POSTECH(총장 이광형)은 오승수 신소재공학과 교수, 손창윤 화학과 교수, 통합과정 유혜빈 씨, 선정윤 서울대 재료공학부 교수, 임현호 한국뇌연구원 박사 공동연구팀이 '인공 이온 채널'을  개발해 특정 이온만 선택적으로 투과하는 나노 두께의 이온 선택 투과막 구현에 성공했다고 4일 밝혔다.

이온 선택 투과막 기술 핵심은 세포막 모사다. 살아있는 세포는 원하는 이온만 투과시킬 수 있는 세포막을 가졌기 때문이다. 이온을 인식할 수 있는 작은 단위체가 지질막 내에 정렬되면 이온 채널로 작용하는 원리다.

연구팀은 이러한 원리서 착안해 칼륨이온을 특이적으로 인식할 수 있는 DNA G-사중 나선 구조체가 지질막 내에서 효과적으로 배향되도록 유도했다.

그 결과, 수 나노미터(nm) 두께 얇은 막을 통해 물 분자, 음이온 및 다원자 양이온 투과가 100% 차단됐다. 또 비슷한 크기의 1가 양이온 중 칼륨이온이 선택적으로 막을 통화한 흥미로운 사실을 확인했다. 1가는 전자를 하나 잃었다는 의미다. 

특히 리튬이온 대비 칼륨이온 크기가 약 2배 더 큼에도 불구하고 투과막의 칼륨 선택성을 통해 500% 큰 증폭 이온 신호를 검출해 내는 데 성공했다.

연구팀은 칼륨 선택 투과막이 융합된 하이드로젤 이오닉 트랜지스터를 사용해 살아있는 간조직에서 방출된 칼륨 신호를 세포 손상 없이 실시간 모니터링했다. 칼륨이온 방출량 측정을 통해 아세트아미노펜의 간 독성 매커니즘을 검증했다.

아세트아미노펜은 타이레놀의 주성분으로 과다 복용하면 간 손상이 일어난다. 이때 칼륨이온이 외부로 방출되는데 특정 해독제를 첨가하면 칼륨 방출이 억제됨을 확인했다.

오승수 교수는 "지질막 내부에 삽입된 이온 인식 단위체 교체만을 통해 다양한 분자를 선택적으로 통과시키는 인공 채널도 제작할 수 있다"며 "추후 세포 신호 체계나 뇌과학 연구, 약물 개발뿐만 아니라 리튬이온 추출에도 활용될 수 있다"고 강조했다.

유혜빈 씨는 "자연계 이온 채널이 하지 못하는 다양한 이온의 흐름을 제어하는 인공 이온 채널 분야를 새롭게 개척하고자 한다"고 피력했다.

이번 연구는 지난 7월 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials,)에 게재됐다.

[참고자료]
논문명 : G-quadruplex-filtered selective ion-to-ion current amplification for non-invasive ion monitoring in real time.