화학과 이진용 교수 연구팀(공동 제1저자 임종현 박사)는 Mingle Li (선전 대학교), Joseph Fox (델라웨어 대학교), Marc Vendrell (에든버러 대학교), 김종승(고려대학교) 교수가 이끄는 연구팀과 공동연구를 통해 조절 가능한 생체 광촉매 작용(bioorthogonally activatable photoredox catalysis)을 기반으로 암세포 내에서 정밀하게 작용할 수 있는 새로운 광촉매 시스템 PC-Tz를 개발했다. 해당 연구는 “Bioorthogonal Activation of Deep Red Photoredox Catalysis Inducing Pyroptosis”라는 제목으로 2024년 12월 1일에 Journal of the American Chemical Society (IF: 14.4)에 온라인 게재되었다.

전통적인 광역학 치료는 암 치료에 있어 중요한 기술로 자리 잡았지만, 저산소증 환경에서의 낮은 활성화 효율과 생체 적합성의 한계로 인해 치료 효과가 제한적이었다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 새롭고 정교한 생체 광촉매 기술을 제시했다. PC-Tz 시스템은 1,2,4,5-테트라진(tetrazine) 구조를 통해 광촉매 활성화를 억제하다가, 세포 내 trans-cyclooctene (TCO)와의 선택적 반응을 통해 촉매 활성을 복구하는 독창적인 접근 방식을 채택했다.

이 연구에서 개발된 PC-Tz 시스템은 선택적으로 활성화되는 메커니즘에 따라 암세포의 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(NADH) 산화 반응을 촉진하여 저산소증 환경에서도 미토콘드리아 전자전달계(ETC)를 효과적으로 조작할 수 있었다. 이진용 교수팀은 이러한 PC-Tz 시스템에 대해 범밀도함수이론(DFT) 계산과 시간 의존 범밀도함수이론(TD-DFT) 계산을 활용하여 PC-Tz 와 TCO의 결합이 광촉매 활성화에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 극성연속모델(CPCM)을 이용하여 TCO 결합 전후 PC-Tz의 구조적 변화를 최적화하여, 광조사로 인한 에너지 상태 변화와 반응 메커니즘을 규명하였다. 본 연구에서 개발된 새로운 광촉매 시스템을 통해 정밀한 생체 광촉매 설계의 새로운 방향성을 제시하여 암 치료를 위한 광제어 치료법 발전에 기여할 것으로 기대된다.

*논문명:Bioorthogonal Activation of Deep Red Photoredox Catalysis Inducing Pyroptosis.