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Selective Detection of Opioids Using a Nanodisc-Integrated Terahertz Sensing Platform

나노디스크 융합 테라헤르츠 센싱 플랫폼을 활용한 선택적 오피오이드 탐지 연구

  • Seongbin Lee (이성빈, KU-KIST융합대학원 NBIT융합전공)

초록/요약

As Opioid Use Disorder (OUD) continues to increase, improved drug-detection technologies with high sensitivity and selectivity are needed. Because opioids exert physiological effects at trace concentrations in vivo, detecting endogenous opioids requires high analytical sensitivity, and it is likewise important to detect synthetic opioids such as fentanyl. In this study, a nanodisc-integrated terahertz (ND–THz) sensing platform was designed to achieve biologically selective detection of opioid ligands through the integration of a μ-opioid receptor (μOR) nanodisc with a terahertz nanoslot metasurface. The μOR and membrane-scaffold protein (MSP) were heterologously expressed in Escherichia coli (E. coli), purified by affinity chromatography, and reconstituted into phospholipid nanodiscs, yielding stable, membrane-mimetic receptor assemblies. These nanodiscs were immobilized within Au/SiO₂/Si nanoslot arrays via APTES–DSC surface functionalization, forming a compact on-chip system capable of transducing molecular interactions into measurable THz reflectance signals. THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) measurements revealed distinct frequency-dependent responses for morphine, fentanyl, and heroin, with characteristic “fingerprint” spectra emerging between 0.6 and 1.6 THz. The normalized reflectance variation (ΔR/R₀) exhibited concentration-dependent trends consistent with receptor–ligand binding, and THz response EC₅₀ values of 1.26 nM for fentanyl and 3.79 nM for morphine, consistent with their known affinities for μORs. Heroin, which lacks significant receptor binding, did not yield a meaningful EC50 when fitted with the Hill model. Repeated THz measurements confirmed the reproducibility and stability of the ND–THz platform across multiple sensing cycles. Complementary molecular dynamics simulations further demonstrated that fentanyl binding induces greater conformational and dielectric perturbations at extracellular regions of μORs than morphine, correlating with the enhanced THz sensitivity observed experimentally. Together, these findings establish the ND–THz platform as a receptor-specific biosensor capable of distinguishing opioids based on their intrinsic molecular interactions with μOR. This work bridges molecular biology and terahertz photonics, providing a foundation for next-generation bio-integrated THz sensors with potential applications in drug screening, forensic analysis, and real-time monitoring related to receptor-mediated biochemical processes.

