지능형 금 나노 입자와 지능형 금 나노 입자 복합체의 생의학적 응용 : Smart gold nanoparticles and their conjugates for biomedical applications

남주택 포항공과대학교 일반대학원 2012 국내박사

본 논문은 지능형 금 나노 입자 및 지능형 금 나노 입자와 항암 약물 복합체의 생의학적 응용에 관한 연구에 대해 기술한다. 일련의 화학 반응을 통해 폐하 민감성 표면 분자를 합성하고, 이를 10 nm 정도의 지름을 가지며 citrate 분자로 안정화되어 있는 금 나노 입자의 표면에 도입함으로써 지능형 금 나노 입자를 합성하였다. 지능형 금 나노 입자는 약산성 조건에서 표면 분자의 가수분해가 일어나 음전하에서 양전하로 표면 전하를 바꿀 수 있고, 이 과정에서 정전기적 인력을 통해 인접한 입자와 응집체를 형성할 수 있다. 지능형 금 나노 입자는 작은 크기로 인해 암 세포에 효율적으로 내입될 수 있고 산성 조건에 감응하는 표면 분자의 특성에 의해 엔도좀과 같은 세포 내 약산성 조건을 가지는 부분에서 응집체를 이룰 수 있다. 입자가 세포 내부에서 응집체를 형성하면 크기 효과로 인해 외부로의 배출이 억제되고 이에 따라 세포 내에 효율적으로 축적되는 것을 암시야 현미경을 통해서 실시간으로 확인하였다. 금 나노 입자 응집체들은 공간적으로 가까이 위치한 입자들간의 표면 플라즈몬 상호 작용에 의해 원적외선이나 근적외선 영역의 장파장 빛을 효과적으로 흡수할 수 있으므로 조직 투과 능력이 좋은 장파장의 광원을 이용한 암 세포 선택적인 항암 광열 치료에 사용할 수 있다. 지능형 금 나노 입자가 세포 내에서 응집체를 형성한 후 외부에서 장파장 광원을 조사하여 광열 치료를 수행하였을 때 비교적 낮은 광량에서도 효율적인 암세포의 사멸을 유도할 수 있음을 확인하였다. 또한 지능형 금 나노 입자의 표면 분자 말단에 항암 약물인 doxorubicin 을 공유 결합으로 도입함으로써 지능형 금 나노 입자와 항암 약물의 복합체를 형성하였다. 합성한 복합체는 약산성 조건에서 표면 분자의 가수분해가 일어남에 따라 doxorubicin 을 방출하며 동시에 금 나노 입자의 응집체를 형성한다. 이때 doxorubicin 은 암세포의 DNA 에 결합하여 세포 사멸을 유도할 수 있고 금 나노 입자 응집체는 외부에서 장파장 광원을 조사하여 열을 발생시키는 광열 치료에 사용할 수 있으므로 두 항암 요법을 병행하여 항암 치료 효율을 높일 수 있다. 지능형 금 나노 입자와 항암 약물의 복합체는 지능형 금 나노 입자와 비슷한 작은 크기를 가지므로 세포에 효율적으로 내입된다. 이후 세포 내 약산성 조건을 가지는 부분에서 doxorubicin 을 방출함과 동시에 금 나노 입자 응집체를 형성하며, 이들이 모두 세포 핵에 내입되어 공간적으로 가까이 위치하는 것을 확인하였다. 여기에 장파장의 광원을 조사하여 항암 치료를 수행하였을 때 항암 약물이 금 나노 입자 응집체 주위에 시간적, 공간적으로 중첩되어 방출됨에 따라 화학 요법과 광열 요법 간의 시너지 효과가 극대화되어 각각을 따로 처리한 경우에 비해 거의 10 배에 달할 정도로 세포 사멸 효율이 크게 증대되는 것을 관찰하였다. 소동물 모델을 사용하여 지능형 금 나노 입자 및 지능형 금 나노 입자와 항암 약물 복합체의 생체 내 항암 치료 효율에 대해서 연구하였다. 이들은 암 세포의 경우와 비슷하게 암 조직의 산성 조건에 감응하여 응집체를 형성할 수 있고 이때 크기가 커짐에 따라 외부로의 배출이 억제되어 암 조직 내에 효율적으로 축적될 수 있다. 이 때 암 조직에 축적된 금 나노 입자 응집체의 광열 효과를 이용하여 장파장의 광원을 사용한 항암 치료를 수행하였을 때 기타 다른 장기에는 손상을 유발하지 않으면서 암 조직의 성장만 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다. 특히 지능형 금 나노 입자와 항암 약물 복합체는 화학 요법과 광열 요법간의 시너지 효과에 의해 항암 치료 효율을 높일 수 있고, 이에 따라 지능형 금 나노 입자만 단독으로 사용한 경우에 비해 더 뛰어난 암 성장 억제 효과를 보이는 것을 관찰하였다. 따라서 지능형 금 나노 입자 복합체를 이용한 병용 항암 요법을 새로운 고효율 항암 치료 방법으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다. This thesis describes the synthesis, characterization, and biomedical applications of smart gold nanoparticles and their anti-cancer drug conjugates. Smart gold nanoparticles are made by facile ligand exchange of citrate gold nanoparticles with novel pH-sensitive surface molecules that are synthesized using a series of chemical reactions. They are designed to convert surface charges from negative to positive under mild acidic environment by their hydrolysis-susceptible citraconic amide surfaces. The charge conversion induces rapid formation of mixed charged particle surfaces, which results in the formation and growth of smart gold nanoparticle aggregates. Smart gold nanoparticles can be efficiently internalized into cancer cells with the relatively small size of 10 nm. They can respond to mild acidic environments in the endosomal area of cancer cells, rapidly forming aggregates inside cells. The aggregates efficiently accumulate as the exocytosis is blocked by the increased size. Endocytosis of gold nanoparticles and their aggregation are monitored in real-time by dark field optical microscopy. The pH-induced formation of aggregates shifts the absorption to far-red and near infrared as coupled surface plasmon modes appear between closely located particles. This absorption shift to longer wavelength is used for selective photothermal cancer therapy which guarantees maximal tissue penetration for potential therapeutic applications. Smart gold nanoparticles show selective and efficient destruction of cancer cells by the turn-on mechanism of photo-activity with relatively low intensity threshold to induce the thermal destruction. Smart gold nanoparticle–doxorubicin conjugates are synthesized by covalently linking doxorubicin molecules at the terminals of the smart gold nanoparticle surface ligands via carbodiimide coupling chemistry. They are designed to release loaded doxorubicins and simultaneously form gold nanoparticle aggregates upon exposure to mild acidic conditions by their hydrolysis-susceptible citraconic amide surfaces. Released doxorubicin acts as chemotherapeutic agents while gold nanoparticle aggregate serves as a photothermal therapeutic agent. Similar to smart gold nanoparticles, the conjugates accumulate in cancer cells because of relatively small size of 10 nm that ensures rapid phagocytic action of cancer cells and also because of effective blockage of exocytosis by the increased size of the aggregates. Spatio-temporal concertion between the thermo and chemo agents is directed at the cellular and sub-cellular level in cellular nuclei regions, which results in a high synergistic effect with their cytotoxicity enhanced by nearly an order of magnitude. Smart gold nanoparticles and smart gold nanoparticle–doxorubicin conjugates are further exploited for in vivo cancer therapy using small animal model. They can respond to the mild acidic condition in tumor extracellular environment, resulting in the formation of aggregates inside of tumors. The aggregates efficiently accumulate in tumors because of their enhanced retention, in which they generate heat upon irradiation with external light. By exploiting large tumor accumulation and high photothermal conversion efficiency, significant tumor growth suppression is demonstrated without any noticeable damage to other organs. In particular, smart gold nanoparticle–doxorubicin conjugates show higher therapeutic efficacies compared with smart gold nanoparticles alone because of the synergistic effect between two therapeutic actions of chemo and thermo agents. This spatio-temporally concerting conjugate permits a new approach to combination therapy.

