[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 카이스트에서 신약 개발에 필요한 원자 편집 기술을 개발했다. 

‘단일 원자 효과’는 약물 분자 골격에 특정 원자를 도입했을 때 나타나는 효능을 의미한다. 의약품의 효능이 산소, 질소 등과 같은 핵심 단일 원자에 의해 결정되기도 하기 때문에, 원자 종류 중 약효를 극대화하는 원자를 발굴하는 것은 신약 개발에 있어 핵심으로 여겨진다. 

그러나 단일 원자 효과를 평가하기 위해서는 다단계·고비용의 합성 과정이 필연적으로 요구됐다. 산소 혹은 질소 등을 포함한 고리 골격은 고유의 안정성(방향족성)으로 인해 단일 원자만 선택적으로 편집하기 어렵기 때문이다.

이러한 상황에서 박윤수 카이스트 화학과 교수 연구팀이 오각 고리 화합물인 퓨란의 산소 원자를 손쉽게 질소 원자로 편집·교정해 이를 제약 분야에서 널리 활용되는 피롤 골격으로 직접 전환하는 원천 기술 개발에 성공했다. 이는 세계 최초 사례다. 

기존 연구들은 방향족 고리의 높은 안정성에서 비롯된 낮은 반응성을 극복하기 위해 고온이나 고에너지 자외선을 에너지원으로 사용했으나, 본 연구에서는 가시광선을 활용한 비교적 온화한 반응 조건을 통해 이러한 문제들을 개선했다. 

연구 초기 단계에서 여러 광촉매 중 목표 반응을 수행할 수 있는 촉매를 선별 검사한 결과, 유기 광촉매인 아크리디늄(acridinium) 기반의 분자 가위 촉매가 퓨란에서 피롤로의 단일 원자 교정 반응에 가장 효과적임이 확인됐다. 

해당 광촉매가 퓨란을 산화하면, 방향족성이 제거되어 생기는 반응성이 높은 중간체가 아민(질소 기반 친핵체)과 상호작용을 거쳐 피롤을 생성한다고 반응기작을 제안했다. 

밀도 범함수 이론을 활용한 계산 화학적 분석과 여러 반응기작 실험의 교차 검증을 통해 가설을 입증했으며, 다양한 작용기를 포함하는 복잡한 구조의 천연물 및 약물과의 반응에서도 목표 생성물인 피롤이 선택적으로 생성되는 것을 확인함으로써 제시된 방법론의 범용성도 규명했다. 범용성과 관련해 김동현, 유재현 카이스트 화학과 석박사통합과정 학생은 “빛에너지를 활용해 가혹한 조건을 대체하여 해당 기술이 높은 활용성을 가질 수 있었다”며 “복잡한 구조로 이루어진 천연물이나 의약품들을 기질로 활용해도 선택적으로 목표 편집이 수행된다”고 설명했다. 

박윤수 교수는 “오각 고리형 유기 물질의 골격을 선택적으로 편집할 수 있게 됨에 따라 제약 분야의 중요한 숙제였던 의약품 후보 물질의 라이브러리 구축에 새로운 장을 열 것”이라며 “해당 기반 기술이 신약 개발 과정을 혁신하는데 쓰이기를 바란다”고 덧붙였다.

힌편 과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘사이언스’지는 해당 연구의 성과를 인정해 지난 3일 해당 연구의 의의를 퍼스텍티브(Perspective) 섹션에 게재했다.