포르메이트를 형성하기 위한 일산화탄소(CO)의 생물학적 전환은 버블(기포) 합체로 인해 기-액 간 물질전달 한계가 발생함에 따라 저해된다. 이는 기체 교환을 위한 계면적을 감소시킨다. 본 연구에서는 공기리프트(bioreactor)에 천공(b) 배플(perforated baffle)을 적용하고, 그 위에 혐기성(air-ophobic) 코팅을 도입하는 새로운 접근을 제시한다. 혐기성 코팅은 버블 합체를 억제하여 물질전달 효율을 향상시키고 CO의 포르메이트 전환 속도를 증가시킨다. 먼저, 효소 반응에서 CO 기체의 물질전달 속도가 최적 조건에서 최대 생산성을 결정한다는 것을 확인하였다. 이어서 천공 배플에 대한 혐기성 코팅 조건을 최적화하여 효과적인 기포 파쇄를 달성하였다. 최적화된 코팅 조건의 혐기성 코팅 천공 배플을 반응기에 설치함으로써 효율적인 기포 파쇄를 유도하고, 기포 크기를 감소시키며, 기-액 물질전달 계수를 증가시켰다. 그 결과 CO-포르메이트 전환에서 최대 부피 생산성 60.4 mM/h를 달성하였으며, 이는 코팅 배플이 없는 바이오리액터 대비 72% 증가한 값이다. 이러한 유의미한 개선은 기-액 물질전달을 향상시키는 데서 혐기성 코팅의 효과를 보여주며, 생물학적 기체 전환 산업에서 효율과 확장성을 높이기 위한 새로운 전략을 제공한다.

• 세포배양 배지로부터 엑소좀 miRNA 분석을 위해 새로운 H-TAS(hourglass-inspired total analysis system)가 개발되었다. • H-TAS는 간단한 뒤집기 동작 하나로 원팟(one-pot)에서 필요한 모든 공정을 수행하였다. • 나노프로브/CRIPSR-Cas12a/isothermal amplification의 조합을 통해 H-TAS를 구현하였다. • H-TAS는 190분 내에 Exo-miR-21을 우수한 감도로 분석하였으며(검출한계, LOD = 1.308 fM), • H-TAS는 복잡한 생물학적 시료로부터 엑소좀 miR-21도 성공적으로 분석하였다. 규칙적으로 군집된 짧은 회문 반복서열-CRISPR(CRISPR) 계열의 CRISPR-Cas 시스템은(클러스터드 정규 간격 짧은 회문 반복-카스; clustered regularly interspaced short palindromic repeat-Cas) 등온 핵산 증폭(isothermal nucleic acid amplification)과 결합될 때, 서열 특이적 정보를 전달(transducing)하는 강력한 센싱 메커니즘을 제공한다. 그러나 CRISPR-Cas 시스템을 이용한 엑소좀 miRNA(Exo-miRs) 분석은 여전히 어렵고, 외부에서 엑소좀 분리/농축 또는 복잡한 신호 증폭 및 검출과 같은 복잡한 단계가 종종 필요하다. 본 연구에서는 CRISPR-Cas12a 시스템과 등온 핵산 증폭을 이용하여 원팟(one-pot) 조건에서 Exo-miR을 쉽고 민감하게 색도계(colorimetric)로 검출하기 위한 hourglass-inspired total analysis system(H-TAS)를 제안한다. 이 장치에서는 전체 시스템이 두 가지 혁신적 시스템의 연속적 구성에 의해 작동한다: (i) 촉매/항체가 풍부하게 결합된 금-위성-자기 나노입자(promoter/antibody-enriched gold-satellite-magnetic nanoparticles)를 이용한 엑소좀 분리/농축 및 원팟 등온 Exo-miR 증폭, 그리고 (ii) 다중 효소가 캡슐화된 나노입자(multi-enzyme-encapsulated nanoparticles)와 CRISPR-Cas12a 시스템을 활용한 향상된 색도계 신호 분석이다. 또한 두 시스템의 연속적 결합을 용이하게 하고 사용성을 높이기 위해, 반응 바이알을 바꾸지 않고도 Exo-miRs를 검출하기 위해 모든 분석 단계를 수행할 수 있는 hourglass-inspired 장치를 개발하였다. 그 결과, 개발된 H-TAS는 단 한 번의 단순한 뒤집기 동작만으로 Exo-miR 검출에 필요한 모든 공정을 손쉽게 진행할 수 있다. 개념 증명(proof-of-concept)으로서 우리는 H-TAS를 miR-21 및 Exo-miR-21 분석에 적용하고, 190분(시료-투-답(sample-to-answer) 시간) 내에 적절한 특이성 및 감도를 확인하였다(각각 검출한계 = 0.711 fM, 1.308 fM). 또한 특수 장비가 필요하지 않았다. 더 나아가, 제안된 장치의 적용 가능성은 다양한 유방 세포 유래 엑소좀과 임상 시료로부터 Exo-miR-21을 분석함으로써 검증되었다. 따라서 H-TAS는 매우 높은 민감도, 선택성, 간편함 및 시간 효율성을 갖춘 방식으로 Exo-miRs를 검출하기 위한 유망한 플랫폼이 될 수 있다.

