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- 생체분자 구조 연구가 의료 진단, 생합성 과정, 생명 현상의 규명 및 의약품 개발 등 다양한 분야에 응용되고 있지만, 대부분의 단백질 구조에 대한 연구는 단백질 crystal에 의한 X-ray crystallography에 의존되어 있어 단백질이 작용하는 buffer 상에서의 실제의 구조와 다른 경우가 많다. 이런 연유로 나노 프로브에서 얻은 고분해능 이미지로부터 DNA나 단백질을 단분자 수준에서 분석할 수 있는 새로운 기술 개발 필요성이 증대하고 있다.

- Nano-probe에 의한 생체분자연구를 통하여 protein-protein 결합구조, protein-metal complex 및 protein-co-enzyme구조 분석으로 생화학정보를 얻음으로써 미래 biotechnology의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것이다. 이에 따라, 나노-바이오 융합 연구의 한 축을 형성할 생체분자 조절 및 분석용 병렬형 나노프로브 개발 연구를 수행하고자 한다.

- 구체적으로는 나노 스케일의 공간 내에 단일 생체 세포 또는 분자를 제어하고 분석하는 기술로서, pico-newton 정도의 photonic force를 이용하여 생체 분자를 trapping, 제어(manipluation) 및 분석을 동시에 실시하고자 한다.

- 생체분자의 제어와 동시에 분석할 수 있는 기술의 주된 문제점을 극복하기 위하여서는 아래와 같은 연구가 필요하다.
(i) trapping에 필요한 광 세기와
(ii) 적당한 크기와 간격을 가진 나노프로브의 연구,
(iii) 제어와 동시에 분석을 수행할 때 trapping beam과 분석-probe beam의 강도 차이로 인한 noise 제거 방법 등에 대한 연구를 하고자 한다.

- 연구 개발 목표 : 생체분자 조절 및 분석용 병렬형 나노 프로브 연구

【1단계 연차별 연구개발목표】
구분
연도
연구개발
목표
연구개발내용
연구범위

1


2
0
0
4
분자
조절용
나노
프로브
제작
-분자 조절용나노 프로브 제작
광투과율 : ~ 10-4
aperture dia : ~ 100 ~300 nm
- Focusing nano-probe :
nano-flower type focused evanescent field probe 제작

- 금속이중 증착법에 의한 나노프로브 제작:
- nano-aperture 크기에 따른 transmitted field intensity 조사
- 증착 금속에 따른 nano-aperture 광 투과율 분석
- 분자 조작용 field gradient force level ~nN 급 나노 프로브 개발
생체분자 조작/제어 및 분석

- ds DNA 및 ss DNA 제조
- 생체분자 크기에 따른 bead 부착 방법 (크기 ~ 1-3 um)
- 생체분자 조절 및 기초 분석 연구
- 근접장 혹은 AFM nano-probe를 이용한 2-D imaging 및 dynamics 연구
- 공초점 현미경에 의한 분석

- 동물/미생물의 double strand DNA 추출 및 single strand화 (heat shock 방법)
- Tapping AFM을 이용한 생체분자 2D imaging
- 공초점 현미경을 이용한 1~0.5 um 분해능 3차원 영상 구현
2


2
0
0
5
분석용 병렬형 nano-probe 개발
- 분자 trapping용 나노 프로브 제작
array type (25X25)
cantilever type (1X5)
광투과율 : ~ 10-4 ~ 10-3
aperture dia : ~ 100 nm
- (2X10) channel array : aperture dia : ~ 100-300 nm

- 분석 및 조작을 위한 병렬 probe 제작
- 2X1 nano-probe 제작
- Nano-probe를 이용한 trapping 구현 (DNA)
- 근접장 내에서의 광학적 force 측정
- Field gradient force level ~100 pN 급 나노 프로브 개발 연구
생체분자 조절 연구
- Bead 종류에 따른 제어 효과 분석

- ~1um 급 bead (Polystyrene 및 Gold) 부착 연구
- 생체분자의 고분해능 imaging 구현
- 생체분자에 대한 nN/ sub-nN 급 force-extension curve 측정
- 2D AFM/SNOM imaging 및 특성 분석

- ~1 um 급의 bio-cell 또는 polystyrene sphere 조작
- Circular double strand DNA (plasmid) 분리 추출
- 0.2-0.5 um 분해능 3D 영상 구현
- 생체분자의 young's modulus 측정
 
【2단계 연차별 연구개발목표】
구분
연도
연구개발
목표
연구개발내용
연구범위

1


2
0
0
6
Low noise optical nano-probe 제작 및 특성 분석

- Low noise optical probe 제작:
- Spatially separated probe 개발aperture dia : ~100 nm 급
- Nano-flower 개발 연구
- Nano-mirror 개발 연구
- FDTD simulation analysis


- S/N 개선, 광투과율 ~10-2
aperture dia. ~100 nm 급
- Excitation beam과 probe beam의 분리 연구
- 효율적인 light focusing 연구
- ~100 pN 급 nanoprobe 연구
- Optical nano-probe 최적화

나노프로브에 의한 생체분자 조작 및 특성 연구

물리적 분석과 생물학적 결과의 비교

- AFM force spectroscopy에 의한 유체내 생체분자 특성 조사
- 생체분자의 ~100 pN 급 force-extension curve 측정
- Optical trapping 연구
- 생체분자의 특이거동 연구(2D, 3D)

- 생체분자의 유체내 특성 분석
- 생체분자 조작 ; 물리적 분석과 생물학적 결과의 비교
- Likely charge attraction 현상;
substrate-DNA, DNA - DNA
2


2
0
0
7
photonic force nano-probe 개발 및 생체분자의 안정화 기술 연구
- Light amplification 연구
- 분자 trapping용 및 분석용 photonic force nano-probe 제작:
- ~50 pN 급 나노프로브 개발
- Spatially separated probe를 이용한 trapping 및 측정
- 생체분자 광화학적 분석 안정화 단계

- Negative index material 연구
- Nano-mirror 활용 연구
- 광투과율 >10-2, 직경 : ~100 nm,
~50 pN급 force level
- nano-sphere를 이용한 trapping 구현
- Optical nano-probe 최적화 (simulation)
생체분자의 물리적,
광화학적 분석 및 초정밀 manipulation 구현
- NSOM imaging 및 trapping 결합 연구
- DNA manipulation 구현
- 생체분자에 대한 ~50 pN 급 force-extension curve 측정
- DNA binding force 측정 연구

- DNA unzipping
- Covalent linkage의 force 측정
- 생체분자 동역학적 특성 분석





 
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