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석유에서 부작용 없는 약물 핵심성분만 골라낸다

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2019년 02월 19일 01:00 프린트하기

장석복 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 단장(오른쪽)과 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류만을 합성하는 새로운 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다. IBS 제공
장석복 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 단장(오른쪽)과 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류만을 합성하는 새로운 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다. IBS 제공

한국 연구팀이 석유나 천연가스에서 얻을 수 있는 흔한 재료에서 고부가가치의 약물 성분을 제조하는 촉매를 개발한 데 이어 이번에는 이 중에서도 부작용이 없는 약물 성분만 골라 제조할 수 있는 촉매를 최초로 개발하는 데 성공했다.

 

장석복 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단 단장과 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류만을 합성하는 새로운 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다. 촉매를 이용해 석유나 천연가스에서 쉽게 얻을 수 있는 탄회수소 화합물을 항생제인 페니실린과 같은 의약품에 들어가는 필수 성분인 ‘카이랄 락탐’으로 바꾸는 데도 성공했다.

 

왼손과 오른손은 서로를 거울에 비춰보면 같은 모양이지만, 아무리 돌려봐도 같은 모양으로 겹치게 할 순 없다. 거울상 이성질체는 이처럼 아무리 회전시켜도 겹칠 수 없는 분자를 말한다. 분자식은 같지만 서로 다른 물리적 성질이나 화학적 성질을 보이는 다른 물질이다. 분자는 같아도 레몬 향 혹은 오렌지 향이 날 수도 있고, 단맛이 쓴맛으로 바뀌기도 한다.

 

‘카이랄성’ 혹은 거울상 이성질성이라 불리는 이 특성은 의약품 개발에 매우 중요하다. 한쪽은 약이어도 다른 한쪽은 독약이 될 수 있기 때문이다. 인체 내 DNA나 단백질 같은 물질은 대부분 거울상 이성질성을 갖고 있다. 들어오는 약물의 구조에 따라 각기 다른 반응을 나타낸다.

 

1950년대 유럽에서 판매된 ‘탈리도마이드’가 대표적 예다. 이 물질의 한쪽 거울상 이성질체는 입덧을 완화하는 효과가 있었지만 반대 이성질체는 태아의 혈관 생성을 막는 부작용이 있었다. 이로 인해 당시 유럽에선 1만 명 이상의 기형아가 태어나고 말았다. 현재 시판되는 의약품의 60% 정도가 거울상 이성질성을 갖는 약품일 정도로 의약품에서는 거울상 이성질성에 따른 물질을 제조하는 것이 중요한 과제다.

 

시중에 판매되는 항구토제의 일종인 베루비의 화학식. 연구팀이 합성한 ‘카이랄 락탐’ 성분을 분자 구조 내에 갖고 있다. 왼쪽 거울상 이성질체는 약물로 쓰이지만 오른쪽 거울상 이성질체는 약물 활성이 매우 떨어진다. IBS 제공.
시중에 판매되는 항구토제의 일종인 베루비의 화학식. 연구팀이 합성한 ‘카이랄 락탐’ 성분을 분자 구조 내에 갖고 있다. 왼쪽 거울상 이성질체는 약물로 쓰이지만 오른쪽 거울상 이성질체는 약물 활성이 매우 떨어진다. IBS 제공.

하지만 유용한 이성질체만을 선택적으로 합성하는 비대칭 반응은 현대 화학의 난제 중 하나다. 연구팀은 지난해 개발한 촉매 디자인을 토대로 난제를 돌파했다. 지난해 3월 연구팀은 국제학술지 ‘사이언스’에 탄화수소를 고부가가치의 감마-락탐 화합물로 바꾸는 이리듐 촉매를 개발했다는 연구결과를 발표했다. 감마-락탐은 뇌전증(간질) 치료제나 혈관형성 억제제의 핵심 성분이다. 다만 당시에 개발된 촉매는 두 가지 형태의 거울상 이성질체를 모두 얻게 되는 단점이 있었다.

 

연구팀은 이리듐 촉매 구조를 기반으로 한 수십개 후보 중 두 개의 NH₂ 아미노기를 이성질성 형태로 갖고 있는 ‘카이랄 다이아민’ 골격을 분자 내에 갖고 있는 이리듐 촉매가 99% 이상의 정확도로 거울상을 선택함을 발견했다. 이 촉매는 필요에 따라 카이랄성 감마-락탐을 원하는대로 합성할 수 있다. 왼손 이리듐 촉매를 쓰면 왼손 감마-락탐이, 오른손 이리듐 촉매를 쓰면 오른손 감마-락탐이 나오는 식이다.

 

연구팀은 촉매가 거울상 이성질성을 선택하는 원리도 밝혀냈다. 분자의 구조를 확인할 수 있는 단결정 엑스선 분석과 분자의 특성을 양자역학적 에너지로 측정해 파악하는 범밀도함수이론이 반응 과정을 분석하는 데 쓰였다. 그 결과 락탐의 합성과정에서 촉매의 카이랄 다이아민 골격과 탄화수소 간에 일시적인 수소 결합이 발생하고 그 결과가 골격에 따른 거울상 이성질성으로 이어지는 것을 알아냈다. 연구팀은 이번에 개발한 촉매를 통해 여러 약물에 쓸 수 있도록 다양한 구조를 갖는 카이랄 락탐 화합물을 합성하는 데도 성공했다.

 

장 단장은 “의약품의 핵심 단위만 선택적으로 제조하는 기술로 부작용을 덜고 효과는 높인 신약 개발로 이어지리라 기대한다”며 “자연계에 흔한 물질을 재료로 고부가가치 원료를 제조하는 경제적 효과도 있다”고 말했다. 연구결과는 18일(현지시간) 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스’ 온라인판에 실렸다.

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