Mechanical characterization of protein materials at multiple spatial scales

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Proteins are designed to perform mechanical functions for maintain the life of livings, and it can be possible to design the biomaterials through mimicking the protein function. Moreover, the protein causes some fatal disease when the proteins are mis-produced in the phenomenological condition, so it is important to understand the protein’s function, which is related to the structure and property of proteins. Recently the characterization methods help to investigate the structure-property relation of proteins in the multiple length scale form atomic to macro scale, and it can help to understand diverse functions of proteins. In this dissertation, the state-of-art of the characterization methodology for biomaterial is introduced, and the structure-property-function relationship of the protein materials is investigated in multiple hierarchical structures of proteins
such as single bond, protein domain, and protein fibrils. Furthermore, diverse in
silico characterization methodologies are suggested which are proper to each
hierarchy of protein materials. It is believed that the result from mechanics-based
studies about the protein materials in this dissertation can positively inspire
engineers who participate to the interdisciplinary fields.

국문 초록 (Abstract)

단백질은 생체 내에서 여러가지 기능을 담당하도록 설계되었는데, 그 중 기계적인 것과 관련된 기능을 하는 단백질이 몇 가지 있다. 예를 들어 거미줄의 spider silk protein 과, 근육의 muscle protein 은 아주 중요한 기계적 기능을 담당하고 있다. 최근 들어 이 단백질들을 생산하고, 또한 모방하여 인공 생체 재료를 만드는 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 그것의 설계 원리에는 단백질의 구조-물성 관계가 큰 역할을하고 있다.
또한 단백질이 변성됨으로써 질병을 유발하는 경우가 있는데, 그 예로 알츠하이머병, 파킨슨병, 당뇨병 등이 있다. 이 질병들의 공통점은 질병의 원인이 인체 조직내에 아밀로이드라는 단백질이 형성되어 자리 잡아 정상적인 조직을 밀어내기 때문이다. 그리고 최근 연구에 의하면 이 아밀로이드 단백질은 탄성계수가 수십 GPa에 육박하는 견고한 물질임이 밝혀진 바 있다. 이처럼 기계적인 물성은 단백질의 변성과 관련된 질병의 특징을 대표하는 중요한 지표가 될 수 있다. 더 나아가 이 아밀로이드
단백질을 이용하여 새로운 나노 소재로 이용하려는 움직임도 있는데, 이를 위해서는 단백질 재료의 설계 원리, 즉, 구조-물성 관계가 정립되어야 할 필요가 있다.
단백질은 아미노산이라는 단위 분자가 사슬처럼 연결되며, 이 사슬이 3차원의 접힌 구조를 갖는다는 것이 큰 특징이다. 그리고 이 3차원의 접힌 구조가 모여 나노 섬유 형태를 이루고, 이것들이 모여 조직을 형성하는 계층적 구조를 가지고 있다. 기술
의 발전으로 단백질의 계층적 구조가 점점 밝혀지고 있으며 그 결실을 맺고 있는데, 최근 들어서는 가장 하위 계층인 아미노산을 조작하여 상위 계층의 3차원의 접힌 구조를 만들고, 그것을 모아 원하는 물성을 가진 재료를 만드는 Bottom-up 방식의 재
료 설계 방법이 성공적으로 제시되었다. 이러한 흐름으로 볼 때 단백질의 각 계층 구조와 기계적인 물성의 관계를 정립하는 것은 매우 의미 있는 연구라고 할 수 있다.
본 학위 논문의 1장에서는 위에서 설명한 것과 같이 단백질의 기계적 물성 파악이 중요한 이유와, 1990년대부터 현재까지 단백질의 기계적 물성을 파악하는 실험과 시뮬레이션에 관련된 것을 정리했다. 특히, 마지막에 정리된 Coarse-grained method
는 본 논문에서 사용한 해석 기법으로, 계층적 구조를 가지는 단백질의 기계적 특성을 파악하기에 매우 효율적인 시뮬레이션 기법이라고 할 수 있다.
2장에서는 단백질의 가장 하위 계층인 단일 결합의 기계적인 특성을 정리하였다. 특히 단일 결합에 외력이 작용하여 결합이 깨질 때 발생하는 힘이 인장 기구의 강성과 어떤 관련이 있는지를 연구하였다.
3장에서는 단백질의 그 다음 상위 계층인 secondary structure 의 기계적인 특성을 파악했다. 그 중 단백질의 3차원 구조 중 기본이 되는 ┒-helix 구조와 ┑-hairpin 구조, 그리고 이방성의 특징을 지니는 ubiquitin에 대해 연구하였다.
4장에서는 단백질의 그 다음 상위 계층인 fiber 형태를 이루는 단백질의 기계적물성을 파악하였다. 본 연구의 차별성은 fiber 형태의 단백질 전체를 해석하지 않고, 전체 구조를 대변하는 대표 체적 요소를 사용하여 전체 fiber의 기계적 물성을 파악하였다는 것에 있다.
5장에서는 질병과 관련된 단백질에 대한 기계적인 물성을 파악하였다. 또한, 앞에서 소개한 아밀로이드 단백질의 구조-물성 관계를 정립함으로써, 질병을 더 이해하고, 아밀로이드 관련 단백질 소재의 설계 원리를 제안하고자 하였다. 마지막으로 6장
에서는 결론을 지었다.
이 논문은 나노 바이오 분야의 줄기 중 하나인 생체 나노 소재와 관련된 연구이다. 특히, 생체 나노 소재 중 생체 내에서 각종 기능을 담당하는 단백질의 기계적인 물성을 파악함으로써 단백질 재료의 구조-물성 관계를 정립한 것에 본 논문의 의의가
있다. 본 논문이 향후 나노 바이오 분야와 더불어 학제간 융합 연구를 하는 연구자들에게 도움이 되기를 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract .............................................................................................................................. i
• Contents .......................................................................................................................... iii
• List of Figures ................................................................................................................ vi
• List of Tables .................................................................................................................... x
• Chapter 1. Introduction ............................................................................ 1
• 1.1. Backgrounds ....................................................................................................... 1
• 1.1.1. Mechanical Functions of Proteins ............................................................ 1
• 1.1.2. Protein-Based Biomimetic Materials ....................................................... 6
• 1.1.3. Role of Protein Mechanics on Disease Expression .............................. 11
• 1.1.4. Structure-Property-Function Relation .................................................. 15
• 1.2. Mechanical Characterization of Protein Materials .................................... 20
• 1.2.1. Experimental Techniques ....................................................................... 20
• 1.2.1.A. Atomic Force Microscopy (AFM) Experiments .................... 20
• 1.2.1.B. Optical Tweezers Experiments ................................................ 25
• 1.2.1.C. Micro/Nano-Indentation Experiments .................................. 27
• 1.2.2 Computational Techniques ..................................................................... 29
• 1.2.2.A. Molecular Dynamic Simulations ............................................. 29
• 1.2.2.B. Steered Molecular Dynamic Simulation ................................. 34
• 1.2.2.C. Normal Mode Analysis ............................................................ 35
• 1.2.2.D. Coarse-Grained (CG) Modeling and Simulations ................ 37
• 1.3. Structure of Dissertation ................................................................................ 39
• Chapter 2. Characterization of Bond Rupture Mechanics .............. 41
