자연계의 많은 분자들은 자신과 똑 닮은 ‘쌍둥이 분자’를 갖고 있다. 이들은 구성하는 원소의 종류와 개수가 같아도 서로 완전히 다른 성질을 나타낸다. 특히 쌍둥이 분자가 서로를 거울에 비친 모습과 같은 형상을 띈 경우를 ‘거울상 이성질체’라고 한다.

우리 대학 화학과 장석복 교수(IBS 분자활성 촉매반응 연구단장)와 IBS 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류의 분자만을 선택적으로 합성할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 또 이 촉매를 이용해 자연에 풍부한 탄화수소화합물을 의약품의 필수재료인 카이랄 락탐으로 제조하는 데도 성공했다.

거울상 이성질체는 왼손과 오른손처럼 서로를 거울에 비춰보면 같은 모양이지만, 아무리 회전시켜도 겹칠 수 없는 이성질체를 말한다. 거울상 이성질성 또는 카이랄성(Chirality)이라고 불리는 이 특성은 의약품 개발에도 매우 중요하다. DNA, 단백질 등 생체물질 역시 카이랄성을 지녀 개발된 약물의 유형에 따라 각각 다른 생리활성을 나타내기 때문이다. 또 한 쪽 유형이 유용할지라도, 다른 유형의 이성질체는 독약이 될 수도 있다. 하지만 유용한 이성질체만을 선택적으로 합성하는 비대칭반응(asymmetric synthesis)은 아직까지 현대 화학의 난제로 꼽히고 있다.

연구진은 새로운 촉매 개발로 이 난제를 해결했다. 연구팀은 2018년 3월 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 자연계에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 감마-락탐 화합물로 전환시키는 이리듐 촉매 개발 성과를 발표한 바 있다. 하지만 당시 개발된 촉매 역시 두 가지 형태의 거울상 이성질체가 선택성 없이 모두 얻어진다는 단점이 있었다.

이번 연구에서 연구진은 수십여 개의 후보 촉매 중 카이랄 다이아민(Chiral Diamine) 골격을 포함한 이리듐 촉매가 99% 이상의 정확도로 거울상을 선택할 수 있음을 발견했다. 개발된 촉매는 필요에 따라 카이랄성 감마-락탐을 골라서 합성할 수 있다. 왼손잡이성 이리듐 촉매를 사용할 경우엔 왼손잡이성 감마-락탐이, 오른잡이성 이리듐 촉매를 사용하면 오른손잡이성 감마-락탐을 제조할 수 있다.

이후 연구진은 계산화학 시뮬레이션 연구를 통해 높은 선택성의 원인을 분석했다. 가령, 왼손잡이성 촉매를 사용한 경우에는 락탐의 합성과정에서 카이랄 다이아민 촉매와 탄화수소화합물 사이에는 일시적인 수소 결합이 발생하고, 이로 인해 왼손잡이성 락탐 형성이 촉진된다는 사실을 확인했다.

연구진은 개발한 촉매를 통해 다양한 구조를 갖는 카이랄 락탐 화합물을 합성하는 데도 성공했다. 이렇게 합성된 카이랄 락탐은 독특한 입체적 특성 때문에 생체 단백질과의 상호작용이 유용하다. 특히 우리 신체를 구성하는 아미노산 유도체나, 천연물도 모두 카이랄성 분자인 만큼, 신체 내 생리활성을 효과적으로 높인 약물 개발이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구를 이끈 장석복 단장은 “약효를 갖는 의약품의 핵심 단위만 선택적으로 제조할 수 있는 기술로 향후 유기합성 및 의약분야 연구로 이어져 부작용을 덜고 효과는 높인 신약개발까지 이어지리라 기대한다”며 “자연계에 풍부한 탄화수소화합물을 재료로 고부가가치 원료를 제조할 수 있다는 경제적 효과도 있다”고 말했다.

연구성과는 화학분야 권위지인 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 2월 19일자(한국시간) 온라인 판에 실렸다.

그림1) 개요

그림2) 카이랄 락탐을 응용한 실제 의약품과 거울상 이성질체에 대한 예시

그림3)새로운 이리듐 촉매 반응 메커니즘 연구

우리대학 화학과 임미희 교수가 1월 21일 서울 양재동 엘타워에서 개최된 2019년 한국과학기술한림원이 신년하례식, 신입회원 수여식에서 2019년도 한국차세대과학기술한림원 신입 회원으로 상을 수여했다.

우리 학교 이지운 교수(수리과학과)와 변혜령 교수(화학과), 김호민 교수(의과학대학원)가 과학기술정보통신부로부터 2018년 올해의 젊은과학자상 수상자로, 그리고 이해신 교수(화학과)는 올 10월 ‘이달의 과학기술인상’ 수상자로 각각 선정돼 지난 14일 국립과천과학관에서 열린 ‘2018 우수 과학자 포상’ 통합시상식에서 수상했다.

