[ Article ]

Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering - Vol. 36, No. 1, pp.5-10

ISSN: 1598-2785 (Print) 2287-5476 (Online)

Print publication date 20 Feb 2026

Received 05 Nov 2025 Revised 03 Jan 2026 Accepted 07 Jan 2026

DOI: https://doi.org/10.5050/KSNVE.2026.36.1.005

방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재 물성 분석: 분자동역학 전산해석 기법

박우범^* ; 나성수^†

Aromatic Amino Acid-based Property Analysis of Silk Nano Materials: a Molecular Dynamics Computational Analysis Method

Wooboum Park^* ; Sungsoo Na^†

*Member, Department of Mechanical Engineering, Korea University, Student

Correspondence to: ^†Member, Department of Mechanical Engineering, Korea University, Professor E-mail : nass@korea.ac.kr^‡Recommended by Editor Sang Wook Kang

Abstract

In this study, we systematically investigated the structural and mechanical properties of silk β-sheet models through the targeted substitution of aromatic amino acids phenylalanine, tyrosine, and tryptophan. We performed molecular dynamics simulations on uniformly scaled β-sheet models containing 120 amino acids, allowing for consistent comparative analyses. Secondary structure and hydrogen bonding analyses revealed that the phenylalanine-substituted model exhibited the most stable β-sheet formation and the highest hydrogen-bond density. Although the tryptophan-substituted model revealed increased structural irregularity, strong hydrophobic interactions enhanced interchain attraction, resulting in improved hydrogen bonding and mechanical performance. In contrast, the tyrosine-substituted model displayed the lowest hydrogen-bond density and mechanical properties. Correspondingly, Young’s modulus followed the order of phenylalanine > tryptophan > tyrosine. These results demonstrate that amino acid sequence engineering serves as an effective strategy for tuning the mechanical performance of silk-based materials and expanding the functional design space of silk-derived nanomaterials.

Keywords:

Silk-peptide, Aromatic Amino Acids, Molecular Dynamics, Elastic-network Model

키워드:

실크 펩타이드, 방향족 아미노산, 분자동역학, 탄성 네트워크 모델

1. 서 론

실크 기반 나노 소재는 천연 아미노산 서열로 이루어진 생체 재료이다. 실크 기반 소재는 천연 아미노산의 서열 조합과 길이를 조절하여 목적에 맞는 생체 적합성, 생분해성 및 우수한 기계적 물성을 달성할 수 있기 때문에 웨어러블 디바이스, 소형 전자장치 및 바이오센서 분야 등에서 널리 사용된다^(1~3). 특히 합성 생물학을 기반으로 엔지니어링된 아미노산 기반의 실크 소재를 통해 실크 기반 나노 소재의 적용 범위를 확대할 수 있다^(4,5). 예를 들어, 티로신(tyrosine) 기반 실크 소재에 대해서 라이신(lycine) 아미노산을 엔지니어링하여 구조적 안정성 및 광 화학적 반응 효율성을 모두 향상시키는 감광 소재가 사용되었다⁽⁵⁾. 그럼에도 불구하고 아미노산 서열에 대한 엔지니어링된 실크 기반 나노 소재에 대한 기초적 연구 데이터는 많은 도전을 가지고 있다^(6,7). 일반적으로 방향족 아미노산인 티로신(tyrosine), 페닐알라닌(phenylalanine) 및 트립토판(tryptophan)은 각각 UV 광 흡수를 담당하는 벤젠(benzene), 페놀(phenol) 및 인돌(indole)을 측쇄(side chain)로 가지고 있기 때문에 감광 소재에 대한 서열 설계에 필수적이다. 페닐알라닌 아미노산의 소수성 측쇄는 측쇄간의 소수성 및 π-π 상호작용으로 인해 실크 나노 소재의 결정화를 향상시킬 것으로 판단되고, 트립토판 아미노산의 측쇄는 소수성이 우수하고 물 분자와의 상호작용이 좋기 때문에 감광 공정상에서 현상액과의 반응 우수하여 정밀한 패턴을 기대할 수 있다⁽⁷⁾. 이러한 점에서 방향족 아미노산 엔지니어링을 통한 실크 나노 소재의 변형은 기존의 실크 나노 소재가 가지는 장점을 더욱 향상시킬 것으로 기대된다.

