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효소 모방한 나노물질 이용해 알츠하이머 조기 진단한다

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효소 모방한 나노물질 이용해 알츠하이머 조기 진단한다

2019.04.23 14:22
이진우 KAIST 생명화학공학과 교수와 김문일 가천대 바이오나노학과 교수, 곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 교수 연구팀은 그래핀을 기반으로 과산화효소를 모방한 나노자임 물질을 합성했다. KAIST 제공
이진우 KAIST 생명화학공학과 교수와 김문일 가천대 바이오나노학과 교수, 곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 교수 연구팀은 그래핀을 기반으로 과산화효소를 모방한 나노자임 물질을 합성했다. KAIST 제공

국내 연구팀이 차세대 소재인 그래핀을 이용해 알츠하이머의 조기진단이 가능한 물질을 합성하는데 성공했다.


이진우 KAIST 생명화학공학과 교수와 김문일 가천대 바이오나노학과 교수, 곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 교수 연구팀은 그래핀을 기반으로 과산화 효소를 모방한 나노자임 물질을 합성하는데 성공했다고 23일 밝혔다.


인체 내 다양한 화학 반응의 촉매로 쓰이는 효소는 종류에 따라 다양한 구조를 가지고 있다. 그 구조에 따라 특정 온도와 환경에서 원하는 특정 반응을 이끌어 낼 수 있다. 그 중 과산화효소는 과산화수소와 반응하면 푸른 색을 띠게 된다. 이런 성질을 이용해 과산화수소를 배출하는 다양한 물질을 시각적으로 검출할 수 있다. 하지만 효소를 이용한 방법은 안정성과 생산성이 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 


이런 단점을 해결하기 위해 기존 효소를 대체하는 ‘나노자임(효소 모방물질)’에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있다. 무기물질로 합성된 나노자임은 단백질로 이뤄진 효소에 비해 안정성과 생산성이 상대적으로 높고 비용도 적게 든다. 나노자임을 이용해 질병의 검출 및 진단 시스템에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 


하지만 아직 관련 연구가 부족한 실정이다. 효소의 활성을 모방하는 것에 성공했지만 특정 반응만 유발하는 효소의 선택성을 모방하는 기술 수준엔 이르지 못했다. 원하지 않는 다른 부가적인 반응이 발생할 수 있는 셈이다. 


연구팀은 이런 단점을 해결하기 위해 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀을 합성했다. 이 그래핀은 과산화수소 활성은 폭발적으로 증가하지만 다른 효소 활성은 거의 증가하지 않는다. 이를 통해 과산화효소를 정확하게 모방했다. 


연구팀은 새롭게 개발한 물질을 이용해 과산화수소를 가진 아세틸콜린을 시각적으로 검출하는데 성공했다. 이 나노자임은 자연 효소보다 더 민감하게 아세틸콜린 검출해내는 것으로 나타났다.  아세틸콜린은 신경전달물질로 사용되는 화학물질로 알츠하이머 진단 마커로 여겨진다. 


이 교수는 “나노자임은 오래되지 않은 분야이지만 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성 때문에 관심이 폭발적으로 커지고 있다”며 “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”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’ 지난달 25일자에 발표됐다.

 

촉매의 과산화효소와 산화효소 활성을 시각적으로 확인할 수 있다. KAIST 제공
촉매의 과산화효소와 산화효소 활성을 시각적으로 확인할 수 있다. KAIST 제공


 

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