올해의 젊은과학자상을 수상한 이지운 교수는 랜덤행렬 이론 분야에서 지난 수십 년 간 연구돼온 난제를 해결했고, 변혜령 교수는 표면·계면에서 발생하는 전기화학반응을 통해 에너지 저장시스템 분야에서 성과를 냈으며, 김호민 교수는 패혈증 발병기전과 치료제 개발에 기여했다.

이와 함께 이해신(화학과) 교수는 세계 최초로 ‘무출혈 주사바늘’을 개발해 에이즈, 에볼라, 간염 바이러스 등 환자 혈액에 따른 2차 감염 문제를 근본적으로 방지하는데 기여한 공로를 인정받아 이달의 '과학기술인상' 10월 수상자로 선정돼 14일 열린 통합시상식을 통해 함께 수상했다.

우리 학과 임미희 교수는 한국인 최초 및 아시아 여성과학자 최초로 2018년 Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC) Early Career Award를 수상하였습니다. 이 상은 생무기분야에서 탁월한 연구와 발전에 공헌한 우수 연구자를 선정하여 격려하기 위해 2007년 Society of Bioinorganic Chemistry에서 수여하고 있습니다.

The award will be presented to an early career scientist (no more than 15 years post-Ph.D. at the nomination deadline) who has already accomplished distinguished research in Biological Inorganic Chemistry. The SBIC Early Career Award is the most competitive and valuable recognition of excellence in the field of Biological Inorganic Chemistry.

Society of Bioinorganic Chemistry: http://sbichem.org/SBIC-Awards.aspx

우리 대학 나노과학기술대학원/화학과 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함을 이용해 마이크론 크기의 공기 기둥을 만들고, 이를 이용해 모자이크 만화경(kaleidoscope) 패턴을 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 향후 자연계에서 존재하는 다양한 형태의 반복적 모자이크 구조의 형성에 대한 이해를 도울 수 있는 기초연구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 기여할 것으로 기대된다.

김대석 박사가 1저자로 참여하고 슬로베니아 루블라냐 대학(University of Ljubljana)의 우로스 트칼렉(Uros Tkalec) 교수와의 국제 공동 연구로 수행된 이번 연구는 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: (영문)Mosaics of topological defects in micropatterned liquid crystal textures, (국문)마이크로 패턴이 형성된 액정의 위상 결함 모자이크 패터닝) 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 활용되는 대표적 유기 소재이다. 이때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 유지를 위해 유리한 것으로 알려졌지만 물질의 특성상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다. 그러나 최근 액정의 결함이 오히려 광학적, 구조적 및 탄성적 기능을 가진 것으로 주목받으면서 액정물질은 더 이상 LCD 광학 소재의 전유물이 아닌 전기광학 및 센서 분야를 포함한 다양한 분야에서 용용 가능성이 매우 큰 것으로 평가받고 있다. 하지만 액정물질은 물풀처럼 흐르는 특성과 마치 도미노처럼 한 부분의 영향으로 전 영역이 변하는 장범위 규칙(long range order)을 갖는 탄성 때문에 결함 구조를 대면적에 규칙적, 일관성 있게 패터닝 하는 것은 매우 어렵다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대기 상태의 공기층이 액정물질을 만났을 때 수직 배향을 유도한다는 사실에 주목했다. 이를 효과적으로 이용하기 위해 마이크로 크기 패턴의 기판과 유리기판 사이에 액정을 주입해 공기주머니를 자발적으로 형성함으로써 수십 마이크론 내에서 액정분자들을 사방으로 잡아주는(anchoring) 시스템을 개발했다. 이를 통해 효과적으로 액정의 결함 구조를 대면적에서 제어해 모자이크 문양의 패터닝에 성공했다. 이번 연구의 핵심기술은 액정물질이 공기층 패턴 내에서 온도에 따라 변하는 상전이(phase transition) 속도에 있다. 상전이 속도가 빠르면 빠를수록 액정이 급속으로 성장하며 더욱 균일한 패턴을 형성한다. 반면 느린 상전이 속도에서는 액정물질의 탄성과 공기층의 고정 에너지(anchoring anergy)의 균형이 비대칭적으로 전개되며 불균일한 결함 구조를 만든다.

연구팀은 이런 상전이 속도에 따른 비대칭 및 비가역적 결함 구조 형성은 다양한 비 평형적 자연현상에서도 유사한 패턴으로 관찰된다는 점에 착안해 물리적 경제적으로 거의 불가능한 자연현상에 대한 실험 모델로 이번 연구를 접목할 수 있다고 밝혔다. 예를 들어 반도체 물질의 결정 성장에서 형성되는 결함 구조, 블랙홀을 포함한 특이점(singularity)을 형성하는 중력 점 간의 형성 원리, 응집물리(condensed matter)에서 원자들 간 상호작용 등 넓은 범위의 자연현상에 대해 유사성을 표현할 수 있는 실험적 모델을 정립할 수 있을 것으로 기대된다. 윤 교수 연구팀은 위상결함(topological defect)의 밀도 조절을 통해 복잡하고 다양한 2차원 모자이크 패턴을 형성하는 기술도 선보였다. 위상학적 결함 구조는 마치 전기의 음양 전하처럼 위상학적 전하(topological charge)를 갖는 음양 결함으로 정의할 수 있다. 이때 항상 음과 양이 짝을 이루어 위상학적 중립을 가지려는 규칙을 갖는다.

