나노기술 및 정책 정보

• 목록

중국과학원 산하 "국가 나노 과학 센터"의 딩바오취안(丁寶全, 정보전) 연구원 연구팀은 베이징(北京, 북경) 화공대학교 왕전강(王振剛) 교수 연구팀, 칭화(淸華, 청화) 대학교 류둥성(劉冬生, 유동생) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 바이오 분자 자체조립 촉매 연구에서 혁신성과를 얻었음.

천연적인 산화 환원 효소(예를 들면 과산화물 효소, 옻칠 효소, 포도당산화 효소 등)는 주로 활성 사이트 주변에서 정확하게 배치된 아미노산 잔류기와 보조 인자(Cofactor)에 의존하여 기판의 산화 환원 반응에 대한 효과적인 촉매 역할을 함. 그 중 보조인자가 전자 전달에서 핵심적인 역할을 하지만 환경 온도 상승 혹은 pH 변동 시 폴리펩타이드 체인의 접힘이 풀리면서 반응성 아미노산 잔류기의 공간 배치가 바뀌어 보조인자의 위치 이동, 탈락, 심지어 응집을 통해 효소로 하여금 불가역적으로 비활성화 시키는 것으로 나타났음.

연구팀은 효소 촉매 원리와 구조 특징을 기반으로 하여 발전한 슈퍼 분자 자체조립은 효소의 원천 디자인과 구조를 위해 효과적인 루트를 제공한다는 점을 입증하였음. 연구팀은 이전 연구에서 DNA/폴리펩타이드/다당 분자 자체조립을 통해 보조인자에 의존하는 효소 활성이 일어나는 위치를 확정하였음.

하지만 보조인자가 의존하는 산화 효소 혹은 시뮬레이션 효소는 보조인자가 부족한 상황 및 분자조립과 아미노산 잔류기의 협력으로 촉매 기능을 실현할 수 있는지 여부에 대해서는 명확한 결론을 도출하지 못하였음.

연구팀은 촉매 동력학, 전자 상자성 공명 스펙트럼과 이론 계산을 통해 촉매는 (010) 결정면의 히알루론산 잔류기, 다중 비(非) 공유 원자가 상호 역할 흡착 H2O2와 TMB를 통해 3원 복합물을 형성하는 것을 밝혔음. 수소 탈취 반응, 과산소 자유 라디칼 OOH 형성, 양성자 전이 반응을 통해 물과 테트라메틸 페닐라민 (TMB) 양이온 자유기를 생성시키고, 최종적으로 초기 상태로 돌아간다는 점을 확인하였음.

연구팀은 10회, 심지어 수 백회에 달하는 가열/냉각 혹은 산화/중화 순환 후 개발한 촉매의 활력은 떨어지지 않음을 확인하였음. 통상 헤모글로빈이 함유된 천연 효소 혹은 시뮬레이션 효소는 10회에 달하는 순환 처리를 거친 후에는 활력이 모두 80% 이상 떨어짐.

연구팀은 폴리펩타이드와 폴리이미드펩타이드의 화학적 커플링을 통해 폴리이미드암모니아산을 섬유 형태의 구조로 유도하고, 촉매의 비표면적을 증가시켜 더욱 많은 암모니아산 잔류 기를 표면에 노출시킴으로써 TOF(turnover frequency)를 10배 이상 향상시켰음.

연구팀은 이번 연구를 통해 바이오닉스 촉매 소재 디자인 및 개발에 필요한 새로운 아이디어를 제공함.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ ("Cofactor-free oxidase-mimetic nanomaterials from self-assembled histidine-rich peptides“) 지에 게재됨.