이 연구에서는 방향족 아미노산(페닐알라닌, 트립토판, 티로신) 엔지니어링 기반 실크 나노 소재를 제시하고, 분자동역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션 기법을 통해 구조적 형태 및 기계적 물성을 정량적으로 분석하였다. 분자동역학 해석을 통해 방향족 아미노산에 따른 실크 기반 나노 소재의 구조적 형태를 조사하고, coarse-grain 분자동역학(CGMD) 기반 탄성네트워크 모델과 일반 모드 해석 기법을 이용해서 진동학적 모드에 기반한 기계적 물성을 도출하였다. 이 연구는 방향족 아미노산 서열 엔지니어링을 통해 실크 기반 나노 소재의 설계 가능성을 제시하고, 방향족 아미노산에 따른 구조적 및 기계적 물성을 가진 실크 기반 소재에 대한 기초 연구를 통해 실크 기반 나노 소재의 분야 적용성을 확대하는 방향을 제시한다.

2. 재료 및 방법

2.1 방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재

실크 기반 나노 소재의 결정질(crystalline)은 베타 시트(beta-sheet)및 턴(turn)과 코일(coil)형태의 2차 구조로 이루어져 있으며, 실크의 구조 및 물성에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다⁽⁷⁾. 따라서 베타 시트의 비율에 따라 기계적 물성이 달라지는 것으로 보고된다⁽⁸⁾. 그리고 베타 시트를 구성하는 실크 가닥(strand)은 서로 역 평형(anti-parallel)로 구성되며 크기는 21 nm × 6 nm × 2 nm인 것으로 보고된다^(9,10). 이 연구에서는 베타 시트 결정질을 기존 연구를 기반으로 모델링을 진행하였고, 실크 아미노산 서열(GAGAGSGAGAGFGAGAGSGAGAGFGAGAGSGAGAGFGAGAGSGAGAGFGAGAGSGAGAGFGAGAGGAGAGS)에서 티로신(Y), 페닐알라닌(F)과 트립토판(W) 아미노산 엔지니어링을 통해 각각 방향족 아미노산 기반 나노 소재를 모델링 하였다.

2.2 분자 동역학 시뮬레이션

모든 분자동역학 시뮬레이션은 Amber-99SB-ildn forcefield와 함께 GROMACS 2023.4을 사용하여 수행되었으며⁽¹¹⁾, xyz 방향의 주기적 경계 조건(PBC)은 0.002 ps의 시간 간격으로, 분자 동역학 해석 시간은 200 ns로 설정하였다. 열적 커플링(thermal coupling)의 온도 및 시간은 300 K 및 0.1 ps로 설정하였다. 압력 조건은 Parrinello-Rahman barostat으로 설정하였으며, 기준 압력은 1 bar 및 시간 상수는 2 ps로 설정하였다⁽¹²⁾.

2.3 탄성 네트워크 모델 및 고유 모드 해석

실크의 기계적 물성을 평가하기 위해 ENM(elastic network model)을 적용하였다. ENM 이론은 원자가 가지고 있는 위치에너지에 기반하여, 원자간의 위치 에너지가 매우 안정하다고 가정하였다. 이 때의 ENM의 위치 에너지는 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

V = r 2 ∑ i = 1 N - 1 ∑ j = i + 1 N (Δ R j - Δ R i) 2 ⋅ h (r c - R i j)

(1)

여기서, N은 C_a원자의 총 개수, h는 헤비사이드(heavyside) 함수를 나타내며 ΔR_i 및 ΔR_j 각각 위치 R_i 및 R_j에서 $i t h$ 번째 및 $j t h$ 번째 측쇄의 변위이다. 기호 r_c는 원자 간 결합 여부를 판단하는 차단 거리(cut-off distance)로, 1.4 nm의 값일 때, 힘 상수 γ는 7.113 kJ/mol이다⁽¹³⁾. 공유결합은 실크 단백질 서열 상 i번째 원자에 대해 $i - 1 t h$ 와 $i + 1 t h$ 원자 사이에 적용하였다.

ENM 모델에 대하여 연속체 역학에서 오일러-베르누이 빔 모델(Euler-Bernoulli beam model)에 의해서 굽힘, 비틀림 및 축강성에 대한 운동방정식을 정리하면, 연속체 탄성 구조의 인장 및 비틀림 탄성 계수는 고유진동수를 사용하여 식 (2) ~ 식 (4)처럼 표현할 수 있다⁽¹⁴⁾.