Gold Nanoparticles-DNA Probe-based Detection System for Early Diagnosis of African Swine Fever Virus (ASFV)

Ji-Yeon Park 강원대학교 대학원 2023 국내석사

아프리카돼지열병 바이러스는 감염되면 치사율이 100%에 가까운 것으로 알려진 DNA 바이러스 전염병이다. ASFV는 사람에게는 전염이 이루어지지 않는 것으로 알려져 있지만, 돼지 간의 바이러스 확산력이 강하고 개발된 백신이 없다. 따라서 아프리카돼지열병 조기 검출하여 질질병을 예방하고, 늦추고, 확산을 막는 것이 중요하다고 여겨진다. 금나노입자는 가시광선 영역에서 특정 파장을 흡수하여 특정 흡광을 띠는 특징이 있다고 알려져 있다. 금나노입자의 응집이나 모양으로 흡수 파장이 변하면 금나노입자 용액의 비색도 변한다. 기존 아프리카돼지열병의 현장 진단 방법은 고가의 장비가 필요하고 비용과 시간의 제약이 있다. 본 연구에서는 아프리카돼지열병 바이러스를 편리하고 효율적으로 검출하기 위해 금나노입자-DNA Probe 결합체의 적용을 제안하였다. 먼저 금나노입자와 DNA Probe를 결합시키기 위해 DNA Probe의 5’을 poly A로 구성하여 합성한다. 이후, poly A가 금나노입자 표면을 감싸 결합되어 금나노입자-DNA Probe binding이 이루어진다. 준비된 금나노입자-DNA Probe는 ASFV와 반응하여 검출된다. 금나노입자는 DLS, Microplate Reader, TEM 등으로 특성화 되었고, 금나노입자-DNA Probe에 의해 검출된 ASFV는 파장 및 비색이 변한 것을 확인 할 수 있었다. 빠르고 효율적이며 편리한 반응을 제공하는 금나노입자를 이용한 ASFV 검출 플랫폼은 현장에서 기기 없이 신속하게 진단 가능하며 이 기술을 이용하여 질병의 조기진단 분야에 적용할 수 있다. African swine fever virus is a DNA virus infectious disease known to have a mortality rate close to 100% when infected. ASFV is known not to be contagious to humans, but the ability of the virus to spread between pigs is strong and there is no vaccine developed. Therefore, early detection of African swine fever is considered important to prevent, delay, and prevent the spread of the disease. It is known that gold nanoparticles have a characteristic of absorbing specific wavelengths in the visible ray region and exhibiting specific light absorption. When the absorption wavelength changes due to the aggregation or shape of the gold nanoparticles, the colorimetric color of the gold nanoparticle solution also changes. Existing on-site diagnosis methods for African swine fever require expensive equipment and are limited in cost and time. In this study, the application of gold nanoparticle-DNA probe conjugate was proposed to conveniently and efficiently detect African swine fever virus. First, in order to combine the gold nanoparticles and the DNA probe, 5' of the DNA probe is composed of poly A and synthesized. After that, poly A wraps around the surface of the gold nanoparticle and binds to it, and gold nanoparticle-DNA probe binding is achieved. The prepared gold nanoparticle-DNA probe is detected by reacting with ASFV. Gold nanoparticles were characterized by DLS, Microplate Reader, TEM, etc., and ASFV detected by gold nanoparticle-DNA Probe was confirmed to have changed wavelength and colorimetry. The ASFV detection platform using gold nanoparticles, which provides fast, efficient, and convenient reactions, can be quickly diagnosed on-site without equipment, and can be applied to the field of early diagnosis of diseases using this technology.

Synthesis of gold nanoparticle With intra-nanogap for Raman-based live cell imaging and drug-protein interaction study

이영주 KU-KIST Graduate School of Converging Science and 2018 국내석사

Since the development of the Raman Spectroscopy, the biological application based on the Raman signal had been regarded as one of the useful tools in the sensing research field. Because Raman signals for different single molecules are measured differently, they are an excellent technique for locating other regions or substances that cause different signals. However, there is also a weakness in that the intensity of the measured Raman signal is weak. In order to overcome this problem, many researches have been carried out, in which exogenous small molecule Raman tags with strong signals were introduced and plasmonic nanoparticles were used to amplify the Raman signal. In particular, the control of plasmonic nanoparticles for the amplification of Raman signals is essential because solving the problem through the Raman tags based on strong signals is not a solution. The plasmonic properties of metallic nanoparticles (such as gold and silver nanoparticles) are modifiable by controlling their size, shape, surface morphology and assembled structure. Through the change of characteristics, plasmonic nanoparticles enable the control of light at the subwavelength scale using surface plasmons, which involves the collective coherent oscillation of conduction electrons at the interface of a metal and dielectric material. Surface-enhanced Raman scattering (SERS), which involves the enhancement of Raman scattering from molecules or in close proximity to a nanostructured metal surface has accumulated much attention owing to its potential applications in sensing, monitoring, and bioimaging. In SERS, it is well understood that the plasmonic coupling effect at the nanometer gap junction between particles induces electromagnetic enhancement that allows SERS signal to be detected with single-molecule sensitivity. As a general plasmonic nanoparticle, there are particles such as Au and Ag nanoparticles. If a gold nanoparticle (AuNP) is made to form an intrananogap through a core / shell structure, Raman signal amplification effect could be obtained. Combining the gold nanoparticles representing the amplified Raman signal with the substance showing the intracellular target effect can overcome the disadvantages of Raman spectroscopy and can be applied as various biological and biomedical methods.

