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백무현 교수, 타이타늄 촉매반응으로 화학소재 올레핀 합성 성공
〈 백 무 현 교수 〉
우리 대학 화학과 백무현 교수 연구팀이 우리 주변에 흔한 타이타늄(Titanium) 촉매를 활용해 플라스틱, 의약품 원료로 사용하는 올레핀(olefins) 합성에 성공했다.
석유화학산업 분야 주요 소재인 올레핀은 보통 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(steam cracking)해 제조한다. 매우 높은 열과 에너지가 투입되고 이산화탄소 등 온실가스가 발생하는 것이 단점이다.
연구결과는 27일 국제학술지 네이처 케미스트리에 게재됐다.
기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단의 부연구단장으로 재직 중인 백무현 교수는 계산화학을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택했고 탄화수소(hydrocarbon)의 수소를 선택적으로 없애는 탈수소반응을 구현했다. 이로써 기존 공정에 비해 10분의 1정도 낮은 온도(75℃)에서 올레핀을 합성했다.
올레핀은 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용하는 기초 원료이다. 활용도가 커 올레핀 합성 과정은 많은 연구자들이 연구주제로 삼고 있다.
올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성되는데 증기 분해 방식은 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 혼합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다.
화학자들은 석유와 천연가스 등 탄화수소 화합물을 가공하거나 분해할 때 열과 에너지를 적게 사용하고, 환경오염이 덜한 화학반응을 구현하기 위해 다양한 촉매반응을 연구했다.
탄소와 수소만으로 결합된 탄화수소는 두 분자 간 결합이 매우 강하기 때문에 결합을 끊고 반응을 유도하는 촉매 개발이 주요 과제였다. 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등 전이금속을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에 활용하기는 어려웠다.
백 부단장은 비싼 전이금속 보다 수십 배 저렴한 타이타늄을 촉매로 적용했다. 백 부단장은 밀도범함수를 활용한 계산 화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했고 미국 펜실베니아대학 연구진은 약 75℃에서 탈수소반응이 성공적으로 이뤄졌음을 실험으로 확인했다.
지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때 탄화수소가 이성질화(isomerization) 되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다.
백 교수는 “이리듐은 반응성이 매우 크지만 값이 비싸고 구하기 어렵다. 반면 타이타늄은 값이 매우 저렴하고 구하기 쉽다”며 “향후 타이타늄 촉매의 반응성과 효율성을 높인다면 기존 올레핀 합성공정의 비용이 줄어들 것”이라고 말했다.
이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 공동으로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 연구진이 제안한 타이타늄 촉매를 활용한 탈수소반응 메커니즘
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 본 탈수소반응 메커니즘
2017.06.28 조회수 18619 -
한순규 교수, 천연 물질인 플루게닌C 합성에 성공
우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 새로운 방식의 화학반응을 이용해 자연 상태에서 존재하는 천연물을 인위적으로 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 분자 간 화학반응의 일종인 라우훗-쿠리어 반응(Rauhut-Currier 반응, RC 반응)을 이용해 이합체 천연물인 플루게닌 C를 합성했다.
전상빈 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학 분야의 국제 학술지 ‘미국화학회지(JACS : Journal of the American Chemical Society)’ 5월 10일자에 게재됐다.
천연물 전합성(Total Synthesis)은 순차적 화학반응을 통해 자연에 존재하는 천연 물질을 실험실에서 인위적으로 합성해내는 연구 분야이다.
이 과정은 각 단계의 화학반응이 모두 성공적으로 이뤄져야만 목표하는 분자에 도달할 수 있어 높은 수준의 인내심, 창의성 등이 요구된다. 학계에서는 천연물 전합성 학자를 가리켜 ‘분자를 다루는 예술가’로 부르기도 한다.
이번 연구는 분자 간 라우훗-쿠리어 반응을 전합성에 응용한 최초의 사례이다. 라우훗-쿠리어 반응은 1963년 라우훗과 쿠리어에 의해 보고된 반응으로 친핵체 촉매에 의해 진행되는 현상이다.
기존의 분자 간 라우훗-쿠리어 반응은 150도 이상의 고온 및 고농도 용액에서 유독한 촉매를 통해 비 선택적으로 진행된다는 한계가 있어 천연물 전합성에 적합하지 않았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 반응물 내부에 친핵체를 위치시켰다. 이를 통해 상온의 옅은 용액에서 촉매 없이 간단한 염기성 시료를 첨가시키는 것만으로도 라우훗-쿠리어 반응을 이끌어 낼 수 있음을 확인했다.
연구팀은 이 반응 조건을 이용해 시중에서 구입 가능한 아미노산 유도체를 12단계를 거쳐 플루게닌 C라는 천연물질로 합성하는 데 성공했다.
