바이오인

핵심내용

나이트릴과 반응하는 생체모방물질 합성 성공
- 암세포 특정 효소를 저해하는 프로드러그 개발 기대 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 조재흥 교수(DGIST) 연구팀이 나이트릴*과 반응하는 생체모방물질인 금속-활성산소 종(코발트-퍼옥소 종)을 처음으로 합성했다고 밝혔다.

    * 나이트릴(nitrile): 탄소(C)와 질소(N)의 삼중결합으로 이루어진 유기화합물의 일종. 화학적으로 기능이 다양하여 어떤 화합물을 합성하는데 있어 재료가 되는 물질로서 쓰임. 일반적으로 나이트릴이 반응하기 위해서는 강한 산이나 염기 하에서 진행되거나 높은 온도가 필요함.

□ 사람 몸에는 다양한 금속 효소*들이 존재한다. 금속 효소는 활성산소*와 만나 금속-활성산소 종을 형성하여 산화 반응*을 통해 생체 내 물질의 합성 및  분해 작용과 약물 대사 작용을 관여한다. 따라서 많은 연구팀들이 금속-활성산소를 모방한 물질을 합성하여 생체 내 효소 반응을 연구한다. 하지만 기존에는 나이트릴과 반응하는 금속-활성산소 종이 없었다.

    * 금속효소 : 효소 활성의 발현에 필요한 특정 금속 원자를 그 구성 성분으로서 갖는 효소의 총칭. 생체 내 산화 환원에 관여하는 효소에 많고 금속 원자가 활성 중심을 구성하고 그 산화 환원에 의해 전자 전달을 하고 있는 경우가 많음.

    * 활성산소 : 보통의 산소에 비해 뚜렷히 화학반응성이 높은 산소. 여러 물질의 산화 반응, 산소 첨가 반응에 관여함. 특히, 산화 효소, 옥시제나아제(분자 상 산소를 활성화하여 유기적으로 첨가시키는 효소)등에 의해서 활성화 됨.

    * 산화 반응: 산소와 화합하는 반응 혹은 수소를 상실하는 반응을 산화라고 함. 현재는 더욱 넓은 의미로 화학종이 전자를 상실하여 구성하는 원자의 상화수가 높아지는 반응을 말함.

□ 연구팀은 금속인 코발트 화합물에 산화제를 이용하여 합성한 코발트-퍼옥소* 종이 상온·상압의 조건에서 나이트릴과 반응하는 것을 확인하였다. 이는 금속-활성산소 종이 나이트릴과 반응하는 것을 처음으로 확인한 것이다.

    * 퍼옥소(-peroxo) : 산소분자에서 전자 2개가 추가된 활성 산소 중 하나.

  ○ 특히 코발트-퍼옥스 종이 나이트릴과 반응하여 생성된 합성물인 하이드록시메이토코발트(III)화합물은 향후 프로드러그*로 발전할 수 있다. 하이드록시메이토코발트(III) 화합물이 생체 내 환원에 의해 코발트(Ⅱ) 상태가 되면 암세포에서 많이 발현되는 특정 효소를 억제할 수 있기 때문이다.

    * 프로드러그(Prodrug) : 그 자체로는 거의 약물 활성이 나타나지 않으나 생체 내 효소반응 또는 화학반응으로 약효가 나타나는 물질.

  ○ 나이트릴은 식물 호르몬이나 화합물의 합성에서 중요한 역할을 한다. 반면 제초제에 포함된 나이트릴 작용기를 갖는 화합물들은 농업 폐기물 등에 남아 환경에 피해를 주기도 한다. 그러므로 나이트릴 작용기의 변환은 환경적으로 중요한 반응이다.

□ 조재흥 교수는 이 연구는 금속-활성산소 종의 새로운 반응성을 보여주는 것으로 앞으로 나이트릴을 활성화 할 수 있는 촉매 개발에 기여할 것으로 기대한다며 합성을 통한 생성물은 항암 프로드러그로서의 개발도 기대된다󰡓라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단  C1 가스리파이너리 사업의 지원으로 수행되었다. 화학 분야 국제학술지인 미국화학회지(Jounal of the American Chemical Society) 8월 16일자 논문으로 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Distinct Reactivity of a Mononuclear Peroxocobalt(III) Species toward Activation of Nitriles
   - 저자 정보 : 조재흥 교수(교신저자, 대구경북과학기술원 신물질과학전공), 노현주(제1저자, 대구경북과학기술원 신물질과학전공), 정동현 (대구경북과학기술원), 타케히로 오타(일본 효고현립대학) 타카시 오구라(일본 효고현립대학), 존 셀버스톤 발렌타인(미국 UCLA)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성

   ○ 탄소와 질소의 삼중결합으로 이루어진 나이트릴은 화학적 다기능성을 가져 합성 화학에서 전구물질로서 유용하게 쓰이고 있다. 일반적으로 나이트릴 활성화는 강한 산 혹은 염기 하에서 진행되거나 높은 온도가 필요하기 때문에 이들을 온화한 환경에서 활성화하는 것은 매우 중요하다.

