나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 생물 물리 연구소 산하 "중국과학원 나노 효소 공정 실험실" 가오리쩡(高利增, 고리증), 판커룽(范克龍, 범극룡) 연구원 연구팀은 중국과학원 윈사(院士)인 옌시원(閻錫蘊, 염석온) 연구원 연구팀과 공동 연구를 통해, 나노 효소 구조와 기능 특징 통합에 대한 천연 효소의 활성 중심과 보조 인자의 협동 역할을 모방하여 새로운 과산화물 효소의 다양한 천연 효소 활성을 시뮬레이션으로 나노 효소를 설계함. 동 나노 효소를 기반으로 생리 조건에서 작업이 가능한 인공 과산화물 효소(artificial peroxisome)를 개발하고, 고 요산(尿酸) 혈증(血症) 개선과 빈혈성 뇌졸중 치료에 사용하였음.

연구팀은 천연 효소의 활성 중심과 보조 인자의 구조 특징 및 협동 역할을 모방하여 질소 도핑 탄소 나노 효소 구조에 Fe 원소를 도입시키고 천연 효소 보조 인자와 유사한 Fe-N 배위 구조를 형성시켰음. 소재를 합성한 후 다양한 표면 특징 결과를 통해 Fe와 N 원소를 중공 탄소 구(球) 구조 속에 성공적으로 도핑시켜 도핑된 Fe와 N 원소가 탄소층 속에서 Fe-N4 배위 헤테로 고리 구조를 형성시킨다는 점을 발견하였음.

이런 구조는 천연 효소 보조 인자 속의 철 포르피린(iron porphyrin) 구조 특징과 매우 유사하며, 이런 나노 효소 표면은 철 원자를 함유하고 있기 때문에 Fe 클러스터 구조를 형성하였음. Fe 클러스터를 보조 인자로 사용하고 Fe-N4를 보조 베이스로 사용하는데 이런 구성을 통해 취득하게 되는 새로운 나노 효소는 안정적이고 다양한 효소 활성을 보유하고 있는데 구체적으로 과산화수소 효소, 요산(尿酸) 산화 효소, 슈퍼 산화물 디스무타아제(dismutase), 과산화물 효소와 산화물 효소가 포함되어 있음.

질소 도핑 나노 효소에 비해 신형 나노 효소의 종류별 효소 활성은 모두 뚜렷이 향상되는 것으로 나타났는데 그 중 슈퍼 산화물 디스무타아제(dismutase)의 활성은 1000U/mg 수준에 이르고, 촉매 활력은 천연 효소와 비교할 수 있는 수준에 도달하는 것으로 나타났음.

많은 효소 활성을 가진 나노 효소와 세포 내부의 과산화물 효소는 여러 가지 유사한 부분이 있으며, 과산화물 효소는 단일층 필름으로 코팅되어 있는 이종접합 특성을 가지고, 진핵(眞核) 세포 속에 폭넓게 존재하고 있음. 관련 특징을 가진 효소는 과산화수소 효소, 요산 산화 효소 등이며, 산소 농도, 항산화, 해독과 지방산 산화 등을 조절할 수 있는 중요한 생물학 기능을 발휘하는 것으로 나타났음.

연구팀이 이번에 디자인한 새로운 나노 효소는 몇 가지 유형의 효소 활성이 모두 과산화물 효소 중의 중요한 특징 효소와 유사하며, 안정성이 높고, 활성 위치점이 나노 구조 표면에 위치하여 촉매 반응에 더욱 유리하기 때문에 인공 과산화물 효소는 생체 내부의 관련 질환 치료에 사용될 수 있는 것으로 나타남.

그 외, 이런 나노 효소는 과산화물 효소와 유사한 기능을 발휘하는 동시에 다양한 활성 사이에서 직렬 반응을 할 수 있기 때문에 연구팀은 나노 효소(nanozysome)라고 명명하여 기존의 단일 활성 위주의 나노 효소와 구별할 수 있도록 하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 새롭게 디자인한 나노 효소에 기반하여 인공 과산화물 효소를 개발하였는데 이런 인공 과산화물 효소는 요산 산화물 효소/과산화물 수소 효소, 슈퍼 산화물 디스무타아제(dismutase)/과산화수소 효소 사이의 클래스 반응을 통해 동물의 고 요산(尿酸) 혈증(血症)과 빈혈성 뇌졸중에 대한 효과적인 치료를 할 수 있는 것으로 나타났음.

이런 인공 과산화물 효소는 안정적이고 효율적으로 생체 내부에서 다양한 기능을 발휘할 수 있는 인공 세포에 속하며, 연구팀이 이번 연구를 통해 개발한 인공 과산화물 효소는 이미 보도된 단일 원자 나노 효소와 달리 인공 과산화물 효소 속에서 Fe-N4 단일 원자 구조와 철 클러스터 간 협동 역할을 발휘하며 높은 촉매 활성을 취득할 수 있는 핵심이 되고 있는 것으로 나타났음.

탄소 나노 효소의 다 원소 도핑은 천연 효소의 모방 디자인을 실현하여 성능이 우수한 인공 과산화물 효소를 취득하고, 생체 내부 촉매 치료에 응용할 수 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("A nanozyme-based artificial peroxisome ameliorates hyperuricemia and ischemic stroke") 지에 게재됨.