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이론 기반 촉매 설계의 동향

건국대학교 화학공학부 이정임, 이영준, 김영신, 이정걸

[목차]

1. 서론

2. 이론적 및 전산적 도구

3. 효소 설계

4. 이론적 촉매 설계에서의 해결 과제

5. 참고문헌

[내용]

1. 서론
고효율 촉매의 이론적 설계는 수십년 동안 단백질공학의 핵심 분야로 자리잡아 왔으며 향후에도 지속적으로 이러한 관점에서 보게 될 것이다. 이론적으로 설계된 촉매는 의약에서부터 에너지 과학에 이르는 광범위한 분야에 잠재적으로 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 촉매는 의약, 식품 첨가제, 비료 및 플라스틱의 효율적인 합성 관점에서 제약 및 화학 산업에서 필수적이다. 촉매 설계는 또한 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 원을 개발하기 위해서도 중요하며, 이러한 모든 분야에서 이론이 더 효과적인 촉매의 설계를 제공할 수 있다는 지침이 잘 알려져 있다.

이론적인 촉매 설계의 궁극적인 목표는 특정 반응에 대하여 효율적인 촉매를 설계하기 위하여 첫 번째 원칙으로부터, 즉 관련 촉매에 대한 지식이 없이 시작하여 순이론적 계산법을 사용하는 것이다. 이 목표를 달성하는 것은 안정성, 용해도 및 합성 접근 가능성과 같은 요소까지 고려되어야 할 때 훨씬 더 어려워진다. 하드웨어 및 소프트웨어의 개발로 인해 계산 속도가 빨라지므로, 결국에는 그러한 순이론적 접근법이 가능할 수 있다. 그러나 원자와 분자를 박스에 배치하고, 역학적 시뮬레이션 함으로써 촉매를 설계하는 것이 가능하더라도, 이것이 이 분야에서 궁극적 목표의 달성이라고 할 수는 없다. 즉, 촉매 설계의 궁극적 목표는 필요한 성질을 가진 분자 및 생촉매의 이론적 설계를 가능하게 하기 위하여 특정 시뮬레이션의 결과를 일반화하고 확장하는데 필수적인 개념 이해와 기본 설계 원리를 포함한다.

 궁극적인 목표는 순이론적 계산법을 통해 촉매를 설계하는 것이지만, 실제로는 이론과 실험 간의 피드백이 성공을 위해 중요하다. 종종 이론적 계산은 실험 데이터의 해석을 돕고, 기계론적 설명을 제공한다. 더욱이, 이론적 계산이 커뮤니티 내에서 투명성과 신뢰성을 보장하기 위해 연이어 실험적으로 검증될 수 있는 예측을 하는 것이 중요하다. 촉매 설계의 또 다른 중요한 측면은 생물학에서 통찰력을 얻는 것이다. 자연에서 영감을 얻은 촉매는 자연적으로 발생하는 생물학적 시스템에 존재하는 기본 원리와 모티프를 최대한 잘 활용하여 제작한다. 예를 들어, 수소화 효소는 수소 산화 및 생산을 위해 수많은 분자 전기 화학적 촉매에 영향을 주었고, 광화학계 II는 물을 산소와 수소로 쪼개는 촉매에 대한 통찰력을 제공하는 역할을 했다.

 특정 촉매에 대한 연구를 통해 얻은 기본 설계 원리는 특정 성질에 대해 다수의 후보물질을 계산적으로 스크리닝 하는 데 사용되는 descriptor의 식별을 가능하게 한다. 이런 유형의 고처리량 가상 스크리닝은 훨씬 더 많은 수의 후보물질의 고려를 가능하게 하고, 자동화를 통해 상당 부분 인간의 개입을 제거한다. 그럼에도 불구하고, 그러한 스크리닝 과정의 결과는 descriptor의 선택에 크게 의존하는데, descriptor는 분자 및 효소 촉매에 기초한 기본적 원리를 이해함으로써 얻어지는 통찰력에 의해 확보된다.

2. 이론적 및 전산적 도구

 일반적으로 이론적인 촉매 설계는 용액 중의 분자 및 효소의 구조, 열역학, 동역학 및 역학의 계산을 요구한다. 다양한 이론적 방법이 이러한 계산에 사용될 수 있다. 분자 시스템의 경우,  밀도함수이론과 같은 양자화학 방법을 통해 동역학적 특성을 결정하기 위하여 환원 전위, pKa 및 자유 에너지 장벽과 같은 신뢰할 만한 구조, 열역학적 특성을 예측 할 수 있다. 용매는 양자역학의 저준위에서 혹은 분자 역학적으로 처리되는 유전 연속체 또는 명시적 용매 분자로 표현될 수 있다. 불균일 촉매의 계산 연구는 일반적으로 주기적 밀도함수이론 및 관련 기술의 사용을 요구한다.

 효소 시스템에 대하여, 혼합 양자 역학/ 분자 역학 (QM/MM) 방법은 활성 부위가 양자역학적으로 처리되고 시스템의 나머지는 분 자역학적으로 처리한다. 분자 동역학 시뮬레이션은 분자 및 효소 시스템의 구조 샘플링을 가능하게 하며, 자유 에너지 샘플링 방법이 촉매 반응과 같은 드문 일의 시뮬레이션을 촉진한다. 분자 역학 시뮬레이션은 정확한 포텐셜 에너지 표면 및 충분한 구조 샘플링에 의존하며, 계산 방법의 선택은 요구되는 정확도와 시스템의 복잡성에 의존한다.

 이러한 유형의 시뮬레이션법에 추가하여, 종종 전자 이동 이론에 대한 마르커스 이론 또는 수소 이동 혹은 수소-결합된 전자 이동 반응에 대한 유사 이론과 같은 분석이론이 개념을 이해하고 물성에 관하여 예측하는데 중요하다. 이러한 유형의 분석 이론은 어떠한 잘 정의된 영역에서만 일반적으로 유효하지만, 기본적인 화학적 및 물리적 특성을 이해하고 예측하는 데 더 많은 직접 경로를 제공한다. 즉, 촉매 설계를 위한 강력한 전략은 분석 이론과 대규모 시뮬레이션 방법을 혼합하는 것이다.

3. 효소 설계

 효소는  특정  화학  반응을  효율적으로  촉매하기  위하여  다양한  전략을  활용한다. pKa 시프팅과 함께 수소 결합 및 정전기적 상호작용은 광범위한 효소에서 중요한 것으로 알려져 있다. Preorganization 및 reorganization의 개념은 효소 촉매 작용에서 종종 발생한다. 효소의 활성 부위는 일반적으로 화학반응에 요구되는 차후의 reorganization이 용 액에서 요구되는 것보다 적도록 preorganization 된다. 즉, preorganization은 루프의 개폐와 같은 큰 구조 변화를 요구하는 반면에, reorganization은 화학 단계를 촉진하기 위하여 비교적 적은 구조 변화를 보통 요구한다. 이러한 개념과 관련하여 확률적인 열 운동에 의해 생기는 평형 구조 샘플링은 효소 촉매에서 중요한 역할을 하는데, 그 이유는 그러한 운동이 화학 반응에 도움이 되는 구조의 샘플링을 돕기 때문이다. 이러한 모든 전략은 보 다 효과적인 효소를 설계하기 위해 이용된다.

수소 결합, 정전기학, preorganization, reorganization 및 평형 구조 샘플링의 기 여는 많은 효소의 이론적 계산을 통하여 명확해졌다. 예를 들어, 케토스테로이드 이성화 효소는 그림 1에 묘사되어 있는 대로, 촉매 작용되는 양성자 전달 반응을 촉진하기 위하여 활성 부위에 있는 주요 잔기의 pKa 이동과 수소 결합 상호작용을 활용하는 것으로 알려져 있다. 이 효소의 일련의 돌연변이들은 이 요소들의 상대적 기여를 조사하기 위하여 이론적으로나 실험적으로 연구되었다. 활성 부위는 preorganization 되지만,  작은 구조적 변화형태로의 추가적인 지역적 reorganization은 양성자 이동을 촉진하고 수소결합 상호작용에 서 변화를 제공하기 위하여 화학반응 중에 발생한다.

그림 1. 이성화 반응을 일으키는 케토스테로이드 이성화효소에 의해 촉매되는 양성자 전달 반응.

적색 및 청색으로 표시되는 수소 결합 상호작용은 반응물 및 생성물보다 다이에놀레 이트 중간체를 안정화시킨다.

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