1. 생체 모방형 유기촉매 시스템 개발
“인공효소를 이용해 독성물질을 고부가치 의약품으로 전환시키는데 성공하다.”

본 연구팀은 생체 내에서의 해독 대사과정을 모티브로하는 새로운 생체모방형 촉매시스템을 개발했다. 인체 내에서 일어나는 다양한 대사작용 중에 세포독성이 매우 강한 메틸글라이옥살과 같은 각종 글라이옥살(알파-옥소알데히드)화합물들이 부산물로서 생성이 되고, 이는 Glyoxalase Ⅰ과 Ⅱ 효소의 해독작용에 의해 인체에 무해한 락트산(lactic acid)과 같은 알파-히드록시산으로 바뀌게 된다. 

본 연구실에서는 Glyoxalase 효소에 의해 촉진되는 헤미싸이오아세탈 (글라이옥살과 글루타싸이온에 의해 생성됨)의 비대칭 이성질화 반응에 주목하였고, 그에 힌트를 얻어 독성이 강한 글라이옥살 화합물들로부터 의약품 및 천연물 합성의 핵심물질로 여겨지는 키랄 α-hydroxythioester 화합물들을 높은 수득율과 높은 광학선택성으로 제조할 수 있는 획기적인 생체모방형 유기촉매 시스템을 개발하였고, 이를 이용하여 많은 광학활성의약품(chiral drugs)의 핵심원료 및 항암활성, 진경효과 등 다양한 의약활성을 갖는로 사용되는 키랄 α-hydroxythioesters 및 알츠하이머 치료효과를 갖는 α-hydroxyamides 화합물을 성공적으로 제조함으로써 새로운 인공효소 시스템의 상업적 유용성까지 증명했다. 또한 노화나 각종 산화스트레스에 의해 glyoxalase 효소의 활성도가 감소되어 몸속에 독성이 강한 글리이옥살이 축적되게 되어 각종 질병을 야기하므로, 인공 글라이옥살레이즈효소의 개발은 신약개발연구에 새로운 출발점을 제공할 수도 있을 것이다. 

본 연구 결과는 세계적 권위의 과학전문지인 ‘Nature Communications’ 2017년 4월 자에 게재되었다. 또한 관련 유기촉매 분야의 획기적인 연구결과를, 거의 매년 (2012년, 2013년, 2015년) ‘Science’ 지와 ‘Nature Communications’지에 발표하고 있다.

* 논문제목 “Biomimetic Catalytic Transformation of Toxic α-Oxoaldehydes to High-Value Chiral α-Hydroxythioesters using Artificial Glyoxalase I” (제1저자 박상연, 제2저자 황인수, 제3저자 이현주, 교신저자 송충의).

2. 생체모방 소수성 수화효과를 이용한 새로운 감마아미노산 합성법 개발
“물이 그동안 불가능했던 유기반응을 가능하게 하다”

본 연구팀은 사차탄소 키랄중심(all-carbon quaternary stereogenic center)을 갖는 새로운 감마아미노산 유도체를 합성할 수 있는 획기적인 합성법을 발견하였다. 감마 아미노산의 경우 신경 및 정신관련 각종 질환에 폭넓게 사용되고 있으며, 간질, 말초 신경병증성 통증, 불안증 등의 질환에 치료하기 위한 글로벌 제약회사인 파이저사의 삼차탄소 키랄중심을 갖는 프레가발린이 대표적이다. 따라서 부작용을 줄이고 약효성능을 향상시키고자, 새로운 감마 아미노산 유도체의 합성은 의약 산업에서 지속적인 연구와 노력이 이루어지고 있는 분야이다. 하지만 사차탄소 키랄중심을 갖는 감마 아미노산의 경우 보다 좋은 약효가 예상됨에도 불구하고 합성적 난관을 극복하지 못해 그 동안 관련 신약개발연구가 거의 이루어지지 못하였다. 이번 연구결과로 새로운 감마아미노산 유도체 합성을 통해 감마아미노산을 활용한 치료 의약품군에서 새로운 신약개발이 가능해질 것으로 보인다. 

본 연구결과에 의하면 생체 내 반응에서 물을 반응매개로 사용할 때 나타나는 소수성 수화효과(hydrophobic hydration)를 소수성유기촉매를 이용하여 정밀제어함으로써, 기존의 합성방법으로는 전혀 불가능 하였던 반응을 가능하도록 하여 기존에 합성할 수 없었던 사차탄소 키랄중심을 갖는 감마아미노산 유도체를 제조할 수 있게 되었다. 이와 같은 연구결과에 따라 관련 의약품 연구가 더욱 활발해 지고, 새로운 신약개발에 첫 걸음을 떼었다고 할 수 있다. 본 연구 결과는 세계적 귄위의 화학분야 학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition’ 2017년 2월 자에 게재되었고, 그 중요성을 인정받아 Hot paper로 선정되었다.

* 논문제목 “Water-Enabled Catalytic Asymmetric Michael Reactions of Unreactive Nitroaklenes: One-Pot Synthesis of Chiral GABA-Analogs with All-Carbon Quaternary Stereogenic Centers” (제1저자 심재훈, 교신저자 송충의)