3분 만에 육안으로 질병을 진단해 확인할 수 있는 고감도 센서 플랫폼이 국내에서 개발됐다.
기존보다 선택도를 38배 이상 높인 '효소 모방 촉매(nanozyme)'를 구현해 가능해진 결과다.
KAIST는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서울대 한정우 교수·가천대 김문일 교수 연구팀과 공동연구를 진행해 과산화효소 반응만을 선택적으로 수행하면서 높은 반응 효율을 유지하는 새로운 단일원자 촉매와 이를 이용한 고감도 센서 플랫폼을 개발했다고 28일 밝혔다.
현장 진단 기술의 핵심은 효소를 이용해 바이오마커의 색 변화를 관찰하고 질병 유무를 시각적으로 확인하는 것이다.
하지만 자연 효소를 이용할 경우에는 가격이 비싸고, 진단환경에 따라 상태가 불안정해져 보관 및 유통에 어려움이 따른다.
이러한 문제를 해결하기 위해 그간에도 새로운 무기 소재의 효소 모방 촉매가 개발돼 왔다.
하지만 낮은 반응 선택도가 한계로 작용했다.
예컨대 과산화수소를 기질로 활용할 경우 하나의 촉매가 과산화효소(색 변화 유도) 반응과 카탈레이스(반응 기질 제거) 반응을 함께 일으켜 진단 신호의 정확도를 떨어뜨리는 문제가 생긴다.
이에 공동연구팀은 촉매의 반응 선택성을 원자 수준에서 제어하기 위해 촉매 중심 금속인 '루테늄(Ru)'에 '염소(Cl) 리간드'를 3차원 방향으로 결합(구조 설계)했고, 이를 통해 정확한 진단 신호만 검출하는 데 성공했다.
이 과정에서 염소 리간드는 금속과 결합해 화학적 성질을 조절하는 역할을 한다.
공동연구팀이 개발한 촉매는 기존 효소 모방 촉매보다 성능이 월등하게 향상됐다.
또 과산화수소 농도에 따른 반응 민감도와 속도도 눈에 띄게 증가한 것이 실험을 통해 확인됐다.
특히 생체 체액의 조건에 가까운 환경(pH 6.0)에서도 반응 선택성과 활성을 안정적으로 유지해 실제 진단환경에서의 활용 가능성을 입증했다.
공동연구팀은 개발한 촉매를 이용해 포도당·젖산(락테이트)·콜레스테롤·콜린 등 4종의 바이오마커를 동시 검출할 수 있는 진단 플랫폼도 개발했다.
이 플랫폼은 다양한 질병 진단에 범용 적용이 가능해 별도의 pH 조절과 복잡한 장비 없이도 3분 이내에 색 변화로 질병 유무를 육안으로 판별할 수 있게 한다.
이는 플랫폼 자체의 변경 없이 촉매 구조 제어만으로도 진단 성능을 획기적으로 개선할 수 있다는 것을 확인케 하는 사례가 된다.
이진우 교수는 "이번 연구는 원자 구조 설계로 단일원자 촉매의 반응 선택성을 제어해 효소 수준의 선택성과 반응성을 동시에 구현했다는 점에서 의의를 갖는다"며 "구조?기능 관계 기반의 촉매 설계 전략은 향후 다양한 금속 기반 촉매 개발에도 적용할 수 있어 선택성 제어가 중요한 다양한 반응 영역으로 확장될 가능성도 있다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
연구에는 KAIST 생명화학공학과 박사과정 박선혜 학생과 최대은 학생이 공동 제1 저자로 참여했다.
연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 6일 게재됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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