위치에서 사용될 수 있다. 이러한 과정들은 필요한 플랫폼들의 수를 발생시키기 위해 필요한 만큼 많이 반복될 수 있다.

촉매에서의 플랫폼들의 활성화

ssDC 플랫폼들은 수십억의 복제물들(copies)을 복제할 수 있는 나노미터-레벨 정밀성으로 패턴화된 DNA 또는 PNA를 가진 나노스케일 3D 고밀도 어드레서블 어레이들로서 고려될 수 있다. 플랫폼들의 형상은 효소와 같은 촉매들을 부분적으로 전화시킬 수 있는데, 그 이유는 이들이 활성 부위들의 크기 및 형상을 닮을 수 있고 어드레서블 DNA가 반응적인 화학 군들을 소지하는 상보성 프로브들에게 이러한 형상을 "활성화"시키는 능력을 제공하기 때문이다. 혼성화에 따라서, 이러한 그룹들은 마스터 형상들의 생성과 본래 유사한 효소의 촉매작용을 용이하게 하는 활성 부위 아미노산들의 직교 측 체인들(chains)과 유사한 위치들에서 플랫폼들에 위치될 수 있을 것이다.

촉매작용 과정 동안 일어나는 구조적 변화(플랫폼 어드레스들과 혼성되는 화학 군들과 프로브들 상의 링커들(linkers)에 의해 제공된 기능), 표면 에너지, 마찰학, 용매화 및 촉매작용에 중요한 다른 요인들의 설명에 있어, 이제 활성화된 플랫폼은, 깨끗한 셀룰로오스 또는 알긱 물질(algic material)을 결합시키고, 전이 상태들의 형태를 안정시키고, 상기 전이 상태들의 형태에 촉매작용을 미치고, 그리고 천연 셀룰라아제들(글리코시드 가수분해효소들) 및 알긴산들(alginases)(트랜스-에스터아제스(trans-esterases))와 같은 단량체로 분해된 당들(depolymerized sugars)을 방출시키는 능력을 가진 ssDC 생성물이다.

마이크로프로세서 산업계에서 본래 개발된 나노임프린트 중합체 리소그래피의 사용에 의해 제공된 추가적인 이점은 예를 들면, 활성화된 플랫폼의 특정 부분들의 형태를 이동, 진동 및/또는 변화시키는 나노스케일 액츄에이터들을 통하여, 전기, 자기, 광, 및 활성 효소-부위 이동을 용이하게 하는 다른 시스템들의 선택적인 통합이라는 것이다. 촉매작용 프로파일 동안 활성 효소 부위 유연성은 기질 결합, 전이 상태 형성, 생성물 방출 및 다른 활성들의 중요한 부분이고, 이때 효과적인 촉매작용을 막는 것은 없고, 활성 부위를 "정적인 혼성 촉매(static heterogeneous catalyst)"로 하는 것도 없다(E. Z. Eisenmesser et al., "Enzyme Dynamics During Catalysis," Science 295 (5559), 1520 (2002); M. Karplus and J. Kuriyan, "Molecular dynamics and protein function," Proc . Natl . Acad . Sci . 102(19), 6679 (2005); A. Kohen and J. P. Klinman, "Enzyme Catalysis: Beyond Classical Paradigms," Acc . Chem . Res . 31, 397 (1998); and C-L Tsou, "Active Site Flexibility in Enzyme Catalysis," Annal . NY Acad Sci . 864, 1 (1998) 참조).

도 9는, 키메릭(chimaeric) 아미노산-DNA 프로브들(94)을 가진 마스터 또는 플랫폼 형상(66)의 간단한 활성화를 제시한 대표적인 ssDC 촉매(92)이고, 이때 상기 키메릭(chimaeric) 아미노산-DNA 프로브들(94)은 3D 공간의 화학적인 기능성을 가능케 할 수 있고, 음으로 하전된(negatively-charged) 포스포로티오에이트(P) 또는 중성(N) 백본들(96)로 마찰을 간단하게 한다.

지향 및 무작위 전개를 통한 조합 개발(Combinatorial Development via Directed and Random Evolution)

생성물 DNA 또는 PNA가 탄성 물질 상에 영구적으로 장착됨으로써 무기한으로 재사용이 가능하기 때문에, DE/CC는 주어진 형상에서 수십억의 조합 변화를 발생시키는 플랫폼들 상에서 실행될 수 있고, 서로 다른 많은 형상들은 빔 리소그래피에 의해 가능해진다. 예를 들면, 표 1에 제시된 간단한 플랫폼은 빗살 무늬(cross-hatch pattern)로 리소그래피화된 여덟 개((8))의 서로 다른 ssDNA 성분만을 포함하여, 사십 개(40)의 고유 어드레스 위치를 가능케 한다. 이러한 어드레스들 각각은 열두 개(12)의 화학 작용기들 각각 중 하나만을 가진 올리고머들의 작은 프로브 라이브러리(probe library)와 혼성될 수 있고, 하나의 위치에서만 연결될 수 있다(예를 들면, 3의 말단). 이로써, 무작위 전개에서 가장 간단한 이 시도가 40¹² 또는 1.68E+19의 서로 다른 조합을 생성할 수 있을지라도 일부 유용한 촉매들일 수 있는 확률을 증가시킬 수 있다.

표 1. 각 어드레스에 대한 40-mer 플랫폼 및 하나의 단 기능성(monofunctional), 단독으로 링크된 40 x 12-mer 프로브 라이브러리에 의해 나타난 조합 변화.

보다 많은 "무작위" 전개에 의해 제공된 레버리지(leverage)는, 직교의 화학 작용기들이 개재된 백본 또는 다수의 위치들에서 PNA 프로브의 양 말단 상에 위치될 수 있다는 사실에 의해 더 제시된다. 게다가, 여러 작용기들은 동일한 프로브 분자 상에 위치될 수 있고(자가 반응이 있다면, 적절한 보호군들이 PNA 설계의 부분이여야 함), 직교의 화학물을 프로브들에 연결시키기 위해 사용된 링커들의 유형들은 유연성을 용이하게 하고 촉매작용을 최적화시키기 위해 변형될 수 있다. 직교의 작용기들이 없더라도, PNA의 아미드 백본, 및 ssDNA 및 RNA의 디에스터 버테브레이트(diester vertebrate)는 주어진 전하, 전하 밀도를 제공하기 위해, 그리고 용매화, 상대이온들(counterions), 쌍극자 모멘트들, 동적 가해성(dynamic solvability)/마찰 및 촉매작용의 다른 중요한 특징들의 관리를 제공하는 플랫폼의 부분에 대한 표면 에너지를 제공하기 위해 합성적으로 변형될 수 있다.

그 반면, 효소들과 유사한 촉매들을 생산하기 위한 시도는 활성 부위 설계 및 생물-촉매작용 프로파일들에 의해 고취될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 확률의 힘에 독점적으로 의지하기보다는, 단백질 효소들에 의해 나타난 기하학적이고 화학적인 테마들에 관한 보다 민감한 변화들은 공지된 촉매 과정을 최적화시키기 위해 착수될 수 있고, 그 자체로 3D 공간에 스캐폴드되고(scaffolded) 동적으로 이동된 아미노산들의 특정 시퀀스에 기초한다(R. Chakrabarti et al., "Sequence optimization and designability of enzyme active sites," Proc . Natl . Acad . Sci. 102(34), 12035 (2005) 참조). 결합으로부터 해제까지의 촉매작용 프로파일들의 컴퓨터 모델링은 단백질 효소들 상의 ssDC™ 촉매들의 다음의 대표적인 개선점들을 가능케 하기 위해 변화될 수 있다: (i) 기질 결합 친화력(substrate binding affinity)의 증가(표면 에너지의 관리를 통한 수용체 영역(acceptor region)에 대한 "고착성(stickyness)"), (ii) 아미노산들 아스파테이트(Aspartate)(Asp) 및 글루타메이트(Glutamate)(GIu)이 셀룰로오스에서의 -1/4-글리코시딕(Glycosidic) 접착의 산-촉매 가수 분해(acid-catalyzed hydrolysis)를 실행시키는 것을 이미 판별한 보다 강한 직교의 산성의 위치, 및/또는 (iii) 전체 반응의 속도를 높이기 위해 천연 셀룰라아제들이 아닌 가수 분해에 기여한 금속 공동 인자들을 가능케 하도록 플랫폼 형상의 변형. 기술 분야의 당업자는 본 발명에 의해 가능해진 다른 많은 선택들을 인식할 것이다.

상기와 같은 노력은 설계 목적을 가지고 부지런히 취득될 수 있는데, 이는 일부 최종 생성물들은, 예를 들면 이러한 생성물들 상에 (i) 기질들이 완강하게 반항하거나 "부착"(stuck)되고, (ii) 산성물질을 가져서 이들이 기질 또는 서로에 손상을 주고, 그리고/또는 (iii) 금속들에 완고하게 오염되는 것과 같이 원하지 않기 때문이다. 그러나, 언급된 바와 같이, 발견 모드(discovery mode)의 무작위 전개(생성물들의 대부분은 기대의 문제(matter of expectation)로서 거절됨), 및 지향 전재 모두는 단지 입증된 통로들을 통하여 효소 모델로부터 초기에 벗어나지만, 그러나 그 후에 유용한 트랜스-바이오틱 촉매작용 경로들(trans-biotic catalysis paths)이 발견될 시에, 보다 독립적으로 증가하는 발전(evolves)은 개선된 생성물을 생성하기 위해 반복되어 사용될 수 있다. 이 과정은 유전자 공학, 생산, 정화, 검사 및 이러한 노력에 무관하게 이들의 고유 한계점을 유지시키는 단백질계 효소들의 자격으로 예측될 수 있는 것보다 훨씬 더 빠르게 촉매를 발달시키고 발견할 수 있다.

