우리 학교 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수 연구팀, 포항공과대학교 화학공학과 한정우 교수 연구팀과 함께 지난 7일 새로운 나노자임(Nanozyme)을 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 새롭게 합성한 나노자임을 종이 센서에 적용하여, 6개의 표적 물질을 동시에 검출할 수 있는 종이 센서를 개발했다.

과산화효소 활성을 모방한 나노자임
 최근 주목받고 있는 나노자임은 효소 활성을 가지고 있는 무기물질이다. 단백질인 효소는 열이나 pH에 취약하지만, 나노자임은 무기물로 합성되어 안정성이 뛰어나다. 따라서 나노자임은 효소를 사용하기 어려운 극한 환경에서도 다양한 질병 물질을 검출할 수 있다.

 연구팀은 여러 나노자임 중 과산화효소 모방 나노자임에 관심을 가졌다. 과산화효소는 과산화수소가 존재할 때 투명한 발색 기질을 산화시켜 푸른색을 나타낸다. 이를 이용해 산화 과정에서 과산화수소를 방출하는 아세틸콜린, 글루코오스와 같은 물질들을 각각의 산화효소와 함께 사용하면 다양한 표적 물질들을 시각적으로 검출할 수 있다.

 하지만 산성에서 활성을 지니는 과산화효소 모방 나노자임과는 달리, 이들 산화효소는 대부분 중성에서 최적 활성을 지닌다. 그래서 기존의 나노자임을 이용할 때는 중간에 pH를 조절하거나, 최적 활성이 아닌 지점에서 반응을 관찰해야 했다. 이에 따라 중성에서도 활성을 보이는 나노자임의 필요성이 더욱 강조되었다.

중성에서 활성을 보이는 나노자임의 개발
 중성에서도 활성을 보이는 나노자임 개발을 위해 선택된 것은 기존에 과산화효소 활성이 있던 산화 세륨이었다. 문제를 해결하기 위해 연구팀은 밀도범함수이론(이하 DFT)을 도입했다. DFT는 물질 내부에 전자가 들어 있는 모양과 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론으로, 이 방법을 통해 산화 세륨 위에 어떤 원소를 도핑해야 중성에서 효소 활성을 유지할 수 있을지 탐색했다. 계산 결과 코발트가 최적 물질임을 예측할 수 있었으며, 실제로 코발트를 도핑했을 때 중성에서 활성을 보임을 확인했다.

 이후 연구팀은 산화효소를 적재하기 위해 열처리 과정에 변화를 주어 큰 기공을 가진 메조 다공성 구조의 산화 세륨을 합성했다. 연구팀이 합성한 메조 다공성 구조의 산화 세륨은 기존보다 큰 기공을 가져 기공에 산화효소를 적재할 수 있다.

 이렇게 합성된 나노자임은 중성에서 최적 활성을 나타내어 pH를 변화시키지 않고도 산화효소와 연쇄적으로 반응을 일으킬 수 있다. 더불어 산화효소를 메조 다공성 산화 세륨에 적재해 다양한 표적 물질들의 검출이 가능하다.

질병 물질 검출 종이 센서와 나노자임의 응용방안
 연구팀은 개발한 나노자임을 적용하여 질병 진단에 사용되는 중요한 표적 물질인 글루코오스, 아세틸콜린, 콜린, 갈락토오스, 콜레스테롤, 과산화수소의 6가지 물질을 동시에 검출할 수 있는 종이 센서를 개발했다.

 기존에 사용되던 나노자임들은 종이에 고정이 어렵고, 표적 물질을 하나씩만 검출할 수 있다는 한계가 있었다. 하지만 새롭게 개발한 나노자임은 종이에 고정할 수 있어 센서로서 이점을 가지며, 20분 만에 6가지 물질을 동시에 빠르게 검출하면서도 기존 센서들보다 뛰어난 성능을 보였다.

 새롭게 개발한 나노자임이 적용된 질병 물질 검출 종이 센서는 산화되며 과산화수소를 발생시키는 다양한 질병 물질을 빠르고 간단하게 검출하는 데 유용할 것으로 기대된다. 더불어 각종 진단과 치료 분야에서 큰 발전을 이룩할 수 있을 것으로 보인다.

 이준상 박사과정은 한국의 나노자임 연구를 선도하고 있는 우리 학교 생명화학공학과에 많은 관심을 가져 달라고 말하며, 나노자임에 흥미를 가진 학생들을 언제든 환영한다고 덧붙였다.