최근 금 나노클러스터(gold nanoclusters, AuNCs)는 수 nm 범위의 초소형 크기, 큰 비표면적, 용이한 기능화, 고유한 형광 특성, 우수한 전도성 때문에 생물학적 응용 분야에서 널리 사용되어 왔다. 그러나 AuNCs는 용액 내에서 불안정하므로 덴드리머, 펩타이드, DNA, 단백질과 같은 리간드를 이용해 안정화가 필요하다. 그 결과 AuNCs의 특성과 형성 과정은 리간드에 의해 결정되며, 따라서 리간드 선택이 중요하다. 구현된 다수의 리간드 가운데, 효소로 안정화된 금 나노클러스터(enzyme-stabilized gold nanoclusters, enzyme-AuNCs)는 AuNCs의 우수한 광학/전기화학적 특성과 효소의 높은 표적 특이적 반응성 때문에 바이오센서 응용을 위한 관심이 점차 증가하고 있다. 본 총설에서는 효소-AuNCs를 어떻게 제조하는지, 그 특성은 무엇인지, 그리고 광학 및 전기화학 검출 기법을 사용하는 다양한 유형의 효소-AuNC 기반 바이오센서를 탐구한다. 마지막으로 바이오센싱 응용에서의 효소-AuNCs에 대한 현재의 과제와 전망을 논의한다. 본 총설은 의생명 및 환경 분야에서 효소-AuNC 기반 소재의 적용과 관련된 학제 간 지식을 제공할 것으로 기대한다.

전이금속 Fe와 후전이금속 Sn을 WO3 광양극에 대해 양방향으로 동시 도핑하되, 용이한 원스텝 화염 도핑 공정을 통해 열역학적 전하 이동과 표면 촉매 반응 동역학의 동시 개선이 어렵다는 점을 극복함을 보여 주며, 중성 pH에서 고효율 광전기화학(PEC) 물 산화 반응을 달성하였다. 화염 분사 방식의 직접적 화염 주입은 빠른 열 플럭스를 통해 WO3의 나노구조와 불소 도핑된 산화주석 유리 기판을 손상시키지 않으면서 Fe3+ 및 Sn4+의 WO3 내 양방향 도핑을 효과적으로 유도한다. 이중 금속 도핑의 상승적 효과로 인해 광유도 전하 이동과 표면 물 산화 동역학이 효율적으로 개선된다. 그 결과, Fe/Sn 공도핑 WO3 광양극은 무도핑 WO3 대비 1.23 V_RHE에서 광전류 밀도 성능이 6.16배 향상된 유의미하게 향상된 PEC 반응을 보인다. 본 연구는 광양극 및 기판의 고유 특성에 영향을 주지 않으면서 PEC 물 분해 성능과 태양연료 생산을 향상시키기 위한, 용이한 금속 원자 공도핑 방법을 제시한다.

측정용 라테랄 플로우 어세이(Lateral Flow Assays, LFAs)는 비용 효율적이며 신속 진단을 위해 널리 사용되지만, 흔히 제한된 민감도를 겪는다. 본 연구는 poly(ethylene glycol) diacrylate(PEGDA) 하이드로젤을 통합하여 “반응 트랩(reaction trap)”을 형성함으로써 LFAs의 성능을 향상시키는, 간단하면서도 매우 효과적인 방법을 제시한다. 이 하이드로젤 반응 트랩은 감지 성분에서의 유량과 반응 시간을 최적화하여, 어세이 성능을 현저히 개선한다. 다양한 하이드로젤 농도(6%, 9%, 12%, 15%, 18% w/v)를 적용한 결과, 여러 검출 시스템 전반에서 유의한 향상이 나타났다. 최적화된 18% 하이드로젤 농도는 시험된 시판 임신 테스트에서 민감도를 1.5배 증가시켰다. 또한 12% 하이드로젤 농도는 임신, 배란 및 코로나바이러스감염증-2019(Coronavirus disease 2019, COVID‐19) 시판 키트에 대해 시험하였으며, 신호 강도는 최대 7배까지 증가하였다. 본 검출 향상 결과는 이러한 단순한 개질이 미치는 강력한 영향을 보여주며, 검출 개선을 극대화하기 위해 하이드로젤 농도 최적화가 중요함을 시사한다. 이러한 결과는 하이드로젤 코팅된 LFAs가 서로 다른 의료 환경 전반에서 신속 진단의 신뢰성과 민감도를 향상시키는 데 있어 확장 가능하고 매우 효과적인 해결책이며, 글로벌 보건 진단 분야에 폭넓은 잠재력을 가진다는 점을 보여준다.

