Prabhu Dhasaiyan, Tanwistha Ghosh, Hong-Guen Lee, Yeonsang Lee, Ilha Hwang,* Rahul Dev Mukhopadhyay,* Kyeng Min Park, Seungwon Shin, In Seok Kang & Kimoon Kim*



세포와 같은 생체 시스템 모방 연구에서 효소반응을 시공간적으로 조절하기 위해서는 효소를 지질이나 고분자 막으로 만들어진 공간에 가두는 ‘구획화’ 가 필요하다. 이를 위해 일반적으로 리포좀, 소포, 중합체 등을 이용하지만, 연구진은 소리만을 이용하여 이와 유사한 일을 할 수 있음을 보고하였다. 물이 담긴 페트리 접시에 저주파의 소리를 틀어주면 이에 상응하는 동심원 물결이 생기는데, 이 때 연구진은 용액이 물결의 마디를 경계로 서로 섞이지 않고 구획화되는 현상을 발견하였다. 연구진은 이 새로운 구획화 방법을 glucose oxidase와 horseradish peroxidase로 구성된 다단계 효소반응 시스템에 적용하였다. 그 결과 두 번의 효소반응을 거친 최종 생성물이 용액의 마루 영역에서만 관찰되며, 또한 마디에 의해 서로 분리되어 동심원의 색깔 패턴으로 나타남을 확인하였다. 이는 막 구조를 이루는 물질이 없이 소리만을 이용한 구획화가 성공적으로 이루어졌으며, 다단계 효소반응의 시공간적 조절에도 성공하였음을 의미한다. 연구진은 이러한 소리를 이용한 구획화 방법을 활용하여 나노입자가 용액 내의 특정 영역에서만 성장 또는 배열을 하는 등의 응용이나, 패턴된 수화젤을 합성하고 이를 세포 성장에 활용하는 등 이 발견이 다양한 분야에 사용될 수 있음을 보였다.

 

Spatiotemporal control of chemical cascade reactions within compartmentalized domains is one of the difficult challenges to achieve. To implement such control, scientists have been working on the development of various artificial compartmentalized systems such as liposomes, vesicles, polymersomes, etc. Although a considerable amount of progress has been made in this direction, one still needs to develop alternative strategies for controlling cascade reaction networks within spatiotemporally controlled domains in a solution, which remains a non-trivial issue. Herein, we present the utilization of audible sound induced liquid vibrations for the generation of transient domains in an aqueous medium, which can be used for the control of cascade chemical reactions in a spatiotemporal fashion. This approach gives us access to highly reproducible spatiotemporal chemical gradients and patterns, in situ growth and aggregation of gold nanoparticles at predetermined locations or domains formed in a solution. Our strategy also gives us access to nanoparticle patterned hydrogels and their applications for region specific cell growth.

 

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30124-x