한 교수는 “이번 연구는 라우훗-쿠리어 반응의 효율성과 선택성을 획기적으로 향상시킨 발견이다”며 “기존에는 합성할 수 없었던 다양한 천연물, 신약 또는 유기재료를 합성할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST의 정착 연구비, 하이리스크하이리턴(HRHR) 및 RED&B(Research, Education, Development & Business) 과제, 한국연구재단의 신진연구자 지원사업, 기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 대표적인 이합체-소중합체 세큐리네가 알칼로이드
그림2. 플루게닌 C의 합성 경로
2017.05.19 조회수 20311 -
박희성 교수, 맞춤형 단백질 변형기술 동물 모델 적용에 성공
우리 대학 화학과 박희성 교수 연구팀이 아주대 의과대학 박찬배 교수와의 공동 연구를 통해 동물 모델에서 단백질의 아세틸화 변형을 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
인간의 질병 연구에 대표적으로 쓰이는 쥐 모델에서 단백질 아세틸화를 조절할 수 있게 돼 다양한 질병의 원인을 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프런티어사업(의약바이오컨버젼스연구단, 단장 김성훈)과 지능형 바이오시스템 설계 및 합성연구단(단장 김선창), 식약처의 미래 맞춤형 모델동물개발 연구사업단(단장 이한웅)의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 21일자 온라인 판에 게재됐다.
우리 몸의 세포에서 만들어지는 2만 여종의 단백질은 생합성 이후 인산화, 아세틸화, 당화 등 200여 종의 다양한 변형(post-translational modification)이 발생하게 된다.
세포 내 단백질들은 다양한 변형을 통해 기능과 활성이 조절되며 이러한 변형은 생체 내에서 세포 신호 전달 및 성장 등 우리 몸의 정상적인 신진대사 활동을 조절하는 매우 중요한 역할을 한다.
하지만 유전적 또는 환경적 요인으로 인해 단백질 변형이 비정상적으로 일어나면 세포의 신호 전달, 대사 활동 등이 손상돼 암, 치매, 당뇨를 포함한 다양한 중증 질환을 유발한다.
기존에는 이러한 비정상적 단백질 변형을 동물 모델에서 인위적으로 유발시키고 제어하는 기술이 존재하지 않아 질병의 원인 규명 및 신약 개발 연구에 어려움이 있었다.
박 교수팀은 2016년 9월 다양한 비정상 변형 단백질을 합성할 수 있는 맞춤형 단백질 변형 기술을 개발해 사이언스(Science)지에 발표한 바 있다.
연구팀은 기존 연구를 더 발전시켜 각종 암과 치매 등의 이유가 되는 퇴행성 신경질환의 원인인 비정상적인 단백질 아세틸화를 동물 모델에서 직접 구현하는 기술을 개발했다.
연구팀은 이 기술을 바탕으로 실험용 쥐의 특정한 발달 단계나 시기에 표적 단백질의 특정 위치에서 아세틸화 변형을 조절할 수 있음을 증명했다.
또한 다른 조직에 영향을 주지 않고 간이나 콩팥 등 특정 조직이나 기관에서만 표적 단백질의 아세틸화 변형 제어가 가능함을 확인했다.
연구팀은 “이 기술은 암과 치매 등 단백질의 비정상적 변형으로 발생하는 각종 질병의 바이오마커 발굴 등 질병 원인 규명 연구의 획기적인 전기를 마련할 것으로 기대된다”고 말했다.
박희성 교수는 “실용화 될 경우 지금까지 실현이 어려웠던 다양한 질병에 대한 실질적 동물 모델을 제조할 수 있을 것으로 전망된다”며 “향후 맞춤형 표적 항암제 및 뇌신경 치료제 개발 등 글로벌 신약 연구에 새 패러다임을 열 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 아세틸화 변형 조절 마우스 개발 및 아세틸화 제어 결과
그림2. 비정상적인 단백질 변형 및 각종 질병의 모식도
2017.03.06 조회수 19554 -
이해신 교수, 찔러도 출혈 없는 주사바늘 개발
우리 대학 화학과 이해신 교수 연구팀이 홍합이 가진 접착 기능을 모방한 생체 재료를 이용해 찔러도 출혈이 없는 주사바늘을 개발했다.
이번 연구결과는 재료 분야의 네이처 자매지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
모든 의료 처치에서 주사바늘의 사용은 필수이다. 혈액채취, 링거, 카테터, 스텐트 삽입, 약물 및 백신 주사 등 상당수 의료적 처치는 모두 주사바늘을 통해 이뤄진다. 처치 후에는 환부를 수 분 가량 압박해 지혈을 한다.
압박만으로도 건강한 일반인들은 3분 내외로 효과적 지혈을 할 수 있지만 장기입원중인 암 환자, 당뇨병, 혈우병, 아스피린 장기 복용 환자 등은 정상적인 지혈이 어렵거나 불가능한 경우가 많다.