지향 및 무작위 전개, 및 조합 화학(Directed and Random Evolution, and Combinatorial Chemistry)은, "자기 대 비-자기(self vs. non-self)" 인식 기능의 부분으로서 인간 신체에 의해 생성된 무수한 재질들을 포함하여, 대부분의 항원에 결합되는 항체들을 면역 시스템이 성공적으로 생성하는 방법과 유사한 콘서트(concert)에 사용될 수도 있다. 예를 들면, 대부분의 단백질 항체 분자들은 대부분 일반적인 "Y" 형상을 유지하지만, 이질성(foreign) 및 가족성(familial) 재질을 인식하는 초 가변 영역들(hypervariable regions)은 지향(이질성 항원을 만나는 경우) 및 무작위(시스템 손상이 즉각적으로 확인되지 않을 경우) 조합 혼합(combinatorial shuffling)의 유전 코드를 통하여 몰 번호의 변화(10²³) 정도를 발생시키기 위해 유도될 수 있고, 이때 상기 유전 코드로부터 단백질의 초 가변 영역들은 프로그램된다. 어느 방법이든 간에, 발달의 어느 지점 간에 유용하게 증명하고, ssDC의 DE/CC 양태는 가능한 가장 짧은 기간에서 소비자의 필요성을 충족시키기 위해 사용될 수 있다.

조합 변화에 따른 ssDC™ 촉매들로 이용될 수 있는 일부 파라미터들은:

● 플랫폼 크기, 형상, 표면 변형 및 물질

● 배열된 핵 염기 어드레스들의 패턴 및 밀도

● 고밀도 어드레서블 어레이들의 구성물: ssDNA, RNA, PNA, 및 이들의 혼합물

● 직교의 화학 작용기들: 아미노산들, 선험적인(transcendent)(예를 들면, 유기물) 화학물

● 보호 군의 존재, 부재 및 라비얼리티(labiality)

● 프로브 상의 화학 작용기(들)의 위치: 말단, 개입, 이들의 혼합물

● 표면 전하를 관리하기 위해 프로브들 상의 단일, 다수의 작용기 또는 작용기 없음

● 링커 군들의 길이, 강성, 크기, 쌍극자 모멘트, 친수/소수성(hydrophilicity/phobicity)

● 프로브 백본들: 포스포디에스터(phosphodiester), 포스포로티오에이트, 아민들(amines), 하이드라지드들(hydrazides) 등

● 전자, 자기 및/또는 광학 시스템들과의 통합

● 트랜스-바이오틱 조건들에서의 수성(aqueous), 유기물, 계면 촉매작용: 극도의 온도, pH, pl, 이온 염, 금속 이온, 높은 전단력 및 액체, 고체 및 콜로이드 상(colloidal phase)에서의 통합을 포함한다.

지향 전개를 통한 새로운(De Novo) 촉매작용 발견

바이오연료 시장을 위해 보다 나은 "모방 효소들"을 점진적으로 구현할 뿐만 아니라, 본 발명은, 특정 생물학적 전구체로부터 얻어지지 않고 매우 다양한 촉매 과정들을 실행하기 위한 전위에 기하학적으로 맞춰진 플랫폼 형상들의 발전을 가능케 한다. 상기와 같은 일반적인 촉매 플랫폼들(UCP)은 ssDC 기술에 기초할 수 있으면서, 이러한 아미노산들 상에, 그리고 상기 아미노산들에 걸쳐 화학 작용기들로 활성화된 핵 염기 프로브들(ssDNA, RNA, PNA 등으로 구성됨)의 DE/CC 라이브러리에 영향을 줄 수 있다(D. R. W. Hodgson and J. M. Sanderson, "The synthesis of peptides and proteins containing non-natural amino acids," Chem . Soc . Rev . 33, 422 (2004) 참조). 완전하게 생물에 관계없는 생산물들의 큰 라이브러리들의 이 조합 발생은 보다 강하고 보다 효과적인 촉매들을 반복적으로 생성할 수 있고, 이때 상기 촉매들은 낮은 온도 하에서 동작되고, 단백질계 효소들로 가능한 것보다 보다 새롭고 보다 간단한 촉매작용 프로파일들을 나타낸다. 이 발견 과정은 "물리적 지향 전개(Physical Directed Evolution)"(PDE)로 본원에서 언급된다.

대표적인 방법은 길이 방향으로 배열된 주변 DNA 성분 및 작은 프로브 라이브러리를 가진 원뿔 형상을 사용할 수 있다. 도 10은 나선형 및 틈형 기하학적인 형상을 가진 UCP들의 어셈블리를 도시한다: (a) 원뿔형 몰드로 찍힌 내부 물질에 배열된 어드레스 ssDNA; (b) 프로브 올리고머들로 "활성화"되기 전의 개별적인 UCP 유닛; (c) 활성 작용기들로 최종 변형된 올리고머들(ssDNA, RNA, PNA)의 라이브러리; (d) 최종 변형된 올리고머들과의 혼성에 의해 "활성화된" 개별적인 UCP 유닛; (e) 유사하지 않은 올리고머들과의 혼성에 의해 서로 다른 방식들로 활성화된 2 개의 UCP 유닛들; (f) 있는 그대로의 나선을 유지하기 위해 몰드로부터 잘린, 최종적으로 활성화된 UCP 유닛; 및 (g) 유니베리어블 반경 틈을 형성하기 위해 몰드로부터 잘린, 최종적으로 활성화된 UCP 유닛이다.

새로운 트랜스-바이오틱 촉매작용 프로파일 및 시스템 통합

PDE로, 3D 촉매들(형상, DNA 패턴들, 링커 병법들, 화학 작용기들 및 상기에서 목록화된 다른 파라미터들을 반복적으로 이상화시킴(idealizing)을 발생시키고, 3D 촉매들에게 자격을 주고, 3D 촉매들을 검사하고, 재고하고, 재설계하기 위해 다수의 라운드들(rounds)은 더욱더 개선된 생성물들을 제공할 수 있지만, 그러나 단백질계 효소들로 가능하지 않은 촉매작용의 프로파일들 및 지금까지 공지되지 않은 모드들의 발견을 가능케 할 수 있다. 게다가, 플랫폼 특성, 예를 들면 표면 에너지(전하, 용매화 및 마찰을 판별함), 및 전자기(EM) 장들에 의해 유동가능한 형태는 순수하게 생물을 이루는 분자들(biological molecules)로 불가능한 방식으로 처리될 수 있다.

함축되는 바와 같이, 프로브 올리고머들에 반응 화학물 및 다른 작용기들 부착시키는 링커들은, 상기 링커가 기질의 존재에 반응하고, 중간물의 생성을 용이하게 하고, 그리고 촉매작용 프로파일 동안 생성할 시에, 활성 효소에서 일어나는 구조적 변화들을 모방하는 목적을 가진다. ssDC가 제공하는 잠재적인 최상의 방법은 전기-활성 중합체 토대들(electro-active polymer foundations)을 통해 구조적 변화들을 가능케 하고, 이때 상기 전기-활성 중합체 토대들은 기질, 중간물 또는 생성물과의 접촉에 따를 시에 굽힘 및 완화되고, 개방 및 폐쇄되고, 팽창 및 수축되기도 한다.

예를 들면, 플랫폼은 공진 압전 결정들(resonant piezoelectric crystal)에 배열되고, 정의된 EM 주파수에 민감한 형태를 가진 물질로 구성된 중합체 블록들(polymer blocks)에 배열되는 전도성 채널들로 제조될 수 있다. 이는 접촉이 기질로 구현되는 것을 감지할 시에 진동하기 위해(또는 일정한 전류를 고려할 시에 디폴트 모드(default mode)에 끊임없이 진동하기 위해) 모방 활성 부위의 하나 이상의 부분들을 가능케 할 수 있다. 이는 모방된 글리코시다제(glycosidase)의 촉매 잔류 및 활성 부위 부분들의 이동과 같은 주파수 및 지속 구간(duration)에서 초기에 설정될 수 있다. 차후의 주파수들, 진폭들 및 기하학적인 형태는 촉매를 통합하려는 목적으로 최적화되는 산업 과정들과 함께 촉매 속도(catalytic rates)를 최적화시키기 위해 변화될 수 있다. 전기활성 중합체 계 마이크로프로세서들을 생성하는 최적화된 방법론에 기초하여, 피드백 및 제어 시스템에서의 ssDC 촉매들의 통합은 구조적 변화 및 실시간 모니터링을 가능케 하고, 과정에 기반한 지향 전개 발견 동안 가장 유망한 후보들을 식별하는데 도움을 줄 수 있다.

도 11은 대표적인 ssDC™ "촉매-온-칩"을 도시한다. 3D 형상은 기능성, 위치, 링커, 마찰 및 기하학적인 형태에 대해 DE/CC로 최적화될 수 있다. 예를 들면, 전기 입력-출력을 위한 도선(112), 반대로 잔류한 블록들 아래에 있는 전기 활성 하모닉 액츄에이터들(electro-active harmonic actuators)(114) 및 광학적으로 연결된 센터(116)가 도시된다.

