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610 … NICE, 제34권 제6호, 2016
하이라이트
1. 서론
1926년 최초의 분리·정제된 단백질 기반 효소라
할 수 있는 urease가 James B. Sumner에 의해 발견
된 이후, 효소는 다양한 생물공학 분야에서 필수적
으로 사용되어 왔다. 효소는 active site의 존재로 인
해 기질 특이성을 가지며, 다양한 종류의 생화학반
응을 촉매 작용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 효소
는 생물체에서 발현 및 정제과정을 거쳐서 생산되기
때문에 그 가격이 일반적으로 비싸며, 활성은 화학
촉매의 활성에 비해 상대적으로 제한되고, 특정한 3
차원 펩타이드 구조를 이루어야만 활성을 유지할 수
있기 때문에 주변 환경이나 반응 조건(산도 및 온도)
및 보관 시간에 따라 활성이 크게 변할 수 있는 불안
정성의 단점이 있다. 따라서 효소의 장점을 유지함
과 동시에 단점을 극복할 수 있는 효소 유사체가 개
발된다면, 큰 학문적·기술적 가치를 지니며 관련 산
업에 큰 파급효과를 줄 수 있다.
효소 유사체를 개발하기 위한 연구는 1980년대를
기점으로 활발히 진행되고 있다[1]. 기존의 효소 유
사체 연구는 주로 active site를 모방할 수 있는 유기
구조체를 합성하여 사용하는 방식이 많았다. 특히
최근에는 기존의 화학물질 기반의 효소 유사체와는
다른, 새로운 종류의 효소 유사체가 발표되고 있다.
핵산 분자로부터 유도되는 DNAzyme과 같은 핵산기
반 효소 유사체가 보고되었고[2], 1993년 fullerene 탄
소나노입자 클러스터로부터 핵산절단 활성이 발표
됨을 시작으로 다양한 나노입자들의 특이적인 효소
활성이 보고되었다[3]. 특히 2007년 Fe3O4 형태의 자
성나노입자의 과산화효소 활성이 발표되면서부터
효소활성을 지니는 나노입자(나노자임)에 대한 연구
가 활발히 진행되고 있다[4]. 나노자임은 유기효소에
비해 산도 및 온도 등 외부 환경에 크게 안정한 활성
을 보이며, 1,000배 이하의 가격으로 값싸게 화학적
으로 대량 합성될 수 있는 장점이 있기 때문에, 기존
의 단백질 효소를 대체할 수 있는 새로운 인공효소
패러다임으로서 각광을 받고 있다[1]. 나노자임은 대
부분 peroxidase(과산화효소)나 oxidase(산화효소)와
같이 산화환원 활성에 기반한 반응을 촉매 작용하는
효소 유사체이기 때문에, 질병진단 및 환경 모니터
링 등의 발색 혹은 전기화학적 신호 발생 및 증폭을
위해 주로 응용되고 있다. 특히 최근 특정 나노자임
의 활성산소 (reactive oxygen species, ROS) 제거활성
에 기반하여 질병원인물질 혹은 환경유해물질의 제
거 및 세포치료, 줄기세포 분화 및 성장 유도, 항산
화-항노화-항염증 작용 및 미생물 필름 형성을 억제
하는 용도 등 생체물질의 처리 분야에도 활발히 응
용되고 있다. 이 글에서는 최근 각광을 받고 있는 나
노자임에 대해 소개하고, 나노자임에 기반한 생체물
질 진단 및 처리 연구의 최근 동향에 대해 살펴보고
자 한다.
나노자임을 이용한 생체물질 진단 및 처리기술 개발
김 문 일
가천대학교 바이오나노학과
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 6, 2016 … 611
2. 본론
2.1 나노자임의 활성 및 그 종류
최근 많은 종류의 나노입자들의 효소적 활성
이 계속적으로 보고되고 있다. 나노자임이 모사하
는 반응은 대부분 산화환원 반응이며 peroxidase,
oxidase, catalase, superoxide dismutase 등의 활성을 모
사함이 발표되었으며, 이 외에도 esterase, nuclease,
phosphtase, protease 등의 활성을 나타내는 나노입자
도 보고된 바 있다[1]. 나노자임의 활성은 입자를 이
루고 있는 원소의 촉매 활성에서 나타난다고 알려져
있으며, 그 활성의 크기 및 특성은 나노입자의 형태,
크기, 구조, 표면상태 등에 의해 크게 달라질 수 있기
때문에, 응용 목적에 따라 일정 부분 나노자임의 활
성 조절 역시 가능하다.