주사바늘에 코팅되는 지혈 재료는 주사 전에는 주사바늘의 표면에 단단히 코팅돼야 하고 주사 후에는 혈관내벽 또는 피부에 부착돼 지혈 기능을 수행해야 한다. 따라서 기계적 물성이 강한 필름형태의 지혈 재료를 사용하는 것이 중요하다.
그러나 기존의 지혈 재료들은 기계적 물성이 약해 주사 과정에서 발생하는 마찰력을 견디지 못하는 한계를 가졌다.
연구팀은 문제 해결을 위해 홍합의 특성을 이용했다. 홍합이 섬유 형태의 족사(어패류의 몸에서 나오는 경단백질의 강인한 섬유다발, )를 이용해 강한 파도가 치는 해안가의 바위에서도 단단히 붙어 생존하는 현상에 착안해 홍합 족사의 구조를 모방했다.
이러한 접착성을 의료기술과 결합하면 수분이 70% 이상 존재하는 생체 환경에서도 우수한 접착 능력을 기대할 수 있다. 연구팀은 이전에도 이를 이용한 다양한 지혈 재료들을 개발해 왔다.
연구팀의 찔러도 피가 나지 않는 주사바늘은 일반 주사바늘에 지혈재료를 코팅해 주사 후에 상처부위를 물리적으로 막아 자발적으로 지혈할 수 있게 만드는 기술이다.
홍합 족사 구조에 존재하는 카테콜아민 성분을 도입한 접착성 키토산을 이용해 주사바늘 위에 지혈기능성 필름을 형성했다. 이후 혈액에 필름이 닿으면 하이드로젤 형태로 순간적으로 전이되면서 지혈 현상이 발생하는 것이다.
이 기술은 지혈 기능에 문제를 갖는 당뇨병, 혈우병, 암 환자와 아스피린 복용자 등에게 적용 가능할 것으로 기대된다.
이해신 교수는 “개발된 기술은 모든 혈관 및 근육 주사에 효과를 보이고 혈우병 모델에서도 효과적인 기능을 보이기 때문에 혈액응고장애가 있는 환자들에게 유용할 것이다”며 “카테터 및 생검바늘 등 다양한 침습 의료기기들과 결합해 새로운 기술의 발전이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
안전성평가연구소의 강선웅, 김기석 박사 연구팀과 ㈜이노테라피(대표 이문수)와의 공동 연구로 진행된 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자도약사업, 보건복지부 암정복추진연구개발사업, 암중개융합연구의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 일반동물모델에대한 근육주사후 지혈효과
그림2. 혈우병동물모델에대한 지혈효과
그림3. 주사기 제조과정 및 표면 특성분석
2016.10.06 조회수 14181 -
박희성, 이희윤 교수, 암, 치매 유발하는 '변형 단백질' 생산기술 개발
우리 대학 화학과 박희성 교수, 이희윤 교수 공동 연구팀이 암과 치매 등 각종 질병을 유발 원인으로 알려진 단백질의 비정상적인변형을 구현할 수 있는 맞춤형 단백질 변형기술을 개발했다.
양애린 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘사이언스(Science)’ 9월 29일자 온라인 판에 게재됐고 '가장 중요한 논문(First Release)'에 선정됐다.(논문명 : A chemical biology route to site-specific authentic protein modifications)
신체의 기본 단위인 세포는 2만여 종의 유전자를 가지고 있다. 여기서 만들어지는 단백질의 종류는 100만 종 이상으로 추정된다. 이는 단백질이 만들어진 후 다양한 단백질 변형(post-translational modification) 현상이 일어나기 때문이다.
이러한 단백질 변형의 원인으로는 인산화, 당화, 아세틸화, 메틸화 등 200여 종이 알려져 있으며, 정상적으로 변형된 단백질들은 생체 내에서 세포 신호 전달, 성장 등 정상적인 신진대사 활동에 중요한 역할을 한다.
그러나 유전적, 환경적 요인으로 인해 비정상적 단백질 변형이 일어나면 세포의 대사활동과 신호전달이 손상돼 세포의 무한 분열을 초래하기도 한다. 각종 암은 물론 치매를 일으키는 퇴행성신경질환 및 당뇨를 포함한 각종 만성질환을 유발한다.
이전에는 이러한 비정상적인 단백질 변형을 구현한 맞춤형 변형 단백질 개발기술이 존재하지 않아 각종 질병의 원인 규명과 맞춤형 신약 개발 연구에 많은 어려움이 있었다.
연구팀은 2011년 암을 일으키는 직접적인 원인으로 알려진 비정상적인 단백질 번역 후 인산화를 구현하기 위한 맞춤형 인산화 변형 단백질 생산기술을 개발해 사이언스지에 논문을 발표했었다.