연구팀은 이러한 액정결함의 물리적 현상을 바탕으로 상기 공기층과 기판의 화학처리를 결합해 규칙적인 배열을 유지하는 동시에 위상결함의 밀도를 조절해 기술을 완성했다. 이러한 면적분할(tiling) 기반의 모자이크 패턴은 다양한 산업 및 실용 디자인에 적용할 수 있는 예술적 가치를 가지고 있을 뿐 아니라 세포막의 이중구조, 유기탄화시료 및 다양한 무기 결정구조면 등에 활용 가능할 것으로 보인다.  윤 교수는 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”라며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구 관심도가 높아지는 계기가 되길 바란다”라고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 전략연구과제의 일환으로 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 공기 층의 사각 및 다이아몬드 패턴에서 형성 된 네마틱 액정의 편광현미경 사진

그림2. 액정패턴이 형성되는 편광현미경 이미지들 

광주과학기술원 신소재공학부 최창혁 교수(왼쪽)와 한국과학기술원 화학과 김형준 교수 [한국연구재단 제공]

한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 최창혁 교수·한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수 연구팀이 불균일 촉매에서도 일산화탄소로 백금 촉매 활성을 높이는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

산업용 촉매는 넓게 보면 균일계·불균일계 촉매로 나눌 수 있다. 촉매와 반응물의 상(phase)이 같으면 균일계, 서로 다르면 불균일계 촉매로 본다. 예컨대 촉매와 반응물이 모두 기체 상태라면 해당 촉매는 균일 촉매다. 연탄가스에 들어 있는 일산화탄소는 사람의 목숨을 앗아갈 정도로 독성을 지니고 있다. 그런데 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 같은 균일 촉매의 경우, 일산화탄소가 백금 촉매 촉진제로서 작용하기도 한다. 백금 촉매는 자동차 배기가스 유해 물질 제거나 수소연료전지 수소 생산 등에서 활용한다. 비싼 게 흠인데, 공정 단가를 낮추기 위해선 백금 촉매 성능 향상이 필수적이다.

[일산화탄소에 의해 활성이 촉진되는 백금 촉매 시스템 모식도]

연구팀은 불균일 백금 촉매에서도 일산화탄소가 촉매 활성을 돕는다는 현상을 규명했다. 전기화학적 수소 생산 반응에서 일산화탄소가 존재하면 백금 촉매 활성이 2배 가까이 늘었다고 연구팀은 설명했다. 이 현상은 단일 원자 백금이 황 원자로 둘러싸인 형태의 촉매일 때 관측된다. 분광 분석법으로 살핀 결과 일산화탄소 영향으로 단일 원자 백금과 황 원자 결합이 일부 끊어지고 일산화탄소와의 결합이 새로 생겼다.균일 촉매처럼 불균일 촉매에서 중심 금속과 리간드(중심원자에 결합한 이온이나 분자)와의 상호작용이 발생한 것이다.

 (a) 단일 원자 백금 촉매와 상용 백금 촉매의 전기화학적 수소 생성 반응성 그래프(b) 단일 원자 백금 촉매와 일산화탄소로 개질된 단일 원자 백금 촉매 구조 [한국연구재단 제공]

최창혁 교수는 "균일계 촉매에서 보이는 화학적 현상을 불균일계 촉매에서도 구현할 수 있는 시스템을 발견한 것"이라며 "균일계·불균일계 촉매 틈을 연결하고 장점만을 구현한, 새로운 형태의 촉매 개발을 지속해서 연구할 계획"이라고 말했다. 논문은 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 1일 자에 실렸다.

연합뉴스 발췌

우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 마약중독 치료제, 항암제 후보물질로 쓰일 수 있는 천연물을 인공적으로 합성하는 데 성공했다. 연구팀은 시중에서 구할 수 있는 카타란틴(catharanthine)을 원료로 해 산화와 재배열을 통해 7종의 이보가 및 포스트이보가 천연물을 합성해냈다. 이번 연구결과는 마약중독 치료제, 항암제 후보물질 생산의 원천기술이 될 것으로 기대된다.

