연구는 KAIST 이진우 생명화학공학과 교수, 이준상 박사과정생, 가천대학교 김문일 바이오나노학과 교수, 푸엉 타이 응우옌 박사과정생, POSTECH 한정우 화학공학과 교수, 조아라 박사과정생이 진행했다.

연구진은 새로운 무기소재(나노자임, 무기물질로 합성된 효소모방물질)을 합성하는데 성공했고 이를 종이 기반 질병물질 검출 센서에 적용했다. 센서는 6개 표적물질을 동시에 검출 가능하다. 6개 표적물질은 글루코오스, 아세틸콜린, 콜린, 갈락토오스, 콜레스테롤이다.

그 동안 나노자임은 산성에서만 활성을 보였다. 때문에 수소 이온농도 지수(pH)를 조절하는 버퍼 용액을 변경해야 했다. 또 표적 물질의 미세한 검출이 어렵고 바이오센서로 적용이 어려웠던 점이 한계로 지적됐다.

나노자임은 기존의 효소가 사용되던 다양한 질병검출에 사용될 수 있어 활용이 기대되는 소재다. 그러면서 효소가 사용되지 어려웠던 극한 환경과 체내 다양한 환경에서 그 역할을 수행할 수 있어서 주목받고 있다. 최근 효소는 정제해서 다양한 물질을 검출·치료할 수 있다는 사실이 보고됐다. 특히 특정 효소는 산화과정에서 색을 보이기 때문에 표적물질 시각화에 용이하다.

연구진은 중성에서 활성을 지니며 큰 구멍(기공)을 가져 산화효소를 적재할 수 있는 코발트가 도핑된 메조 다공성 구조의 산화 세륨을 개발했다. 산화 세륨의 합성은 열처리 과정을 거쳐 산화효소가 적재됐다. 합성을 거쳐 개발된 나노자임은 중성(pH 6)에서 최적 활성을 지녀 pH변경없이 산화효소와 연쇄반응을 일으킬 수 있다.

종이센서의 검출 성능도 입증됐다. 이 센서는 20분 안에 6개 물질을 검출했다. 또한 산화세륨은 60℃의 고온에서 안정성을 보였고 센서 작동은 60일이 넘는 기간동안 유지됐다.

이진우 교수는 "나노자임은 신생 연구분야에 속한다. 그럼에도 이 분야는 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성이 커 연구자들의 폭발적 관심을 받고 있다"면서 "앞으로 나노자임은 종이센서를 넘어 각종 진단과 암 치료에 도입될 가능성이 있다"라고 설명했다.

한편, 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 2월호에 게재됐다.