'분자 주령구' 개발.. 약물운반 분자그릇

전통 문화재 형태를 모방
가장 큰 크기의 분자 케이지 합성
약물 운송체로 활용 가능

방사광가속기로 분석한 ‘분자 주령구’의 구조

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 현재까지 보고된 것보다 훨씬 큰 분자 다면체를 개발했다. 5.3나노미터(nm) 정도 크기의 분자다면체로, 약물을 운반하는 운반체로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김기문 기초과학연구원 복잡계 자기조립 연구단장(포스텍 화학과 교수)의 연구팀은 분자의 자기조립 특성을 활용해 속이 빈 육팔면체 모양의 거대분자를 합성해, 관련 연구 논문이 국제학술지인 켐에 실렸다고 2일 밝혔다.

연구팀이 개발한 분자 다면체는 속이 빈 육팔면체 모양의 거대 분자다. 레고 블록 같은 여러 개 분자가 결합해 만들어진 분자를 분자 다면체라 한다. 지금까지 개발된 대부분 분자 다면체는 크기가 2nm 이하였다. 통상 약물 분자의 크기는 2nm, 항체는 5nm 정도라는 점에서 내부에 약물이나 항체를 담아 운반하기에는 제한이 있었다.

5.3nm 크기의 분자 다면체 구성

속이 빈 캡슐 형태의 분자 합성

김 연구단장의 연구팀은 더 큰 분자 다면체를 만들기 위한 연구를 진행해 오다, 현존 최대 크기의 분자 다면체를 구성했다. 연구팀은 신라시대 귀족들은 안압지에 모여 전통 놀이를 즐길 때 사용하던 주사위인 '주령구'의 모양에서 힌트를 얻었다. 주령구의 형태를 재현하기 위해 구성 분자의 길이와 각도를 정밀하게 설계했다. 또 분자의 자기 조립 특성을 활용해 12개의 사각형 포피린 분자와 24개의 굽은 막대기형 분자로 구성된 '분자 주령구(P12L24)'를 합성했다.

공동 제1저자인 구재형 연구원은 "거푸집을 만들고, 분자 조각들을 꿰맞추는 등 복잡한 단계가 필요했던 기존 합성법과 달리, 분자들이 스스로 조립되는 특성을 활용해 간단하게 제조할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 포항 방사광가속기를 이용해 분자 다면체의 정확한 구조도 분석했다. 이 결과, 분자 주령구가 단백질에 버금가는 거대한 크기이며, 속이 빈 육팔면체 구조임을 원자 수준에서 파악했다.

현존 최대 크기 분자, 광촉매나 약물 전달체로 활용 가능

빛을 이용한 촉매 반응 확인

연구팀은 이 분자 다면체를 광촉매로서 활용 가능하다고 밝혔다. 빛을 쬐면 전자를 내어주는 포피린의 특성을 이용해 화합물을 호두나무의 뿌리에서 방출되는 천연물질인 '주글론'으로 변환시켰다. 약물 운반체로서의 가능성도 입증했다. 합성된 분자 주령구 내부에 막대기처럼 긴 전도성 분자를 담았다. 전도성 분자의 크기는 4nm로, 지금까지 이 정도 크기의 분자를 내부에 담은 시도는 없었다.

김기문 단장은 "자연과 우리가 사는 세계는 화학자에게 새로운 물질을 설계하기 위한 영감과 아이디어를 주는 공간"이라며 "분자 주령구는 내부 커다란 공간을 활용해 다양한 응용을 기대할 수 있는 만큼, 생물학적 응용에 필요한 안정성 확보 연구를 추가로 진행할 계획"이라고 말했다.

한편 연구팀은 2015년 6개의 사각형 포피린 분자와 8개의 삼각형 포피린 분자가 스스로 조립해 만드는 다면체 '포피린 박스(P6L8)'를 합성한 바 있다. 이때 합성한 포피린 박스의 크기는 약 3nm였다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr