성균관대-서울대 공동연구진, 물에서 작동하는 '서펙스 클릭화학' 신소재 플랫폼 개발

- 정제과정 없이 대량 합성 가능한 신소재 기술로 레고 블록처럼 분자를 조립하는 '클릭화학' 적용 범위 확장

- 생명의 기본 물질인 DNA 가닥에 직접 결합하는 최초의 반응 구현…신약 탐색 기술에 새 돌파구

▲ (왼쪽 위부터) 교신저자 성균관대 배한용 교수, 이상규 교수
(왼쪽 아래부터) 제1저자 홍석주 연구원, 김동현 연구원, 임유진 연구원

화학과 배한용 교수 연구팀은 약학대학 이상규 교수 연구팀, 서울대학교 권용석 교수 연구팀과 공동으로 물속에서도 매우 안정적으로 작동하는 새로운 ‘SuFEx(황-불소음이온 교환) 클릭화학' 활성을 지닌 다이아조늄 린치핀 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 까다로운 정제 과정 없이도 수십 그램 규모로 대량 합성할 수 있어, 다양한 분자를 빠르게 연결하면서 생명의 기본 물질인 DNA에 직접 결합할 수 있다는 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다.

‘클릭화학(Click Chemistry)’은 마치 레고 블록을 딱 소리가 나게 조립하듯, 서로 다른 분자들을 쉽고 빠르게 결합시키는 첨단 화학 기술로, 지난 2022년 노벨화학상이 수여된 분야다. 그중에서도 이번 연구에 쓰인 'SuFEx' 화학은 결합력이 매우 우수해 유기합성, 의약품 및 신소재 개발 등에 널리 쓰이는 차세대 기술이다. 하지만 기존 기술은 물과 잘 섞이지 않거나 생체 분자에 적용하기 어려워, DNA를 활용한 첨단 바이오 연구로 확장하는 데 한계가 있었다.

연구진은 산소와 수분이 있는 환경에서도 매우 안정적인 ‘아릴다이아조늄’ 기반의 린치핀(연결고리) 화합물을 새롭게 개발하여 이 문제를 해결했다. 특히 복잡한 실험실용 정제 과정(컬럼 크로마토그래피)을 전혀 거치지 않고도, 단순 추출만으로 99% 이상의 고순도 화합물을 각각 21그램, 10그램 규모로 대량 합성하는 데 성공하여 산업적 활용 가치를 높였다.

이렇게 만든 신소재 플랫폼은 촉매를 이용한 화학 반응에서 순수한 물이나 물 기반의 용액만을 사용했음에도, 단 10분 만에 반응이 완벽하게 끝나는 우수한 성능을 보였다. 연구진은 이 공정을 통해 40종이 넘는 다양한 화합물을 최대 99%의 높은 효율로 합성했으며, 실제 항우울제와 같은 의약품 분자나 복잡한 생리활성 천연물에도 성공적으로 적용할 수 있음을 확인했다.

이번 연구의 가장 핵심적인 성과는 생명체의 유전 정보가 담긴 이중가닥 DNA에 이 조립 기술을 직접 적용해 ‘DNA-저분자 화합물 결합체’를 만들어낸 것이다. 이전까지는 DNA에 이 기술을 접합하기 위해 복잡한 사전 처리 작업이 필요했으나, 연구진이 개발한 기술은 별도의 촉매 없이도 DNA 가닥에 직접 반응해 안정적인 결합을 형성했다. 연구진은 이를 통해 총 20여 종의 저분자화합물과 DNA간의 접합 물질을 합성하는 데 성공했다.

배한용 교수는 “이번 연구는 이중가닥 DNA에 직접 결합을 성공시킨 최초의 효율적인 사례”라며 “수만 개의 화합물을 한 번에 확인하여 신약 후보물질을 초고속으로 탐색하는 ‘DNA 인코딩 라이브러리(DEL)’ 기술은 물론, 차세대 바이오 의약품 및 생체분자 접합 전략에 새로운 돌파구를 열어줄 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 과학기술정보통신부와 교육부의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 성균관대학교 화학과 설립 73주년을 기념하는 논문으로 헌정되었으며, 재료 및 화학 분야의 세계적 권위지인 『어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)』에 게재되었다.

▲ 모듈형 분자 다변화 및 DNA 직접 기능화를 위한, 물에서 작동하는 서펙스 다이아조늄 린치핀 플랫폼

※ 논문명: Water-Compatible SuFEx-Active Diazonium Linchpin Platform for Rapid Modular Diversification and On-DNA Functionalization

※ 학술지: Advanced Functional Materials

※ 논문링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76220