Detection of thymine dimer formation by using a rapid colorimetric method

김지환 高麗大學校 大學院 2016 국내석사

DNA can be damaged by Ultra Violet (UV) radiation inducing thymine dimer. In this study, colorimetric test using minus charged gold nanoparticle (AuNP) was used to detect damaged DNA by UV. ssDNA can be adsorbed onto gold nanoparticle by electrostatic interaction between base of ssDNA and gold nanoparticle. dsDNA, meanwhile, cannot bind to gold nanoparticle because it is inflexible structure than ssDNA. Adsorbed ssDNA makes gold nanoparticle stable and protect it even if salt is added. In the presence of dsDNA, salt can induce aggregation of gold nanoparticle whose color can be changed from red to purple. However, UV-induced damaged dsDNA can adsorbed onto gold nanoparticle because complementary region of thymine dimer can be exposed and bind to gold nanoparticle. Even though salt is added into the solution, gold nanoparticle cannot be aggregated. Based on this principle, UV-induced damaged dsDNA could be detected by using UV-Vis spectrophotometer as well as naked eyes rapidly and simply.

효모균(Saccharomyces cerevisiae 및 Zygosaccharomyces rouxii)을 이용한 gold nanoparticles 생합성 최적조건 확립

정성훈 전북대학교 일반대학원 2011 국내석사

The recent nano technology is expected to bring a tremendous ripple effect in various areas including electronics, telecommunication, material, energy, environment, medicine, life engineering, food industry. Such nano technology has not yet been verified for its harmfulness so that it is difficult to apply to food industry, but there are great expectations for future researches. For the method to produce nanoparticles which exhibit unique chemical, optical, and magnetic properties, recently there are active researches in attempt to synthesize nanoparticles in environment-friendly biological method using microbes and plants and not the physico-chemical method. In this experiment, the S. cerevisiae, Z. rouxii yeast which can be used in food fermentation industry and the culture supernatant were used for reaction of biosynthesis of intracellular and extracellular gold nanoparticles respectively, and as the result, gold nanoparticles were synthesized from culture supernatant which is discarded after culture of yeast. This is thought to be producing gold nanoparticles by reducing the Au3+ in the gold ions solution state through some unknown reductase which exists in the metabolites produced during yeast growth and the medium constituents left after being consumed as the nutritional source for the fungal culture. Therefore, through the experimental planning method of 4-factor design, the major factor and cross factors for biosynthesis of gold nanoparticles were analyzed, and 4*4 Graeco-Latin was used to analyze the composition constituents and major factors for the medium which produce the maximum amount of fungus and maximum gold nanoparticles. Also, for quantitative analysis and synthesis presence of gold nanoparticles, UV–visible spectrophotometer was used. The constituents of the produced chemicals were confirmed with XRD and the size and shape with TEM. Lastly, to apply to food industry, agar diffusion tests were executed to examine the antibiotic activity for microbial pathogenic bacteria. As the result of reacting gold ions solution (HAuCl4) to S. cerevisiae, Z. rouxii biomass suspension each of different concentration, no color change or wavelength change of UV–visible spectrum occurred. In contrary, the control group of heat-processed YM broth medium and experiment group of S. cerevisae, Z. rouxii culture supernatant were reacted and all of these changed color from light yellow to purple, and the result of UV–visible spectrum measurement showed the increase of peak value near 540nm which is the surface plasmon resonance band of gold nanoparticles. As the result of reacting gold ions solution (HAuCl4) with each constituent contained in the control group of YM broth medium, only the reactive solutions of yeast extract, peptone saw the increase of peak value near 540nm of UV–visible spectrum. As the result of measuring XRD, 2θ=38, 44, 64, 77 showed four clear peaks. All of these four peaks matched the gold standard diffraction pattern of cubic structure (JCPDS No.04-0784). As the result of statistical analysis of the UV-visible spectrum reaction area of gold nanoparticles synthesized by 16 specimens with different medium composition using 4-factor design. It was found that the greater the content of yeast extract and peptone, reaction area was greatly decreased, and on the contrary, dextrose was found to be increased to an extent. On the contrary, the result of statistical analysis of initial pH showed that the greater the content of yeast extract and peptone, initial pH was greatly increased, and on the contrary, dextrose was decreased a little bit. In the medium composition where early-reaction pH was about 4.1, the UV-visible spectrum reaction area of gold nanoparticles was found to be the highest, and the initial pH correction using HCl and heat processing of medium resulted in dramatic reduction in reaction area. As the result of measuring dried fungi amount after culturing S. cerevisiae, Z. rouxii in 16 specimens with different medium composition using 4*4 Graeco-Latin, most was found to have greater 4 medium constituents for higher content, and especially depended greatly upon the content of dextrose. Also, the comparison of reaction area of gold nanoparticles synthesized by culture supernatant and dried fungi amount of S. cerevisiae, Z. rouxii was not symmetrical. The gold nanoparticles synthesized by culture supernatant had early-reaction pH of 3.8~3.9, and the reaction area was greater for greater amount of yeast extract contained. The culture supernatant of S. cerevisiae cultured in optimized medium composition had about 210% or greater increase when compared to the UV-visible spectrum reaction area of the gold nanoparticles synthesized by the supernatant cultured in basic medium composition, and the dried fungi amount was increased by about 125%. Similarly, the culture supernatant of Z. rouxii of optimized medium composition also had about 230% or greater increase in reaction area, and the fungi amount was increased by about 117%. The gold nanoparticles synthesized by supernatant each cultured in the heat-processed YM medium, the basic composition YM