포스텍(총장 김무환)은 이인수 화학과 교수와 아미트 쿠마 연구교수, 박사과정 김선옥 씨 연구팀이 세포 내에서 인공 소기관과 같이 작용하면서 하나의 거울상 이성질체를 선택적으로 합성할 수 있는 화학-효소 나노 구조체(SiJAR)를 합성했다고 29일 밝혔다.
세포 내 응용을 위한 나노 구조체를 설계하는데 있어 우선 고려해야할 점은 비활성화로부터 효소를 보호하는 것과 함께 촉매 나노 결정의 반응 표면을 안정적으로 공동 국소화하고 유지하는 것이다. 지금까지 촉매 나노결정이나 효소 또는 둘 모두를 수용하는 자연 유래 중공(속이 빈) 나노 구조체 촉매 작용은 실험적으로만 입증됐을 뿐 생체에 적용되지 못했다. 미세 다공성의 밀폐된 나노 구조체의 경우, 외부의 촉매 나노결정이나 단백질과 같은 대형 생체 분자를 내부로의 수용을 제한해 공동 국소화가 어렵기 때문이다.
연구팀은 시공간적으로 제어되는 열 변환 화학을 이용해 반응기 일부분의 화학적 조성을 변경해 화학적 반응이 가능한 금속 규산염 뚜껑이 있는 둥근 항아리 모양의 SiJARs를 합성했다. SiJAR의 분할된 구성으로 인해 갈바닉 반응으로 뚜껑 부분에 다양한 귀금속 촉매(Pt, Pd, Ru)들이 선택적으로 치환될 수 있다. 이후 온화한 산성 조건 또는 세포 내 환경에서 뚜껑이 열리게 되고, 뚜껑의 잔류 금속 촉매를 내부로 이동시키면서 뚜껑 부분은 넓은 통로를 형성한다. 이러한 열린 구조는 대형 효소를 수용하여 캡슐화를 더욱 용이하게 한다.
이번 연구를 통해 만들어진 나노 반응기는 생체 적합성이 높은 실리카로 이루어져 있고, 촉매 나노결정이나 대형 생체 분자를 개방형 실리카 반응기 안에 보호함으로써 효소-금속 협력 전이 상태 안정화를 통해 높은 거울상 선택성으로 비대칭 알돌반응을 수행했다. 또 살아있는 세포 내부에서 안정적으로 반응해 인공 촉매 세포 기관으로서도 기능하는 것으로 확인됐다.
이러한 정교한 고체상 변환 전략을 통해 맞춤화가 가능한 하이브리드 화학 효소 나노 반응기는 세포 내 소기관과 유사한 구조 및 기능을 갖으며, 실제 세포 내에서 국소적으로 활성을 보이는 치료제나 이미징 프로브를 합성하는 것과 같은 자연 촉매 작용을 위한 플랫폼을 만들어 선진 바이오 이미징, 치료에 쓰일 수 있다.
이인수 교수는 “고유한 나노 공간 한정 반응(NCCR)을 이용한 연구결과로 세포의 기능을 인공적으로 조절하는 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 화학 분야 권위 학술지인 '앙게반테케미' 표지 논문(Front Cover)으로 선정돼 온라인에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