성시광, 임형근 석박사통합과정이 공동 1 저자로 참여한 연구는 화학 분야 국제 학술지이자 셀(Cell) 자매지인 ‘켐(Chem)’ 11월 15일 자에 게재됐다. (논문명 : Biosynthetically Inspired Transformation of Iboga to Monomeric Post-Iboga Alkaloids, 생합성 가설에 기반한 이보가 알칼로이드의 단위체 포스트이보가 알칼로이드로의 변환) 

이보가 알칼로이드가 학계의 관심을 끈 이유는 이들의 천연물군이 마약중독 치료제로써 가능성을 보였기 때문이다. 또한 이보가 알칼로이드가 생 합성적으로 변형된 천연물 중 빈블라스틴(vinblastine)은 현재 항암제로 쓰이고 있다. 최근에는 이보가 알칼로이드로부터 자연적으로 파생된 다양한 형태의 천연물군이 대거 발견되며 학계와 산업계의 관심도 커지고 있다. 천연물 전합성(全合成)은 간단한 시작물질로부터 다단계의 화학반응을 통해 원하는 천연물을 합성하는 학문 분야이다. 그러나 이 다단계 화학반응을 거치는 과정에서 합성효율이 낮아지는 한계가 있다. 한 교수 연구팀은 이보가 알칼로이드 천연물인 카타란틴이 미 식품의약국(FDA) 승인 항암제인 나벨빈(Navelbine®)의 공업원료로 쓰여 시중에서 쉽게 구할 수 있다는 점에 착안했다. 산화와 재배열을 통해 카타란틴의 구조를 변형시켜 고부가가치의 포스트이보가 천연물을 효율적으로 합성했다. 연구팀은 이번 연구에서 이보가 알칼로이드에서 자연적으로 파생되면서 분자적 재배열을 이룬 천연물군을 ‘포스트이보가’ 알칼로이드라고 이름 지었다. 그리고 다양한 효소의 작용을 통해 식물 내에서 이뤄지는 이보가 골격의 분자적 재배열을 화학적으로 구현하는 데 성공했다. 한 교수팀이 합성에 성공한 포스트이보가 알칼로이드는 타버틴진(tabertinggine), 보아틴진(voatinggine), 디피닌(dippinine) B로 이 중 보아틴진과 디피닌 B는 최초의 합성이다. 특히 디피닌 천연물군은 30년 이상 학계의 관심을 받아왔음에도 정복하지 못한 난공불락의 천연물로 여겨졌는데 한 교수 연구팀이 이번에 최초로 합성에 성공했다.

한 교수는 “이번 연구는 포스트이보가 알칼로이드 합성에 새로운 패러다임을 부여한 연구이다”며 “본 연구를 통해 다양한 항암제 및 마약중독 치료제 후보물질을 합성할 수 있는 원천기술을 확보했다는 데 의의가 있다”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 포스트이보가 알칼로이드의 합성전략 모식도

〈 김상율 교수 연구팀. 왼쪽부터 김태형, 김성종 박사과정, 김상율 교수, 이동휘, 윤영록 석사과정〉

우리 대학 화학과 김상율 교수 연구팀이 투명 유연 디스플레이를 제작할 수 있게 해주는 고분자를 합성하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 고분자는 유리와 같은 투명성과 열팽창계수를 갖는 고성능의 무정형 고분자로 유기소재의 열팽창 제어에 응용 가능할 것으로 기대된다.

김선달, 이병용 연구원이 주도한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 10월 26일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명 : Poly(amide-imide) materials for transparent and flexible displays )

차세대 디스플레이로 유망한 투명하면서도 유연한 디스플레이를 제조하기 위해서는 유리와 같은 수준의 투명성과 열팽창계수를 가지면서도 휘어지고 접을 수 있는 기판소재가 필요하다. 그러나 고분자 소재 중 이러한 조건을 갖는 유연 고분자 소재는 알려진 바 없었다. 모든 물체는 열을 받으면 팽창하고 차가워지면 수축하는 성질을 갖는다. 세라믹이나 금속 소재에 비해 유기물질로 이뤄진 고분자 소재는 열에 의한 팽창이 상대적으로 매우 크다. 얇고 가벼운 평판디스플레이에 사용되는 반도체소자는 세라믹과 비슷한 열팽창계수를 갖고 있어 열팽창계수의 차이가 큰 고분자 필름 위에 반도체소자를 만들게 되면 작동 시 발생하는 열에 의한 팽창과 수축의 차이로 소자가 파괴되는 문제가 발생한다. 따라서 반도체소자와 기판의 열팽창계수를 일치시키는 것은 성공적인 디스플레이를 제조하는데 매우 중요한 일이다. 무정형인 투명한 고분자 물질의 열팽창계수를 줄이는 방법으로 고분자 사슬들을 연결시켜 망상구조(특정 다각형이 이어진 그물 모양의 구조)를 형성시키는 방법이 알려져 있다. 하지만 망상 구조를 갖는 고분자 물질은 유연성을 잃어버리고 필름으로 제조해도 유연하지 않게 된다.

