달달한 음료를 마시며 쓴맛을 느껴본 적이 있는가? 설탕보다 200배의 단맛을 내는 인공감미료 아스파탐의 거울상 이성질체는 완전하게 다른 특성인 쓴맛을 낸다. 이런 성질은 의약품에서 전혀 예측하지 못한 부작용으로 나타나기도 하는데, POSTECH(포항공과대학교. 총장 김무환) 연구팀이 거울상 이성질체를 선택적으로 생산할 수 있는 촉매를 개발해 부작용 없는 약에 대한 기대가 높아졌다.

화학공학과 윤용주 교수, 통합과정 정일준 씨, 송병주 씨, 김정명씨 연구팀이 백금 나노입자의 선택적인 표면 구조 노출을 통해 거울상 이성질체 중 하나를 선택적으로 생산하는 백금 나노촉매를 개발했다.

거울상 이성질체 선택도란 분자의 카이랄성과 관련이 있다. 카이랄성은 원자들의 연결 관계는 똑같지만, 왼손과 오른손처럼 좌우가 서로 뒤집혀 대칭을 이루는 3차원 분자 특성을 가리킨다. 원자 구성과 결합이 같아도 좌우 구조가 대칭을 이루면 거울상 이성질체가 되는데, 인체를 포함한 자연에 존재하는 단백질은 모두 단일 카이랄성을 가지기 때문에 두 거울상 이성질체는 생체 내에서 서로 다른 생리 작용을 나타내는 것으로 알려져 왔다.

실제로 1950년대에 임산부들의 입덧 방지용으로 판매된 탈리도마이드는 의도치 않게 두 거울상 이성질체가 함께 만들어져 기형아 출산이라는 심각한 부작용을 유발했으며, 결핵 치료제 성분인 에탐부톨의 한 거울상 이성질체는 실명을 유발할 수 있다. 전 세계 의약품 중 절반 이상은 카이랄성을 지니는 화합물을 주성분으로 하기 때문에 의약품의 개발 또는 생산 과정에서 거울상 이성질체의 순도는 항상 중요한 기준에 포함된다. 따라서 고순도의 단일 거울상 이성질체를 생산하기 위한 하나의 방법으로 선택적 촉매 반응을 활용한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 그중에서도 반응물 및 생성물과의 분리와 재사용이 쉬워 산업적 활용 측면에서 큰 장점이 있는 불균일계 촉매를 활용한 거울상 이성질체 선택적 촉매 반응을 연구해왔다. 수 나노미터 크기의 백금 나노입자 합성 과정에서 사용된 고분자들을 간단히 열처리함으로써 특정 표면 구조만 노출된 백금 촉매를 제조하는 데에 성공했다.

또한, 노출된 특정 표면 구조와 거울상 이성질체 선택도 간의 관계 분석을 통해, 거울상 이성질체 선택도를 극대화할 수 있는 백금 나노촉매의 표면 구조를 규명했다.

연구팀은 이번 연구 결과가 높은 거울상 이성질체 선택도를 나타내는 금속 나노촉매의 설계 방향을 제시할 것으로 내다봤다. 더 나아가 이 기술은 단일 거울상 이성질체의 순도를 극대화해 인체에 미치는 부작용을 최소화하는 카이랄 의약품 제조 원천 기술로 활용될 것으로 기대된다.

한편, 미국화학회가 발간하는 촉매 전문 학술지 ‘미국화학회 촉매지(ACS Catalysis)’ 에 발표된 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업과 LG화학의 지원으로 수행됐다. 

POSTECH-새소식-연구성과(2021-01-07​)