바이오인

핵심내용

-물에서 강한 Cation-π결합력 증명, 의약품, 해양 방오제 개발 등에 적용 가능 -

[독일 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 게재(2월 28일)]

 □ 교육과학기술부(장관 이주호)는 포항공과대학교 해양대학원/환경대학원 황동수 교수팀이 표면 힘 측정기(Surface force apparatus, SFA)를 이용하여 물속에서의 Cation-π 결합*을 나노 역학적으로 세계 최초로 증명했다고 밝혔다.

   * Cation-π 결합 : 양이온과 전자가 풍부한 방향족 화합물 사이의 비공유결합으로 다른 결합력과 달리 수중에서도 강한 결합을 유지할 수 있어 물이 70%로 이루어진 인체 내의 생리작용에 중요한 역할을 함

 ○ 이번 연구 결과는 교육과학기술부 해양극지 기초·원천기술개발 사업의 과제를 수행하는 포스텍 황동수 교수(35세)와 오동엽(28세, 박사과정), 포스텍 물리학과 조용석 교수 등의 공동연구를 통해서 세계 최초로 밝혀졌으며,

   - 화학분야의 세계적 권위지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)' 온라인 판에 2월 28일 게재되었다.

   ※ 논문명 : Nanomechanics of Cation-pi Interactions in Aqueous Solution

□ 자연계에서 비공유 결합(수소결합, 이온결합(ionic interaction), 반데르발스 결합 (Van der Waals interaction) 등)의 대부분은 물 속에서 수화작용 때문에 그 힘이 약해지만,

 ○ Cation-π 결합은 그 힘이 물속에서도 강하게 존재하기 때문에 수중의 많은 생리현상에 있어 중요한 요소로 작용하고 있다고 알려져 있으며, 이전까지는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서만 그 힘이 예측되어 왔다.

□ 연구진은 인간의 학습과 기억에 매우 중요한 신경전달물질(neurotransmitter)인 ‘아세틸콜린’이 뇌의 아세틸콜린 수용체에 Cation-π로 강하게 결합하는 지를 실험으로 입증하였으며,

 ○ 양이온과 벤젠닝을 다량 함유하고 있는 해양 부착성 생명체, 테트라에틸암모늄 화합물이 이온 채널과 신경전달 수용체 등과 Cation-π 결합으로 얼마나 강하게 결합하는지를 실험적으로 증명하였다.
□ 포스텍 황동수 교수는 “본 연구 결과를 통해 앞으로 신의약품, 수중접착제 및 해양 방오제 등 다양한 고분자소재 개발 등에 필요한 중요한 원리를 제시하고 있다.”고 평가하였으며, 

 
 ○ 특히, “아세틸콜린과 유사한 구조를 갖는 니코틴은 우리 뇌에서 Cation-π 결합하는 것으로 알려져 있어, 흡연 중독성 메터니즘 연구에도 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

□ 이번 연구 성과는 교육과학기술부 해양극지 기초·원천기술개발사업과 국토해양부 해양바이오산업 신소재 연구단의 지원을 받아 수행되었다.

상세내용

상세 연구내용

Title: "Nanomechanics of Cation-pi Interactions in Aqueous Solution"

DOI:10.1002/anie.201210365and10.1002/ange.201210365

 인간의 중요한 생리 작용 중 하나인 이온 채널(ion channel), 담배 같은 물질의 신경물질 전달 기작 중 하나인 니코틴 아세틸클로린 수용체(nicotinic acetylcholine receptor), 홍합의 강한 수중접착력 등의 중요 작용력 중에 하나가 Cation-π 결합이라는 것을 나노역학적으로 분석하였다.

 수소결합, 이온결합(ionic interaction), 반데르발스 결합 (Van der Waals interaction) 등의 대부분의 비공유 결합은 물 속에서 수화작용 때문에 그 힘이 약해지는 반면 Cation-π 결합은 그 힘이 물속에서도 강하게 존재한다. 이러한 이유 때문에 Cation-π 결합은 대부분이 수중에서 일어나는 많은 생리현상에 중요한 요소로 작용하며, 최근에는 해양 오손 생물들의 수중 접착하는 메커니즘에도 중요한 역할을 한다고 예측되었으며, 본 연구에서는 표면측정기(Surface force apparatus, SFA)를 이용하여 세계최초로 물속에서 Cation-π 결합의 경향성을 분석하였다. 이러한 경향성을 활용해서 이를 활용해서 다양한 고분자소재, 의약품, 수중접착제 방오제 등에 널리 활용할 수 있을 것으로 연구진은 예상하였다.