도 12는 참조된 공보에 기술된 기본적인 테마들의 ssDC-특정 변화를 사용하는 사이버네티제이션에 대한 기법들을 가능케 하는 것을 나타낸다. 도 12a는 직교의 하층 상에서 리소그래피화된 다수 구성요소(multicomponent)(121, 122, 및 123) 어레이를 도시한다(L. J. Guo, "Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements," Adv . Mater . 19, 495 (2007); and P. Choi et al., "Siloxane Copolymers for Nanoimprint Lithography," Adv . Func . Mater . 17, 65 (2007) 참조). 도 12b는 리소그래피된 디스크 상의 중합체의 이중 포인트(T, P) 응축에 의해 제조된 나노스케일 렌즈(124)를 도시한다(P. Lenz and R. Lipowsky, "Morphological Transitions of Wetting Layers on Structured Surfaces," Phys . Rev. Lett . 80(9), 1920 (1998) 참조). 도 12c는 오프-축으로 흐르는 나노-액츄에이터/-공진기(125), 신호 버퍼(126), 및 촉매 플랫폼들을 위해 하층 활성/모니터링 시스템을 제공할 수 있는 검출 시스템(127)을 도시한다(A. M. Fennimore et al., "Rotational actuators based on carbon nanotubes," Nature 424, 408 (2003) 참조).

기능화된 프로브들과 함께 활성화된 후에, ssDC 촉매들은 혼성의 촉매들의 과정 이점, 재사용이 가능한 고밀도 어드레서블 어레이들의 조합 유연성, 고충돌 산업 중합체들(high impact industrial polymers)의 강도 및 바이오연료 모니터링 과정에 통합된 준비 능력을 제공한다. 생물학 효소들과는 다르게, ssDC 촉매들은 아미노산들의 직교 작용기들에 한정되지 않거나, 또는 플랫폼들이 특정 형상에 대해 한정되지 않는다. 이들은 바이오틱 효소들을 정상적으로 변성시키거나 중화시킬 수 있는 조건들을 살리는 물질로 구성될 수 있다. 플랫폼들은 산업 과정들, 예를 들면, 패킹된 필터들(packed filters), 반응 컬럼들(reaction columns), 침강 물질들(sedimentation materials) 및 혼합 표면들(mixing surfaces)에 손쉽게 통합될 수 있다. 게다가, 피드백/제어 시스템들의 병합은 촉매작용 과정의 모니터링을 가능케 하고, 연속된 전개에 대한 가장 유망한 후보들을 손쉽게 식별하고, 새로운 촉매들의 개발 및 최적화를 전반적으로 가속화시키는 것을 가능케 한다.

이 노력은 과정 최적화와 함께 취득될 수 있고, 전개 촉매계 방법론으로 인-싱크(in-synch)를 개발하기 위한 설계를 처리하는 것을 가능케 한다. 그 결과, 전체 바이오연료들 생성 과정들은 바이오틱 효소들을 사용하여 부과된 제한점드에 의해 더 이상 방해하지 않은 피크 효율(peak efficiency)로 실행되기 위해 각 단계에서 최적화될 수 있다. 보다 높거나 보다 낮은 온도들, 나아가 pH 및 이온 염 만족(content), 전단력, 유기 솔벤트들(organic solvents), 및 셀룰로오스의 가수 분해 및 다른 생물량을 최적화시키는 다른 조건들(그러나 이들은 현재 사용될 수 없는데, 그 이유는 이들이 단백질계 효소들을 파괴시기기 때문)은 ssDC 촉매들로 실행될 수 있다. 대안적으로, ssDC 촉매들은 현존하는 생산 과정에 대해 최적으로 실행되기 위해 개발될 수 있다.

어드레서블 천연(addressable nature)의 단일 성분 DNA가 유지되는 한(혼합될 수 없는 수성/유기 단계(immiscible aqueous/organic phase)에 의해 폴리뉴클레오티드 체인들(polynucleotide chains)을 보호하는 안정한 계면으로서 SSTM 및 ssDC를 위해 제공되면서, 심지어 벌크 단계(bulk phase)의 잠재적인 부식성 및 부식제 유기 반응을 시작할 수 있는 조건), 조합적인 노력은 원하는 생성물, 부위-특정 위치를 위한 단일 성분 DNA에 대해 기능화될 수 있는 단량체 구성요소들의 점차적으로 개선된 버전을 발생시키기 위해 취득될 수 있다.

이상적인 촉매 또는 다른 생성물이 마무리가 되면, 추가적인 단계는 시스템 및 과정 통합 전에 시작될 수 있다. 탈혼성화(de-hybridization)가 가능하지 않도록 하는 공유 결합들은 프로브들과 이들의 어드레스들 사이에서 생성될 수 있고, 중합체계 플랫폼에 물리-화학적인 작용기들을 영구적으로 붙일 수 있다. 원한다면, 이 여분의 단계는 촉매의 점성 및 사용가능한 수명을 증가시키고, 특히 효과적으로 일으키는 동적 촉매작용에 대해 요구된 고주파수(예를 들면, 1 기가헤르츠보다 높음)에서 맞춰지고, 공진하고, 진동하는 활성 부위 기능 블럭들의 능력을 개선시킬 수 있다.

마지막으로, 조합 화학 및 전개에 기반한 발견이 완성된 후에, 검사 플랫폼들은 뒤로 되돌아가기 위해 "세척(washed)"되어 3D 어드레서블 플랫폼들을 간단하게 할 수 있고, 상보성 프로브들의 새로운 세트들과 혼성화되는 준비가 이루어질 수 있다. 그 후에, 이들은 생물-모방 중합체들(bio-mimetic polymers)을 합성하는 것, 다른 촉매 모드들 및 프로파일들을 발견하는 것, 초분자 어셈블리를 실행하는 것, 그리고 바이오-센서들(bio-sensors), 약물 전달체들(drug delivery vehicles), 마이크로칩 구성요소들 및 자가 조립된 다른 장치들의 구조를 위한 고밀도 어드레서블 어레이들로서의 역할을 하는 것을 포함하여, 매우 넓은 범위의 목적을 위해 재사용될 수 있다.

Part Ⅱ. 불균일 촉매의 생성에서의 ssDC 의 적용

크게 개선된 촉매를 개발하기 위한 프로세스

여기에 기술되는 단일 가닥 차원 구조화(Single Strand Dimensional Construction, ssDC) 기술은 단백질계 효소에 관한 많은 문제점, 예컨대 부서짐(fragility), 짧은 수명(brief shelf lives), 제한된 촉매 기능, 및 값비싼 기반 시설로 성장되는 유전자 조작된(genetically-engineered) 미생물로부터의 생성을 해결한다. ssDC는 생물학적인 효소의 생산, 개발 및 기능을, 보다 강건하고 다목적이고 능동적인 방식으로 촉매 작용을 수행하는 나노기술 기반 플랫폼으로 넘김으로써 이를 달성한다.

생물학적인 효소는 중합 아미노산(polymerized amino acids)으로 만들어진다. 서로 다른 시퀀스를 갖는 20 개의 자연적으로 발생하는 아미노산, 번역 후 변형(post-translational modifications) 및 접힘 구조(folded structures)는 수천 개의 생화학적 반응의 촉매를 담당한다. 비록 생물체(life)가 무수히 많은 형태로 존재할 수 있도록 다목적이고 효과적으로 구성되더라도, 효소는 일반적으로 느린 촉매율(rates of catalysis)을 가지고, 모든 자연적으로 생산된 생산물과 같이 환경에 대해 비-저항성(non-recalcitrant)을 갖는다(즉, 자연분해성임(bio-degradable)).

또한, 효소의 촉매 활동은 산, 아민, 아미드 및 인돌, "온화한" 친전자체(mild electrophiles)와 포화 및 불포화된 탄화수소(이들 모두는 제한된 반응성을 가지며, 그 결과 촉매 강도도 제한됨)를 포함하는 작은 세트의 화학적 작용기로부터 유도된다. 생물학적인 효소의 직교 포텐셜(orthogonal potential) 대 트랜스-바이오틱(trans-biotic) 및 인공적인 시약의 "열등함(inferiority)"이 부분적으로 존재하며, 이는 너무 높은 반응 화학을 갖는 단백질은 세포 내에서 격리되고 재활용되기 어렵기 때문이고, 잠재적으로 숙주 생물체(host organism) 및 환경 둘 모두에 일반적으로 유독성을 갖기 때문이다.

도 13은 20 개의 자연적으로 발생하는 아미노산을 도시하며, 대부분의 생물학적인 효소의 단량체(monomer content)를 나타낸다(위스콘신-매디슨 대학의 세균학과).

ssDC 기술은 인공적인 효소를 제조하고, 이러한 효소들의 새로운 버전을 개발하고, 자연적인 효소가 동작할 수 없는 새로운 모드의 촉매를 발견하도록 사용될 수 있다. 이는 촉매 기능이 수행되는 플랫폼의 구성 시 변형된 버전의 산업-표준 나노리소그래피(nanolithography) 공정을 사용함으로써 달성된다. ssDC의 생산 및 개발 방법론은 3차원(3D) 패턴 전사 리소그래피를 기반으로 한다. 이러한 다목적의 나노스케일 레벨 기술은 넓은 범위의 형상 및 사이즈로 플랫폼을 생성할 수 있어, 임의의 존재하는 분해효소를 모사하기 위한 기반을 제공한다.

효소-매개성 촉매(Enzyme-Mediated Catalysis)

생화학적 반응을 촉진시키는 효소의 기능은, 촉매 반응 도중 활성 부위 내부에서 전좌시키는(translocates) 화학적 기능을 갖는 단백질 구조의 조직화에 크게 의존한다. 상기 부위는 일반적으로 기질 결합(substrate binding), 과도 상태 형성 및 안정화(transition state formation and stabilization), 화학적 변환 및 기질 해제(chemical conversion and substrate release)를 포함하는 촉매의 많은 의존적인 작용기를 포함한다. 전술한 바와 같이, 중합 아미노산의 결합은 수천 개의 서로 다른 생화학적 프로세스를 촉진시킬 수 있다. 그러나, 상기 반응은 일반적으로 제한된 온도, 압력, 염분, 이온도 및 pH 범위, 및 수성 상태(aqueous conditons)를 거의 배제하지 않은 상태에서만 일어난다.

모사된(mimetic)(즉, 개선된) 버전의 효소 제조에 대한 비결은 보다 다목적이고, 안정적이고, 능동적인(active) 플랫폼 상에서 촉매 기능을 복제(replicate)하는 것이다. 이는 먼저, 효소의 활성 부위를 일반화된 폐곡선, 틈(clefts) 및 나선(helices)으로 정확하게 모델링하고, 그리고 나서 이러한 큰 어레이의 형상을 제작함으로써 달성된다. 그에 따른 인클로우져(enclosures)는 기질을 가두고, 아미노산기 및 기질을 생산물로 변환시키는데 기여하는 다른 물리-화학적 작용기, 예컨대 정전기-계 표면 에너지 및 동적인 배좌 기능(dynamic conformational ability)을 3D 공간에 위치시키도록 디자인된다.

ssDC 제조의 생산물은 고체 상태의 불균일 촉매이다. 그러나, 이들은 생성된 이래로 가장 진보된 것들이다. 유동층 반응기(fluidized bed reactors), 반응성 필터 및 생물학적인 고정화 효소와 같이, ssDC 촉매는 고체면에 고정된 화학적인 작용기를 통해 액체 상태의 기질을 생산물로 변환하는 것을 가속화시킨다. 대부분의 다른 불균일 촉매와 같이, 이들은 다음과 같은 사항이 제공되고 최적화되는 경우 가장 잘 수행된다: 기질은 액체 상태, 일반적으로 소금물에서 잘 용해되고, 전체 부피에 대한 촉매의 표면적이 최대화되고, 촉매면에 대해 기질이 접근하고 생산물이 멀어지는 기질 이동(일반적으로 혼합 및/또는 상 분리에 의함)이 향상되고, 그리고 촉매 그 자체가 올바로 설계되는 것.

촉매의 "올바른" 설계는, ssDC 생산물과 같은 고체 상의 불균일한 타입 또는 단백질 효소가 서브셋(subset)인 액체/콜로이드 상 타입이, 가능한 가장 짧은 시간 내에 그리고 가장 에너지 효율적인 방식으로 기질을 생산물로 변환시키는 동봉되고(enclosed), 능동적이고, 고도로 특정된 화학 시스템을 유발한다. 효소의 경우, 이는 3D 구조로 접히는 아미노산의 폴리머에 의해 달성될 수 있다. ssDC 촉매의 경우, 이는 효소 활성 부위와 같이 형성되고 기질을 생산물로 변환시키기 위해 필요한 모든 물리-화학적인 작용기를 포함하는 플랫폼을 사용함으로써 달성된다.

도 14는 참조된 공개물에 설명되는 기본 테마에 대한 ssDC-특정 변경(ssDC-specific variations)을 포함하는 인클로져 내의 촉매를 도시한다. 도 14a는 틈 구조의 단순화된 공간 채움 모델 및 글리코시드 가수 분해 효소에 공통되는 작용기를 도시한다: "포지셔너(positioners)"로 기능하는 티로실기(tyrosyl groups)을 갖는 공간적 대향(spatial opposition) 내의 산성 및 기본적인 잔여물 (W. Nerinckx 등의 "An elaboration on the syn-ani proton donor concept of glycoside hydrolases: electrostatic stabilization of the transition state as a general strategy", FEBS Letters 579, 302 (2005); 및 E. J. Taylor 등의 "How Family 26 Glycoside Hydrolases Orchestrate Catalysis on Different Polysaccharides", J. Biol . Chem . 280(38), 32761 (2005) 참조). 도 14b는 백금 원자 트랩으로 설계된 제올라이트를 도시한다 (미국 에너지국의 공공 도메인 이미지(public domain image), 로렌스 버클리 국립 연구소의 버클리 연구소 연구 보고서, Fall 2001). 도 14c는 사이클릭 알켄 서브유닛으로부터 합성된 초거대분자로 결합된 2D 링 스캐폴드를 도시한다 (H.H. Kung 및 M. C. Kung의 "Heterogeneous catalysis: what lies ahead in nanotechnology", Applied Catalysis A: General 246(2), 183 (2003) 참조).

PART Ⅲ. 촉매개발 및 생산을 위한 ssDC 템플릿의 제조에 대한 옵션

생산

우수한 촉매를 생성하기 위한 ssDC의 사용

바이오 연료 산업에 유용한 효소의 촉매 중심(catalytic centers)에 의해 고무되는 구조를 갖는 템플릿을 개발하고 플랫폼을 생선하기 위해 ssDC가 적용된다. 대부분의 셀룰라아제 및 다른 글리코시드 가수 분해 효소는 이들의 기능을 주로, 기질을 인식하고, 결합시키고 배치하고, 중간물의 형성을 안정화시키고 촉진시키고, 그리고 생산물을 배출하는 틈과 같은 활성 부위 내에서 수행한다 (D.E Koshland의, "Application of a Theoryof Enzyme Specificity to Protein Synthesis", Proc . Natl . Acad . Sci . 44 (2), 98 (1958); A. Warshel 등의 "Electrostatic basis for enzyme catalysis", Chem . Rev . 106(8), 3210 (2006); 및 J. B. West 등의 "Enzymes as Synthetic Catalysts: Mechanistic and Active-Site Considerations of Natural and Modified Chymotrypsin", J. Am . Chem . Soc . 112, 5313 (1990) 참조). 성공적인 나노스케일 촉매가 이러한 구조 및 기능을 모사함과 동시에, 그 구조 내에서 보다 탄력적인(resilient) 물질을 이용할 것이다 (L. Jiang 등의 "De Novo Computational Design of Retro-Aldol Enzymes", Science 319(7), 1387 (2008) 참조).

ssDNA 배치 가이드라인

본 발명에 따라 ssDNA를 마스터 형상에 배치하기 위해, 물질의 표면이 DNA 리소그래피를 위해 기능화(functionalized)될 수 있다. 일 예로, 고체와 플라즈마 상 사이의 전기적 전위 내에서 물리적인 증착은, 포스포로시오에이트 변형된(phosphorothioate modified) ssDNA의 메르캅틸-금 앵커링(mercaptyl-to-gold anchoring)을 위해, 티타늄(250 A 이하)에 의해 배면이 형성된 얇은 금층(50 A 이하)을 증착할 수 있다. 아민 백본-변형(backbone-modified) ssDNA를 사용하는 경우, SiO₂로부터 틈이 형성된 질감을 살린 어레이의 표면은, 아민에 대한 공유 결합 형성으로 수정가능한 실록산으로 화학적으로 변환될 수 있다. 상기 방법은, 아데노실(adenosyl), 시토실(cytosyl) 및 구아노실(guanosyl) 계로 1차 아민 및 구아니디니움기(guanidinium group)가 존재함으로 인해 백본-특정(backbone-specific) 결합을 보장하도록 보다 정교한 기능화(functionalization)를 요구한다. 그리고 나서, 마스터는 ssDNA, RNA 또는 PNA로 리소그래핑될 수 있다. DNA는 마스터와 공유 결합을 형성하도록 합성되고 화학적으로 변형되며, 플랫폼 및/또는 템플릿 상에서 고밀도의 어드레서블(addressable) 어레이를 패터닝하기 위한 상보적인 템플릿으로 기능하기 위해 높은 밀도(10 내지 25 nm 간격)로 더해진다. 리소그래피는 딥 펜 리소그래피(dip pen lithography)(나노스케일의 스타일러스(stylus)이 배열되고 DNA를 펼침(stretching)), 기형성된 홈 상에 대한 레이저-조정(laser-mediated) 패턴 리소그래피, 및/또는 펼쳐진 DNA의 자기장 및 다른 선형적인 장-중개 패터닝에 대한 변형을 사용함으로써 달성될 수 있다.

효소를 모사하는 프로세스를 수행하는 기능은 촉매 프로파일에 대한 정확한 이해와 3D 공간에서의 중요한 화학적 작용기 및 다른 작용기의 동적인 배치를 요구한다 (W. Wang 등의 "BIOMOLECULAR SIMULATIONS: Recent Developments in Force Fields, Simulations of Enzyme Catalysis, Protein-Ligand, Protein-Protein, and Protein-Nucleic Acid Noncovalent Interactions", Ann . Rev . Biophys . Biomolec . Struc. 30, 211 (2001) 참조). 규칙적이고, 기하학적인 패턴을 갖는 어드레서블 어레이는 이러한 배치에 내재되는 불확실성을 상당히 감소시키고, 기능적인 작용, 주요 촉매기의 동적인 배좌(dynamic conformations), 및 촉매를 최적화시키기 위한 과도 상태 프로파일링을 모델링하는 경우, 보다 덜 복잡한 유한 요소 해석 및 벡터-기반 역장(force field) 계산을 사용한다.

이러한 편리함으로 인해, 폴리뉴클레오염기(polynucleobases)의 카테시안(도 3의 x, y) 또는 곡선형(도 15의 r, pi) 패턴이 영구적으로 마스터 상에 리소그래핑될 수 있다. 이는 이러한 형태의 수십억의 어레이에 걸쳐 일관되게 동시적으로, 플랫폼 상의 물리화학적인 작용기에 대한 간단한 어드레싱을 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 기하학적으로 균일한 어드레스는 또한 활성 부위 설계, 직교 기능 행동(orthogonal function behavior), 동적인 기능 전좌(dynamic functional translocation) 및 다른 활동에 대한 컴퓨터 기반 모델링을 단순화시킨다 (W. Warshel 및 W. W. Parson WW의 "Dynamics of Biochemical and Biophysical Reactions: Insight from Computer Simulations", Quart . Rev . Biophys . 34, 563 (2001) 참조). 이들 대부분은, 요소 및 벡터가 모델링되는 공간 좌표가 불규칙한 좌표에 의해 차이가 분명하게 되는 경우(disambiguated), 입력 파라미터 세트의 해결에 방해되는(hampered) 유한 요소 및 벡터 역장 기반 프로그램을 통해 렌더링된다 (M. Garcia-Viloca 등의 "How enzymes work: analysis by modern rate theory and computer simulations", Science 303(5655), 186 (2004) 참조).

도 15는 금(152) 위에 곡선형 패턴으로 리소그래핑된 영구적인 ssDNA(151)를 포함하는 예시적인 마스터 형상을 도시한다.

표면 상에 ssDNA를 고정시키고, 펼치고, 장착하기 위한 가이드라인

실제로 ssDNA를 펼쳐진 상태로 유지시키는 중요한 팩터는 DNA가 펼쳐진 영역의 성질과 마스터 물질로 기능하기 위한 DNA에 대한 인공적인 변형 간의 일치이다. 전술한 바와 같이, 금 위에서 포스포로티오에이트-백본이 형성된(phosphorothioate-backboned) ssDNA는 영구적인 템플릿을 위해 사용될 수 있다 (A. Csaki 등의 "DNA monolayer on gold substrates characterized by nanoparticle labeling and scanning force microscopy", Nucleic Acids Res . 29(16), 81 (2001) 참조). 그러나, 많은 양의 용액 내의 강하게 감소하는 포텐셜(strong reducing potential)은, a-S 인산기가 펼쳐지기 전에 서로 이황화 결합을 형성하는 것을 방지하는 것이 요구될 수 있다(이는 또한 DNA 내의 핵염기들 간의 사슬내(intra-strand) 및 사슬간(inter-strand) 수소 결합을 도와주고, 꼬임이 억제되지 않은 경우에는 사슬 간의 결합을 도와주고 펼쳐지는 것을 억제함). 펼쳐지고 장착되는 도중, 산화 환원 반응 포텐셜(redox potential)은 a-S와 금의 공유 결합을 촉진시키는 보다 산화된 상태로 이동될 필요가 있다. 그러나, 이는 바람직하게 너무 빠르게 일어나지 않아야 하며, 그렇지 않으면 DNA는 금 표면에 이르게 장착되고 추가적으로 펼쳐지는 것을 억제하여, 기하학적으로 정확한 어드레스의 구성을 저해할 수 있다.

고려되는 다른 팩터는, ssDNA가 펼쳐지고, 대칭적인 포텐셜 차이에 의해 형성되는 소수성 인터페이스가 형성됨에 따라, 희소면 현상(rare surface phenomenon)의 형성이 증가되는 것이다. 이는 실제로, 진정한 고체 상태, 즉 벽 효과(wall effect)를 갖는 용매화된 폴리머와 상호작용하는 공존불가능한 콜로이드와 더 유사한 "의사-상태(pseudo-phase)"이다. 이러한 인터페이스/의사-상태는 ssDNA를 뒤덮고, 수용성 고체 상태(receptive solid phase) 상에 자연적이거나 변형된 포스포디에스테르기(phosphodiester group)만을 장착하는 의도된 백본에 의해 형성된다. ssDNA가 감겨있는 코일로부터 선형적인 폴리머로 이행됨에 따라, 연속적인 백본 잔여물은 '아래를 향하고(point down)', 연속적인 핵염기는 '위를 향한다(point up)'. 각각의 성공적으로 펼쳐지고 장착된 잔여물을 사용하여, 표면의 쌍극자 모멘트(dipole moment)는, 보다 높은 전자 밀도의 포스포디에스테르(phosphodiester), 포스포로티오에이트(phosphorothioate), 포스포라미디트기(phosphoramidite group)(또는 다른 백본)와 아민이 풍부한 일반적으로 양이온의 핵염기 간의 증가한 총 포텐셜 차이로 인해 전체적으로 증가된다.

보다 중요하게, ssDNA 또는 RNA가 사용되는 경우, 강한 소수성 리보오스기는, 링 스택킹(ring stacking), 수분 반발(water repulsion) 및 반 데르 발스 상호작용을 통해 고리화된 당(cyclized sugars)을 배열하는 경향으로 인해, "오일성 메자닌(oily mezzanine)"을 형성하기 시작할 것이다. 이러한 현상은 3D 나선의 중심에서 이중 가닥의 DNA에 일어나고, dsDNA의 막대한 강도 및 혼성화된 ssDNA에 대한 인장 응집력(tensile cohesion)에 부분적으로 기여한다. 표면 상에서 높은 밀도로 리소그래핑되는 경우, 생리적 염류(Mg^{2 +}를 포함)를 사용하여 혼성화되면, 상보적인 가닥에 의해 형성되는 메자닌은, 예를 들어 DNA에 직접적으로 인접한 벌크 유기 상(bulk organic phase)에서 일어나는 높은 에너지 교환 반응 시에도 왓슨-크릭 결합(Watson-Crick bonds)이 보존되기에 충분히 반발적일(repulsive) 것이다. 외견상 특이할지라도, 이러한 유리한 현상은 불혼화성 용액(예컨대, 디코로메탄(dichoromethane), 톨루엔(toluene) 또는 헥산(hexane)) 내의 다양한 트랜스-바이오틱 화학반응이 플랫폼 상의 어드레스를 손상시키지 않으면서 수행되도록 한다.

PNA가 마스터를 리소그래핑하도록 사용되는 경우, 친수성 의사-상태가 핵염기 고리식기(nucleobase cyclic groups)의 적층에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 이는 균일한 적층된 디옥시리보뉴클레오티드를 갖지 않으며, 포텐셜 차이가 반드시 형성되지는 않는다. 원하는 경우, 포텐셜 차이의 현상은, PNA의 친핵성 3차 아민 백본(프롤린을 제외한 임의의 베타-아미노산을 구비함)과 예컨대 고체 상에 대한 히드록시 부분과 같은 친전자성기(electrophilic group) 간의 포텐셜 차이를 증가시킴으로써 구성될 수 있다.

마스터로부터 템플릿을 구성하는 것에 대한 옵션

ssDC 템플릿은 촉매 플랫폼의 대량생산을 위한 기반 또는 몰드로 기능하기 위해 다음과 같은 특징을 가질 수 있다: 1) 템플릿은 최종 생산 플랫폼의 3D 음의(negative) 영역 전체(개방된 틈 또는 나선)를 채우는 양의(positive) 돌출된 형상을 가정하며 - 각각의 몰드 유닛에 대하여, 플랫폼의 생산 도중 개별적으로 그리고 일관되게 템플릿 어레이에 걸쳐 양의 돌출된 형상을 가정하며; 2) 템플릿 상의 단일 가닥의 DNA 또는 PNA는 플랫폼 상의 어드레서블 어레이의 정확한 거울-이미지 패턴이며, 이러한 패턴을 상보적인 베이스 페어링(base pairing)을 통해 생산물 상에 생성하며; 3) 템플릿은 혼성화(hybridization)에 자유로운 템플릿 및 플랫폼 상에 핵염기를 남기는 백본 공유 결합을 통해 DNA, PNA 또는 다른 핵염기 폴리머의 영구적인 통합을 가능하게 하는 물질로 구성되며; 그리고 4) 템플릿은 포장되거나, 구부리지 않거나, 또한 예상되는 수명에 걸쳐 플랫폼을 생성하는 몰드로서 완전성을 상실하지 않는다. 구체적으로, ssDNA/PNA의 패턴 및 기본 화학적 성질(base chemistry)은 다수의 스탬핑 사이클에 걸쳐 템플릿 상에서 보존된다.

제 1, 제 3 및 제 4 특징은 가까운 미래에 촉매를 생산하기 위한 ssDC의 기능에 큰 영향을 미치지 않는다. 하드 캐스트(hard cast) 또는 빔-리소그래핑된 원본(beam-lithographed originals)으로부터 생산물로 경질화되는 부드러운 캐스트 폴리머로 진행되는 공정에서 3D 나노임프린트 패턴 전사의 종래기술은, 마스터의 음의 형상을 모사하는 몰드를 용이하게 생성할 수 있고(세제곱나노미터의 1/4 이하까지 정확함) 기술에 쉽게 적용되는 것이었다. 플랫폼 생산을 위한 수천 번의 스탬프-및-리프트 또는 롤링 사이클에서 살아남을 수 있는 물질은 또한 이 공정에 적용하기 쉽고 정확하게 형상을 획득하기 용이하다. 이러한 물질은 인공적으로 변형된 DNA와의 공유 결합을 허용하도록 표면이 작용화되어(surface functionalized), 영구적으로 거울-이미지의 상보적인 어드레스를 야기한다. 예를 들어, 증기 증착된 금(맨 위에는 티타늄이 있음)은 수천 번의 혼성화/비혼성화(hybridization/dehybridization)(즉, 잉킹(inking) 및 스탬핑) 사이클에서 살아남기에 충분한 강도를 가지면서 포스포로티오에이트-변형된 DNA와 영구적으로 결합할 수 있다. 다른 옵션은, 형상의 완전성을 보존하는 알루미늄과 같은 유사하게 단단한 물질에 의해 배면이 구비된 아민 백본-변형된 DNA를 영구적으로 결합시킬 수 있는 실록산 작용화된 템플릿(siloxane functionalized templates)이다 (E. Magni 및 G. A. Somorjai의 "Electron Irradiation Induced Chemical Vapor Deposition of Titanium Chloride on Gold and on Magnesium Chloride Thin Films. Surface Characterization by AES, XPS, and TPD", J. Phys . Chem . 100(35), 14786 (1996) 참조).

