신약 후보물질 무인 합성플랫폼을 개발한 KAIST 화학과 하태양 학사과정생과 김하은 박사후연구원, 박윤수 교수(앞줄 왼쪽부터), 변현빈 석박사통합과정생,홍호진 석박사 통합과정생. 이들이 작성한 논문은 미국화학회의 국제 학술지 '잭스 골드(JACS Au)'에 지난 8월 7일 온라인 게재됐다. (사진=KAIST 제공)
'화학 합성' 과정은 여전히 연구자의 수작업과 경험에 의존해 대표적인 병목 구간으로 꼽혀왔다. 특히 반응 스케일에 민감하거나 가혹한 조건을 요구하는 최신 합성법은 자동화가 까다로워 상용화의 걸림돌이 되어 왔다.
KAIST(총장 배충식)는 화학과 박윤수 교수 연구팀이 원료 주입부터 광반응 진행, 수율 분석에 이르는 전 과정을 사람의 개입 없이 24시간 자율 구동하는 '완전 자동화 유기 합성 시스템'을 개발하는 데 성공했다.
신약 개발에서는 설계한 분자를 실제로 만들어 효과와 안전성을 시험해야 한다. 하지만 구조가 조금씩 다른 물질마다 그에 맞는 새로운 합성 조건을 찾아야 하고, 소량 합성에 성공하더라도 생산량을 늘리면 빛이나 열이 전달되는 정도가 달라져 조건을 다시 조정해야 할 수 있다.
연구팀은 이러한 부담을 줄이기 위해 원료 준비 로봇, 자동화 펌프, 빛을 쪼이는 반응 장치, 분석 장비를 하나로 연결했다. 연구원이 장비를 준비하고 조건을 설정하면 로봇이 원료를 배합하고, 펌프가 원료 용액을 가느다란 관으로 일정하게 흘려보낸다. 이때 관에 사람의 눈에 보이는 빛인 '가시광선'을 쪼여 화학반응을 유도한다.
연구팀은 유량, 체류 시간, 압력, 반응 온도를 컴퓨터로 정밀 제어하는 연속 흐름 플랫폼을 구축하고, 배출단 직전에 벤치탑 핵자기공명분광기(NMR)를 연결했다. 별도의 후처리나 샘플 채취 과정 없이 생성물의 전환율과 수율을 실시간으로 모니터링하고 데이터화 할 수 있는 '완전 자동화 합성 루프'가 완성된 것이다.
반복적인 수작업 합성 및 분리·분석 과정이 생략됨에 따라, 신약 후보 물질의 구조-활성 관계(SAR) 탐색 및 라이브러리 구축에 소요되는 시간과 비용이 획기적으로 줄어들 전망이다.
박윤수 교수는 "설계된 분자를 얼마나 빠르고 안정적으로 합성하느냐가 앞으로 신약 개발의 속도를 좌우할 것"이라며 "이번에 구축한 플랫폼은 반응 조건을 수치화하고 재현할 수 있게 해 유기 합성 자동화 시대로 나아가는 기반이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
임병안 기자
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