   ○ 체내의 다양한 금속효소의 반응 기작을 규명하기 위해 다양한 금속-활성산소 종의 반응성에 대한 연구가 알려져 왔다. 하지만 삼중결합을 활성화시키는 과정은 쉽지 않기 때문에 나이트릴을 활성화시키는 반응성에 대한 연구는 알려져 있지 않았다.

 2. 연구내용

   ○ 거대고리분자 배위자를 사용하여 4개의 질소 원자가 코발트 중심 금속에 배위한 금속 화합물을 합성하여 산화제를 이용하여 코발트-퍼옥소 종을 합성하였다. 다양한 분광학 및 결정학적 기법을 이용하여 물리화학적 및 구조적 특성을 확인하였다. 특히, 코발트-퍼옥소 종의 자기적 특성을 밝히기 위해 초전도 양자 간섭 장치를 사용하였다. 이를 통하여 온도에 따라 코발트의 스핀 상태가 변하는 스핀 크로스 오버 현상을 확인하였다.

   ○ 금속-활성산소 종에서는 처음으로 나이트릴과 반응성을 확인하였고, 다양한 나이트릴 화합물 (아세토나이트릴, 프로피오나이트릴, 벤조나이트릴)을 사용하여 하이드록시메이토코발트(III) 화합물을 합성하였다.

   ○ 이러한 새로운 반응에 대한 기작을 규명하기 위해 반응 속도론 연구를 진행하였고, 순차적으로 진행되는 전이 상태를 거치는 것이 아니라 동시 반응 기작을 갖는다는 것을 밝혀내었다.

3. 연구 성과

   ○ 이번 연구를 통해, 금속-활성산소 종에서 하이드록시메이토코발트(III) 화합물을 합성하였고 처음으로 탄소와 질소의 삼중 결합으로 이루어진 나이트릴과의 반응성을  분광학적, 구조적으로 확인하는데 성공하였다.

   ○ 하이드록시메이토코발트(III) 화합물은 생체 내 환원과정을 거치면서 암세포에 선택적으로 하이드록시메이트 그룹을 전달할 수 있는 운반체로서 효과적으로 항암 효과를 나타내는 프로드러그 개발이 기대된다.

   ○ 또한, 이번 연구 성과를 바탕으로 삼중결합의 선택적인 활성화 반응을 통해 합성 화학 분야로 확장되어 유용한 금속 촉매 개발에 활용될 수 있다.

상세내용

연구개요

1. 연구배경

  ㅇ 생체 내에 존재하는 금속 효소는 산소 활성화를 통해 금속-활성산소 종을 형성하며, 체내의 산화적 대사과정에 관여한다. 이러한 금속-활성산소 중간체의 특성은 활성 자리를 모방한 모델 화합물을 통해 연구 되어 왔다. 또한, 이들 모사 화합물을 이용한 다양한 생체 반응성에 대한 반응 기작 연구도 되어 오고 있다.

  ㅇ 탄소와 질소의 삼중 결합으로 이루어진 나이트릴은 화학적 다기능성을 가져 합성 화학에서 전구 물질로서 유용하게 쓰이고 있다. 하지만 일반적으로 삼중결합을 활성화시키는 과정은 쉽지 않아 강한 산 혹은 염기 하에서 진행되거나 높은 온도를 필요로 하기 때문에 이들을 온화한 환경에서 활성화하는 것은 매우 중요하다.

  ㅇ 이에 연구팀은 상온에서의 나이트릴 활성화 반응을 보이는 새로운 코발트-활성산소 종을 합성하였다. 생성물인 하이드록시메이토코발트(III) 화합물의 다양한 분광학적 특성을 분석하고 단결정 분석을 통해 구조를 밝혔으며, 반응속도론 연구를 통해 반응 기작을 규명하는 연구를 진행하였다.

 2. 연구내용

  ㅇ 거대고리분자 배위자를 사용하여 새로운 코발트-활성산소 종을 합성하였고 다양한 분광학 및 결정학적 기법을 이용하여 물리화학적, 구조적 특성을 확인하였다.

  ㅇ 금속-활성산소 종에서 처음 나타나는 나이트릴과의 반응성을 통해 합성된 하이드록시메이토코발트(III) 화합물을 확인하고자 다양한 분광학 및 결정학 기법을 사용하였다. 또한, 다양한 나이트릴 화합물 (아세토나이트릴, 프로피오나이트릴, 벤조나이트릴)을 사용하여 반응성을 확인하였다. 코발트 금속 중심에서 활성 산소의 산소-산소 결합이 끊어지고 나이트릴의 탄소와 질소에 산소원자가 각각 결합된 이산화 효소와 같은 새로운 반응이 확인되었다.