이번 연구는 지난 2011년의 선행연구 결과를 더욱 발전시켜 인산화 이외에 당화, 아세틸화 등과 같은 다른 200여종의 단백질 변형을 직접 구현해 원하는 변형 단백질을 합성할 수 있는 기술이다.
박 교수는 “이 기술을 활용하면 원하는 위치에서 원하는 종류의 맞춤형 변형 단백질 생산이 가능해져 암과 치매 등 단백질 변형으로 인해 발생하는 질병의 직접적인 원인을 밝힐 수 있다”며 “신약 및 치료제 개발 속도를 높이고 발생할 수 있는 부작용을 최소화할 수 있는 획기적인 기술이다”고 말했다.
이번 연구는 글로벌프론티어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 맞춤형 단백질 변형 기술 개발
그림2. 맞춤형 단백질 변형 기술의 활용
2016.10.03 조회수 11330 -
유룡 교수, 3차원 그래핀 합성 기술 개발
〈 유 룡 교수 〉
우리 대학 화학과 유룡 교수 연구팀이 꿈의 소재 그래핀의 성능을 뛰어 넘는 3차원 그래핀 합성법 개발에 성공했다.
연구팀은 제올라이트 주형과 란타늄 촉매를 활용한 나노주형합성법으로 그래핀의 강점을 고스란히 살린 마이크로 다공성 3차원 그래핀을 제작했다.
기존의 3차원 그래핀은 2차원 평면구조를 곡면으로 구현, 반응면적이 좁고 2차원 구조로 되돌아가는 등의 문제로 상용화가 어려웠다.
그러나 새롭게 개발된 3차원 그래핀은 완벽한 입체 결정 구조로 안정성과 우수한 물성을 고루 갖춰, 화학공업용 고효율 촉매 패키징, 고성능 배터리 음극제, 고효율 여과막(멤브레인) 등 다용도로 활용이 가능, 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
연구진은 제올라이트 주형의 미세기공에 란타늄 양이온을 촉매로 주입함으로써, 기공 내 탄화수소기체(에틸렌‧아세틸렌)의 탄화온도를 낮춘 것이 이번 연구의 핵심이라고 밝혔다. 그 결과 미세기공 속에서도 원활한 탄소 증착을 유도해 견고한 탄소 결정 구조물을 구현해냈다. 마지막으로 산용액(염산, 불산)으로 제올라이트 주형을 녹여내 3차원 그래핀을 만들어 냈다. 연구진은 포항가속기연구소와 한국기초과학지원연구원 서부센터의 도움을 받아 X선 회절 분석법으로 3차원 그래핀의 완벽한 탄소 결정구조를 확인했다.
연구진은 이번 연구로 과거 이론적 구상에 그쳤던 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 양산법이 고안 됨에 따라, 앞으로 실제 양산과 산업 적용이 이뤄지며 화학공업 등 관련 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 전망하고 있다.
실제로 연구진은 3차원 그래핀을 기존 상업용 그래핀 전지의 음극재로 시험 적용, 기존 약 100mAh의 정전용량을 약 300mAh(전류밀도 8mA/cm²기준)로 끌어올렸다. 특히 이번 연구는 주재료인 제올라이트가 1톤 당 300달러 정도로 매우 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제거하는 공정도 단순하다. 또한 대량 합성에서도 높은 재현성을 보여, 머지 않아 본격적인 양산으로 이어질 것으로 보인다.
유 교수는 “그 동안 여러 가지 실험상의 어려움으로 제올라이트를 주형으로 3차원 그래핀을 만드는 연구가 크게 활성화되지 못했었다”며 “이번 연구 결과를 계기로 많은 과학자들이 이러한 탄소나노물질에 관심을 갖게 될 것이며, 2차원 그래핀의 장점에 더해 넓은 반응면적과 다양한 응용이 가능한 나노 다공구조를 갖춘 3차원 그래핀은 응용 분야에서도 큰 관심을 끌 수 있을 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 마이크로 다공성 3차원 그래핀의 투과 전자현미경 사진
그림2. LTA 제올라이트를 활용한 탄소합성 결과
그림3. 마이크로다공성 3차원 그래핀의 전기전도도 측정결과
그림4.제올라이트 기공내부에 형성된 탄소의 전자밀도
2016.06.30 조회수 15411 -
박오옥, 한상우 교수, 팔 14개 달린 금 나노입자 개발
우리 대학이 중심 입자에 14개의 팔 모양 입자가 달린 이원 구조의 금 나노입자를 개발했다.
이 기술은 팔 모양 입자 주변에서 전기장을 강하게 증폭시켜 표면증강 라만분광을 이용해 미량의 물질도 검출할 수 있다. 이를 통해 화폐 보안물질, 인체 광열치료 등에도 활용 가능할 것으로 기대된다.
