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세계 최초 플라빈 빛 파장 설계 성공, 의료·환경 혁신​
조회수 : 361 등록일 : 2025-04-23 작성자 : 홍보실

(앞왼쪽부터) 화학과 원창현 석박통합과정, 화학과 윤가혜 석박통합과정 (뒷줄 왼쪽부터) 화학과 Neetu Singh 연수연구원, 화학과 서다영 석박통합과정, 화학과 백윤정 교수 (부재 인원 왼쪽부터) 기초과학연구원 권성연 박사, 화학과 손태일 석박통합과정, 기초과학연구원 김동욱 박사

< (앞왼쪽부터) 화학과 원창현 석박통합과정, 화학과 윤가혜 석박통합과정 (뒷줄 왼쪽부터) 화학과 Neetu Singh 연수연구원, 화학과 서다영 석박통합과정, 화학과 백윤정 교수 (부재 인원 왼쪽부터) 기초과학연구원 권성연 박사, 화학과 손태일 석박통합과정, 기초과학연구원 김동욱 박사 >

플라빈은 우리 몸 등 생명체 내의 에너지 생산과 생화학 반응에 관여하는 중요한 조효소이자 특정 색의 빛을 방출하는 형광 분자다. 하지만 자연계의 플라빈은 대부분 파란색에서 초록색 영역까지 짧은 파장의 빛을 낼 수 있어, 그보다 긴 파장인 적외선 영역까지는 확장되기 어렵다. KAIST 연구진이 기존 한계를 극복하고 플라빈이 내뿜는 형광 파장을 근적외선까지 확장하여 의료·환경·에너지 분야의 새로운 가능성을 제시했다.

우리 대학 화학과 백윤정 교수 연구팀은 근적외선 파장에서 발광이 가능한 5개의 고리 구조를 가진 새로운 오환형 플라빈 분자를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

백윤정 교수 연구팀은 전통적으로 세 개의 고리를 갖는 플라빈 구조에서 플라빈의 핵심 구조를 5개의 고리로 확장하고, 여기에 산소 및 황 등 이종 원자를 정교하게 도입함으로써 분자의 전자 구조를 정밀하게 조절하는 새로운 합성 전략을 제시했다. 

특히 이번에 개발된 분자는 적외선에 가까운 짙은 붉은색 및 근적외선 영역의 빛을 낼 수 있어, 기존 플라빈 색소가 낼 수 있었던 색의 범위를 획기적으로 확장했다는 평가를 받고 있다.

그 결과, 황이 포함된 구조체는 772 nm에 달하는 근적외선 영역에서 발광하며, 이는 지금까지 보고된 플라빈 유도체 중 가장 긴 파장이다. 또한 이 분자는 기존의 플라빈에서 드물게 관찰되던 준가역적인 산화 특성을 나타내어 전기화학적 기능성까지 동시에 갖춘 다기능성 분자 플랫폼으로 주목받고 있다. 

[그림] 삼환형에서 (왼쪽) 오환형으로 확장하고 (오른쪽), 산소 및 황과 같은 이종 원자가 도입된 새로운 플라빈 기반의 발광체의 화학적 구조 및 실제 짙은 붉은색 및 근적외선 발광을 보여주는 사진.

< [그림] 삼환형에서 (왼쪽) 오환형으로 확장하고 (오른쪽), 산소 및 황과 같은 이종 원자가 도입된 새로운 플라빈 기반의 발광체의 화학적 구조 및 실제 짙은 붉은색 및 근적외선 발광을 보여주는 사진. >

연구팀은 분자의 구조를 미세하게 조절함으로써, 빛을 어떻게 흡수하고 방출할지를 원하는 대로 설계할 수 있게 되었고, 전기 신호를 전달하거나 변환하는 능력 또한 함께 제어할 수 있음을 입증했다. 

이번 연구는 기존 플라빈의 한계를 뛰어넘어 빛의 파장을 바꿈으로서 활용 기술과 응용 범위를 넓힐 수 있다는 것을 보여줬다. 예를 들어, 근적외선(NIR) 같은 긴 파장의 빛을 통해 몸 속 더 깊이 정확하게 진단·치료하게 하며, 오염이나 독성물질이 특정 빛에 반응하도록 설계도 가능하며, 긴 파장의 빛을 흡수해서 친환경 에너지로 만들게 하는 등 발광 파장과 전자 특성을 정밀하게 제어하는 새로운 플랫폼을 제시하였다. 

백윤정 교수는 “플라빈의 빛 파장을 바꿀 수 있다는 것은 우리가 원하는 상황에 맞게 빛을 자유롭게 설계하고 활용할 수 있다는 뜻으로, 앞으로 우리 손으로 원하는 색과 성질을 가진 분자를 정밀하게 디자인하고 만들수 있다는 가능성을 보여준 것”이라며, “이는 의료, 환경, 에너지 등 빛 기반 기술이 적용되는 수많은 분야에서 게임 체인저가 될 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.

해당 성과는 세계적인 국제 학술지 Nature사가 발행하는 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 4월 15일자로 게재되었다.

 ※ 논문명 : Expanding the Chemical Space of Flavins with Pentacyclic architecture

 ※ 저자 정보 : 서다영 (KAIST, 제1 저자), 권성연 (기초과학연구원, 공동 제2 저자), 윤가혜 (KAIST, 공동 제2 저자), 손태일 (KAIST, 공동 제2 저자), 원창현 (KAIST, 제3 저자), Neetu Singh (KAIST, 제4 저자), 김동욱 (기초과학연구원, 제5 저자) 및 백윤정 (KAIST, 교신저자) 포함 총 8 명  DOI: 10.1038/s41467-025-58957-2 

한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 개인기초연구사업의‘우수신진연구’와 산업통상자원부가 지원하는‘소재부품개발사업’과제의 지원을 받아 수행됐다.

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