쉽고 빠르게 원자 편집해 약효 극대화…신약 발굴 패러다임 바꾼다

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국내 연구진이 빛에너지를 사용해 신약 후보 물질에서 약효를 내는 핵심 원자를 손쉽고 빠르게 편집하는 기술을 개발했다. 약물의 약효를 극대화할 수 있어 신약을 발굴하는 데 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대된다.

KAIST는 박윤수 화학과 교수 연구팀이 오각 고리 화합물인 ‘퓨란’의 산소 원자를 손쉽게 질소 원자로 편집·교정해 제약 분야에서 널리 활용되는 '피롤 골격'으로 직접 전환하는 원천 기술 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’에 3일 게재됐다.

대다수 의약품은 복잡한 화학 구조를 갖지만 정작 이들의 효능은 단 하나의 핵심 원자에 의해 결정되기도 한다. 대표적으로 산소, 질소와 같은 원자는 바이러스에 대한 약리 효과를 극대화 하는 데 중추적인 역할을 한다. 

이처럼 약물 분자 골격에 특정 원자를 도입했을 때 나타나는 효능을 ‘단일 원자 효과'라 한다. 선도적 신약 개발에서는 수많은 원자 종류 중 약효를 극대화하는 원자를 발굴하는 것이 핵심으로 여겨진다.

단일 원자 효과를 평가하기 위해서는 다단계·고비용의 합성 과정이 필수적이다. 산소 혹은 질소 등을 포함한 고리 골격은 고유의 안정성(방향족성)으로 단일 원자만 선택적으로 편집하기 어렵기 때문이다. 

연구팀은 빛에너지를 활용하는 광촉매를 도입해 해당 기술을 구현했다. 분자 가위 역할을 하는 광촉매 개발을 통해 오각 고리를 자유자재로 자르고 붙여 상온·상압 조건에서 동작하는 단일 원자 교정 반응을 세계 최초로 성공시켰다. 

연구팀은 “들뜬 상태의 분자 가위가 단전자 산화 반응을 통해 퓨란의 산소를 제거하고, 질소 원자를 연이어 추가하는 새로운 반응 메커니즘을 발견했다”고 설명했다.

이번 연구의 제1 저자인 KAIST 화학과 김동현, 유재현 석박사통합과정 학생은 “빛에너지를 활용해 가혹한 조건을 대체해 해당 기술이 높은 활용성을 가질 수 있었다”며 “복잡한 구조로 이루어진 천연물이나 의약품들을 기질로 활용해도 선택적으로 목표 편집이 수행된다”고 말했다.

이번 연구를 이끈 박윤수 교수는 “오각 고리형 유기 물질의 골격을 선택적으로 편집할 수 있게 되면서 제약 분야의 중요한 숙제였던 의약품 후보 물질의 라이브러리 구축에 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.

가시광선 조건에서 분자 가위를 이용한 단일 원자 편집 전략을 통해 퓨란을 피롤로 변환하는 원천 기술을 나타낸 이미지. KAIST 제공

<참고 자료>
- 10.1126/science.adq6245

[박정연 기자 hesse@donga.com]