medium and optimal composition YM medium each for two cultures of S. cerevisiae, Z. rouxii were XRD-analyzed, and the result showed that all of these showed 4 clear peaks near 2θ=37.95, 44.10, 64.30, 77.30. XRD analysis was executed to find FWHM(full width at half max) which was used to calculate the particle size using Scherrer formula, and the result showed that it was in the order of basic medium Z. rouxii (12.78 nm) > basic medium S. cerevisiae (11.87 nm) > optimal medium Z. rouxii (9.23 nm) > heat processed YM medium (7.22 nm) > optimized medium S. cerevisiae (5.54 nm). In order to find out the direct size and shape, TEM analysis was executed, and as the result, the usage of optimal composition YM medium's S. cerevisiae, Z. rouxii culture supernatant led to visible increase of fine particles under 10mm when compared to the basic composition YM medium for both cases. When synthesized in the S. cerevisiae culture supernatant, most were in spherical shape, and sometimes triangular gold nanoparticles could be observed and the shape difference according to medium composition did not appear very much. When synthesized in the Z. rouxii culture supernatant, most were in spherical shape, but unlike when synthesize by S. cerevisiae culture supernatant, hexagon gold nanoparticles instead of triangular shape could be observed, and the difference according to medium composition ddis not appear very much. In order to find out the antibacterial effects, agar diffusion test was executed, and as the result, the usage of optimal composition YM medium's S. cerevisiae, Z. rouxii culture supernatant led to higher antibacterial effect about B. cereus, S. aureus, S. typhimurium when compared to the basic composition YM medium for both cases. 최근 나노 기술은 전자, 통신, 재료(소재), 에너지, 환경, 의학, 생명공학, 식품 산업 등 여러 분야에서 엄청난 파급 효과를 가져다 줄 것으로 예상 된다. 이러한 나노 기술은 아직 유해성에 대한 검증이 제대로 이루어지지 않아 식품 산업에는 적용의 어려움이 있지만 앞으로의 연구가 기대되고 있다. 독특한 물리 화학적, 광학적, 자기적 성질 등을 나타내는 나노 입자를 만드는 방법으로 최근에는 물리 화학적 방법이 아닌 미생물 및 식물을 이용한 친환경적인 생물학적 방법으로 nanoparticles를 합성하려는 연구가 활발하다. Nanoparticles 합성은 미생물을 이용한 경우 intracellular synthesis 또는 extracellular synthesis로 진행되며 extracellular nanoparticles 합성의 경우 간단한 공정을 거쳐 nanoparticles를 생산하므로 산업현장에서 보다 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다. 본 실험에서는 식품 발효산업에 이용이 가능한 S. cerevisiae, Z. rouxii 균체와 배양 상등액를 사용하여 각각 intracellular and extra cellular gold nanoparticles 생합성을 반응한 결과 균체 배양 후 폐기되어지는 배양 상등액에서 gold nanoparticles를 합성하였다. 이는 균주 영양원으로 소비되고 남은 배지 성분과 균체 성장 시 생산되는 대사산물에 존재하는 미지의 reductase가 gold ions solution 상태의 Au3+를 환원하여 gold nanoparticles를 생성하는 것으로 판단된다. 따라서 실험계획법인 4원배치법을 통해 배지 성분이 gold nanoparticles 생합성에 미치는 주요 요인 및 교차 요인을 분석하였고 4*4 Graeco-Latin을 이용하여 최대 균체량 및 최대 gold nanoparticles를 생성하는 배지의 조성 성분과 주요 요인을 분석하였다. 또한 gold nanoparticles의 합성유무 및 정량분석을 위해 UV–visible spectrophotometer를 이용하였으며 생성된 화합물의 성분은 XRD로, 크기와 형태는 TEM을 통하여 확인하였다. 마지막으로 식품 산업에 적용을 위해 병원성 미생물 균에 대한 항균활성을 살펴보기 위해 agar diffusion tests를 실시하였다. 1. 농도가 각기 다른 S. cerevisiae, Z. rouxii의 균체 부유액에 gold ions solution (HAuCl4)을 반응 시킨 결과 색깔변화 및 UV–visible spectrum의 파장변화가 일어나지 않았다. 2. 대조군인 열처리된 YM broth 배지와 실험군인 S. cerevisae, Z. rouxii의 배양 상등액에 gold ions solution (HAuCl4)을 반응 시킨 결과 이들 모두 반응액이 연한 노란색에서 보라색으로 변화하였으며 UV–visible spectrum 측정 결과 gold nanoparticles의 surface plasmon resonace band인 540 nm 부근에서 peak값이 증가하는 결과를 나타냈다. 3. 대조군인 YM broth 배지에 포함된 각각의 성분(yeast extract, malt extract, peptone, dextrose)에 gold ions solution (HAuCl4)을 반응 시킨 결과 yeast extract, peptone의 반응액에서만 UV–visible spectrum의 540 nm 부근에서 peak값이 증가하였으며 XRD 측정결과 2θ=38, 44, 64, 77 에서 네 가지의 뚜렷한 peak를 볼 수 있었다. 이들 네 가지 peak 모두 cubic structure (JCPDS No.04-0784)의 gold standard diffraction pattern과 일치 하였다. 4. 4원배치법을 이용하여 배지 조성이 다른 16개의 시료에 의해 합성된 gold nanoparticles의 UV–visible spectrum 반응 면적을 통계 분석한 결과 yeast extract와 peptone의 함량이 높을수록 반응 면적을 크게 감소시키며 반대로 dextrose는 다소 증가 시키는 경향을 나타내었다. 이와 반대로 gold nanoparticles의 반응 초기 pH를 통계 분석한 결과 yeast extract와 peptone의 함량이 높을수록 초기 pH을 크게 증가시켰으며 반대로 dextrose는 다소 감소시켰다. 5. 반응 초기 pH가 약 4.1인 배지 조성에서 gold nanoparticles의 UV–visible spectrum 반응 면적이 제일 높게 나왔으며 배지의 열처리 및 HCl를 이용한 반응 초기 pH 보정시 반응 면적이 급격히 저하되는 결과를 보였다. 6. 4*4 Graeco-Latin을 이용하여 배지 조성이 다른 16개의 시료에 S. cerevisiae, Z. rouxii를 배양 후 건조 균체량을 측정한 결과 대체적으로 4가지의 배지 성분이 함량이 높을수록 증가하는 결과를 보였으며 특히 dextrose의 함량에 크게 의존하였다. 7. 4*4 Graeco-Latin을 이용하여 S. cerevisiae, Z. rouxii의 건조 균체량과 배양 상등액에 의해 합성된 gold nanoparticles 반응 면적을 비교한 결과 비례적이지 않았다. 8. 4*4 Graeco-Latin을 이용하여 S. cerevisiae, Z. rouxii의 배양 상등액에 의해 합성된 gold nanoparticles는 반응 초기 pH가 3.8∼3.9이며 yeast extract가 많이 함유 되어 있을수록 반응면적이 높았다. 9. 최적화된 배지의 조성에서 배양된 S. cerevisiae의 배양 상등액은 기본 배지의 조성에 배양된 상등액에 의해 합성된 gold nanoparticles의 UV–visible spectrum 반응면적과 비교하여 약 210% 이상 증가하였으며 균체량 또한 약 125% 증가하였다. 10. 최적화된 배지의 조성에서 배양된 Z. rouxii의 배양 상등액은 기본 배지의 조성에 배양된 상등액에 의해 합성된 gold nanoparticles의 UV–visible spectrum 반응면적과 비교하여 약 230% 이상 증가하였으며 균체량 또한 약 117% 증가하였다. 11. 열처리된 YM 배지, S. cerevisiae, Z. rouxii 두 균주를 기본 조성 YM 배지와 최적 조성 YM 배지에서 각각 배양된 상등액에 의해 합성된 gold nanoparticles의 XRD분석한 결과 이들 모두 2θ=37.95, 44.10, 64.30, 77.30 부근에서 네 가지의 뚜렷한 peak를 나타내었다. 이들 모두 cubic structure (JCPDS No.04-0784)의 gold standard diffraction pattern과 일치 하였다. 12. 열처리된 YM 배지, S. cerevisiae, Z. rouxii 두 균주를 기본 조성 YM 배지와 최적 조성 YM 배지에 각각 배양된 상등액에서 합성된 gold nanoparticles를 XRD분석하여 반측폭을 구하고 이를 Scherrer formula을 이용하여 입자의 크기를 계산한 결과 기본 배지의 Z. rouxii 배양 상등액(12.78 nm) > 기본 배지의 S. cerevisiae 배양 상등액 (11.87 nm) > 최적 배지의 Z. rouxii 배양 상등액 (9.23 nm) > 열처리한 YM 배지(7.22 nm) > 최적 배지의 S. cerevisiae (5.54 nm) 배양 상등액 순으로 나타 나였다. 13. 열처리된 YM 배지, S. cerevisiae, Z. rouxii 두 균주를 기본 조성 YM 배지와 최적 조성 YM 배지에 각각 배양된 상등액에서 합성된 gold nanoparticles의 직접적인 크기 및 형태를 알기 위해 TEM 분석한 결과 최적 조성 YM 배지의 S. cerevisiae, Z. rouxii 배양 상등액를 이용한 경우 둘 다 기본 조성의 YM 배지에 비해 10nm미만의 미세한 입자가 눈에 띄게 증가하였으며 전반적으로 입자의 수 또한 증가하였다. 14. TEM 분석한 결과 S. cerevisiae 배양 상등액에서 합성된 경우 대부분 spherical형태였으며 간혹 triangular gold nanoparticles를 관찰할 수 있었으며 배지 조성에 따른 형태 차이는 크게 보이지 않았다. 15. TEM 분석한 결과 Z. rouxii 배양 상등액에서 합성된 경우 대부분 spherical형태였으나 S. cerevisiae 배양 상등액에 의해 합성된 경우와 달리 triangular 형태 대신 hexgon gold nanoparticles를 관찰할 수 있었으며 배지 조성에 따른 형태 차이는 크게 보이지 않았다. 16. 항균활성을 비교한 결과 S. cerevisiae, Z. rouxii 모두 최적 배지에서 배양한 상등액으로 합성된 gold nanoparticles이 B. cereus, S. aureus, S. typhimurium에 대하여 항균활성이 높게 나왔다. 또한 기본 배지에서 S. cerevisiae을 배양한 상등액의 경우 Z. rouxii 보다 B. cereus, S. aureus에 대한 항균활성은 낮았으나 S. typhimurium에서는 높게 나왔으며 최적 배지에서에서 배양한 상등액의 경우에도 Z. rouxii 보다 B. cereus 에 대한 항균활성이 낮게 나왔다.