나노자임의 종류는 입자를 이루는 조성을 기준
으로 다음과 같은 세 부류로 나눌 수 있다. 첫 번
째 군은, 금속산화물 나노자임(metal oxide-based
nanozymes)으로서 superoxide dismutase, catalase,
oxidase 등 다양한 효소활성을 보이는 산화세륨 나노
입자(CeO2 NPs)[5]와 과산화효소 활성을 보이는 산
화철 자성나노입자(Fe3O4 NPs)[4]를 중심으로 다양한
연구가 이루어지고 있다. 이 외에도 산화코발트 나
노입자(Co3O4 NPs), 산화망간 나노입자(MnO2 NPs),
산화바나듐 나노입자(V2O5 NPs), 산화구리 나노입자
(CuO NPs) 등이 peroxidase 혹은 oxidase 활성을 보이
는 사실이 보고되었으며, 이를 이용한 다양한 생체
물질 진단용 바이오센서가 연구되었다[1].
두 번째 군은, 금속 나노자임(metal-based
nanozymes)으로서, glucose oxidase(GOx, 포도당 산
화효소) 혹은 peroxidase의 활성을 모사할 수 있는
금 나노입자(Au NPs), oxidase, peroxidase 및 catalase
등 다양한 효소활성을 보이는 플래티늄 나노입자(Pt
NPs) 등이 보고되었다. 특히 금속 나노입자 형태의
나노자임은 다른 나노자임과 같이 복합체를 만들 때
효소 특성을 개선하는 데 크게 기여할 수 있음이 보
고되었다[6,7]. 예를 들어, 다공성 탄소를 기반으로
Fe3O4 NPs와 Pt NPs를 동시에 포집한 복합체를 만들
었을 때 과산화효소 활성이 크게 향상되어 free Fe3O4
NPs와 비교할 때 50배 향상된 catalytic efficiency를
얻을 수 있음이 보고되었고[6], 나노자임으로서 역할
을 하는 graphene oxide에 Au NPs를 고정화한 복합체
를 만들었을 때 더욱 넓은 pH 범위에서 활성이 검출
및 유지되는 효과가 보고되었다[7].
마지막으로 탄소 기반 나노자임(carbon-based
nanozymes)이 보고되었다. 개발 초기 핵산절단 활
성이 보고된 fullerene 입자를 비롯하여, carbon
nanotube, graphene oxide, carbon dot 등 탄소 물질
의 peroxidase 및 oxidase 활성이 보고되어 다양한 생
체물질 검출을 위한 면역진단 및 바이오센서의 신호
검출 및 증폭을 위한 시그널링 물질로 응용되고 있
다[1].
2.2 나노자임의 생체물질 검출에의 응용
질병진단 및 건강상태의 효과적인 관찰을 위해
나노자임의 안정적인 효소활성에 기반하여 다양한
종류의 생체물질(DNA, protein, cell, small molecules)
을 검출 및 이미징하는 연구가 광범위하게 진행되
고 있다. 특히 나노자임이 주로 응용되고 있는 분
야는 기존의 horseradish peroxidase(HRP)가 신호검
출 및 증폭을 담당하던 면역진단 ELISA(enzyme-
linked immunosorbent assay)와 peroxidase 기반의 바
이오센서라 할 수 있다. ELISA는 체외진단(in vitro
diagnostics) 분야에서 가장 큰 부분을 차지하고 있
는 면역진단 시장의 대부분을 차지하고 있는 기술로
서, 그 원리는 검출하고자 하는 항원 물질과 결합하
는 일차 항체와 이와 결합하는 이차 항체와 효소 결
합체를 이용하여 특정 기질과 효소간의 반응을 통해
고감도로 항원 물질의 유무 및 그 농도를 검출하는
방식이다. 이 기술은 분석 기자재를 사용하는 방법
에 비해 간편하고 다량의 시료를 동시에 검출할 수
있는 장점이 있지만 유기효소(과산화효소 혹은 인산
화효소)의 작동 범위와 활성 및 안정성에 제한이 있
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나노자임을 이용한 생체물질 진단 및 처리기술 개발하이라이트
다는 단점이 있다. 포도당(혈당) 센서로 대표될 수
있는 과산화효소 기반 바이오센서는 검출하고자 하
는 대상물질이 시료에 존재할 때, 대상물질을 기질
로 이용하는 산화효소의 반응을 통해 과산화수소가
발생하고, 과산화효소가 이를 환원시키면서 동시에
특정 기질을 산화시켜 발색 혹은 전기 신호를 유도
함으로써 대상물질을 검출한다. 위 두 방법에서 공
통적으로 사용되는 단백질 과산화효소를 나노자임
형 과산화효소로 대체하여 다양한 물질을 검출하는
연구가 보고되었다.