생명화학공학과 박오옥 교수, 화학과 한상우 교수, 한국화학연구원 김도엽 박사와가 공동으로 진행한 이번 연구 성과는 광학 재료분야 학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 씨(Journal of Materials Chemistry C)’ 4월 21일자 표지논문으로 게재됐다.
중심에 팔 모양의 입자가 달린 이원구조의 금 나노입자는 외부의 빛과 반응해 팔 모양 주변에서 전기장이 강하게 증폭된다. 이를 통해 금 나노입자를 기판으로 활용해 물질을 그 위에 올리면 적은 농도로도 쉽게 물질의 검출이 가능해진다.
하지만 기존 기술은 중심 나노입자에 달린 팔 모양 입자의 크기, 길이를 정밀하게 제어하지 못해 형태가 제각각인 금 나노입자만 얻을 수 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 14개의 꼭지점을 갖는 사방십이면체 형태의 금 나노입자를 먼저 합성 후 꼭지점 부분만 선택적으로 성장시켰다.
이를 통해 팔이 14개 달린 이원구조의 금 나노입자를 합성했고 팔 크기나 길이를 조절해 광학특성 및 전기장 세기 증폭을 조절할 수 있게 됐다.
연구팀은 유한차분 시간영역법을 통한 시뮬레이션과 표면증강라만산란 실험을 통해 이원 구조에서의 팔의 크기가 작을수록, 몸통 입자의 크기가 클수록 전기장 세기가 강하게 증폭됨을 증명했다.
이 기술을 표면증강라만분광(surface-enhanced Raman spectroscopy)에 이용한다면 물질의 분자 검출 및 분석 등에 응용할 수 있다.
박 교수 연구팀은 이전 연구에서도 美 워싱턴대학 유난 시아(Younan Xia) 교수와의 공동연구를 통해 6개의 팔 모양 입자가 달린 이원구조의 금 나노입자 합성기술을 개발한 바 있다. 이번 연구에서는 이원 구조 금 나노입자의 성장과정 분석과, 더 나아가 이론적 계산을 통한 금 나노입자 표면에서의 전기장 세기가 증폭됨을 확인했다.
또한 실제 표면증강 라만산란 실험을 통한 특정분자 검출 등 다각적 연구를 통해 이원구조 금 나노입자의 응용 가능성을 높였다.
연구팀은 “새로운 접근법을 통한 이원구조 금 나노입자의 팔 개수, 길이 등의 조절로 광학특성 등 물리적 성질을 제어하는 기술을 개발했다”며 “이를 통해 라만분광법을 이용한 물질 검출이나 화폐보안물질 등에 응용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 산하의 한국연구재단-선도연구센터지원사업, 나노·소재기술개발사업 및 기초연구사업과 KAIST 기후변화연구허브사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 중심입자에 14개의 팔이 달린 이원구조의 금 나노입자와 팔의 크기만 선택적으로 조절된 금 나노입자의 전자현미경 이미지
그림2. 팔 크기 변화에 따른 전기장 세기를 유한차분 시간영영법으로 시뮬레이션한 결과와 표면증강라만 신호 결과
2016.05.10 조회수 18538 -
백무현 교수, 메탄가스의 화학적 분해 성공
〈 백 무 현 교수 〉
우리 대학 화학과 백무현 교수 연구팀이 촉매반응과 합성이 까다로운 메탄가스를 화학적으로 분해하는데 성공했다. 이로써 메탄가스를 대체에너지원은 물론, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 원료로 활용할 수 있는 실마리를 제시했다.
기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단은 전이금속인 이리듐을 활용한 붕소화 촉매반응으로 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 화학반응을 활성화하는 과정을 이론과 실험으로 증명했다.
백 교수는 계산 화학으로 화학반응에 필요한 정확한 촉매후보물질을 예측했으며 반응 메커니즘을 규명했다.
기존 연구에서 탄소-수소 결합 활성화 반응 생산율은 2~3%에 머물러 사실상 불가능에 가까운 화학반응으로 간주되었다. 하지만 연구팀은 촉매로 탄소-수소 결합 활성화 생성물의 생산율을 약 60%까지 끌어올렸다.
메탄가스는 탄소와 수소로만 이뤄진 탄화수소(hydrocarbon)* 물질 중 하나다. 매년 5억톤 이상 발생하고 발생량이 점차 늘고 있다. 탄화수소 혼합물은 활용성이 높지만 메탄가스는 탄소-수소 결합이 매우 강해 활용이 어렵다.
상온에서 기체 상태인 메탄가스를 액화시키려면 높은 압력과 온도가 필요한데, 복잡한 공정이 동반되고 많은 경제적 비용이 소요된다. 메탄가스를 운송하려 해도 액화 중 에너지 밀도가 낮아져 활용도가 떨어진다.