김 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 고분자 사슬 간 거리를 조절하는 방식을 이용했다. 고분자 물질을 합성할 때 고분자 사슬 간에 상호작용하는 힘을 도입하고 힘의 방향이 수직으로 교차하게 만들며 사슬 간 거리를 적절히 조절하면 온도에 따른 팽창 및 수축을 억제할 수 있다. 연구팀은 이러한 화학구조를 투명한 고분자 물질에서 구현하는데 성공했다. 김상율 교수팀이 합성에 성공한 새로운 고성능 고분자 물질인 투명한 폴리아마이드이미드 필름은 열팽창정도가 유리 수준으로 낮으면서도(열팽창계수: 4ppm/oC) 유연하며 아몰레드(AMOLED) 디스플레이 제조공정에 적용할 수 있는 내열성을 갖고 있다(>400oC). 연구팀은 새로 합성된 투명 폴리아마이드이미드 필름 위에 이그조 박막 트랜지스터(IGZO TFT)소자를 제작해 필름을 반경 1mm까지 접어도 소자가 정상적으로 작동되는 것을 확인했다. 김 교수는 “이번 연구 결과는 그간 난제로 여겨졌던 무정형 고분자의 열팽창을 화학적 가교결합 없이 조절해 유리 정도 수준으로 낮추면서도 유연성을 확보하고 동시에 투명하게 만드는 방법을 제시한 흥미로운 연구결과이다”며 “다양한 유기소재의 열팽창을 제어하는 데 응용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

화학과와 전기및전자공학과, 나노과학기술대학원이 공동으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 삼성미래기술센터의 지원을 받아 수행됐다. 

□ 그림 설명

그림1. 투명 폴리아마이드이미드 필름 위에 제조된 투명하고 유연한 IGZO TFT의 구조

그림2. 투명한 폴리아마이드이미드 고분자의 화학구조

우리 학과 송현준 교수는 2018년 춘계 대한화학회 무기화학분과 우수연구자상을 수상하였습니다. 이 상은 탁월한 연구와 무기화학분야 발전에 공헌한 우수 연구자를 선정하여 격려하기 위해 1994년 무기화학분과에서 제정하여 수여하고 있습니다.

우리 학과 임미희 교수는 2018년 추계 대한화학회 무기화학분과 젊은무기화학자상을 수상하였습니다. 이 상은 무기화학분야 만45세 미만의 젊은 과학자에게 수여하는 상으로 2009년에 기금이 모집되어 2010년부터 제정 수여하고 있습니다.

우리 대학 화학과 이해신 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 선정한 이달의 과학기술인상 10월 수상자로 선정됐다.

과기정통부와 연구재단은 이해신 교수가 세계 최초로 무출혈 주사바늘을 개발해 에이즈, 에볼라, 간염 바이러스 등 환자의 혈액이 매개되는 의료진의 2차 감염 문제를 근본적으로 방지하는 데 기여한 공로가 높이 평가됐다고 밝혔다.

이 교수가 개발한 무출혈 주사바늘은 표면을 지혈 기능성 재료로 코팅하는 방식이다. 간단한 개념이지만 관건은 주사바늘을 코팅하는 재료가 피부와 혈관조직을 뚫고 체내로 주입될 때 작용하는 마찰력을 견딜 수 있도록 표면에 단단히 고정돼 있어야 한다. 주사 후에는 혈관 내벽이나 피부에 붙어 주사 부위를 막아야 하며 인체에도 무해해야 한다.

이 교수는 자연을 모사하는 천연 고분자 소재에서 해답을 찾았다. 파도가 치는 해안가 바위에도 단단히 붙어 있는 홍합은 발끝의 섬유다발인 족사 구조에 카테콜아민 성분이 존재한다. 이 교수는 갑각류의 단단한 껍질에서 추출되는 키토산 골격에 카테콜을 함유한 키토산-카테콜 신소재를 이용해 주사 과정의 마찰력을 견디고 혈액과 즉각적 접착막을 형성하는 무출혈 주사바늘 코팅용 생체 접착제를 개발했다.

이해신 교수는 "홍합의 접착 메커니즘을 모사한 키토산-카테콜은 생리식염수에서도 높은 용해도를 보이고 점막이나 조직에 대한 접착력도 우수해 주사바늘을 코팅하기에 매우 적합한 소재"라며 "이를 단백질과 결합해 혈관주사를 놓으면 타겟팅이 어려운 심장에 약물을 선택적으로 전달할 수 있어 심장 난치병 치료에도 유용할 것으로 기대한다"라고 말했다.

우리대학 화학과 장석복 교수가 지난 19일 한국도레이과학진흥재단(이사장 이영관)이 선정한  '제1회 한국도레이 과학기술상' 기초연구부문 수상자로 선정됐다.

한국도레이과학진흥재단은 올해 1월 출범했으며, 화학과 재료분야의 기초와 응용연구에서 탁월한 업적으로 과학발전에 크게 공헌한 기여한 연구자에게 과학기술상을 시상한다. 잠재성 높은 연구과제에 연구비도 함께 지원한다.

장석복 교수는 유기촉매반응 분야에서 장기간 연구했다. 락탐 골격을 효율적으로 합성할 수 있는 촉매반응 연구는 30여 년간 난제를 해소한 것으로 평가 받았다.

재단은 올 4~6월까지 과학기술상과 과학기술연구기금에 대한 공모를 받았으며 전문가 서면심사, 패널토론 심사, 발표 심사를 거쳐 최종 대상자를 선정했다. 시상식은 10월 31일 서울 여의도 전경련회관 컨퍼런스 센터에서 열릴 예정이다.

