KAIST 이진우 교수(생명화학공학과) 연구팀이 그래핀을 기반으로 해 과산화효소의 선택성과 활성을 모방한 나노단위 크기의 무기 소재(나노자임)를 합성하는 데 성공했다. 연구팀은 무기 소재를 이용하면 알츠하이머병 조기 진단과 관련된 신경전달물질인 아세틸콜린을 자연 효소를 이용했을 때보다 더 민감하게 검출할 수 있음을 확인했다.
가천대학교 김문일 교수(바이오나노학과), UNIST 곽상규 교수팀(에너지화학공학부)과 공동 연구하고 김민수 박사가 1 저자로 참여한 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노’에 게재됐다.
효소는 우리 몸 속 다양한 화학 반응에 촉매로 참여하고 있다. 각각의 효소는 구조가 매우 복잡해 체내에서 특정 온도와 환경에서 원하는 특정 반응에만 촉매 역할을 할 수 있다. 특히 과산화효소는 과산화수소와 반응하면 푸른색을 띠기 때문에 과산화수소를 시각적으로 검출할 수 있다. 이를 이용해 산화 과정에서 아세틸콜린을 포함한 과산화수소를 배출하는 다양한 물질을 시각적으로 검출할 수 있다는 장점이 있다. 다만 효소는 안정성, 생산성이 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 반면 무기물질로 합성된 효소 모방 물질은 기존 효소의 단점을 해소할 수 있다. 질병의 검출 및 진단 시스템에 활용할 수 있어 효소의 활성을 정확히 모방하는 나노물질의 필요성이 커지고 있다.
연구팀은 과산화효소 활성만을 선택적으로 모방하는 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀을 합성했다. 이 그래핀의 경우 과산화수소 활성은 폭발적으로 증가하지만 다른 효소 활성은 거의 증가하지 않아 과산화효소를 정확하게 모방할 수 있다.
연구팀은 실험적 내용을 계산화학을 통해 증명했으며 새롭게 개발한 물질을 이용해 중요 신경전달 물질인 아세틸콜린을 시각적으로 검출하는 데 성공했다. 아세틸콜린은 알츠하이머병의 조기 진단과 관련이 높아 향후 질병 진단 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 교수는 “효소 모방 물질은 오래되지 않은 분야이지만 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성 때문에 관심이 폭발적으로 커지고 있다”라며 “이번 연구를 통해 효소의 높은 활성 뿐 아니라 선택성까지 가질 수 있는 물질을 합성하고 알츠하이머의 진단 마커인 아세틸콜린을 효과적으로 시각적 검출할 수 있는 기술을 확보했다”라고 말했다.

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