KAIST, 진단 신호 정확도 38배 높인 '단일원자 촉매' 개발

진단 반응 선택성 정밀 제어
복잡한 장비 없이 색 변화로 판별

산화효소 선택적 반응 및 바이오마커 검출 모식도. ⓒ한국과학기술원

한국과학기술원(KAIST)은 이진우 생명화학공학과 교수 연구팀이 한정우 서울대학교 교수, 김문일 가천대학교 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 진단 신호 선택성을 획기적으로 개선한 단일원자 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 혈액, 소변, 타액 등 인체 체액을 이용해 수 분 내 질병 여부를 확인하는 ‘현장진단’ 기술의 정확도를 높이기 위한 시도다. 기존 효소 기반 진단 기술은 자연 효소의 고비용·저안정성, 효소 모방 촉매(nanozyme)의 낮은 선택도 등의 한계를 안고 있었다.

기존 촉매는 과산화수소를 기질로 활용할 때 색 변화를 유도하는 과산화효소 반응과, 진단 신호를 방해하는 카탈레이스 반응이 동시에 발생해 신호 정확도가 떨어졌다.

연구팀은 루테늄(Ru) 단일원자 중심에 염소(Cl) 리간드를 3차원 방향으로 결합하는 구조 설계를 통해 반응 선택성을 원자 수준에서 제어했다. 실험 결과, 개발된 촉매는 기존 효소 모방 촉매 대비 진단 신호 정확도가 38배 이상 향상됐으며, 생체 체액 환경(pH 6.0)에서도 안정적인 반응성을 보였다.

이 촉매를 종이 센서에 적용해 포도당, 젖산, 콜레스테롤, 콜린 등 4종의 바이오마커를 3분 이내에 색 변화로 동시에 검출할 수 있는 진단 플랫폼도 구현했다. 별도 장비나 pH 조절 없이 결과 확인이 가능하며, 플랫폼 자체를 바꾸지 않고 촉매 구조 설계만으로 진단 성능을 크게 높일 수 있다는 점에서 주목된다.

이진우 교수는 “단일원자 촉매의 반응 선택성을 구조 설계로 제어한 사례”라며 “선택성 제어가 중요한 다양한 촉매 반응 분야로 확장이 가능하다”고 밝혔다.