원유 생산지에서 발생하는 메탄가스는 경제성이 없어 태우는 게 일반적이다. 이 때 환경에 유해한 이산화탄소, 일산화탄소가 다량 발생한다.
이번 연구는 메탄가스를 새로운 에너지원과 석유화학 산업의 원료로 사용할 수 있다는 가능성을 보여줬다는데 의의가 있다.
연구팀이 촉매반응으로 만든 탄소-수소 결합 활성화 생성물은 어떤 분자와 작용하느냐에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 생성물에 물을 더하면 메탄올을 만들 수 있으며 다른 화합물과 반응시키면 플라스틱, 의약품, 의류 등의 화학제품의 원료로도 사용할 수 있다.
또한 연구진이 규명한 화학 반응을 활용하면 이산화탄소와 함께 기후 변화의 주요인으로 꼽히는 메탄가스를 제어할 수 있으므로 온실가스를 크게 줄일 수 있다.
다만 촉매로 사용한 붕소와 이리듐 가격이 비싸기 때문에 이를 대체할 유기금속촉매를 개발하는 것이 과제다.
이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 미국 미시간 주립 대학의 밀턴 스미스(Milton R. Smith Ⅲ) 교수 그룹과의 공동연구로 진행되었다. 연구결과는 세계적 학술지인 사이언스(Science, if=33.611)에 3월 26일에 게재되었다.
□ 그림 설명
그림1. 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성화 반응물을 위한 연구진 실험 내용
그림2. 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성 붕소화 촉매반응 기작
2016.03.29 조회수 13989 -
이희승 교수, 펩타이드 자기 나침반 개발
〈이 희 승 교수〉
우리 대학 화학과 이희승(47) 교수 생체모방 유기분자 연구팀이 순수 유기화합물만으로 구성된 펩타이드 자기 나침반을 개발했다.
이번 성과는 네이처(Nature) 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
금속화합물, 산화금속과 같은 강자성(ferromagnetic) 및 상자성(paramagnetic)을 갖는 자성물질은 이들의 자기적 특성을 이용해 다양하게 응용되고 있다.
반면, 펩타이드와 같은 반자성(diamagnetic) 유기분자들은 금속성 물질에 비해 자기민감성(magnetic susceptibility)이 현저히 낮아 수 테슬라(Tesla) 이상의 강한 자기장에도 반응하지 않기 때문에 비 자성(non-magnetic) 물질로 취급됐다.
또한 반자성 특성은 분자수준에서 관찰이 어렵고 효율성이 낮아 한계가 있는 것으로 여겨졌다.
물론 이론적으로는 반자성 분자라도 열에너지를 극복할 수 있는 다수의 분자가 일정한 규칙으로 정렬된 집합체가 되면 반자성 정렬(diamagnetic alignment)이 가능하다. 따라서 외부자기장의 변화에 실시간으로 반응하는 분자기계의 개발이 가능하지만, 이를 실험적으로 증명한 예는 없었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 폴덱쳐(foldecture)라고 이름 지은 독창적인 나선형 펩타이드 분자 자기조립체를 개발했다. 이는 독특한 3차원 모양의 일정한 크기를 갖는 비금속 유기물질이고, 반자성 특성을 갖지만 이를 구성하는 펩타이드 분자들이 높은 결정성과 일정한 규칙성을 갖도록 설계됐다.
이러한 규칙성과 결정성 등의 특징은 펩타이드 자기조립체가 외부 자기장 방향을 따라 정렬할 수 있게 만들었다.
또한 MRI 장비의 자기장 세기보다 낮은 1 테슬라 이하의 회전자기장에서도 폴덱쳐들이 실시간으로 감응하며 정렬해 수용액상에서 실시간 회전운동도 가능함을 최초로 증명했다.
연구팀은 체내에 마그네토좀이라는 자기나침반을 지닌 주자성 박테리아(magnetotactic bacteria)의 행동 양식에 착안해, 순수 유기화합물질인 폴덱쳐를 이용해서 외부 자기장의 방향 변화를 민감하게 가리킬 수 있는 수 밀리미터 크기의 하이드로겔 나침반을 구현하는데 성공했다.
이번 연구에서 밝혀진 펩타이드 자기조립체의 반자성 정렬 현상은 반자성 물질 연구에 대한 새로운 시각을 제시했을 뿐 아니라 폴대머 및 펩타이드 자기조립 연구와 자극반응성 분자기계, 유기나노물질의 움직임 제어 등 다양한 관련 응용연구 분야에 영향을 끼칠 것으로 기대된다.
