나노기술 및 정책 정보

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● 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과의 이진우 교수, 가천대학교 바이오나노학과의 김문일 교수, 포항공과대학교 화학공학과의 한정우 교수 공동 연구팀이 새로운 무기 소재인 나노자임을 합성한 후, 이를 질병 물질 검출 센서에 도입하여 6개의 표적 물질을 동시에, 그리고 민감하게 검출할 수 있는 종이 센서를 개발

● 효소를 정제해서 검출 및 치료 등 다방면에서 활용이 가능하다는 것이 보고돼 왔지만, 과산화효소 모방 나노자임은 산성에서만 활성을 지니기 때문에 중성 상태에서도 과산화효소 활성을 모방하면서 표적 물질의 산화효소를 담을 수 있는 나노자임의 개발은 필수인 상황

● 이에 연구팀은 밀도범함수이론(DFT)을 도입해 기존에 과산화효소 활성이 있던 산화 세륨 위에 어떠한 원소를 도핑할 경우 중성에도 과산화효소 활성이 유지될지 스크리닝을 진행하였으며, 계산을 통해 코발트 원소가 최적 물질임을 예측

● 중성에서의 활성을 유도할 코발트 원소를 도핑하면서 산화효소를 적재할 수 있게 17 나노미터(nm)의 큰 기공을 지니는 메조 다공성 구조의 산화세륨 합성에 성공

● 메조 다공성 나노물질들이 2~3 나노미터(nm) 기공을 지니는 것과 달리, 연구팀은 열처리 과정에서의 변화를 통해 큰 기공을 지니도록 합성할 수 있었고, 이 기공에 산화효소들을 적재할 수 있다는 것을 확인

● 또한, 합성된 나노자임은 중성(pH 6)에서 최적 활성을 지녀 pH의 변경 없이 산화효소와 연쇄 반응을 일으킴.

● 연구팀은 개발한 나노자임에 중요한 질병 진단물질인 글루코오스, 아세틸콜린, 콜린, 갈락토오스, 콜레스테롤의 산화효소를 담아, 과산화수소를 포함한 6개 물질을 동시에 검출할 수 있는 종이 센서를 개발

● 해당 종이 센서는 20분 만에 6개 물질을 빠르게 검출할 수 있으며, 하나의 물질만 검출할 수 있는 기존 센서들의 검출한계보다 더 좋은 성능을 나타냄.

● 또한, 산화효소를 메조 다공성 산화세륨에 적재해 60℃의 고온에서도 안정적이고, 60일이 넘는 시간 동안 안정적으로 작동함을 확인

● 연구팀은 해당 연구를 통해 종이 센서뿐만 아니라 각종 진단 및 암 치료에 나노자임을 도입해 진단 및 치료 분야에 큰 도약을 이뤄낼 것으로 기대

※ 용어설명

- 나노자임(Nanozyme): 단백질로 이루어진 효소와 달리 무기물질로 합성된 효소 모방 물질로 기존 효소의 단점으로 꼽히는 안정성, 생산성 그리고 가격적 측면에서 매우 뛰어나며, 기존의 효소가 사용되던 질병 진단 시스템에 그대로 활용 가능

※ Advanced Functional Materials 게재(2022.02.14.), “Rational Development of Co-Doped Mesoporous Ceria with High Peroxidase-Mimicking Activity at Neutral pH for Paper-Based Colorimetric Detection of Multiple Biomarkers”

※ 한국연구재단(중견연구자지원사업) 지원