그러나, 제 2 특징은 ssDC의 중요하고 정교한 면을 나타내고, 그 퀄리티는 플랫폼이 촉매에 착수할 것인지 또는 일관된 결합 기능(combinatorial ability)을 가질 것인지 여부를 결정할 것이다. 요컨대, ssDNA 또는 PNA와 같은 변형된 폴리핵염기를 나노스케일 이하의 기하학적인 정밀도를 가지면서 마스터 상에 리소그래핑하는 기능 및 혼성화를 위한 정확한 축 방향 배향으로 제시되는 올리고머를 구비하는 기능은, 템플릿을 구성하는 기술을 가능하게 하는 실마리이다.

현재 템플릿 구성을 위한 가장 잘 이해되고, 사용가능하고, 적용가능한 옵션은 다음과 같다: A) 3D 형상에 대한 ssDNA의 DPN(dip pen nanolithography); B) 희생층(sacrificial layer)을 통한 ssDNA의 펨토초 레이저-조정 패터닝; C) 3D 표면 상의 기형성된 홈에 대한 레이저-조정 리소그래피; 및 D) 곡면을 가로지르는 자기적으로 조정된(magnetically-mediated) 폴리핵염기 배열.

옵션 A. 직접적인 리소그래피에 의한 마스터의 구성

ssDNA를 2D 또는 3D 면에 배치하는 한 가지 직접적인 방법은 딥 펜 나노리소그래피를 사용하는 것이다 (J. H. Wei 및 D. S. Ginger의 "A Direct-Write Single-Step Positive Etch Resist for Nanolithography", Small 3(12), 2034 (2007); 및 D. Bullen 등의 "Parallel dip-pen nanolithography with arrays of individually addressable cantilevers", Appl . Phys . Lett . 84(5), 789 (2004) 참조). AFM(atomic force microscope) 스타일러스가 대전된 폴리머를 끌어당기는 부분적으로 흡착성인 정전적 고체 상으로 사용된다. ssDNA는 결정된 시작 지점(실제로 그 길이를 결정함으로써 DNA 가닥의 식별을 보존함)에 대한 단부-특정(즉, 5' 또는 3') 고정(end-specific anchoring)을 위해 단부에서 변형되고, 그리고 나서 그 안으로 펼쳐질 수 있다. 다수의 리간드는 비오틴(biotin)(스트렙타아비딘(streptavidin)에 대한 고친화성 결합을 위함) 및 디곡시제닌(digoxigenin)(항체에 대한 결찰(liganture)을 위함)을 포함하는 ssDNA의 단부-작용화(end-functionalization)로 수정될 수 있다.

고정한 후, ssDNA는 이어지는 물리화학적인 팩터의 적절한 관리에 기초하여 2D 면을 가로질러 당겨질 수 있다: 1) AFM 팁의 유도되고 고유한 전하; 2) 폴리머의 고유한 전하, 전하 밀도의 함수, 상대 이온(counter ion), 및 폴리머 쌍극자 모멘트. 폴리머 쌍극자 모멘트는 AFM 팁에 대한 폴리머의 배향에 의존하며, 특히 ssDNA의 경우와 같이 모멘트 벡터가 장축에 직교하게 존재하는 경우 그러하며; 그리고 3) 표면의 정전적이고 마찰적인 성질로서, 용매화(solvation), 전하, 전하 밀도 및 "완전하게 평평하지 않은" 표면에 의해 야기되는 불균일한 포텐셜(그에 따른 ssDNA 장착 에너지)을 포함한다.

이러한 팩터들은 ssDNA 가닥의 감긴 코일로부터 그 이론적인 최대 길이에 근접하는 선형적인 형태로의 이행(transitioning)에 기여하거나 억제한다. 이종의(heterogeneous) 3D 표면에 적용하는 경우, 다른 팩터들이 후술하는 바와 같이 작용을 하게 된다. 그러나, 상술한 바와 같은 마스터 형상과 같은 동종의(homogeneous) 3D 표면 상에서 DPN을 사용하는 경우, 폴리머 역학 및 물질 퀄리티에 대한 일반적인 고려로도 일반적으로 핵심적인 팩터를 기술하기에 충분하다. 이는 다음과 같은 사항을 포함한다: (i) ssDNA를 펼치기에 충분하지만 파괴하지는 않는 힘 또는 ssDNA와 단부의 앵커(anchor) 간의 결합으로 ssDNA를 펼침; (ii) 특히 3D 입면도에 걸쳐 (+z) 벡터 성분, 즉 "상방향"으로 ssDNA를 펼침; (iii) 특히 평평한 지점과 포텐셜이 끼는 경향이 있는 만곡된 지점 사이의 이행에서 윤곽이 유발되는 포텐셜 벡터의 변화 및 그 크기와 방향에 따른 변화; 및 (iv) 높은 가닥 밀도에서 리소그래핑하는 경우, 이미 리소그래핑된 ssDNA의 존재 및 인접함에 의해 유발되는 포텐셜 반발 또는 끌어당김.

도 16은 DPN으로 스폿팅(spotting)된 수용기 지점(163) 상에서 반복적으로 고정되고, 카테시안 패턴을 생성하도록 템플릿 형상(152) 위에서 선형적으로 펼쳐지는 ssDNA(151)를 도시한다.

옵션 B. 희생층 아래에서의 펨토초 레이저 고정

고정 기능의 DPN-조정 스폿팅(DPN-mediated spotting)에 대한 대안은, 마스터 몰드로 의도되는 2D 표면 및/또는 3D 윤곽을 작용화시키는 물질의 희생층 영역을 제거하기 위해 펨토초(Fsec) 레이저를 사용하는 것이다 (Y. Dong 등의 "Femtosecond pulsed laser micromachining of single crystalline 3C-SiC structures based on a laser-induced defect-activation process", J. Micromech . Microeng. 13, 680 (2003); G. Pellegrini 등의 "Technology development of 3D detectors for high-energy physics and imaging", Nucl . Instr . Methods Phys . Res. Section A: Accelerators , Spectrometers , Detectors and Associated Equuipment 487(1-2), 19 (2002); 및 S. H. Park 등의 "Direct Fabrication of Micropatterns and Three-Dimensional Structures using Nanoreplication-Printing (nRP) Process", Sensors and Mater . 17(2), 65 (2005) 참조). DPN에 걸친 이러한 접근의 장점은 보다 작은 앵커 지점의 보다 정확하고, 신속하고 eksetns한 배치를 포함하며, 그 결과 주어진 장소에 하나보다 많은 가닥 결합이 발생할 가능성을 줄이고, 희생층은 마스크-기반 리소그래피 물질(희생층 아래에 위치하고 3D 형상을 형성함)보다 더 다양한 성분을 가져, 표면 에너지, 용매화 및 마찰 팩터에 대한 보다 나은 제어를 가능하게 한다. 전반적으로, 이들은 ssDNA를 펼치고 장착하는 기능을 개선시킬 수 있다.

주어진 20 nm 간격 밀도를 갖는 100 량체(mer)의 상보적인 ssDNA, 250억 개의 가닥들은 잠재적으로 1 제곱센티미터(일측에 500,000)의 마스터 상에 리소그래핑될 수 있다. 이러한 많은 지점들을 생성하기 위한 DPN 기술의 속도에 대한 추정이 없더라도, 이론적으로 Fsec의 레이저는 약 한 시간 내에 희생층 상에 이러한 많은 앵커 지점을 생성한다.

Fsec의 레이저는 상대적으로 흔한 기술이고 마이크로칩 및 나노리소그래피 산업에서 널리 사용된다. 공간 제어는 ±0.1 nm로 정확하고, 에너지 증착(노출 시간)은 ±0.1 fsec(100 아토초)로 정확하다. 타겟팅은 일반적으로 극도의 정확성으로 방출 벡터(emission vector)를 변경하는 양자 효과를 끌어내는 다이오드-기반 레이징 소자 상의 컴퓨터 제어 포텐셜 차에 의해 제 위치에서 제어된다. 이는 레이저의 기계적인 재배열(±1 nm로 정확해지기 불가능한 팩터)을 요구하지 않으며, 그 결과 어떠한 이동부도 구비되지 않는다. 또한, 액체 흐름 기반의 구조가 요구되지 않는다. 이러한 모든 단점들은 앵커 지점의 DPN-조정 스폿팅에서의 팩터들이다. 전반적으로, Fsec 레이저의 사용은 매우 짧은 시간 내에 정확하고 균등하게 수억 개의 희생된 지점을 제거할 수 있게 한다.

도 17은 도 16에 도시된 계획과 유사한 ssDNA가 펼쳐지는 것을 도시한다. ssDNA(151)는, 희생층(175) 상에 SA 또는 안티-DIG(anti-DIG)(174)로 작용화함으로써 Fsec의 레이저로 고갈된(laser-depleted) 지점(173) 상에 반복적으로 고정되고, 마스터 형상(172)에 걸쳐 선형적으로 펼쳐진다. 대비(contrasted)는 ssDNA(도 16의 DNA, 도 17의 Fsec 레이저)의 단부 및 장착되는 표면을 고정시키는 방법이다. 적절한 마스터 형상이 희생층 아래에 위치되어, 3D의 타원형 반구를 형성할 수 있으며, 상기 3D 타원형 반구는 공통된 ssDNA 단부 작용기, 예컨대 스트렙타아비딘 및 안티-디곡시제닌 항체를 위한 수용기(receptors)로 작용화되도록 수정가능하다.

옵션 C. 홈이 있는 표면 위에서의 레이저에 의한 마스터의 구성

ssDNA를 고정시키는 어떠한 방법이 사용되더라도, 희생층 또는 리소그래핑된 층에 내재하는 추가적인 팩터는 일직선(카테시안 어드레스용) 또는 곡선(곡선형 어드레스용) 패터닝과 펼침 및 배열을 향상시킬 수 있는 축 방향의 오목부 또는 홈에 대한 옵션이다. 간략하게 말하자면, ssDNA와 같은 대전되거나(charged) 펼침-저항성(stretch-resistant) 폴리머의 선형적인 구조는, 다른 구조가 "벽 효과(wall effects)"로 적절하게 기술되는 팩터에 의해 억제되는 경우에 보다 그럴듯하다 (J. T. Mannion 등의 "Conformational Analysis of Single DNA Molecules Entropically Induced Motion in Nanochannels", Biophys , J. 90, 4538 (2006); 및 C. Han 등의 "Gradient nanostructures for interfacing microfluidics and nanofluidics", Appl. Phys . Lett . 81(16), 3058 (2002) 참조). 예를 들어, 벽을 소수성기(hydrophobic groups)(대전된 핵염기를 밀어내기에는 충분하지만, 디옥시리보스기(deoxyribose group)를끌어당기기에는 충분하지 않음)로 작용화시키는 것은, 선형화된 폴리머 구조를 더 유지시킬 것이다 (H-S Choi 등의 "Photopatterning of gold and copper surfaces by using self-assembled monolayers", Curr . Appl . Phys. 7, 522 (2007); 및 M. J. Tarlov 등의 "UV Photopatterning of Alkanethiolate Monolayers Self-Assembled on Gold and Silver", J. Am . Chem . Soc. 115, 5305 (1993) 참조). 홈의 "바닥(floor)"은 폴리머 상의 백본의 타입(들)에 적절하게 작용화될 수 있으며, 예를 들어, 평범한 음이온의 포스포디에스테르 백본을 갖는(phosphodiester backboned) ssDNA의 정전 결합을 위한 총 양이온 전하; 포스포로티오에이트 변형된(phosphorothioate-modified) ssDNA를 위한 {a-S-to-Au 결합}을 위한 금; 또는 아민 변형된(amine-modified) ssDNA를 위한 쿨롱 버퍼 실록산(coulomb bufered siloxane)에 적절하게 작용화된다.

홈은, 광- 또는 전자-빔 리소그래피에 의해 보다 복잡한 패턴이 생성될 수 있도록 중요한 기여를 한다. 이러한 개념은 "희생, 작용화, DNA 추가, 반복 ... 펼침"의 전략에서 균일하게 단부가 작용화된 DNA의 반복적인 추가를 위해 앵커 지점의 Fsec 레이저-기반 스폿팅을 도입할 수 있다. 예를 들어, 곡선형 홈은 어레이 내 수십 억의 마스터 유닛 각각으로 절단될 수 있다. 도 18은 2D 표면 및 3D 마스터 윤곽(184) 상의 Fsec 레이저-고갈된 지점(173) 상에서 반복적으로 앵커링되고, 사전에 리소그래핑된 홈(185) 내에서 곡선형 또는 선형으로 펼쳐진 ssDNA(151)을 도시한다. 가닥 4 내지 11의 앵커 지점은, 3D 몰드 윤곽 위에 배치하기 전에 감긴 코일에서 연장된 형태로 ssDNA의 배좌 변경(conformational change)을 구현하는 리소그래핑된 가둠 홈(confinement grooves)을 기술한다. 이 도면은, 홈 내부에서 반경을 가로질러, 자성의 또는 웨이팅된 폴리머 비드(polymer bead)를 통해, 폴리머의 다른 단부를 전위시키는(translocating) 것을 기반으로 하는 ssDNA의 펼침 방법을 시사하며, 이는 DPN을 통한 펼침에 독립적이다. 이에 대해서는 이하의 옵션 D에서 상세하게 기술될 것이다.

중요한 점으로, 표면은 홈보다는 연장부 또는 돌출부로 패턴화될 수도 있다는 것이다. 현재의 기술인 마스크-기반 리소그래피는 예컨대 티타늄 위에 금을 선형으로 또는 다른 패턴으로 증착시키는 것을 도입하거나, 그 반대로 포스포로티오에이트 ssDNA의 장착을 위한 요구되는 카테시안 또는 곡선형 패턴을 제외하고 모든 표면의 금을 제거하도록 전자기 에너지를 사용할 수 있다.

작용화된 앵커로부터 말단 지점으로 ssDNA를 펼치는 것은, 직경이 약 25 nm인 상자성 비드(paramagnetic bead) 또는 동일한 사이즈의 라텍스 비드(latex bead)에 의해 구현될 수 있다. 전자기장 및/또는 광학장(optical field)(상기 광학장은 레이저 "트위저(tweezers)"를 통한 것임)은 홈이 형성되거나 상승된 패턴에 대하여 비드를 이동시키도록 사용될 수 있다. 이러한 펼침을 달성할 수 있는 장 어레이(field arrays)의 전기-광학적인 성질은 옵션 D에 기술된다.

옵션 D. 윤곽면(contoured surface) 위에서의 전자기적인 배열

마지막으로, ssDNA의 앵커링을 위한 어떠한 방법이 사용되더라도, 그리고 희생층 및 그 안의 윤곽의 성질(또는 부재(absence))에 관계없이, 3D 표면을 가로지르고 그 위에 또는 그에 대하여 ssDNA를 펼치는 방법은, 마스터의 구성에 있어어 중요할 수 있다.

리소그래핑된 ssDNA를 고려하면, 폴리머를 펼치는 다음과 같은 두 가지 방법이 사용된다: 도 18에 도시된 바와 같이, 3D 형상으로 조각진 좁은 홈이 형성된 오목부로 이행되는 계속적으로 제한되는 터널(progressively confining tunnel)로 앵커링된 ssDNA 가닥을 당기는 선형적인 장; 및/또는 홈 주변 및 내부에서 비드를 당기는 변화하는 벡터장. 후자에 대해서는, 자기장 또는 광학장이 정적인 마스터 주위에서 회전될 수 있거나, 그 반대로, 선형적인 전기-광학 장에 대하여 연계되는 테이블 상에 마스터가 고정될 수 있다.

장의 기하학적인 구조가 선형적인 거리로 국한되는 영구 자석에 의해, 또는 선형적인 균일한 장을 생성하도록 프로그래밍될 수 있는 전자석에 의해 적절한 자기장이 생성될 수 있다. 상기 전자석은 동적일 수 있어, ssDNA를 당기기 위한 민감한 비드의 전좌(translocation)를 구현한다.

도 19는 Fsec 레이저-리소그래핑된 앵커 지점(173)으로부터, 25 내지 40 nm 폭의 홈 또는 돌출부(185)로 이행되는 제한 터널로, 선형적인 벡터 자기장 라인(196)을 통해 하나의 ssDNA 가닥을 펼치는 것을 도시한다. 다수의 Fsec 레이저 펄스로 희생층을 제거하는 것은, 그 뒤에 예를 들어 디곡시제닌으로 작용화될 수 있는 하층을 드러낼 수 있다. 이 예에서, 오직 하나의 DNA 가닥을 앵커링하는 것은 다음과 같은 (1:1:1) 몰 함량비의 성분을 포함하는 기제조된 구조의 어드레싱에 의해 달성될 수 있다(5' 내지 3'의 배향): 50 nm의 안티-디곡시제닌으로 코팅된 라텍스 비드(197); 5'-DIG---{ssDNA 시퀀스}---3'-비오틴(191); 및 25 nm의 초상자성(superparamagnetic) 스트렙타아비틴으로 코팅된 비드(198).

또다시, 홈은 돌출부로 대체될 수 있으며, 이로 인해 펼침 방식을 변경할 필요는 없다. 그러나, ssDNA를 선형화된 구조로 유지시키도록 도와주는 제한 벽의 장점이 제공되지 않는 경우, 보다 부지런하게 돌출부로 펼침 프로토콜을 수행하는 것이 현명하다. 이러한 전략은 실제로, 보장되지 않더라도 흐를 것으로 예상되는 폴리머에 음의 형상을 스탬핑하는 것보다, 부드러운 캐스트의 폴리머에 양의 형상을 스탬핑하기가 용이하기 때문에, 플랫폼 생성을 보다 용이하게 하는 마스터를 생성한다. 후자의 방법은 요판(Intaglio) 인쇄 프로세스(나노스케일로 수행되는 경우 그에 내재되는 명백한 불확실성을 가짐)와 유사하다.