E B = ρ A β n 4 ω B 2

(2)

G A = ρ L 2 π 2 ω A 2

(3)

Y T = ρ L 2 π 2 ω T 2

(4)

여기서, E_B, G_B, 그리고 Y_T는 각각 실크 단백질에 대한 굽힘 강성, 비틀림 전단 계수 및 축 탄성 계수이고, ω_B, ω_A 그리고 ω_T는 각각 굽힘, 비틀림, 축 탄성 변형에 대한 해당 고유 진동수이다. 기호 ρ는 구조의 질량 밀도를 나타내고, L은 특성 길이이며, A는 단면적, β_n은 모드 형상에 대한 종속 상수이다. 굽힘, 비틀림 및 축강성 모드에 해당하는 고유진동수와 각각의 굽힘, 비틀림 및 축 강성 계수와 같은 기계적 특성은 변형 모드에 대한 고유진동수와 관련하여 식 (2) ~ 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 이 연구에서는 ENM-NMA로부터 도출된 저차 고유진동 모드를 연속체 빔 거동으로 해석하기 위해, 실크 단백질 구조를 한쪽 끝이 고정되고 다른 쪽 끝이 자유로운 캔틸레버(clamped-free) 오일러-베르누이 빔으로 이상화하였다. 해당 경계조건은 단백질 집합 구조 또는 기판에 의해 한쪽이 구속되고 반대쪽이 자유롭게 변형되는 실제 실크 섬유 및 나노구조의 물리적 구속 상태를 합리적으로 반영하며, 굽힘 모드 기반 영률 산출에 널리 사용된다. 특히 굽힘 모드에 대해서는 실크의 방향인 X축을 제외한 Y축 및 Z축에서의 굽힘을 고려하여 각각의 단면 계수를 고려하여 해당 모드 및 영률(Young’s modulus)를 계산하였다.

2.4 데이터 분석 방법

방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재에 대한 구조적 안정성은 단백질 2차 구조 분석과 수소 결합의 분포 분석을 이용하였다. 이 때 2차 구조 분포는 VMD (visual moelcular dynamcis) 1.9.3. 타임라인 콘솔을 사용하여 궤적 구조에서 계산하였고, 수소 결합의 수는 GROMACS상의 gmx_hbond 모듈을 통해서 계산을 진행하였다.

3. 결과 및 토론

3.1 방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재 구조 분석

실크 베타시트는 실크 고유의 결정 영역으로서 기계적 강도에 핵심적인 역할을 하며, 방향족 아미노산에 따른 구조적 영향을 분석하기 위하여 이 연구에서는 실크 베타시트 구조의 크기를 기존 연구를 참고하여 총 120개의 아미노산을 균일하게 배열하였으며, 각 모델에는 티로신, 페닐알라닌, 트립토판을 개별적으로 변형(mutation)하여 비교군을 구성하였다(Fig. 1).

Fig. 1

Molecular dynamics model of amino acids-based silk beta-sheet

방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재의 단백질 2차 구조 분석 결과는 각각 티로신 40.1 %, 페닐알라닌 58.3 % 및 트립토판은 23.4 %의 베타시트 비율이 계산되었다(Fig. 2(a)). 이러한 이유는 페닐알라닌은 대표적인 소수성 아미노산으로 페닐알라닌 측쇄간의 소수성 상호작용이 강하게 작용하여 베타 시트 비율이 높아졌기 때문이다^(14,15). 또한, 트립토판 아미노산은 상대적으로 측쇄의 기하학적 크기가 크기 때문에 베타시트 구조를 이루는 층간(layer by layer)의 상호작용을 방해하는 것으로 보인다. 하지만 평균 수소 결합의 수를 비교하면 각각 페닐알라닌은 874개, 트립토판은 845개 및 티로신은 768개의 순서로 높은 것을 확인하였다(Fig. 2(b)). 트립토판은 베타시트 2차 구조 형성에 대해서는 다른 방향족 아미노산과 비교하였을 때 형성이 되지 않는 것이 관찰되었지만 측쇄에 대한 강한 소수성인 인돌 고리는 인접 사슬 간의 인력을 증가시켜 수소 결합 수를 증가시킨 것을 보여준다. 흥미롭게도, 티로신은 극성(OH잔기) 페놀기를 가진 아미노산이지만 아미노산간의 상호작용과 물과의 상호작용간의 경쟁때문에 평균 수소 결합의 수가 가장 낮은 것을 확인하였다. 이는 아미노산의 측쇄간의 소수성 상호작용이 실크 기반 나노 소재의 구조적 안정성에 중요한 영향을 미치는 것을 의미한다⁽⁹⁾. 더 나아가, 이러한 결과는 아미노산의 서열 엔지니어링을 통해서 실크 기반 나노 소재의 구조적 안정성과 구조 형성 메커니즘을 제어할 수 있다는 것을 시사한다.