포르메이트를 형성하기 위한 일산화탄소(CO)의 생물학적 전환은 버블(기포) 합체로 인해 기-액 간 물질전달 한계가 발생함에 따라 저해된다. 이는 기체 교환을 위한 계면적을 감소시킨다. 본 연구에서는 공기리프트(bioreactor)에 천공(b) 배플(perforated baffle)을 적용하고, 그 위에 혐기성(air-ophobic) 코팅을 도입하는 새로운 접근을 제시한다. 혐기성 코팅은 버블 합체를 억제하여 물질전달 효율을 향상시키고 CO의 포르메이트 전환 속도를 증가시킨다. 먼저, 효소 반응에서 CO 기체의 물질전달 속도가 최적 조건에서 최대 생산성을 결정한다는 것을 확인하였다. 이어서 천공 배플에 대한 혐기성 코팅 조건을 최적화하여 효과적인 기포 파쇄를 달성하였다. 최적화된 코팅 조건의 혐기성 코팅 천공 배플을 반응기에 설치함으로써 효율적인 기포 파쇄를 유도하고, 기포 크기를 감소시키며, 기-액 물질전달 계수를 증가시켰다. 그 결과 CO-포르메이트 전환에서 최대 부피 생산성 60.4 mM/h를 달성하였으며, 이는 코팅 배플이 없는 바이오리액터 대비 72% 증가한 값이다. 이러한 유의미한 개선은 기-액 물질전달을 향상시키는 데서 혐기성 코팅의 효과를 보여주며, 생물학적 기체 전환 산업에서 효율과 확장성을 높이기 위한 새로운 전략을 제공한다.

• 세포배양 배지로부터 엑소좀 miRNA 분석을 위해 새로운 H-TAS(hourglass-inspired total analysis system)가 개발되었다. • H-TAS는 간단한 뒤집기 동작 하나로 원팟(one-pot)에서 필요한 모든 공정을 수행하였다. • 나노프로브/CRIPSR-Cas12a/isothermal amplification의 조합을 통해 H-TAS를 구현하였다. • H-TAS는 190분 내에 Exo-miR-21을 우수한 감도로 분석하였으며(검출한계, LOD = 1.308 fM), • H-TAS는 복잡한 생물학적 시료로부터 엑소좀 miR-21도 성공적으로 분석하였다. 규칙적으로 군집된 짧은 회문 반복서열-CRISPR(CRISPR) 계열의 CRISPR-Cas 시스템은(클러스터드 정규 간격 짧은 회문 반복-카스; clustered regularly interspaced short palindromic repeat-Cas) 등온 핵산 증폭(isothermal nucleic acid amplification)과 결합될 때, 서열 특이적 정보를 전달(transducing)하는 강력한 센싱 메커니즘을 제공한다. 그러나 CRISPR-Cas 시스템을 이용한 엑소좀 miRNA(Exo-miRs) 분석은 여전히 어렵고, 외부에서 엑소좀 분리/농축 또는 복잡한 신호 증폭 및 검출과 같은 복잡한 단계가 종종 필요하다. 본 연구에서는 CRISPR-Cas12a 시스템과 등온 핵산 증폭을 이용하여 원팟(one-pot) 조건에서 Exo-miR을 쉽고 민감하게 색도계(colorimetric)로 검출하기 위한 hourglass-inspired total analysis system(H-TAS)를 제안한다. 이 장치에서는 전체 시스템이 두 가지 혁신적 시스템의 연속적 구성에 의해 작동한다: (i) 촉매/항체가 풍부하게 결합된 금-위성-자기 나노입자(promoter/antibody-enriched gold-satellite-magnetic nanoparticles)를 이용한 엑소좀 분리/농축 및 원팟 등온 Exo-miR 증폭, 그리고 (ii) 다중 효소가 캡슐화된 나노입자(multi-enzyme-encapsulated nanoparticles)와 CRISPR-Cas12a 시스템을 활용한 향상된 색도계 신호 분석이다. 또한 두 시스템의 연속적 결합을 용이하게 하고 사용성을 높이기 위해, 반응 바이알을 바꾸지 않고도 Exo-miRs를 검출하기 위해 모든 분석 단계를 수행할 수 있는 hourglass-inspired 장치를 개발하였다. 그 결과, 개발된 H-TAS는 단 한 번의 단순한 뒤집기 동작만으로 Exo-miR 검출에 필요한 모든 공정을 손쉽게 진행할 수 있다. 개념 증명(proof-of-concept)으로서 우리는 H-TAS를 miR-21 및 Exo-miR-21 분석에 적용하고, 190분(시료-투-답(sample-to-answer) 시간) 내에 적절한 특이성 및 감도를 확인하였다(각각 검출한계 = 0.711 fM, 1.308 fM). 또한 특수 장비가 필요하지 않았다. 더 나아가, 제안된 장치의 적용 가능성은 다양한 유방 세포 유래 엑소좀과 임상 시료로부터 Exo-miR-21을 분석함으로써 검증되었다. 따라서 H-TAS는 매우 높은 민감도, 선택성, 간편함 및 시간 효율성을 갖춘 방식으로 Exo-miRs를 검출하기 위한 유망한 플랫폼이 될 수 있다.