핵 형성 유도제로서의 금나노입자를 이용한 단백질 결정화 연구

고상아 서울시립대학교 2017 국내석사

Protein crystallization is a necessary, but time-consuming and difficult step in structure determination by crystallography. The rate-limiting step of crystallization is nucleation, where protein monomers in solution cluster in an ordered fashion to form a stable nucleus. Here, we propose the use of gold nanoparticles to accelerate nucleation and enhance crystal formation. We tested whether gold nanoparticles can facilitate nucleation by interacting with target proteins and inducing favorable clustering. We used differently sized gold nanospheres and gold nanostars to crystallize hen egg-white lysozyme and bovine serum albumin (BSA). Our results indicated that gold nanoparticles significantly increased the number of crystallization conditions (by about 20 %). Spherical and larger gold particles were found to be more efficient. Furthermore, the use of gold nanoparticles did not have any adverse effect on data collection or structure determination. Also, we additionally used gold nanorods for crystallizing His6-tagged proteins with various properties to characterize oriented nucleation effect of gold nanoparticles. Our findings indicate that the use of nanoparticles as protein nucleation-inducing reagents can greatly accelerate structure determination by X-ray crystallography. 단백질의 결정화는 X선 회절데이터의 수집을 위해서 반드시 필요한 과정이나 원론적인 이론 외에는 개별적인 단백질의 결정화를 예측할 수 있는 방법은 알려져 있지 않다. 단백질의 결정화에 영향을 주는 요소들로서 침전제, pH, 온도, 압력 등 여러 가지 요소가 연구되어 왔지만 각각의 단백질들의 결정화 조건은 모두 다르기 때문에 결정화 과정은 시행착오를 겪어야 하는 과정으로 남아있다. 이러한 단백질의 결정화에 있어서 가장 중요한 단계인 핵 형성은 용액에 단일체로 존재하던 단백질들이 모여 일정한 크기 이상의 안정적인 핵을 형성하는 과정이다. 따라서, 핵의 형성을 유도하는 것은 단백질 결정화의 성공률을 높일 수 있는 중요한 방법이다. 본 논문에서는 핵 형성 유도제로서 금나노입자를 이용함으로써 핵 형성을 촉진시키는 방법에 대해 연구하였다. 다양한 크기의 구형 및 성형 금나노입자를 이용하여 라이소자임의 결정화를 진행한 결과, 금나노입자가 라이소자임의 결정화 조건의 수를 약 20% 증가시켰다. 이는 알부민에도 동일한 효과를 보이며 금나노입자가 라이소자임 이외의 단백질의 결정화에도 핵 형성 유도 효과를 보임을 확인하였다. 또한, 금나노입자가 구형에 가까울수록, 크기가 커질수록 효과적으로 결정화가 진행되었고, 금나노입자를 사용하는 것이 X선 데이터를 수집하거나 구조를 규명하는 전반적인 과정에서 어떠한 영향도 미치지 않음을 확인하였다. 현재 다양한 모양의 금나노입자가 단백질 결정화에 어떠한 영향을 주는지 확인하기 위하여 기둥 모양의 금나노입자를 추가할 뿐만 아니라 단백질 분자가 핵 형성을 위해 모이는 방향이 결정화에 주는 효과를 확인하기 위하여 단백질의 말단에 히스티딘 태그를 추가하여 결정화 실험을 진행하고 있다. 이를 통해 금나노입자를 이용한 단백질의 핵 형성 유도는 결정화 과정을 촉진시킬 수 있는 방법을 제공하여 X선 결정학의 획기적 발전에 기여할 수 있다.