• 2.1. Introduction ...................................................................................................... 41
• 2.2. Theory and Methods ....................................................................................... 45
• 2.2.1. Theory: Kramer’s Theorem .................................................................... 45
• 2.2.1.A. Bell’s Model: Conventional Bond Rupture Model .............. 45
• 2.2.1.B. Bond Rupture Model: Kramers Theory ................................ 46
• 2.2.1.C. Mechanical Rupture of Chemical Bond Described by Linear-
• Cubic Potential Using Kramers Theory ................................ 48
• 2.2.2. Numerical Method: Brownian dynamics ............................................. 51
• 2.3. Results .............................................................................................................. 52
• 2.3.1. Theoretical Predictions on the Role of Loading Device in the Bond
• Rupture Mechanism ......................................................................................... 52
• 2.3.2. Brownian Dynamics Simulations on Bond Ruptures: Loading-
• Device Stiffness vs. Rupture Forces .............................................................. 55
• 2.3.3. Comparison of the theoretical model with others ............................ 58
• 2.4. Summary ........................................................................................................... 60
• Chapter 3. Mechanical Behavior of Secondary Structure of Proteins
• ................................................................................................ 61
• 3.1. Introduction ...................................................................................................... 61
• 3.2. Method: GÞ Model .......................................................................................... 62
• 3.3. Results: Unfolding Mechanics ...................................................................... 63
• 3.3.1. Case Study ┤: ┒-helix and ┑-hairpin .................................................... 63
• 3.3.2. Case Study ┤┤: Ubiquitin ....................................................................... 70
• 3.3.3. Anisotropic Unfolding Mechanics ........................................................ 73
• 3.4. Summary ........................................................................................................... 76
• Chapter 4. Mechanical Properties of Protein Crystals ..................... 77
• 4.1. Introduction ...................................................................................................... 77
• 4.2. Methods ............................................................................................................. 78
• 4.2.1. Micromechanics model .......................................................................... 78
• 4.2.2. Inter-atomic potential ............................................................................. 80
• 4.3. Results ................................................................................................................ 80
• 4.3.1. Elastic Properties of Protein Crystals ................................................... 81
• 4.3.2. Role of Folding Topology in Mechanical Properties of Protein
• Crystals ............................................................................................................... 85
• 4.4. Summary ........................................................................................................... 88
• Chapter 5. Mechanical Characterization of Disease-Related Protein
• Fibers..................................................................................... 89
• 5.1. Introduction ...................................................................................................... 89
• 5.2. Theory and Methods ....................................................................................... 91
• 5.2.1. Continuum Mechanics Model ................................................................ 91
• 5.2.1.A. Euler-Bernoulli Beam Model .................................................. 91
• 5.2.1.B. Timoshenko Beam Model........................................................ 94
• 5.2.2. Coarse-Grained Model ............................................................................ 95
• 5.2.2.A. Structure Model of Protein Fibers ......................................... 95
• 5.2.2.B. Elastic Network Model ............................................................ 96
• 5.3. Results ................................................................................................................ 97
• 5.3.1. Vibration Characteristic of Protein Fibrils ........................................... 97
• 5.3.2. Mechanical Properties of Protein Fibrils .............................................. 99
• 5.3.3. Bending Vs. Torsion ............................................................................ 102
• 5.3.4 Effect of Polymorphism in Mechanical Properties .......................... 104
• 5.3.5. Geometric Effects on Mechanical Properties: Role of Twisted
• Structure ......................................................................................................... 106
• 5.4. Discussion: Limitation of the Model ......................................................... 108
• 5.5. Summary ......................................................................................................... 108
• Chapter 6. Conclusion .......................................................................... 110
• References ............................................................................................. 112