특정한 잔여물이 펼쳐지기 전에 고체 상에 대한 공유 결합을 형성하는 것으로부터 DNA 백본이 변형되는 것을 감소시키는 옵션은, 대전된 폴리머를 "감고(spool)" 이른 표면 부착을 방지하는 다른 임시적인 인클로져(enclosure) 또는 리포좀 내에 감겨있지 않은 ssDNA를 가두기 위한 것이다. 잠재적으로 "끈적한(sticky)" 감긴 덩어리의 폴리머보다, 의도된 표면 성질을 갖는 상대적으로 "매끄러운(smooth)" 콜로이드 인클로져가 윤곽면에 대하여 이동되기 용이하므로, 이러한 방법은 제한된 공간에 대한 전좌를 구현하는 추가적인 장점을 갖는다. 그러나, 보다 긴 가닥은 보다 큰 리포좀 또는 다른 인클로져를 요구하기 때문에, 인클로져는 상당히 짧은 ssDNA 세그먼트(250-량체 또는 그보다 적은 량체로 제한되지만, 이는 대부분의 작은 활성 부위 모사에 충분함)로 제한되는 단점을 갖는다. 이는 잠재적으로 홈을 막을 것이다. 확실히, 인클로져의 지방산 또는 다른 콜로이드 함유물이 역으로 상승면과 반응하거나 인클로져로부터 분리되지 않는 한, 펼침이 리소그래핑된 돌출된 빔에서 수행되는 경우에는 문제가 되지 않는다. 금은 특히 음이온 또는 양이온의 지방산으로 오염되지 않으며, 인클로져가 금 또는 개재면(intervening surface)과 반응하지 않는 표면, 즉 불혼합성 스캐폴드에 의해 덮히는 미포(micelle)와 같은 구조로 구성되는 표면을 제공하는 경우에는 문제점이 부분적으로 개선된다.

강하고, 유도 쌍극자 모멘트를 갖고, 초상자성 및 약간의 강자성을 갖는 콜로이드(강자성은 대부분 자성 비드로 작용화된 폴리머임)는 균일한 벡터 자성 모멘트를 형성하도록 사용가능하고 유도될 수 있다. 다른 콜로이드의 이종 혼합에서의 교차-결합(cross-linking) 또는 중합(polymerization) 후, 약 1 테슬러의 선형적인 자기장에 노출되는 것은 모노모의 자성 모멘트를 배열하고 펼침을 위해 사용되는 다른 자기장에 의해 전좌될 수 있는 구조를 생성할 것이다. 대안적으로, 인클로져는 DNA를 보다 단순하게 조작하고, 전좌하고, 그리고 펼치기 위해 초상자성 비드로 꾸며지거나 그에 부착될 수 있다.

자성 모멘트의 배열 외에, "마그네토솜(magnetosome)"의 부분적인 중합에 대한 다른 중요한 요구가 있다. ssDNA가 펼침 및 장착에 의해 인클로져로부터 당겨짐에 따라, 인클로져 상의 유체 정역학적 압력을 동등하게 하기 위해, 용해된 분자가 벌크 상(bulk phase)으로부터 내부로 진입하는 것이 요구된다. 지방산 및 UV 광을 받으면 가장 가까운 이웃(nearest-neighbor) 공유 결합을 형성하는 다른 장쇄(long chain) 분자가, DNA로 하여금 빠져나오도록 하고 물 분자 및 염분이 진입하도록 하는 다공성을 갖는 우리(cage)와 같은 구체 격자(spherical lattice)를형성하도록 사용될 수 있다. 그 결과, 비반응성의 수성 주변부가 인접해 있는 소수성 코어에 의해 보호되는, 감소하는 수성 환경 내의 둘러싸인 ssDNA의 구(sphere)가 이상적으로 획득되며, 그 전체 덩어리(complex)는 홈 내부 또는 리소그래핑된 돌출부 위로 당겨지기 위해 유도된 자기장에 의해 전좌될 수 있다.

도 20은 자기장(196)에서 전좌될 수 있는 콜로이드의 인클로져로부터 풀림으로써 포스포로티오에이트 변형된 ssDNA 가닥(201)을 리소그래핑된 금(202)(윤곽선(203)을 구비함)으로 펼치는 것을 도시한다. 비드(207)는, 지질 혼합물로 도핑된(doped) 격자형의 초상자성 폴리머로 스캐폴드된(scaffolded) 친수성 주변부(205) 및 소수성 코어(204)로 제조된 리포좀을 포함할 수 있다. 스캐폴드의 단방향성 자기 모멘트(카테시안 패턴)는 중공형 셸을 형성하기 위한 UV 광에서의 중합 후, 약 1 테슬러 또는 그보다 큰 장에 의해 유도될 수 있다. 대안적으로, 보다 큰(예컨대, 250 nm 직경) 상자성 비드가 동일한 리포좀 인클로져로 작용화될 수 있다. 이 경우, 격자 작용(lattice work)은 인클로져를 기계적으로 유지시키도록 기능할 수 있다.

본 발명은 단일 가닥의 차원적인 구성 방법으로 기술되었다. 상술한 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 원리의 적용을 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명을 고려한 청구항에 의해 결정될 것이다. 본 발명의 다른 변경 및 변형은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims (26)

1. 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이(addressable array)를 생성하는 공정에 있어서,
   a. 표면을 갖는 나노스케일의 3차원 마스터 형상을 제공하는 단계; 및
   b. 복수의 마스터 생체고분자 핵산을 상기 마스터 형상의 표면에 규칙적인 패턴으로 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 결합시키는 단계 b)는, 딥 펜 리소그래피(dip pen lithography)를 사용하여 상기 마스터 생체고분자 핵산을 상기 마스터 형상의 표면에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 결합시키는 단계 b)는, 레이저-조정(laser-mediated) 패턴 리소그래피를 사용하여 상기 마스터 생체고분자 핵산을 상기 마스터 형상의 표면에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 표면은 복수의 홈 또는 돌출부를 포함하고, 상기 마스터 생체고분자 핵산 각각은 홈 또는 돌출부에 결합되는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
5. 제 1항에 있어서,
   민감한 덩어리(susceptible mass)가 각각의 마스터 생체고분자 핵산의 말단에 부착되고, 상기 결합시키는 단계 b)는 자기장 패터닝을 사용하여 각각의 마스터 생체고분자 핵산을 상기 마스터 형상의 표면에 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 나노스케일의 3차원 마스터 형상은 실린더, 트로프(trough), 틈(cleft) 또는 복합형 나선(compound helix)을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 마스터 생체고분자 핵산은 DNA, PNA, RNA 또는 LNA를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
8. 제 1항에 있어서,
   복수의 상보적인 템플릿 생체고분자 핵산을 상기 마스터 형상 상의 복수의 마스터 생체고분자 핵산에 혼성화(hybridizing)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
9. 제 8항에 있어서,
   템플릿 형상의 표면을 상기 복수의 상보적인 템플릿 생체고분자 핵산에 결합시키는 단계 및 결합된 상보적인 템플릿 생체고분자 핵산과 함께 상기 템플릿 형상을 상기 마스터 형상으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
10. 제 9항에 있어서,
    템플릿 결합은 임프레션 몰딩(impression molding)을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
11. 제 10항에 있어서,
    모사되는 템플릿 어레이는 롤러 또는 평평한 스탬프로 전달되는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
12. 제 9항에 있어서,
    템플릿 결합은 가압 성형(pressure molding)을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 가압 성형은 주머니(bladder)로 구성되는 탄성 물질에 압력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
14. 제 9항에 있어서,
    복수의 상보적인 플랫폼 생체고분자 핵산을 상기 템플릿 형상 상의 복수의 템플릿 생체고분자 핵산에 혼성화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
15. 제 9항에 있어서,
    플랫폼 형상의 표면을 상기 복수의 상보적인 플랫폼 생체고분자 핵산에 결합시키는 단계 및 결합된 상보적인 플랫폼 생체고분자 핵산과 함께 상기 플랫폼 형상을 상기 템플릿 형상으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
16. 제 1항 또는 제 15항에 있어서,
    마스터 또는 플랫폼 생체고분자 핵산을, 반응성 화학기(reactive chemical groups)를 포함하는 상보적인 프로브와 혼성화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
17. 제 16항에 있어서,
    상기 반응성 화학기는 아미노산을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
18. 제 16항에 있어서,
    상기 반응성 화학기는 효소 활성 부위를 모사하는(mimic) 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
19. 제 16항에 있어서,
    상기 반응성 화학기는 촉매를 제공하는 것을 특징으로 하는 생체고분자 핵산의 3차원 어드레서블 어레이를 생성하는 공정.
20. 3D 형상의 표면에 규칙적인 패턴으로 결합된 복수의 생체고분자 핵산을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원(3D) 어드레서블 어레이.
21. 제 20항에 있어서,
    상기 표면은 금속, 플라스틱 또는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 어드레서블 어레이.
22. 제 20항에 있어서,
    금속은 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 어드레서블 어레이.
23. 제 20항에 있어서,
    상기 복수의 생체고분자 핵산 각각에 혼성화된 상보적인 프로브를 더 포함하고, 상기 상보적인 프로브 각각은 반응성 화학기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 어드레서블 어레이.
24. 제 23항에 있어서,
    상기 반응성 화학기는 아미노산인 것을 특징으로 하는 3D 어드레서블 어레이.
25. 제 23항에 있어서,
    상기 반응성 화학기는 효소 활성 부위를 모사하는 것을 특징으로 하는 3D 어드레서블 어레이.
26. 제 23항에 있어서,
    상기 반응성 화학기는 촉매를 제공하는 것을 특징으로 하는 3D 어드레서블 어레이.

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