시상식에는 학계 주요 인사를 비롯해 재단 이사진과 심사위원, 닛카쿠 아키히로 도레이 사장 등이 참석한다. 노벨화학상 수상자 노요리 료지 박사를 초청, 화학 역할과 연구자로서 창의 도전에 관한 강연을 듣는다.

SYNFORM regularly meets young up-and-coming researchers who are performing exceptionally well in the arena of organic chemistry and related fields of research, in order to introduce them to the readership. This Young Career Focus presents Dr. Sunkyu Han (KAIST, South Korea).

The interview is now online and can be found here: https://www.thieme.de/en/thieme-hemistry/journals-synform-54850.htm

우리 대학 화학과 이해신 교수 연구팀이 와인의 떫은맛을 내는 성분인 탄닌산(tannic acid)을 이용해 간단한 정맥주사만으로도 약물을 심장 조직에 전달할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 탄닌산을 단백질, 펩타이드 등의 약물과 혼합시켜 입자화 하는 방법을 통해 심장조직을 표적할 수 있음을 규명했다. 연구팀의 심장 질환의 효율적 치료를 위한 표적화 약물전달 기술은 단백질 기반의 다양한 신약에 적용 가능할 것으로 기대된다.

안전성평가연구소의 예측모델 연구센터 김기석 박사 연구팀과 공동으로 수행된 이번 연구는 네이처 자매지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’ 4월 30일자 온라인 판에 게재됐다. 심장은 인체 내 가장 중요한 기관으로 분당 60~100회의 박동을 하는 동안 약 5리터의 혈액을 뇌를 포함한 전신에 공급하는 역할을 한다. 심장은 심근이라는 근육을 이용해 끊임없이 박동하는 운동성이 높은 기관이다. 심장 및 관련 혈관 질병을 심혈관계-순환계 질환이라고 하는데 이는 우리나라 사망 원인 2위를 차지한다. 고혈압, 당뇨, 고지혈증, 흡연, 비만 등 현대인의 불규칙한 식습관 및 생활습관으로 인해 나타날 수 있다. 대표적으로 심장으로 가는 관상동맥이나 미세한 혈류들이 좁아져 산소 및 영양분 공급이 원활하지 못해 발생하는 심근경색이 있다. 많은 연구자들이 심혈관계 질환 극복을 위한 화학약물요법이나 치료용 단백질 등을 개발하고 있다. 그러나 여전히 직접적인 수술, 카테터 및 스텐트 삽입 등에 의존하고 있으며 일반 정맥주사로 개발된 약물을 심장에 효율적으로 전달하는 기술은 개발되지 않았다. 심장의 강한 운동성으로 인해 정맥으로 주사된 약물이 순환하는 동안 심장으로의 전달 효율이 급격하게 저하되기 때문이다. 문제 해결을 위해 연구팀은 과일 껍질, 견과류, 카카오, 와인 등에 다량으로 존재하는 탄닌산이라는 물질을 이용했다. 탄닌산은 와인의 떫은맛을 내는 폴리페놀 분자의 일종으로 혀에 존재하는 점막 단백질과 결합해 떫은맛을 낸다고 알려져 있다. 연구팀은 탄닌산과 단백질 사이의 강한 분자 간 결합력을 이용해 치료용 단백질, 유전자 전달체인 바이러스 또는 기능성 펩타이드 약물 등을 간단하게 섞어주는 방법으로 입자화에 성공했다. 그리고 이를 주사했을 때 심장을 표적화할 수 있다는 사실을 발견했다.

탄닌산을 이용한 단백질 입자화 기술의 원리는 일종의 ‘분자 수준에서의 코팅’ 기술이다. 입자화된 단백질 복합체 표면에 코팅된 탄닌산이 심장의 기능을 유지하기 위해 밀집돼 있는 엘라스틴 및 콜라겐 단백질과 부가적으로 강한 상호작용을 하며 심장 조직에 부착된 상태로 오랜 시간 머무는 심장 표적화 기술이다. 이러한 탄닌산-단백질 복합체는 단백질만을 주사했을 때와 비교하면 5일 이상 장기적으로 혈관 내에서 순환됨을 확인했다. 이 교수 연구팀은 예전부터 탄닌산을 비롯한 접착성, 코팅성을 갖는 다양한 폴리페놀 재료를 응용해 의료용 생체 재료를 개발해 왔다. 실제로 심근경색 동물 모델에 탄닌산과 섬유아세포 증식인자를 섞어서 만든 약품을 주입하고 4주가 지난 뒤 심근경색이 일어난 크기가 감소했을 뿐 아니라 좌심실 압력 및 심박출량 등이 정상에 가깝게 호전되는 것을 확인했다. 이해신 교수는 “지금까지 심장질환 관련한 많은 약물들이 개발됐음에도 불구하고 상대적으로 약물을 심장에 효율적으로 전달하는 방법은 개발되지 않았다”며 “이번 기술은 기존 약물들을 새롭게 공식화해 개량신약으로 만들 수 있는 원천기술이다”고 말했다.

