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효소 모방한 '나노자임' 개발···질병 조기진단 기대

이진우 KAIST 교수팀, 그래핀에 질소·붕소 첨가해 무기 소재 합성
알츠하이머 진단 마커 '아세틸콜린' 검출 성공
국내 연구진이 질병을 진단할 수 있는 인공 효소를 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 과산화효소의 선택성과 활성을 모방한 나노 무기 소재(나노자임, Nanozyme)를 합성했다고 23일 밝혔다.

효소는 체내 화학 반응의 촉매 역할을 하는 단백질이다. 이중 과산화효소는 과산화수소와 반응해 푸른 색으로 변하는 특징이 있어, 산화 과정에서 과산화수소를 배출하는 아세틸콜린 등 체내 물질을 검출할 수 있다. 

연구팀은 그래핀에 질소와 붕소를 첨가해 효소처럼 질병을 검출할 수 있는 '효소 모방 물질'을 합성했다. 효소 모방 물질은 단백질이 아닌 무기물로 이뤄져 안정성과 생산성이 높다. 

또한 효소 모방 물질은 다른 물질과는 반응하지 않고 과산화수소에만 높은 활성을 보인다. 기존 과산화효소를 모방한 효소는 과산화수소가 없는 상황에서도 색이 변해 정확한 검출에 쓰기 어렵다.

질소와 붕소가 도핑된 그래핀의 구조와 반응. <그림=KAIST 제공>질소와 붕소가 도핑된 그래핀의 구조와 반응. <그림=KAIST 제공>

연구팀은 이번 실험을 계산화학으로 증명했으며, 새로 개발한 효소 모방 물질을 이용해 신경 전달 물질인 아세틸콜린을 검출했다. 

이 교수는 "효소 모방 물질은 오래된 연구 분야는 아니지만, 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성 때문에 갈수록 많은 관심을 받고 있다"며 "이번 연구를 통해 효소의 높은 활성과 선택성을 동시에 보이는 물질을 합성하고 퇴행성 뇌질환 알츠하이머의 진단 마커인 아세틸콜린을 효과적으로 검출하는 기술을 확보했다"고 말했다.

이 연구는 재료 분야 국제 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 3월 25일자에 게재됐다. 논문명은 'N and B Codoped Graphene: A Strong Candidate To Replace Natural Eroxidase in Sensitive and Selective Bioassays(질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀: 민감하고 선택성 있는 바이오에세이에 사용되는 자연의 과산화효소를 대체할 수 있는 강력한 후보)'다.

이 교수팀은 김문일 가천대학교 바이오나노학과 교수팀, 곽상규 UNIST 에너지화학공학부 교수팀과 공동으로 이번 연구를 진행했다.

이진우 교수(왼쪽)는 나노다공성 무기 소재 합성과 에너지 저장·전환 장치를 연구한다. 오른쪽은 이번 논문의 제1저자인 김민수 박사. <사진=KAIST 제공>이진우 교수(왼쪽)는 나노다공성 무기 소재 합성과 에너지 저장·전환 장치를 연구한다. 오른쪽은 이번 논문의 제1저자인 김민수 박사. <사진=KAIST 제공>
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