[이뉴스투데이 백연식 기자] DGIST는 서상원 화학물리학과 교수 연구팀이 생리활성 물질의 ‘뼈대’ 역할을 하는 핵심 구조를 쉽고 정교하게 조립하는 촉매 기술을 개발했다. 연구팀은 자연에 풍부하고 저렴한 니켈(Ni) 촉매를 활용해, 의약품의 핵심 골격인 ‘베타-메틸렌 카보닐’ 유도체를 단일 '거울상 이성질체' 형태로만 합성하는 데 성공했다.
왼손과 오른손은 거울에 비친 모습처럼 똑같이 생겼지만, 같은 방향으로 겹쳐보면 결코 완벽하게 포갤 수 없다. 화학의 세계에서도 이처럼 구성하는 원자는 같지만 입체 구조가 거울상 형태를 띠며 서로 겹쳐지지 않는 분자들이 존재하는데, 이를 ‘거울상 이성질체’라고 부른다. 우리 몸속의 단백질 역시 한쪽 거울상 형태의 아미노산 고유 구조로 이뤄져 있다.
자물쇠에 맞는 단 하나의 열쇠가 있듯, 약물 분자의 한쪽 거울상 구조는 질병을 치료하는 훌륭한 명약이 되지만 반대쪽 구조는 아무런 효과가 없거나 오히려 심각한 부작용을 일으키는 독이 될 수도 있다. 따라서 여러 구조 중 질병 치료에 유효한 한 가지 형태의 거울상 이성질체만 정확하게 골라내어 합성하는 기술은 신약 개발에 있어 필수적이다.
이번 연구의 핵심 타깃이 된 ‘베타-메틸렌 카보닐’은 수많은 신약 후보 물질과 천연물에서 광범위하게 발견되는 매우 유용한 분자 골격이다. 하지만 지금까지 이 골격에 특정 입체성(거울상)을 부여하는 방법은 매우 제한적이었으며, 주로 강력한 염기를 사용하거나 복잡한 보조 물질을 반응물에 미리 달아두어야 하는 등 공정상의 뚜렷한 한계가 존재했다.
서 교수 연구팀은 이 오랜 난제를 해결하기 위해 값비싼 귀금속 대신 지구상에 풍부한 전이금속인 ‘니켈’에 주목했다. 연구팀은 새롭게 설계한 니켈 촉매 시스템을 통해, 쉽게 구할 수 있는 보편적인 화학 원료(알카인 및 카보닐 화합물)를 곧바로 반응시키는 새로운 합성 경로를 찾아냈다. 이 촉매 시스템은 분자가 결합할 때 원하는 위치에 정확히 달라붙게 하는 '위치 선택성'은 물론, 오직 한 가지 거울상 형태로만 조립되는 '거울상 선택성'을 완벽에 가깝게 구현해 냈다.
이 반응은 구조가 복잡하거나 다양한 작용기가 포함된 환경에서도 방해받지 않고 목표한 화학 반응만을 안정적으로 이끌어낸다. 실제로 연구팀은 이 기술을 적용해 복잡한 형태의 의약품 구조를 정밀하게 변형하는 데 성공했으며, 천연물 합성에 필요한 핵심 뼈대도 효율적으로 만들어내며 상용화 수준의 실용성을 증명했다. 또한, 밀도범함수이론(DFT) 기반 컴퓨터 계산을 통해 니켈 촉매가 분자의 결합과 입체 구조를 어떻게 통제하는지 그 숨겨진 작동 원리까지 완벽하게 규명했다.
서 교수는 “이번 연구는 그동안 까다로웠던 베타-메틸렌 카보닐 화합물 합성을 저렴한 니켈 촉매를 이용해 단번에 해결했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “이 합성 기술은 향후 입체 선택적 반응 연구의 새로운 길을 열어주며, 정밀 화학 산업과 신약 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
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