이번 연구는 연구재단 중견연구자 도약연구, 보건복지부 암정복프로그램, 산업통상자원부의 바이오산업핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 탄닌산으로 제조한 단백질 복합체가 심장 조직에 전달되는 모식도

그림2. 바이러스 유전자 발현 효율 및 치료기능성을 보여주는 연구결과 

우리 학과 이영훈 교수는 2018년 춘계 대한화학회에서 박인원 학술상을 수상하였습니다. 이 상은 생명화학 분야 연구활성화 및 우수연구자 격려를 위해 박인원(전 서울대 화학과 교수)학술상을 제정하여 수여하고 있습니다.

우리 대학 화학과 박희성 교수가 ‘이달의 과학기술인상’ 5월 수상자로 선정됐다. 이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구 개발자를 매월 1명씩 선정하는 상으로 과학기술정보통신부 장관상과 상금 1천만 원을 수여한다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 선정 배경에 대해 박희성 교수가 암, 치매 등 각종 질병 유발에 관여하는 단백질 변형을 인위적으로 제어할 수 있는  ‘맞춤형 단백질 변형기술’을 개발해 질병의 원인 규명과 신약 개발 연구의 단초를 마련한 공로가 높이 평가됐다고 밝혔다.

우리 몸의 단백질은 인산화, 당화, 아세틸화, 메틸화 등 200여 종의 다양한 변형(post-translational modification)을 통해 생체  신호를 전달하고 세포의 성장·분열 같은 신진대사를 조절한다. 하지만 유전적·환경적 요인으로 인한 비정상적 단백질 변형은 암, 치매, 당뇨 등 각종 퇴행성 질환과 만성질환의 원인이 된다. 많은 학자들이 단백질 변형에 따른 세포내 기능 연구와 질병의 연관성을 밝히기 위해 맞춤형 단백질 개발 연구를 진행했지만 기존 기술로는 원하는 변형을 갖는 단백질을 제조하는 것이 불가능했다. 

박희성 교수는 박테리아의 생합성 경로를 재설계하고 비천연 아미노산을 표적단백질에 위치 특이적으로 첨가하는 방법으로  2011년 단백질 변형 중 가장 광범위한 단백질 인산화 제어에  성공했다. 이후 후속연구를 통해 비천연 아미노산의 특이적인 화학 반응성을 이용해 단백질 표면에서 탄소-탄소 결합을 일으켜 당화, 메틸화 등 200여 종의 맞춤형 단백질을 제조할 수 있는 기술을 최초로 개발했다. 박 교수팀은 퇴행성 신경질환의 원인중 하나로 알려진 비정상적 단백질 아세틸화를 실험용 쥐를 이용한 동물 모델에서 직접 구현했다.

이를 통해 실험용 쥐의 특정 발달 단계나 시기에 표적 단백질의 특정 위치에서 아세틸화 변형을 조절할 수 있었다. 또 다른 조직에 영향을 주지 않고 간이나 콩팥 등 특정 조직이나 기관에서만 표적 단백질이 아세틸화 변형 제어가 가능한 것도 확인했다.

박희성 교수는  “이 연구는 단백질 표면에서 선택적으로 탄소 간 결합을 일으켜 맞춤형으로 변형을 유발시키는 획기적인 단백질 변형 방법으로 암, 치매 등 단백질의 비정상적인 변형으로 유발되는 다양한 질병들에 대한 원인 규명과 치료제 개발에 돌파구를 마련하는 연구 결과이다” 고 말했다.  

우리 대학 화학과 홍승우 교수가 대한화학회 유기분과회가 선정한 심상철 학술상을 수상한다. 심상철 학술상은 유기화학에 관련된 탁월한 논문을 발표하여 유기화학분야 및 분과회 발전에 현저하게 공헌한 연구자에게 수여하는 상이다. 2018년 대한화학회 제 121회 (춘계) 총회 및 학술발표회에서 시상한다.

우리 대학 화학과 변혜령 교수 연구팀과 EEWS 정유성 교수 연구팀이 높은 충전 속도에서도 약 80%의 전지 효율 성능(round-trip efficiency)을 갖는 리튬-산소 전지를 개발했다.

기존에 개발된 리튬-산소 전지는 충전 속도가 높아지면 전지 효율 성능이 급속히 저하되는 단점이 있었다. 이번 연구에서는 방전 생성물인 리튬과산화물의 형상 및 구조를 조절해 난제였던 충전 과전위를 낮추고 전지 효율 성능을 향상시킬 수 있음을 증명했다. 특히 값비싼 촉매를 사용하지 않고도 높은 성능을 가지는 리튬-산소 전지를 제작할 수 있어 차세대 전지의 실용화에 기여할 것으로 보인다. 이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 14일자 온라인 판에 게재됐다.