단백질 및 목적 암세포 등의 진단을 위한 ELISA
면역진단에서 빈번하게 사용되는 HRP 대신 비슷한
활성을 지닌 나노자임에 항체를 수식하는 전략을 통
해 표적 물질을 진단하는 연구가 보고되었다. Yan
연구팀에서는 B형간염 표적항원(preS1)과 심근경색
증의 바이오마커인 troponin I를 Fe3O4 NPs에 항체를
수식하여 샌드위치 방식의 면역진단을 통해 검출하
는 기술을 보고하였다[4]. 항원을 플레이트에 흡착
시킨 뒤 preS1항체가 항원과 결합하고, 항체에 결합
할 수 있는 protein A가 수식된 Fe3O4 NP가 추가적으
로 가해지면, 항원 물질의 양에 따라 Fe3O4 NPs가 결
합되게 되고, 이에 따른 과산화효소 반응에 의해 발
색 신호가 나타난다. Troponin I 진단에는 Fe3O4 NPs
의 자성을 이용한 간편한 분리에 이은 샌드위치 방
식의 면역진단법이 이용되었다. 샘플에 항체가 수식
된 Fe3O4 NPs를 넣으면 troponin I이 항체-Fe3O4 NPs
에 결합되며, 이 복합체는 외부자력에 의해 간편하
게 분리 및 회수된 후, 또 다른 capture 항체가 결합
되어 있는 well에 가해지게 된다. 결과적으로 target
troponin I의 농도에 비례한 만큼의 발색 신호가
Fe3O4 NPs 나노자임의 활성에 의해 나타났다. 이 외
에도 Fe3O4 NPs과 Pt NPs에 기반한 나노자임 복합체
에 항체를 수식하여 유방암세포 표면에 과발현하는
human epidermal growth factor receptor 2(HER2) 단
백질과 영유아 설사 유발의 원인이 되는 rotavirus를
고민감도로 발색 진단하는 기술이 보고되었으며[6],
CeO2 NPs의 표면에 엽산을 수식함으로써 특정 암세
포 표면에 존재하는 엽산 수용체와의 특이적인 결합
을 유도하는 전략을 통해 목적 폐암세포를 검출하는
연구가 보고되었다[5]. 최근에는 단순 검출 뿐만 아
니라 면역반응을 이용해 암 조직을 표적화 및 영상
화하는 기술도 보고되었으며[8], 기존 ELISA 기술과
의 직접적 비교를 통해 나노자임 기반 기술이 진단
특이성 등의 차이가 없고 오히려 보다 빠른 진단이
가능함을 증명하는 연구도 보고되었다[6]. 최근에는
면역반응을 이용한 현장형 진단키트에 나노자임 기
술이 접목될 수 있음이 보고되었다. 현장에서의 간
편한 진단이 절실히 요구되는 에볼라 바이러스에 대
해 Fe3O4 자성나노입자 나노자임을 이용한 종이기반
래피드 키트로 기존의 금 나노입자를 사용한 경우보
다 100배 더 민감한 키트를 구성할 수 있음이 보고되
었으며(그림 1)[9], 임신진단키트로도 성공적으로 응
용됨이 보고되었다[10]. 이와 같은 현장진단키트의
결과는 스마트 폰과 손쉽게 접목되어 사용자 친화적
인 시스템으로 사용될 수 있음이 또한 보고되었다.