<실험방법>

□ 표면 힘 측정기는 두 표면 사이의 거리를 0.1 나노미터 분해능으로 움직이면서 그 사이의 힘을 mN 분해능으로 측정할 수 있는 초정밀 물리실험장치이다.(용어설명 참조) 표면 힘 측정기의 한 쪽 표면에는 양이온을 많이 가지는 고분자를 물속에서 코팅하고, 다른 쪽 표면에서는 벤젠링을 가지는 고분자를 물속에서 코팅한다. 

□ 두 표면사이에 생체 환경과 비슷한 완충용액을 주입하고 표면 사이 거리를 나노미터 수준으로 움직이면서 그 사이의 접착력을 측정하였으며, 상당히 강한 물속에서의 Cation-π 결합이 측정된다.
□ 양이온 고분자와 벤젠링의 물속에서 Cation-π 결합을 방해하기 위해서는 약 200 mM 정도의 K+, Na+, Li+ 양이온을 주입해주어야 두 표면 사이의 결합력이 방해가 되는데, TEA나 Ach의 경우 1～2 mM 정도의 양이온만으로도 두 표면 사이의 결합력을 완전히 소모시킬 수 있는 것이 이 연구의 핵심이다.
 

용   어   설   명

1. Cation-π 결합
  양이온과 전자가 풍부한 방향족 화합물 사이의 비공유결합으로 다른 결합력과 달리 수중에서도 강한 결합을 유지할 수 있어 물이 70%로 이루어진 인체 내의 생리작용에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 이 결합에 관한 연구는 컴퓨터 시뮬레이션에 의존하여 진행되어 왔으나, 본 연구팀은 이것을 직접적으로 측정하는 시도를 최초로 진행했다.

2. 아세틸콜린
  세계 최초로 1921년에 발견된 뇌의 신경전달물질(neurotransmitter) 이다. 사람의 뇌의 여러 부분에서 분비되는 아세틸콜린은 사람의 기억, 수면, 각성의 조절과 학습과도 연관되어 알츠하이머 같은 질병과 밀접한 관련을 갖는 것으로 알려져 있다.

3. 니코틴 아세틸콜린 수용체(nicotinic acetylcholine receptor)
  니코틴은 우리 뇌의 화학 전달물질 중 하나인 ‘아세틸콜린’과 유사한 구조를 가지고 있는데 뇌신경계에 존재하는 니코틴 아세틸크로린 수용체(nicotinic acetylcholine receptor: nAChR)와 결합하여 아드레날린 같은 흥분 호르몬을 내놓게 된다. 또한 이러한 호르몬의 작용으로 뇌에서는 신경물질 중 하나인 도파민(dopamine)의 분비량이 늘어서 기분이 좋은 상태를 느낀다. 이 상태를 기억하고 있는 뇌는 흡연 욕구를 계속 불러일으킨다. 니코틴이 니코틴 아세틸크로린 수용체에 수용될 때 Cation-pi interaction에 의한 것으로 알려져 있다.

4. 표면 힘 측정기(Surface Force Apparatus)
  기존의 전통적 방법으로 표면 접착에너지를 이용해서 측정할 경우 분자 수준에서 화학/물리적 기작을 이해하기 어렵다. 표면 힘 측정기는 이러한 한계를 극복하기 위해 설계된 장비로서 초정밀 모터 및 스프링이 연결된 원통형의 두 표면이 다가가거나 멀어지면서 그 사이의 힘이 측정을 측정할 수 있다. 측정방법으로 시험 물질을 분자수준의 두께로 두 표면을 코팅하고. 표면의 거리를 0.1 nm의 분해능으로 움직이면서 표면 사이의 인력을 0.1mN 수준까지 측정할 수 있다.

5, 이온결합(ionic interaction)
  양이온과 음이온 사이에서 발생하는 정전기적 인력을 말하고, 프랑스 과학자 이름을 따서 쿨롱결합이라고도 이른다. 대표적인 예로 소금을 이루고 있는 NaCl은 Na+과 Cl- 사이의 이온결합으로 결정을 이루고 있다. 기상에서는 아주 강한 결합력이지만, 물속에서는 소금이 물에 녹을 때에 그 단단함을 잃어버리듯이 80배 가량 결합력이 약해진다.

6. 반데르발스 결합(Van der Waals interaction)
  전기적으로 중성인 분자 사이에서도 극히 근거리에서만 작용하는 약한 인력이 발견 되었는데 이 힘을 발견자 이름을 따서 반데르발스 결합이라고 한다. 기체 분자 사이의 반데르발스 결합 때문에 실체기체는 이상기 방정식을 따르지 않는다.

7. 비공유 결합
  공유결합은 원자 두 개 사이에서 전자를 공유하여 형성되는 결합을 이르고, 비공유 결합은 공유결합 이외 이온결합, 반데르발스결합을 포함하는 모든 원자/분자간의 상호작용을 말한다. 대부분의 생체기능은 여러 종류의 비공유 결합이 복합적으로 작용하여 작동하기 때문에 이것에 대한 과학적 이해가 요구된다.