식품 미생물을 이용한 gold nanoparticles의 생합성 및 특성

임현아 전북대학교 대학원 2010 국내석사

최근 nanoptechnology는 여러 분야에서 중요한 역할을 하며 주목을 받고 있다. 최근 과학자들은 미생물을 이용하여 친환경적인 방법으로 nanoparticles를 합성하려는 시도를 하고 있다. nanoparticles 합성은 미생물을 이용한 intra cellular synthesis 또는 extra cellular synthesis로 진행된다. Extra cellular particles 합성의 경우 간단한 공정을 거쳐 nanoparticles를 생산하며 산업현장에서 좀 더 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다. 본 실험에서는 S. cerevisae, Z. rouxii배양액의 상등액과 A. sojae 의 여과액을 사용하여 gold nanoparticles 생합성을 확인하고자하였다. 시간에 따른 gold nanoparticles의 형성여부는 UV–visible spectrophotometer를 통하여 확인하였으며, 크기와 형태는 TEM을 통하여, nanoparticles의 성분은 X-ray diffraction으로 확인하였다. Gold nanoparticles의 식중독 균에 대한 항균활성을 살펴보기 위해 disk diffusion tests를 실시하였다. 또한 생장 억제된 균체의 표면을 SEM으로 관찰하여 gold nanoparticles의 억제기작을 유추해 보고자 하였다. 1. S. cerevisae, Z. rouxii의 상등액과 A. sojae의 여과액과 gold ions과 함께 shaking incubator에서 반응 시킨 결과 시간의 경과에 따라 Au3+이 환원되어 gold nanoparticles이 형성되면서 반응액이 연한 갈색에서 보라색으로 점차 변하였다. 반면에 1×10-3 M HAuCl4 solution 만을 첨가한 flask에서는 어떤 변화도 관찰 되지 않았다. 2. S. cerevisae, Z. rouxii의 상등액, A. sojae의 여과액과 1×10-3 M HAuCl4 solution을 첨가하여 반응시킨 결과, 시간이 경과함에 따라 Gold nanoparticles의 surface plasmon resonace band인 540 nm 부근에서 peak값이 증가하는 결과를 나타냈다. 3. S. cerevisae, Z. rouxii의 상등액, A. sojae의 여과액에 의해 합성된 gold nanoparticles의 XRD 측정결과 2θ=38, 44. 64 에서 세가지의 뚜렷한 peak를 볼 수 있었다. 세가지 peak 모두 cubic structure(JCPDS No.04-0784)의 gold standard diffraction pattern과 일치 하였다. 4. S. cerevisae, Z. ruxii의 상등액, A. sojae의 여과액을 1×10-3 M HAuCl4과 24시간 동안 반응시킨 결과, Z. ruxii 상등액으로 생합성 한 경우 5-25 nm 크기의 spherical gold nanoaparticles를, S. cerevisae 의 상등액으로 합성한 경우는 20-100 nm 크기의 spherical gold nanoaparticles를 관찰 할 수 있었다. A. sojae의 경우는 앞의 두 균주의 particles의 모양과 달리 40-200 nm 크기의 spherical과 triangular gold nanoparticles를 관찰 할 수 있었다. 5. 초기 pH에 따른 gold nanoparticles의 영향을 살펴본 결과 세 균주 모두 pH 4일 때 540 nm에서의 O.D.값이 큰 것으로 나타났으며, TEM에서는 A. sojae의 경우 particles의 모양과 크기의 변화를 관찰 할 수 있었다. 6. Gold nanoparticles의 항균활성을 살펴본 결과 S. cerevisae, Z. ruxii의 상등액과 A. sojae의 여과액에 의해 합성된 gold nanoparticles는 S. aureus 와 S. typhimurium에서 항균활성이 있었으며, Z. ruxii의 상등액과 A. sojae 여과액에 합성된 gold nanoparticles의 경우 B. cereus 와 E. coli에서도 활성을 보였다. 7. Gold nanoparticles에 의한 식중독균의 손상된 세포 표면을 관찰한 결과 gold nanoparticles를 처리하지 않은 균은 표면이 매끄럽고 형태가 뚜렷하게 유지되며 개체 수가 많지만 gold nanoparticles를 처리한 균은 세포 표면이 거칠어지고 손상을 입은 형태를 보이며 개체수가 적은 것을 관찰 할 수 있었다. The field of nanotechnology plays an increasingly important role in many key technologies of the new millennium. The use of microorganism as possible eco-friendly nanofactories for synthesis of metal nanoparticles such as gold and silver has emerged as a potential alternative to the conventional chemically synthesized nanoparticles. In the present research work, the extra cellular synthesis of gold nanoparticles has been investigated by taking the culture supernatant of industrially using fermented microorganisms such as Saccharomyces cerevisae, Zygosaccharomyces rouxii and Aspergillus sojae. The synthesis process for all the above organisms is comparatively fast as compared to previous biological process involving microorganisms. The supernatant solution has changed from pale yellow to purple pink upon 24 h of incubation of the metal salt (HAuCl4) indicating complete reduction of the salt to Au3+ ions. The synthesized nanoparticles have been characterized by using UV spectrophotometer, TEM and XRD. The UV visible spectra recorded at different time intervals have shown distinct absorvance band at 540nm, which has steadily increased in intensity as a function of reaction time without any remarkable shift in the peak position. Phase of the as prepared nanoparticles investigated by X-ray diffraction technique have shown three distinct peaks for gold nanoparticles for all the organisms at 2Ɵ= 38°, 44° and 64°. All the peaks correspond to standard diffraction pattern of gold. Morphology of the synthesized gold nanoparticles has been observed by TEM images which indicate well dispersed and near spherical shaped particles. The gold nanoparticles synthesized by S. cerevisae and Z. rouxii have a size range of 20-100 nm and 5-25 nm respectively. Whereas for A. sojae, triangular nanoplates have also been observed in between spherical shaped gold nanoparticles. pH is considered as one of the important parameters in synthesizing nanoparticles. In our study we have tried to find the effect on the morphology an size of the synthesized nanoparticles at pH values of 4 and 7. For S. cerevisae and Z. rouxii , almost similar results have been obtained whereas for A. sojae some difference is noticed in the morphology of the nanoparticles. However, from the UV visible spectrum data, it is observed that the synthesis process is better at pH 4 for all the organisms, as more intense and higher absorbance band has been recorded at 540 nm at different time intervals. An attempt has also been made to find the antimicrobial activity of the synthesized nanoparticles against some of the pathogenic bacteria such as Bacillus cereus, Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Salmonella typhimurium. The antimicrobial activity has been studied by Kirby and Bauer disc diffusion method. S. cerevisae and Z. rouxii have shown highest antimicrobial activity against S. aureus and S. typhimurium respectively. Whereas A. sojae has shown highest antimicrobial activity S. typhimurium and E. coli. gold nanoparticles synthesized by A. sojae have shown better antimicrobial activity as compared to gold nanoparticles of S. cerevisiae and Z. ruxii.