이 교수는“이번 성과를 통해 자기제어가 가능한 생체 친화적 유기 나노/마이크로소재 연구개발이 활성화될 것으로 기대된다”고 말했다.
KAIST 화학과 권선범 박사가 제 1 저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐고, KAIST EEWS 대학원 김형준 교수팀, 화학과 최인성 교수의 세포피포화 연구단과의 공동연구를 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 주사전자현미경을 통해 관찰된 폴덱쳐의 자기정렬 현상
그림2. 펩타이드 1 및 2 의 분자구조식과 이들의 자기조립을 통해 합성된 폴덱쳐의 전자현미경 사진
2015.12.02 조회수 12876 -
화합물의 광학 활성 분석 기술 개발
〈 김 현 우 교수〉
우리 대학 화학과 김현우 교수 연구팀이 핵자기공명 분광분석기(NMR)를 통해 전하를 띠는 화합물의 광학 활성을 간단히 분석할 수 있는 기술을 개발했다.
연구 결과는 화학분야 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 10월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
오른손과 왼손처럼 같은 물질이지만 거울상 대칭이 되는 화합물을 광학 이성질체라고 한다.
지구상의 생명체를 이루는 아미노산과 당은 하나의 광학 이성질체로 이뤄져 있어 새로운 화합물이 생체에 들어갈 때 광학 활성에 따라 서로 다른 생리학적 특징을 나타낸다. 따라서 신약을 개발할 때 광학 활성을 조절하고 분석하는 연구는 필수적이다.
광학 활성의 분석 방법으로 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)가 주로 사용되는데, 고가의 부품을 구비해야 하고 30분에서 1시간 정도의 시간이 소요되는 단점이 있다.
또한 신호의 감도 및 분해 기능이 떨어지고 사용할 수 있는 용매가 무극성에 한정되는 점 때문에 활용에 한계가 있었다.
반면 화합물의 분자 구조 분석에 활용되는 핵자기공명(NMR) 분광분석기는 1~5분 정도의 빠른 분석속도를 갖고 있다. 또한 화학 분야에서 분자의 구조를 확인하기 위한 필수 장비이기 때문에 대부분의 연구실에서 구비된 상태다.
하지만 이 핵자기공명 분광분석기를 통해 광학 활성 화합물의 신호를 분리하는 효과적인 방법은 보고되지 않았다.
연구팀은 기존에 알려지지 않은 음전하를 띠는 금속 화합물과 핵자기공명 분광분석기를 이용해 분석 방법을 개발했다.
음전하를 띤 금속 화합물이 양전하 및 음전하를 갖는 광학활성 화합물과 이온성 결합을 하면 핵자기공명 분광분석기를 통해 신호가 구별돼 광학 활성을 분석할 수 있는 원리이다.
이 방법을 사용하면 구조적 제약 없이 다양한 화합물을 분석할 수 있고, 비극성 및 극성 용매에 모두 적용 가능하다는 장점을 갖는다.
연구팀은 다양한 신약 및 신약후보 물질들은 전하를 띨 수 있는 작용기를 포함한 경우가 많아 연구팀의 새로운 분석 방법이 신약 개발에 직접적으로 활용 가능할 것으로 기대된다고 밝혔다.
김 교수는 “간단한 화학적 원리를 통해 기존의 틀을 깨는 혁신적 분석방법을 만들었다”며 “이 방법이 신약개발에 많이 활용되길 기대한다”고 말했다.
화학과 서민섭 박사과정(1저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단과 슈퍼컴퓨팅연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 금속 화합물과 이온성 상호작용으로 광학활성을 가진 화합물의 NMR 신호가 분리되는 현상
그림2. 다양한 광학활성 물질이 분리되는 그림
2015.11.10 조회수 16073 -
대장균의 생물막 형성 제어 기술 개발
〈이 영 훈 교수〉
우리 대학 화학과 이영훈 교수 연구팀이 작은 RNA(small RNA : sRNA)의 발현을 조절해 대장균의 생물막 형성을 제어할 수 있는 기술을 개발했다.
연구 결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 10월 15일자에 게재됐다.
세균들은 외부의 여러 환경으로부터 스스로를 보호하기 위해 다량체로 이뤄진 세포성분을 분비한다. 이로 인해 고체 표면이나 살아있는 생물 조직에서 생물막(biofilm)이라는 3차원 구조물이 형성된다.
이 생물막은 제거가 어려울 뿐 아니라 세균의 생체 내 증식, 치석, 의료기기 오염, 수도관, 정수기 등에 분포해 각종 산업시설에서 광범위한 문제를 일으키고 있다.
특히 생물막을 형성하고 있는 세균들은 항생제에 매우 높은 내성을 가질 수 있어 슈퍼박테리아의 항생제 내성의 주요 원인이기도 하다.
