우리 몸속에서는 생명을 유지하기 위해 수많은 생화학 반응이 일어나고 있다. 약물 개발이나 화학적 반응을 살펴보기 위해서는 인공 반응기를 통해 인공적으로 촉매반응을 일으켜야 한다. 이때 살아있는 세포 내에서 촉매 반응 속도와 자극을 원하는 대로 원격 제어할 수 있는 인공 촉매 반응기를 개발하는 것은 많은 과학자의 숙원과제다.

POSTECH(포항공대, 총장 김도연) 화학과 이인수 교수, 아밋쿠마(Amit Kumar) 박사는 UNIST 생명과학부 조윤경 교수, 수밋쿠마(Sumit Kumar) 박사와의 공동 연구를 통해 살아있는 세포 내에서 근적외선 빛에 의해 원격 작용 하는 플라스몬-촉매-나노반응기를 개발했다. 이 연구는 화학 분야 국제학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)지 2월호 표지논문(supplementary cover)으로 선정됐다.

약물을 개발하면 가장 먼저 세포 반응 실험을 하게 된다. 그중에서도 살아있는 세포를 대상으로 한 실험은 매우 중요한데 부작용이 없어야 하고 촉매 효율도 높아야 한다. 무엇보다 반응의 속도와 자극을 원격으로 제어할 수 있다면 실험에 더 효율적으로 사용할 수 있다. 연구팀은 살아있는 세포 내에서 근적외선 빛에 의해 작용하는 플라스몬-촉매-나노반응기(PINERs, plasmonically-integrated nanoreactors)를 개발했다.

PINERs는 선택적으로 접근이 가능한 금, 팔라듐, 백금과 같은 귀금속 촉매 나노 결정(크기 약 2nm)을 가지고 중심부와 이 중심부를 둘러싸고 있는 플라스몬-금-나노 타원체(크기 약 15nm)로 구성된 이중 구성의 디자인(전체 크기 약 100nm)을 가지고 있다. 이 플라스몬-금-나노타원체는 원격으로 노출된 근적외선을 흡수해 광 에너지를 열로 변환시켜 반응성 전하 운반체를 생성할 수 있는 광학 나노 안테나로 작용하게 한다. 이 원리를 통해 살아있는 세포에는 악영향을 미치지 않으면서 PINER의 촉매 나노 결정에서 일어나는 반응을 극적으로 자극할 수 있게 된다.

쉽게 말하면 이 나노반응기는 특정 세포 내에서 유기분자의 다양한 촉매반응을 가능하게 할 수 있는데, 근적외선 빛을 에너지원으로 사용해 살아있는 세포에서 매우 가속된 촉매 반응을 수행할 수 있게 한다. 이 나노반응기 기술이 상용화된다면 세포 내 다양한 화학적 결합의 형성·파괴 과정을 살펴볼 수 있고 유기 반응을 통해 세포 조직 내에서 치료약물의 효과, 부작용이 없는 약물 및 초정밀 진단 기술의 발견도 가능해질 전망이다.

연구를 주도한 이인수 교수는 “연구팀이 개발한 PINERs는 특정 세포 내 다양한 촉매 반응을 선택할 수 있고, 속도를 제어할 수 있으며, 다양한 촉매 반응을 가능하게 해 진단 및 치료 플랫폼으로 확장 개발될 수 있다.”라며 “생체 내의 특정 질병 세포에만 활성화 되고 약물로 전환되도록 유도할 수 있어서 독성을 최소화 하면서 약물의 효과를 극대화할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 수행됐다. (끝)