리튬-산소 전지는 리튬-이온 전지보다 3~5배 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 한 번 충전에 장거리 주행을 할 수 있는, 즉 장시간 사용이 요구되는 전기차 및 드론 등의 사용에 적합한 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 방전 시 생성되는 리튬과산화물이 충전 시 쉽게 분해되지 않기 때문에 과전위가 상승하고 전지의 사이클 성능이 낮은 문제점을 갖고 있다. 리튬과산화물의 낮은 이온 전도성과 전기 전도성이 전기화학적 분해를 느리게 만드는 것이다. 리튬과산화물의 전도성을 향상시키고 리튬-산소 전지의 성능을 높이기 위해 연구팀은 메조 다공성 탄소물질인 CMK-3를 전극으로 사용해 일차원 나노구조체를 갖는 비결정질 리튬과산화물을 생성하는 데 성공했다. 전극을 따라 생성되는 비표면적이 큰 비결정질의 리튬과산화물은 충전 시 빠르게 분해돼 과전위의 상승을 막고 충전 속도를 향상시킬 수 있다. 이는 기존의 결정성을 갖는 벌크(bulk) 리튬과산화물과 달리 높은 전도성을 갖기 때문이다.

이번 결과는 촉매나 첨가제의 사용 없이도 리튬과산화물의 크기 및 구조를 제어해 리튬-산소 전지의 근본적 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시했다는 의의를 갖는다. 변혜령 교수는 “리튬과산화물의 형상, 구조 및 크기를 제어해 전기화학 특성을 변화시킬 수 있음을 증명함으로써 리튬-산소 전지뿐만이 아닌 다른 차세대 전지의 공통된 난제를 해결할 수 있는 실마리를 찾았다”고 말했다. 이론 해석을 제공한 정유성 교수는 “이번 연구 결과로 기존에 절연체로 여겨진 리튬과산화물이 빠르게 분해될 수 있는 반응 원리를 이해할 수 있었다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 일본의 리츠메이칸(Ritsumeikan) 대학 가속기 센터와 공동연구로 진행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 리튬과산화물 도식 및 투과전자현미경 사진

그림2. 충전 속도 특성 비교

그림3. DFT 계산을 통한 (a) 결정질 및 (b) 비결정질 리튬과산화물의 충방전 에너지 다이어그램

우리 대학 화학과 이희승 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 선정한 3월의 '이달의 과학기술인상'을 수상했다.

이 교수는 그동안 금속물질로만 제작했던 자기 나침반을 순수 유기화합물로 구성된 '펩타이드'를 이용해 생체친화적인 자기 나침반(분자기계)으로 제작하는데 성공한 공을 인정받았다. 이는 인간의 체내에 있는 마그네토좀이란 물질이 자기장을 지닌 주자성 박테리아의 행동 양식과 유사하게 행동하는 데서 아이디어를 얻은 것이다. 마치 나침반처럼 막대기 모양의 펩타이드 자기조립체인 폴덱쳐를 이용해 실시간으로 자기장의 방향에 따라 정렬하는 펩타이드 분자기계를 개발했다.

이 교수는 "분자기계는 의공학이나 재료과학에서 광범위한 유기물 소자를 개발하는 데 쓰이는 데 그동안 자기장을 이용해 개발하는 것에는 한계가 있었다"며 "연구를 통해 금속이 아닌 펩타이드를 이용한 분자기계를 개발함으로서 생체 친화적 분자기계를 만들 수 있었다"고 말했다.

과기정통부와 한국연구재단은 연구개발 성과가 우수하고 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 장관상과 상금 1000만원을 수여하고 있다. 

석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 의약품이나 화학소재의 원료가 되는 락탐을 합성할 수 있는 방법이 나왔다. 우리 대학 화학과 장석복 교수, 백무현 교수 공동 연구팀이 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.  이번 연구성과는 세계적 권위의 학술지 사이언스(Science) 3월 2일자 온라인 판에 게재됐다.

감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐)나 혈관형성 억제제(아자스파이렌)와 같이 복잡한 유기분자의 핵심 구성성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다. 자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위해 많은 연구가 있었지만 탄화수소는 상온에서 반응성이 낮아 합성하는데 큰 어려움이 있었다.  탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해서는 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화반응이 필요한데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했기 때문이다.

연구팀은 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결할 수 있었다. 이론 연구팀은 밀도범 함수를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 촉매를 개발했다. 이를 바탕으로 실험 연구팀이 중간체 분해 및 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다.

장석복 교수는 “이번 연구는 질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성하는 계기를 만들 수 있었다”며 “새로운 금속 촉매를 설계하고 합성해 성공적으로 적용시키는 모든 과정에 열정적으로 임해준 참여 학생들에게 깊이 감사한다”고 말했다. 또한 “이번에 개발한 촉매반응의 확장연구를 통해 학문적인 진보는 물론 합성된 물질의 생리활성 및 임상 연구를 통한 의약품과 신소재 개발 등 산업적인 면에서도 큰 기여할 수 있게 되기를 바란다”고 말했다.