산화효소와 과산화효소의 연계반응을 통해 설계
되는 바이오센서의 대표적인 예가 혈당측정에 긴밀
하게 사용되고 있는 포도당 센서이다. Wei와 Wang
은 Fe3O4 NPs가 가지는 과산화효소 활성과 GOx의
활성을 동시에 이용해 포도당을 검출할 수 있는 바
이오센서 기술을 보고하였다[11]. 이 기술에서 사용
되는 GOx는 포도당을 산화시키면서 H2O2 발생을 유
도한다. 생성되는 H2O2의 농도에 따라 Fe3O4 NPs와
반응한 기질(2,2‘-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-
6-sulphonic acid, ABTS)의 발색 강도가 다르게 나타
나는데, 이를 통해 샘플 안의 포도당의 농도를 정량
분석할 수 있다(그림 2). 위 진단법을 기반으로 하여
Fe3O4 NPs 외에도 다양한 peroxidase 나노자임이 다
양한 종류의 산화효소와 접목되어 바이오센서 개발
에 응용되고 있다. 일례로, 다공성 실리카에 Fe3O4
NPs와 더불어 갈락토스 산화효소를 고집적하여 갈
락토스를 기존 방식보다 간편하게 진단하는 기술이
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보고되었다[12]. 특히 이 기술은 신생아 대사질환 중
하나인 갈락토스혈증 진단에 성공적으로 응용될 수
있음이 보고되었다. 산화효소의 종류는 매우 다양하
고, 이들 산화효소의 목적 기질 또한 다양하기 때문
에 과산화효소 활성을 지닌 나노자임의 바이오센서
에의 응용범위 또한 크게 넓어질 수 있을 것으로 예
상된다.
이 외에도 나노자임의 특이적인 성질에 기반한
새로운 전략을 통해 주요 생체물질을 진단하는 연구
가 활발히 보고되고 있다. 일례로 ssDNA와 dsDNA
가 나노자임에 대해 갖는 친화력 차이를 이용하
여 target DNA를 진단하는 연구가 보고되었다[13].
Hemin-modified graphene은 hemin의 수식에 의해
과산화효소 활성을 갖는데 ssDNA는 dsDNA에 비해
hemin-modified graphene에 훨씬 강한 친화도를 갖
는다. 또한 ssDNA-hemin-modified graphene은 salt-
induced aggregation되는 효과가 적기 때문에 원심분
리 후에도 상등액에 주로 남게 된다. 이후 상등액을
이용해 과산화효소 반응을 진행하게 되면 dsDNA를
추가한 경우에 비해 ssDNA가 가해진 경우 훨씬 큰
발색반응이 이루어지게 된다. 또한 PCR을 통해 증
폭된 dsDNA가 Fe3O4 NPs 혹은 CeO2 NPs의 효소활
성을 shielding하는 현상을 이용해 target DNA의 양을
발색신호로 정량 분석하는 연구가 보고되었다[14].
이 외에도 나노자임의 효소로서의 특성과 더불어 나
노입자 및 나노구조체로서의 특성을 동시에 활용해
보다 다양한 종류의 생체물질을 효과적으로 검출하
는 연구가 다방면으로 활발히 보고되고 있다.
2.3 나노자임의 생체물질 처리에의 응용
세포의 산화반응 중 필연적으로 발생하는 활성산
소(ROS)는 세포에 손상을 입히는 주요 원인 중의 하
나로서 노화의 원인으로 인식되고 있다. 이러한 ROS
를 세포 내에서 제거하는 역할을 하는 효소가 SOD이
며, 나노자임 중 일부는 높은 SOD 활성을 가지고 있
기 때문에 세포의 증식과 선택적 사멸과 관련한 분
그림 1. 과산화효소 활성을 지닌 Fe3O4 NPs(자성나노입자)를 이용한 에볼라 검출용 래피드 면역진단. a) 금 나노입자에 기반한 래피드 키트, b) 자성나노입자에 기반한 래피드 키트 [9].
그림 2. a) 포도당 산화효소와 과산화효소 나노자임의 연계반응을 이용한 포도당 진단 b) 다양한 종류의 산화효소와 과산화효소 나노자임의 연계반응을 이용한 목적기질 진단[11].
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나노자임을 이용한 생체물질 진단 및 처리기술 개발하이라이트
야에도 나노자임이 활발히 응용되고 있다.
CeO2 NPs은 대표적인 SOD 활성 모사 나노자임으
로 알려져 있다. Cerium complex는 superoxide 이온의
함유량을 줄임으로써 벼 종자의 성장을 촉진시키는
등 일찍부터 SOD로서의 가능성을 보여 왔으며, 최근
CeO2 NPs의 SOD 활성이 세포의 성장 및 사멸과 관
련한 처리 분야에 활발히 응용되고 있다. Seal 연구
팀은 SOD 활성을 지닌 CeO2 NPs를 응용하여 종양세
포를 특이적으로 공격하는 방법을 제시하였다. 정상
세포에는 SOD 활성을 지닌 CeO2 NPs이 방사선에 의
해 생기는 free radical을 제거하여 세포가 손상을 입
지 않았지만, 종양세포는 비정상적인 chromatin 배열
로 인해 CeO2 NPs의 보호를 받지 못하고 free radical
의 공격을 받게 된다. 결과적으로 CeO2 NPs는 정상
세포를 방사선이 유발하는 손상으로부터 보호해주
는 반면 종양세포는 보호하지 않았다[15]. ROS의 제
거와 관련한 CeO2 NPs의 SOD 활성은 다른 여러 분
야에도 활발히 응용되고 있다. CeO2 NPs는 망막의
신경세포가 ROS에 의해 입는 손상을 효과적으로 억
제할 수 있음이 동물실험을 통해 입증되었고, 항염
증 및 항산화 효과도 여러 가지 종류의 세포 실험을
통해 입증되고 있다[16]. 특히 최근 Son 그룹에서 발
표한 CeO2 NPs를 항염증 물질로 포함한 혈관치료용
스텐트는 나노자임이 본격적인 in vivo상의 치료 목
적으로 활용될 수 있음을 증명하고 있다(그림 3)[17].
