과산화효소 반응 선택도 38배 향상···'3분' 질병 진단 가능성

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 기존 효소모방촉매보다 38배 이상 향상된 선택도를 구현하고, 단 3분 만에 육안으로 진단 결과를 확인할 수 있는 고감도 센서 플랫폼을 선보였다.

KAIST는 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 한정우 서울대 교수, 김문일 가천대 교수 연구팀과 과산화효소 반응만을 수행하면서도 높은 반응 효율을 유지하는 새로운 단일원자 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

이진우 교수(왼쪽 윗부분), 박선혜 박사과정(왼쪽), 최대은 박사과정(오른쪽).(사진=KAIST)

현장진단 기술의 핵심은 효소를 이용해 질병 진단 물질인 바이오마커를 색 변화를 통해 시각적으로 알아낼수 있다는 점이다. 그러나 자연 효소를 이용할 경우 가격이 높고 진단 환경에서 쉽게 불안정해져 보관과 유통에 한계가 있다.

이 문제를 해결하기 위해 새로운 무기 소재 ‘효소 모방 촉매’가 개발돼 왔으나 반응의 선택도가 낮다는 한계가 있었다. 과산화수소를 기질로 활용할 경우, 하나의 촉매가 동시에 과산화효소(색 변화 유도) 반응과 카탈레이스(반응 기질 제거) 반응을 함께 일으켜 진단 신호의 정확도가 떨어졌다.

연구팀은 촉매의 반응 선택성을 원자 수준에서 제어하기 위해 촉매 중심 금속인 루테늄에 금속과 결합해 화학적 성질을 조절하는‘염소 리간드’를 3차원 방향으로 결합하는 설계 전략을 활용해 진단 신호만을 검출했다.

실험 결과, 촉매는 기존 효소 모방 촉매 대비 38배 이상 향상됐으며, 과산화수소 농도에 따른 반응 민감도와 속도도 증가했다. 생체 체액의 조건에 가까운 환경에서도 반응 선택성과 활성을 안정적으로 유지해 실제 진단 환경에서의 적용 가능성도 입증했다.

연구팀은 촉매에 산화효소를 담아 종이 센서에 적용하고, 산화효소·효소모방촉매 연계 반응을 통해 우리 몸의 건강상태를 알려주는 바이오마커에 해당하는 ‘포도당, 젖산, 콜레스테롤, 콜린’ 등 4종의 바이오마커를 동시에 검출할 수 있는 진단 시스템을 구현했다.

이진우 KAIST 교수는 “단일원자 촉매의 반응 선택성을 원자 구조 설계를 통해 제어해 효소 수준의 선택성과 반응성을 동시에 구현한 사례로 의의가 있다”며 “이러한 구조와 기능 관계 기반 촉매 설계 전략은 향후 다양한 금속 기반 촉매 개발에도 적용할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 6일자로 게재됐다.