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초록/요약

오피오이드 문제가 대두되면서 신뢰성 있는 민감한 검출 기술의 필요성이 증가하고 있다. 오피오이드는 체내에서 미량의 농도로 작용하기에, 체내의 오피오이드를 탐지하기 위해선 매우 민감하여야 하며 펜타닐과 같은 합성 오피오이드를 탐지하는 것 또한 중요하다. 본 연구에서는 나노디스크-통합 테라헤르츠 (ND–THz) 센싱 플랫폼을 설계하여, 생체 막수용체 기반의 라벨 프리 (label-free) 선택적 마약 검출을 구현하고자 하였다. 이를 위해 μ-오피오이드 수용체 (μOR)와 막 스캐폴드 단백질 (MSP)을 E. coli에서 발현 및 정제한 후, 인지질 이중층 형태의 나노디스크로 재구성하여 안정적인 막 단백질 모사체를 형성하였다. 형성된 나노디스크는 APTES–DSC 교차결합 화학을 통해 Au/SiO₂/Si 기반 나노슬랏 어레이 칩 표면에 공유결합으로 고정되었으며, 리간드–수용체 상호작용을 THz 반사 신호로 변환할 수 있는 칩형 (on-chip) 바이오센서 시스템을 구축하였다. THz 시분할 분광법 (THz-TDS)을 통해 측정한 결과, 모르핀(Morphine), 펜타닐 (Fentanyl), 헤로인 (Heroin) 각각에 대해 0.6–1.6 THz 범위에서 서로 다른 주파수 의존적 반사 스펙트럼이 관찰되었다. 정규화된 반사율 변화 (ΔR/R₀)는 리간드 농도 증가에 따라 증가하는 경향을 보였으며, Hill 모델로의 적합 결과 펜타닐은 EC₅₀ = 1.26 nM, 모르핀은 EC₅₀ = 3.79 nM으로 도출되어, 두 약물의 μOR 결합 친화도 경향성과 일치하였다. 반면 헤로인은 Hill 모델에 적합시켰을 때 유의미한 지표를 보이지 않았다. 반복 측정 결과, 플랫폼의 센싱 신호는 10회 간 안정적으로 재현되어 높은 반복성과 내구성을 보였다. 추가적으로 수행한 분자동역학 (Molecular Dynamics) 시뮬레이션에서는 펜타닐이 모르핀보다 수용체 외부 루프와 말단 영역에서 더 큰 구조적 및 유전율 변화 (Dielectric perturbation)를 유도함을 확인하였으며, 이는 실험적으로 관찰된 THz 신호 감도의 차이와 일치하였다. 이상의 결과를 통해 ND–THz 플랫폼은 단순한 화학적 흡수 신호가 아닌, 수용체 수준의 생체 분자 인식 (selective molecular recognition)을 기반으로 오피오이드를 선택적으로 구별할 수 있음을 입증하였다. 본 연구는 생물학적 수용체와 테라헤르츠 광학 기술을 융합한 새로운 형태의 바이오센싱 접근법으로, 향후 신약 스크리닝, 법과학 약물 분석, 실시간 수용체 기능 모니터링 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 차세대 생체 통합형 테라헤르츠 센서의 기반을 제시한다.

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목차

ABSTRACT i
국문 초록 iii
TABLE OF CONTENTS v
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
1.1 Escalation of Opioid Use Disorder (OUD) 1
1.2 Limitation of Current Drug Detection Methods 1
1.3 Receptor-Embedded Nanodisc as a Sensing Element 2
1.4 Introducing THz Spectroscopy as a Transducer 2
CHAPTER 2. EXPERIMENTAL PROCEDURES 4
2.1 Expression and Purification of μOR and MSP in Escherichia coli 4
2.1.1 Expression of μOR 4
2.1.2 Purification of μOR 5
2.1.3 Expression of MSP 5
2.1.4 Purification of MSP 6
2.1.5 Characterization of Expressed Proteins 6
2.2 Assembly and characterization of μOR-embedded Nanodiscs 7
2.2.1 Assembly of μOR-embedded Nanodiscs 7
2.2.2 Purification of μOR-embedded Nanodiscs 7
2.2.3 Characterization of μOR-embedded Nanodiscs 7
2.3 Fabrication of μOR-ND integrated THz nanoslot platform 8
2.3.1 Fabrication of Terahertz nanoslot arrays 8
2.3.2 Surface Modification of SiO2 surface 10
2.3.3 Fluorophore Labeling of Nanodisc 10
2.3.4 Protein Immobilization on Functionalized Surface on THz Sensing Platform 11
2.4 THz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) Measurements 13
2.4.1 THz-TDS Experimental Set-up 13
2.4.2 Selection of Target Frequency for Opioid Sensing 15
2.4.3 Concentration-Dependent Reflectance Measurements of Opioids 15
2.5 Ligand Docking and Molecular Dynamics (MD) Simulations 16
CHAPTER 3. RESULT & DISCUSSION 17
3.1 Production and Characterization of μOR and MSP 17
3.2 Assembly and Characterization of μOR-NDs 22
3.3 Fabrication of the ND-Integrated THz Nanoslot Sensing Platform 24
3.4 THz-TDS Measurements 28
3.4.1 Selection of Target Frequency for Opioid Sensing 28
3.4.2 Concentration-Dependent Reflectance Measurements of Opioids 33
3.4.3 Repeatability Test of the ND-Integrated Terahertz Sensing Platform 35
3.5 Ligand Docking and MD Simulation of μOR 37
3.5.1 MD Simulation of μOR 37
3.5.2 Ligand-Receptor Interaction Analysis of μOR 40
CHAPTER 4. CONCLUSION 42
REFERENCES 44

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