Fig. 2

Aromatic amino acids-based silk beta-sheet

3.2 방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재의 기계적 물성 분석

실크 기반 나노 소재를 활용한 공정에서 실크 기반 나노 소재가 가지는 기계적 물성은 매우 중요하다. 따라서 방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재에 대한 밀도에 따른 영률(Young’s modulus)을 비교 분석하였다. 우수한 기계적 물성은 특히 포토리소그래피 공정에서 감광 소재의 굽힘 힘에 대한 강성이 높을수록 패턴 붕괴 저항성이 높아진다는 결과가 보고되었다⁽¹⁶⁾. 그러므로 기계적 물성을 계산할 때, 단면적의 이방성으로 인한 두 가지 기본적인 굽힘 모드, 즉 soft. 굽힘 모드와 stiff. 굽힘 모드를 고려하였다(Fig. 3). 방향족 아미노산에 따른 실크 포토레지스트의 영률은 티로신 경우는 soft. 굽힘(1.1 GPa), stiff. 굽힘(4.3 GPa), 페닐알라닌 경우는 soft. 굽힘(1.7 GPa), stiff. 굽힘(5.8 GPa), 그리고 트립토판 경우는 soft. 굽힘(1.9 GPa), stiff. 굽힘(5.1 GPa)로 계산되었다. 특히, soft. 굽힘 및 stiff. 굽힘에 대한 탄성계수가 비틀림 및 인장의 탄성계수가 높은 것을 알 수 있는데, 이는 실크 기반 나노 소재에 대한 우세한 변형이 굽힘 변형임을 의미한다. 포토리소그래피 공정을 고려하였을 때, 기존 감광 소재에 대한 영률은 약 0.45 GPa ~ 3.20 GPa로 알려져 있는데^(16~21), 이와 비교하였을 때 이 연구의 방향족 기반 실크 나노 소재가 더 우수한 기계적 물성을 가진 것을 확인하였다(Table 1). 우수한 기계적 물성의 원인은 실크 단백질의 결정질 중에서 베타 시트 형성 비율과 수소결합이 높아짐에 따라 더 강화되는 것을 알 수 있다. 이에 대한 이유는 베타 시트 형성의 중요한 원인은 수소 결합, 소수성 효과, 반데르발스 결합으로 알려져 있는데 베타 시트 구조는 이를 통해서 구조적으로 강하게 결합한 상태로 존재하기 때문이다⁽⁹⁾. 따라서, 방향족 아미노산 기반 실크 나노 소재의 기계적 물성에 미치는 중요한 요인은 반데르발스 결합과 소수성 작용인 것을 추가적으로 알 수 있었다.

Fig. 3

Each mode of aromatic amino acids-based silk beta-sheet

Table 1

Comparison of Young’s modulus according to each engineered aromatic amino acid

4. 결 론

이 연구에서는 실크 베타-시트 구조에 방향족 아미노산(티로신, 페닐알라닌, 트립토판)을 엔지니어링하여 실크 기반 나노 소재의 구조적 안정성과 기계적 특성을 평가하였다. 각각의 나노 소재에 대한 수소 결합 수와 2차 구조를 분석하였을 때, 페닐알라닌 기반 실크 나노 소재가 베타 시트 비율과 수소 결합 수가 가장 높은 것으로 나타났다. 특히 트립토판은 베타 시트 비율이 가장 낮은 것으로 나타났지만 아미노산 측쇄간의 상호작용으로 인해 높은 수소 결합의 수와 기계적 물성을 달성하는 것을 확인하였다. 이를 통해서 아미노산 측쇄간의 상호작용이 베타시트 구조적 정성에 영향을 미치는 중요한 요소인 것을 보여주었다. 이와 반대로, 티로신은 구조적 안정성과 기계적 물성이 가장 낮았다. 이러한 결과는 티로신 아미노산의 측쇄에 대한 OH 잔기에 따른 물과의 친수성 작용작용 때문인 것으로 나타났다. 이러한 결과를 통해서, 방향족 아미노산 서열의 제어를 통해서 실크 기반 나노 소재의 구조 및 기계적 성능을 제어할 수 있음을 시사하며, 이는 실크 기반 나노 소재의 분야 적용성을 확대하는 방향을 제시하였다고 판단된다.

Acknowledgments

이 논문은 2025년도 정부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(RS-2023-00207833).

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Aromatic amino acid	Density [kg/m³]	Young’s modulus [GPa]
Tyrosine	1041.54	4.30
Phenylalanine	1040.83	5.80
Tryptophan	1042.36	5.10