가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수 연구팀이 KAIST 이진우 교수, 서울대학교 한정우 교수 연구팀과의 공동연구로 넓은 pH 범위에서 선택성이 우수한 과산화효소 모방 활성을 가지는 루테늄 단일원자 나노자임(nanozyme)을 개발하고, 이를 활용한 종이 기반 바이오센서 기술을 구현하는 데 성공했다.

연구성과는 ‘Breaking the Selectivity Barrier of Single-Atom Nanozymes Through Out-of-Plane Ligand Coordination’을 제목으로 재료과학 분야 최고 권위 학술지 ‘Advanced Materials (IF: 26.8)’에 지난 6일 온라인 게재됐다. 바이오나노학과 연구교수인  Phuong Thy Nguyen 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

최근 과산화효소를 대체할 수 있는 나노자임 연구가 활발히 진행되고 있다. 단백질 효소는 낮은 안정성과 높은 생산비용 등의 한계가 있으며, 이를 극복하기 위해 단일원자 나노자임(single-atom nanozyme)이 차세대 대안으로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일원자 나노자임은 대부분 산성 환경에서만 활성을 보이며, 중성 pH 이상에서는 카탈레이즈(catalase) 활성이 함께 나타나 과산화효소로서의 기능이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해, 염소 리간드가 결합된 루테늄 단일원자 활성자리(RuNC_Cl)를 갖는 새로운 나노자임을 개발했다. 범밀도함수이론(Density Functional Theory, DFT)을 통한 자유에너지 계산을 통해, 해당 구조가 카탈레이즈 활성을 억제하고 과산화효소 활성을 선호함을 규명했다. 개발된 루테늄 단일원자 나노자임은 포도당 산화효소 등 다양한 산화효소를 기공 내에 포집한 후 종이에 고정화할 수 있어, 다양한 바이오마커를 간편하게 동시에 분석할 수 있는 종이 미세유체 기반 비색 바이오센서로 구현되었다. 이 센서는 동전 크기로 소형화되었으며, 스마트폰 앱을 통해 비색 신호를 정량 분석할 수 있는 간편한 현장 진단 기술을 제공한다.

김문일 교수는 “이번에 개발된 루테늄 단일원자 나노자임은 넓은 pH 조건에서도 뛰어난 과산화효소 활성을 유지하고, 우수한 선택성을 보여 생체 진단용 센서에 폭넓게 활용될 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 대학중점연구소사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구팀은 향후 더욱 향상된 효소 기능을 갖춘 신규 나노자임 개발을 통해 생물공학 전반으로 응용을 확대해 나갈 계획이다.

바이오나노학과 김문일 교수  /  Phuong Thy Nguyen 연구교수