생물막 형성에 크게 관여하는 세균 내의 sRNA는 표적 메신저 RNA(mRNA) 또는 단백질과 상호작용해 세포대사를 조절하는 핵심 요소로 기능한다. 학자들은 생물막 형성의 원리를 규명하기 위해 이 sRNA를 연구해 왔다.
현재 대장균에서는 100여 종의 sRNA가 보고됐다. 연구팀은 이 중 99종을 분석해 각각의 대장균 sRNA를 발현할 수 있는 라이브러리를 구축했다. 이후 이를 통해 환경적 스트레스 대응과 밀접한 관련성을 가져 생물막 형성에 핵심이 되는 sRNA를 탐색했다.
그 결과로 연구팀은 생물막 형성에 관여하는 sRNA를 새롭게 발견했고, 생물막 형성을 위한 생리적 변화(세포운동성, I형 핌브리아 형성, 컬리핌브리아 형성)를 일으키는 sRNA들을 분석하는 데 성공했다.
이 분석 방식은 기존의 유전체적 분석을 통한 sRNA 작용 원리 규명 연구에 비해 이 교수 연구팀은 특정 sRNA의 기능을 직접 분석할 수 있어 신속하고 효율적으로 작용 원리를 규명할 수 있다는 장점을 갖는다.
이번 연구를 통해 생물막 형성과정에 관여하는 신호 전달체계를 이해하는 후속 연구 뿐 아니라, sRNA를 진단 마커나 약물 타겟으로 삼아 세균의 병원성 제어에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 교수는 “세균의 생물막 형성과 분해를 원하는 방향으로 제어할 수 있게 됐다”며 “향후 99종의 sRNA 각각에 대한 돌연변이 균주도 확보해 함께 활용할 예정이다”고 말했다.
화학과 박근우, 이정민 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구), 기초연구실 지원사업, 중견연구자 지원사업(도약연구)을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1 . 세균 생물막 형성과정의 모식도
그림 2. sRNA의 발현양에 비례하여 생물막 형성의 억제. 생물막 형성이 많을수록 진한 보라색
그림 3. 99종의 대장균 sRNA와 라이브러리 구축에 사용된 pHMB1 플라스미드의 구조
2015.10.28 조회수 14677 -
새 인공 형광 단백질 나노 조립체 개발
정 용 원 교수
우리 대학 화학과 정용원 교수 연구팀이 새로운 모양과 다양한 크기의 인공적 형광 단백질 나노 조립체를 개발했다.
이 단백질 나노 조립체 연구로 단백질 기반 신약 및 백신 개발 등 새로운 나노구조체 분야에 활발한 적용이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 14일자 온라인 판에 게재됐다.
우리 몸의 필수 구성요소인 단백질은 나노미터 크기의 특성과 더불어 무한한 기능과 구조를 갖고 있다는 점에서 새로운 물질 및 구조체 개발에 매우 적합한 것으로 알려져 있다.
특히 단백질 다수가 조립된 다중 조립체는 새로운 성질과 모양, 크기를 가지며 생체친화적인 나노 구조체이기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 단백질 다중 조립체는 다수의 단백질이 동시에 작용하기 때문에 결합력을 극대화 해 신약, 백신 기능 향상 연구에 중요한 방법론을 제시할 것으로 기대되기 때문이다.
이 조립체의 상업적, 연구적 이용을 위해선 조립된 단백질의 수가 정확히 조절되고, 다양한 크기의 조립체를 제작할 수 있어야 한다. 하지만 현재의 기술로는 조립체의 크기에 따라 정밀히 분리하는 것이 쉽지 않다.
연구팀은 문제 해결을 위해 인공적 형광 단백질 조립체를 세포 내 합성을 통해 다양한 크기로 제작했다. 또한 조립체 표면 개량을 통해 거대 생체분자의 안정성을 향상시켰고, 다양한 크기의 조립체를 분리할 수 있는 방법을 최초로 개발했다.
이 방법을 이용해 다각형 및 선형 배열을 갖는 형광 단백질 조립체 또한 제작해 관찰했다. 이 과정에서 나노크기 공간에서의 결합 단백질의 개수를 증가시켰고, 기존 단일 단백질보다 비약적으로 향상된 결합력을 확인했다.
정 교수는 “이번 단백질 조립체 제작 기술은 다양한 모양과 크기, 기능성을 갖는 새 조립체 제작의 기반이 될 것이다”며 “비약적으로 향상된 기능을 가진 단백질 신약, 백신, 혹은 결합 리셉터 연구에 핵심적 역할을 할 것”이라 말했다.
정용원 교수 지도 아래 김영은 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 우리 대학 김호민 교수 연구팀이 참여했으며, 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(바이오나노 헬스가드 연구단) 및 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 형광단백질 조립체 모식도 및 전자현미경 사진
2015.05.26 조회수 14253