Gold Nanoparticle and PCR-Based Colorimetric Assay for the Detection of Campylobacter spp. in Chicken Carcass and Feces

홍승환 건국대학교 대학원 2021 국내석사

In this study, I suggest a general strategy of applying gold nanoparticles in colorimetric biosensors to detect Campylobacter spp. in chicken carcass and feces. Polymerase chain reaction (PCR) was utilized to amplify the target gene, and the thiolated PCR products were obtained to improve the sensitivity of the colloidal gold nanoparticle biosensor. After the blending of colloid gold nanoparticles (AuNPs) with the PCR products, the thiolated PCR products bound to the surface of AuNPs, resulting in the formation of gold nanoparticle-PCR (GNP-PCR) products. This platform presented a color differentiation of gold nanoparticles and did not require additional time or a pH optimization step for the thiolated PCR products to adhere to the gold nanoparticles. 본 연구에서는 Campylobacter spp.를 검출하기 위해 금 나노 입자를 적용하는 전략을 제시한다. 닭의 사체나 배설물 속에서 대상 유전자를 증폭시키기 위해 중합효소 연쇄반응(PCR)을 활용했고, 콜로이드 금 나노입자 바이오센서의 민감도를 높이기 위해 thiolated PCR 산물을 적용했다. 콜로이드 골드 나노입자(AuNP)와 PCR 산물이 혼합되면 thiolated PCR 산물이 AuNP 표면에 결합하면서 골드 나노입자-PCR(GNP-PCR) 구조를 형성한다. 이 플랫폼은 금 나노입자의 색상을 통한 검출 시스템을 제시하며, 금 나노입자를 고수하기 위해 추가 시간이나 pH 최적화 단계가 필요하지 않는다.

Size controlled Synthesis and Assembly of Gold Nanoparticles and Their Applications

김동흔 경상대학교 대학원 2010 국내석사

The synthesis of shape and size controlled gold nanoparticles was carried out in an aqueous environment via the reduction of HAuCl4 by ascorbic acid with the addition of NaOH in the presence of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). The different method of precursor injection has successfully provided the different shape of octahedral and cubic gold nanoparticles. All the products were composed of monodisperse nanoparticles with a well-defined octahedral and cubic shape. The size of the octahedral gold nanoparticles can be readily controlled by varying the reaction temperature. The average edge lengths of the octahedral gold nanoparticles prepared at 25, 30, 40, and 50 °C were 38.4 ± 1.7, 34.8 ± 1.6, 28.5 ± 1.7, and 23.1 ± 1.8 nm, respectively. The efficient surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) properties of nanoparticles dependent on the minute size of product was observed. The edge lengths of the gold nanocubes were 68 ± 2 nm. The gold nanocubes were assembled on the faces of the gold nanoplates. The gold nanoplates were prepared by reduction of HAuCl4 through photochemical reduction in the presence of cetyltrimethylammonium chloride (CTAC). The gold nanocubes were attached to the gold nanoplate surface with 1,4-benzenedithiol self assembled monolayers as a molecular linker. We have observed that single-crystalline nanocubes are feasibly assembled on the different single-crystalline nanoplates with well-defined geometries. These products can be applied in the field of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). The obtained products were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), UV-Vis spectroscopy, atomic force microscopy (AFM), and X-ray diffraction (XRD).

Design of Diagnostic and Therapeutic Systems using Biomolecule-Nanomaterial Complexes : 생분자-나노물질 복합체를 활용한 진단 및 치료 시스템 개발

