KAIST "독성가스 '황하수소', 치료 도구로 전환 플랫폼 개발"

독성가스로 알려진 황하수소(H2S)를 치료 도구로 전환해 활용할 수 있는 플랫폼이 개발됐다.

KAIST는 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 황화수소의 생성과 전달을 원하는 시간과 위치에서 정밀하게 조절하는 전기화학 기반의 '황화수소 전달 바이오전자(Bioelectronic) 플랫폼'을 개발했다고 23일 밝혔다.

(좌측 상단부터) 박지민 교수, 이재웅 박사, 임리안 석사, 이창호 박사과정. KAIST

황하수소는 그간 악취(달걀 썩는 냄새)와 독성을 가진 위험 물질로 인식됐다. 하지만 최근에는 세포의 건강 상태를 유지, 단백질 기능을 조절하는 '생체 신호 전달자' 역할로 주목받는다.

특히 단백질 구조를 미세하게 변화시켜 기능을 조절하는 '화학적 스위치'로 작용할 수 있다는 점은 황하수소의 장점이다. 다만 농도 조절이 까다롭고 특정 부위에만 정밀하게 전달하기 어렵다는 점에서 실제 치료에 활용하는 데는 한계가 따랐다.

연구팀은 이러한 문제를 해결해 전기 스위치처럼 황화수소를 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 구현했다.

자연계 박테리아의 순환 시스템에서 착안해 생체에 무해한 원료인 티오황산염(Thiosulfate)에 전기를 가해 황화수소를 생성하는 방식이다. 이는 기존 화학적 투여 방식보다 안전성과 제어 정밀성이 높은 게 특징이다.

또 다양한 금속 전극을 비교 분석했을 때 '은(Ag) 전극'이 가장 효율적인 소재임을 확인했다. 황화수소 생성 반응을 선택적으로 촉진하고, 전자 전달 효율이 높은 특징으로 은 전극을 이용하면 생성량을 보다 정밀하게 제어할 수 있기 때문이다.

이 플랫폼을 활용하면 전압의 세기와 자극 시간만으로 황화수소의 방출량과 속도를 정밀하게 제어할 수 있어 환자의 상태나 치료 부위에 맞춰 최적의 시점에 전달하는 게 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다.

연구팀은 인간 유래 세포(HEK293T)에 플랫폼을 적용해 전기 신호로 세포 내부에서 통증과 자극을 감지하는 '스위치' 역할을 하는 이온 채널(TRPA1)을 정밀하게 조절하는 데 성공했다.

AI 생성 이미지. KAIST

특히 활성산소 증가 등으로 손상된 상태(산화 스트레스)의 세포에 이 플랫폼을 적용했을 때는 황화수소로 세포의 균형을 회복시키는 등의 치유 효과를 거뒀다. 이 과정에선 세포 독성은 거의 관찰되지 않아 인체 적용 가능성(안전성)도 확인됐다.

박 교수는 "이번 연구는 독성 물질로만 여겨졌던 황화수소를 전기 신호로 정밀하게 제어해 생체 시스템을 조절할 수 있는 새로운 도구로 전환했다는 데 의의가 있다"며 "신경계와 심혈관계 질환 치료를 위한 정밀 의료기기는 물론 실시간 건강관리를 위한 디지털 헬스케어 분야로의 확장 가능성도 높다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 임리안 석사·이창호 박사과정·이재웅 박사가 공동 제1 저자로 참여하고 김지한 교수가 공저자, 박지민 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 논문은 지난 19일 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr