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효소는 생체 내 화학반응을 매개하는 촉매로서 물질의 대사나 신호 전달 등과 같은 신체 내 주요 활동에 관여한다. 이러한 효소를 활용한 반응 및 생체 시스템 모방 연구에서는 세포와 같이 지질 막으로 둘러싸인 작은 공간을 활용하는 것이 일반적이다. 그러나 국내 연구진은 이러한 막 구성 물질 없이 소리만을 이용하여 효소반응을 조절할 수 있음을 보였다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장(POSTECH 화학과 교수) 연구팀은 기존 통념과 달리 지질 막이 없이 소리만으로 용액 내에 분리된 공간을 생성하고 이를 활용하여 효소반응을 시공간적으로 조절할 수 있음을 규명하였다.

세포와 같은 생체 시스템 모방 연구에서 효소반응을 시공간적으로 조절하기 위해서는 효소를 지질이나 고분자 막으로 만들어진 공간에 가두는 ‘구획화’ 가 필요하다. 이를 위해서는 막 형성을 위한 물질을 효소와 섞어주고 정제하는 과정이 필요한데, 가격이 비싸고 번거로우며 시간이 걸리는 단점이 있다. 연구진은 이러한 과정 없이 소리를 이용하여 용액을 상하로 흔들어주는 방식으로 ‘막 없는 구획화’를 구현하였고, 이를 활용하여 다단계 효소반응을 시공간적으로 조절할 수 있음을 최초로 보였다 [그림 1].

물이 담긴 페트리 접시에 25 – 90 Hz 주파수의 소리를 틀어주면 이에 상응하는 동심원 물결이 생기는데, 연구진은 이 물결에서 상하로 움직이는 마루와 움직이지 않는 마디가 존재하는 것을 관찰하였다. 이 과정에서 연구진은 용액이 마치 가상의 막이 있는 것처럼 물결의 마디를 경계로 서로 섞이지 않고 구획화되는 현상을 발견하였다.

연구진은 이러한 소리를 이용한 새로운 구획화 방법을 포도당 산화효소(glucose oxidase)와 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase)로 구성된 다단계 효소반응 시스템에 적용하였다. 그 결과 두 번의 효소반응을 거친 최종 생성물이 용액의 마루 영역에서만 관찰되며, 또한 마디에 의해 서로 분리되어 동심원의 색깔 패턴으로 나타남을 확인하였다 [그림 2]. 이것은 막 구조를 이루는 물질이 없이 소리만을 이용한 구획화가 성공적으로 이루어졌으며, 다단계 효소반응의 시공간적 조절과 같은 생체 시스템의 모방에도 성공하였음을 의미한다.

연구진은 이러한 소리를 이용한 구획화 방법을 활용하여 나노 입자가 용액 내의 특정 영역에서만 성장 또는 배열을 하는 등의 응용이나, 패턴된 수화젤을 합성하고 이를 세포 성장에 활용하는 등 이 발견이 다양한 분야에 사용될 수 있음을 보였다 [그림 3]. 

김기문 단장은 “본 연구는 소리를 이용한 ‘막 없는 구획화’와 이를 활용한 효소반응의 조절에 대한 것으로, 향후 이 방법이 생체 모방 시스템 연구나 새로운 물질의 합성 등에 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 5월 2일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

[붙임] 1. 연구추가설명  2. 그림설명 3. 연구진 이력사항

[연구 배경]

지난 2020년 소리로 화학반응을 조절할 수 있음을 Nature Chemistry에 최초로 보고한 이후 연구진들은 소리에 의한 유체의 움직임에 주목하였고, 물결의 마디 부분을 중심으로 용액이 서로 분리되어 섞이지 않는다는 것을 발견하였다. 이를 기존의 지질이나 고분자를 이용한 구획화와 차별화된 새로운 방식의 구획화로 이용하고자 하였다.

[연구 과정]

잘 알려진 다단계 효소반응 시스템을 선택하여 실험을 진행하며 기존의 구획화와의 차이점을 비교하고자 하였다. 실험 결과를 직관적으로 관찰하기 위하여 최종 생성물은 색깔을 가지는 분자를 사용하여 반응의 진행 정도를 색깔 패턴으로 관찰할 수 있도록 디자인했다. 다단계 효소반응의 성공 후에는, 나노 입자를 활용한 패턴 형성 실험, 패턴된 수화젤의 합성 및 이를 활용한 세포 성장 플랫폼으로의 응용까지 진행하였다. 

[어려웠던 점] 

‘막 없는 구획화’라는 새로운 개념에 대하여 기존의 지질이나 고분자 막을 기반으로 연구하던 연구자들을 논리적으로 설득하는 과정이 어려웠다. 논문에서는 ‘유사 구획화’라 표기하였다.

[성과 차별점] 

효소반응과 같은 생체 시스템 모방 연구에서 반응의 시공간적 조절은 물리적인 막을 이용한 구획화 환경에서만 가능하다는 기존의 상식과는 달리 소리만으로도 유사한 결과를 만들어 낼 수 있다는 것을 최초로 선보였다.

[향후 연구 계획]

소리를 이용하여 용액 내에서 서로 다른 화학적 환경을 가지는 구역들을 인위적으로 만들어낼 수 있음을 보였다. 이러한 방법을 활용하여 기존의 방식으로는 구현하기 힘들었던 국부적으로 서로 다른 화학적 성질이나 물성을 지니는 물질의 합성에 도전하고 있다.