조헌호 포항공과대학교 일반대학원 2015 국내박사

특정 질병의 진단 및 치료 시스템을 구축하기 위해 다양한 첨단 기술이 개발되어 왔다. 그 중에서도, 생분자-나노물질 복합체는 우수한 생체적합성, 낮은 면역원성, 조절 가능한 선택성 등의 다양한 장점으로 인해 많은 관심을 받아왔다. 특히, 표적 물질에 선택적으로 결합하는 핵산 및 펩티드인 압타머와, 촉매 활성을 갖는 DNA 기반 효소는 훌륭한 생분자로 여겨진다. 본 연구에서는 진단 및 치료를 위해서 압타머 또는 DNA 기반 효소와 나노물질 간의 복합체를 개발하고 이들의 특성을 규명하였다. 먼저, 전립선암의 치료를 위하여 금나노입자와 압타머 간의 복합체를 합성하였다. 현재, 나노입자 기반의 광열치료가 활발히 행해지고 있지만, 높은 선택성과 효율을 동시에 갖는 광열치료법은 아직 개발되지 않았다. 본 연구에서는 PSMA(+) and PSMA(–) 전립선암 세포를 동시에 표적화 할 수 있는 이중 압타머-금나노 입자 복합체를 처음으로 개발하였다. 합성된 입자는 UV-Vis 스펙트럼 분석, DLS 분석, 표면 전하 측정 및 TEM 이미징 등을 통해 특성이 규명되었다. 그리고 독성 테스트, 세포 내 유입 측정 및 in vitro 광열 치료를 수행하였다. 균일하게 잘 합성된 별 모양의 금나노 입자는 전립선 암에 대해 높은 선택성을 나타내었고 0.3 W/cm2의 세기를 갖는 808 nm의 레이저 하에서도 높은 치료 효율을 보였다. 이는 피부에 허용된 0.329 W/cm2 보다 낮은 값이다. 새롭게 합성된 광열 치료 복합체는 표적 치료를 위한 일반적인 플랫폼이 될 것으로 기대한다. 또한, 유방암의 진단을 위하여 압타머로 수정된 실리카 나노입자를 합성하였다. 다양한 마커의 부재로 인하여 대부분의 유방암 검출 연구는 좁은 범위로 제한되어 있다. 유방암 세포에는 HER2 뿐만 아니라 MUC1이 과발현 된다는 사실을 기반으로 하여, HER2(+)와 MUC1(+) 유방암 세포를 동시에 검출할 수 있는 염료가 첨가된 이중 압타머-실리카 나노입자를 디자인하였다. 새롭게 합성된 입자를 활용하여 TEM, DLS, 표면 전하 측정, UV-Vis와 형광 스펙트럼 측정 등을 수행하였다. 염료가 첨가된 실리카 나노입자는 균일한 사이즈, 음의 표면전하, 그리고 강한 형광 신호를 보여주었다. 개발된 입자를 활용하여 높은 선택성과 민감도를 가지고 HER2(+)와 MUC1(+) 유방암 세포를 검출할 수 있었다. 마지막으로, DNA 가닥 교환 과정 검출을 위한 DNA 기반 효소-금 나노입자 복합체를 개발하였다. 본 연구에는 상동재조합에 핵심 단백질인 TmRecA와 DNA 기반 효소를 활용하였다. 색변화 검출법을 활용하기 위해, 상보적 DNA가 표지된 금나노 입자들을 이용하여 금나노 입자들을 뭉치게 하였다. 뭉친 금나노 입자들은 TmRecA와 DNA 기반 효소가 첨가되자 비가역적으로 분리가 되었고, 용액의 색은 보라색에서 붉은 색으로 변화하였다. 이 과정을 형광검출법으로도 검증하기 위하여 형광이 표지된 DNA와 소광체가 표지된 상보적 DNA를 이용하였다. 형광의 세기 변화를 기반으로 하여 성공적인 DNA 가닥 교환 과정이 검출되었다. 뿐만 아니라 DNA가 고정화된 금전극의 임피던스 변화를 기반으로 하여 DNA 가닥 교환 과정을 검출하였다. 금전극 위에 고정된 상보적 DNA가 TmRecA와 DNA 기반 효소로 인해 비가역적으로 분리되고, 임피던스가 변화하였다. 세가지 과정을 통해 성공적인 DNA 가닥 교환 과정을 검출할 수 있었다. 이와 같은 검출법은 재조합 과정의 관찰, 새로운 DNA 기반 효소의 발견, DNA 기반 효소의 검출, 그리고 다른 단백질의 활성 측정 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 나노입자와 생분자 간의 접목을 통하여 전립선암의 치료법, 유방암의 진단법 및 재조합 과정의 검출법 등을 개발하였다. 본 연구에서 사용된 금나노입자나 실리카 나노입자 뿐만 아니라 다양한 나노물질들이 질병의 진단 및 치료에 응용되고 있다. 이와 같이 생분자-나노입자 복합체는 특정 질병의 진단 및 치료에 있어서 훌륭한 플랫폼로 주목받고 있으며, 앞으로도 지속적인 발전을 통하여 의학계에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. Various cutting-edge technologies have been developed to design and fabricate diagnostic and therapeutic platforms for specific diseases. Of them, biomolecule-nanomaterial hybrids have received considerable attention from scientists and doctors because they have numerous advantages over other methods, such as good biocompatibility, low immunogenicity, and controllable selectivity. In particular, aptamers, oligonucleic acids or peptides that bind to a specific target molecule, and DNAzymes which are DNA molecules with catalytic ability, are regarded as outstanding biomolecules. In this study, diagnostic and therapeutic complexes that use aptamer or DNAzyme and nanomaterials are developed and characterized. A gold nanoparticle-based probe using aptamers was designed for prostate cancer therapy. Currently, although various studies on nanoparticles-based photothermal therapy have been actively performed, epoch-making photothermolysis therapy that exhibits both high selectivity and efficiency has not yet been discovered. For the first time, novel valuable therapeutic complexes, dual aptamer-modified gold nanostars, was developed to target prostate cancers, including prostate-specific membrane antigen (PSMA)(+) and PSMA(–) cells. The synthesized probes were characterized through several techniques, including UV-Vis spectral analysis, DLS analysis, zeta potential measurements, and TEM imaging. They were subsequently subjected to cytotoxicity tests, cell uptake confirmation, and in vitro photothermal therapy. The homogeneously well-fabricated nanostars presented high selectivity to the prostate cancer cells and extremely high efficiency for therapy using an 808 nm laser under an irradiance of 0.3 W/cm2, which is lower than the permitted value of skin (0.329 W/cm2). It is anticipated that this novel photothermal agent will become the general platform for targeted therapy. In addition, aptamer-modified silica nanoparticles were synthesized to diagnose breast cancer. Most of studies on breast cancer-specific detection are restricted within narrow limits because of the deficiency of promising markers. Based on the fact that HER2, as well as MUC1, are over-expressed in breast cancer cell lines, novel diagnostic complexes, dual aptamer-modified silica nanoparticles (dye-doped), were designed to simultaneously target breast cancers including HER2(+) and MUC1(+) cells. The newly synthesized probe was characterized by various methods, such as TEM, DLS, zeta potential measurement, and UV-Vis and fluorescence spectroscopy. Dye-doped silica nanoparticles exhibited homogeneity in size, negative surface charge, and robust fluorescent signal. Furthermore, the developed particles were subjected to a cytotoxicity test, binding test, and selectivity confirmation, resulting in the non-toxic probes being highly sensitive and selective to HER2(+) and MUC1(+) breast cancer cells. Finally, DNAzyme-modified gold nanoparticles were developed for the DNA strand exchange process. Thermostable Thermotoga maritima recombinaseA (TmRecA), a core protein in homologous recombination, and DNAzyme, a catalytic DNA that can cleave to a specific DNA sequence, are introduced in this work. Using a colorimetric method, gold nanoparticles (AuNPs) modified with complementary DNAs were assembled by annealing. Aggregated AuNPs were then separated irreversibly by TmRecA and DNAzyme, which led to a distinct color change in the particles from purple to red. This process was confirmed via other methods. Fluorescein isothiocyanate (FITC)-labeled DNA as a fluorophore and black hole quencher 1 (BHQ1)-labeled DNA as a quencher were used for fluorometric detection. Successful strand exchange was clearly detected by variations in fluorescence intensity. In addition, alterations to the impedance of a gold electrode with immobilized DNA were employed to monitor the regular exchange of DNA strands. All three methods provided sufficient evidence of efficient strand exchange reactions and have great potential for applications in the monitoring of recombination, the discovery of new DNAzymes, the detection of DNAzymes, and measurement of other protein activities.