  ㅇ 또한, 새로운 반응에 대한 기작을 규명하기 위해 반응 속도론 연구를 진행하였다. 전이상태의 정전기적 성질을 나타내는 하멧 상수의 값이 0에 가깝고, 동위원소 표지법 연구를 통해 외부 산소와 교환 반응이 없다는 것을 확인하여 순차적으로 진행되는 전이 상태를 거치는 것이 아니라 동시 반응 기작을 갖는다는 것을 밝혀내었다.

3. 기대효과

  ㅇ 하이드록시메이토코발트(III) 화합물은 생체 내 환원에 의해 화학적 변형이 쉬운 코발트(II) 상태가 되면 하이드록시메이트 작용기가 방출되고, 이것은 암세포에서 과발현되는 특정 금속효소인 기질금속단백질분해효소(MMP: Metrix metalloproteinases)의 저해제로 쓰일 수 있다. 따라서 코발트 화합물을 통해 암세포에 하이드록시메이트 그룹을 선택적으로 전달할 수 있는 효과적인 프로드러그(신체 내에서 효소/화학물질로 인해 약으로 활성화되는 비활성 물질) 개발이 기대된다.

  ㅇ 더 나아가, 하이드록시메이트 그룹의 알킬기의 사이즈를 조절하여 항암제 연구에 유용한 증진된 투과 및 유지 효과 (Enhanced permeability and Retention Effect: EPR 효과)를 알아내고자 한다. 이처럼 수많은 나이트릴 화합물을 통해 다양한 유도체를 갖는 하이드록시메이트 화합물을 합성할 수 있기 때문에 작용기에 따른 프로드러그로서의 효과를 밝힐 수 있을 것이다.

  ㅇ 삼중결합의 선택적인 활성화 반응을 통해 합성 화학 분야에 유용한 금속 촉매를 기대할 수 있다. 

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 생체 내에 존재하는 산소화 효소들 중, 시토크롬 P450 효소는 활성자리에 철 (Iron)을 함유하고 있는 금속 효소로서 여러 기질을 산화시키며 해독작용, 다양한 생합성에 관여한다. 기질을 산화시키는 과정에서 활성 자리에서는 철-퍼옥소(-peroxo), 철-수퍼옥소(-superoxo), 철-옥소(-oxo)와 같은 다양한 철-활성산소 종 중간체를 형성하며 촉매 순환을 거치게 된다. 따라서, 생무기화학 분야에서는 생체 내 다양한 금속 효소의 반응 기작을 효과적으로 연구하기 위해 모사 화합물을 통해 금속-활성산소 중간체 종을 합성하여 다양한 기질과의 반응성을 확인하는 연구가 이루어지고 있다.

 생체 내의 다양한 반응을 촉매하는 효소들 중에서 1주기 전이금속을 포함하는 효소들이 많이 존재하기 때문에 여러 가지 금속을 사용하여 다양한 모사 화합물을 합성해왔다. 금속 종류의 다양화, 배위자의 작용기 변형을 통해 다양한 종류의 금속화합물을 통해 금속-활성산소종을 합성해왔다. 이를 통해 금속의 특성, 배위자가 금속에 미치는 전자적 및 입체화학적 특성이 금속-활성산소종에 미치는 영향을 연구할 수 있다.

 연구팀은 새로운 거대고리분자 배위자를 사용하여 새로운 금속-활성산소 종으로서 코발트-퍼옥소 종을 합성하였고, 상온 및 상압의 조건에서 용매로 사용하던 아세토나이트릴과의 새로운 반응성을 확인하였다. 정확한 분석을 위해 다양한 분광기기 및 결정학 기법을 통해 분광학적, 구조적 정보를 통해 최종 생성물인 하이드록시메이토코발트(III)화합물을 확인하였다. 또한, 금속-활성산소 종에서는 처음으로 나타나는 나이트릴 활성화 반응 기작을 규명하기 위해 반응속도론 연구를 진행하게 되었다.   

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 금속-활성산소 종은 산소 활성화 반응의 중간체로서 불안정하다. 금속 종류 및 배위자의 환경에 따라 안정성이 다르기 때문에 연구를 위해서 온도, 농도, 용매 등 주변 환경을 적합하게 조성하여 합성이 이루어진다. 연구팀에서 합성한 코발트-퍼옥소 종은 저온 (-20 ℃)에서 합성되었고, 용매에 따른 안정성을 확인하는 과정에서 다른 용매를 사용할 때는 상온에서도 안정한 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 아세토나이트릴을 용매를 사용할 경우 코발트-퍼옥소가 다른 물질로 변하는 것을 분광 분석법을 이용하여 확인할 수 있었다. 연구팀은 다른 나이트릴 화합물과의 반응성도 확인하기 위해 아세토나이트릴과 유사한 지방족 나이트릴로서 프로피오나이트릴을 사용하였고, 방향족 나이트릴로서 벤조나이트릴을 사용하여 코발트-퍼옥소 종과의 반응성을 확인하였다. 또한, 동위원소 표지법 연구를 통해 최종 생성물에 있는 산소 원자가 퍼옥소로부터 온 것을 알 수 있었다. 최종 생성물인 하이드록시메이토코발트(III) 화합물에 대한 정확한 구조분석을 위하여 단결정을 만들었고, 단결정 X-선 회절분석법을 통해 구조적 정보를 얻을 수 있었다.

 이러한 새로운 반응성에 대한 반응 기작을 규명하기 위해 다양한 반응속도론 연구를 진행하였다. 전이상태의 정전기적 성질을 나타내는 하멧 상수의 값이 0에 가깝고, 동위원소 표지법 연구를 통해 외부 산소와 교환 반응이 없다는 것을 확인하였다. 이를 통하여, 친핵성 반응을 통해 순차적으로 진행되는 전이상태가 아닌 동시 반응 기작을 갖는다는 것을 밝혀내었다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 연구팀은 세 가지 나이트릴 화합물을 활성화시켜 하이드록시메이토코발트(III) 화합물을 합성하였고, 구조 분석을 위해 모두 단결정화를 진행하였다. 비교적 온화한 조건에서 진행되는 반응이었지만, 결정성이 좋지 않거나, 확산을 통해 이루어지는 결정화 과정에서 사용하는 디퓨저가 격자에 영향을 미치는 등 좋은 질의 단결정을 얻는 것이 힘들었다. 따라서 농도, 온도, 결정화 방법, 카운터 이온 등을 바꾸어가며 수차례 시도를 하였다. 그러던 중, 연구팀은 퍼옥소 종이 합성된 후 남은 과량의 산화제와 염기를 제거한 코발트-퍼옥소 종과 제거하지 않은 코발트-퍼옥소 종에서 각각 나이트릴과 반응 후 흡수 스펙트럼이 조금 다르게 나타나는 점을 확인하였고 과량으로 넣어주는 산화제와 염기가 반응에 영향을 준다는 것을 알게 되었다. 따라서, 결정화 과정에서 코발트-퍼옥소만을 순수하게 추출하는 과정을 추가하였고, 상온⋅상압의 조건에서 좋은 질의 단결정을 얻을 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 화학적 다기능성을 갖는 나이트릴은 합성 화학에서 전구 물질로서 유용하게 사용되기 때문에 나이트릴을 활성화시키고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 일반적으로 강한 삼중결합을 갖는 나이트릴을 활성화시키기 위해서 온화한 환경에서 활성화를 시킬 수 있는 촉매를 개발하는 것은 산업적으로 중요하다. 연구팀에서 합성한 코발트-퍼옥소 종은 기존의 금속-활성산소종에서는 나타나지 않았던 나이트릴과의 활성화 반응성을 확인하였고, 상온 이상의 온도 및 상압의 조건에서도 반응이 이루어진다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 삼중결합의 선택적인 활성화 반응을 통해 합성 화학 분야에서 유용한 금속 촉매를 기대할 수 있다.

 또한, 나이트릴 활성화를 통해 합성한 최종 생성물인 하이드록시메이토코발트(III)화합물은 생체 내 환원과정을 통해 약효를 나타내는 물질을 안전하게 암세포로 전달하는 운반체 역할을 하는 프로드러그로서 연구되고 있다. 수많은 나이트릴 화합물을 이용하여 작용기를 다양하게 바꿀 수 있기 때문에 효과적인 프로드러그 개발이 기대된다.  

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

더욱 명확한 반응 기작을 규명하기 위해 현재 연구 중에 있다. 온도에 따라 스핀 상태가 변하는 코발트-퍼옥소 종의 자기적 특성이 나이트릴 활성화에 미치는 영향이 있는지 여부를 밝히는 것을 목표로 두고 있다.

또한, 상기 서술한 것처럼, 하이드록시메이트 그룹에서의 작용기 변형을 통한 화합물의 특성을 분광학 및 구조적으로 비교⋅분석하고 세포 실험을 통해 암세포에서의 효과를 비교하는 연구를 하여, 가장 효과적인 프로드러그를 개발하고자 한다. 따라서, 하이드록시메이트 그룹의 알킬기의 사이즈를 조절하여 항암제 연구에 유용한 증진된 투과 및 유지 효과 (Enhanced Permeability and Retention effect:  EPR 효과)를 알아내고자 한다.

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