이 연구에서는 CeO2 NPs이 포함된 스텐트를 개의 경
동맥에 실제로 이식한 후, 향상된 항산화 및 항염증
효과를 증명하였다.
CeO2 NPs 외의 다른 나노자임도 여러 가지 생
체물질 처리에 활발히 연구되고 있다. 일례로 V2O5
나노와이어의 경우, 할로겐화 반응을 촉진하는
haloperoxidase 활성을 나타내기 때문에, 미생물 필름
의 형성을 효과적으로 억제할 수 있음이 보고되었고
[18], peroxidase 활성을 나타내는 Fe3O4 NPs의 경우
에도 H2O2와 같이 미생물 필름의 생성을 효과적으로
그림 3. CeO2 NPs이 항염증 나노자임으로서 작동하는 스텐트의 모식도[17].
그림 4. Fe3O4 NPs의 과산화효소 활성을 이용한 바이오필름 파괴 및 형성억제 a) Fe3O4 나노자임의 바이오필름 파괴 활성 모식도 b) Fe3O4 나노자임과 H2O2와 연계하는 바이오필름 파괴. c) Fe3O4 NPs와 H2O2처리 후 잔존하는 바이오필름의 양적 비교[19].
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억제함이 보고되었다(그림 4)[19]. Kito 그룹에서는
Fe3O4 NPs를 포함하는 리포좀을 이용해 유도만능줄
기세포(iPS cells)의 증식에의 영향을 연구하여, Fe3O4
NPs이 그 항산화효과로 인해 줄기세포 증식을 향상
시키는 효과를 보고하였다[20]. 이와 같이 다양한 종
류의 나노자임은 생체물질의 진단뿐만 아니라, 치료
를 포함한 생체물질의 처리 부분에도 활발히 연구되
고 있다.
3.결론
생체물질 진단을 위해 주로 사용되어 온 기존의
ELISA 및 바이오센서에서 사용되는 단백질 기반 유
기효소를 대체할 수 있는, 새로운 생체물질 진단 원
천기술 개발을 위한 유력한 대안으로서, 단백질 효
소의 단점을 효과적으로 보완함과 동시에 나노구조
체로서의 우수한 특성을 더할 수 있는 나노자임을
개발 및 응용하는 기술이 각광을 받고 있다. 나노자
임은 단백질 기반 유기효소에 비해 안정한 활성을
보이며 화학적 합성법을 이용한 간편하고 값싼 대량
생산이 가능한 장점이 있기 때문에 질병진단의 지표
물질인 DNA, 단백질, 세포 및 포도당과 같은 소분
자 물질 진단에 광범위하게 연구되고 있다. 또한 최
근에는 진단에 국한되지 않고 나노자임의 ROS 제거
활성을 통한 항산화, 항염증 및 항노화 효과를 세포
증식 및 치료에 응용하려는 시도가 활발히 진행되고
있다.
하지만 나노자임은 본질적으로 active site가 특징
적으로 존재하지 않는 나노 구조체이기 때문에 기질
선택성이 부족하며, 그 활성이 유기효소에 비해 아
직까지는 일반적으로 낮다는 단점이 있다. 따라서
최근의 연구는 이와 같은 단점을 극복할 수 있는 새
로운 나노자임의 개발에 초점을 맞추어 진행되고 있
으며, 실제 상품화를 위한 임상유용성 검증 연구도
진행되고 있다. 특히 in vivo로의 적용을 위해서는 나
노자임의 세포독성 문제의 해결이 요구되고 있다.
이와 같은 연구를 통해 나노자임에 기반한 기술이
생체물질 진단과 치료의 많은 부분에서 활발히 응용
되리라 기대한다.
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