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< (왼쪽부터) 생명화학공학과 이진우 교수, 박선혜 박사과정, 최대은 박사과정 >

급성 질병의 조기 진단과 만성 질환의 효율적 관리를 위해, 환자 가까이에서 신속하게 진단할 수 있는‘현장진단(Point-of-Care, POCT)’기술이 전 세계적으로 주목받고 있다. POCT 기술의 핵심은 특정 물질을 정확히 인식하고 반응하는‘효소’에 있다. 그러나 기존의 ‘자연효소’는 고비용·불안정성의 한계를 지니며, 이를 대체하는 ‘효소 모방 촉매(nanozyme)’ 역시 낮은 반응 선택도라는 문제를 안고 있다. 최근 국내 연구진은 기존 효소모방촉매보다 38배 이상 향상된 선택도를 구현하고, 단 3분 만에 육안으로 진단 결과를 확인할 수 있는 고감도 센서 플랫폼을 개발하는 데 성공했다. 

우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서울대학교 한정우 교수, 가천대학교 김문일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 과산화효소 반응만을 선택적으로 수행하면서도 높은 반응 효율을 유지하는 새로운 단일원자 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다. 

혈액, 소변, 타액 등 인체 유래 체액을 이용해 병원 밖에서도 수 분 내 판독할 수 있는 진단 플랫폼으로 의료 접근성을 크게 높이고, 치료의 시의성을 확보할 수 있는 현장진단 기술의 핵심은 효소를 이용해 질병 진단 물질인 바이오마커를 색 변화를 통해 시각적으로 알아낼수 있다는 점이다. 그러나 자연 효소를 이용할 경우 가격이 높고 진단 환경에서 쉽게 불안정해져 보관 및 유통의 한계가 있다. 

이 문제를 해결하기 위해 새로운 무기 소재 ‘효소 모방 촉매(nanozyme)’가 개발되어 왔으나 반응의 선택도가 낮다는 한계를 안고 있다. 과산화수소를 기질로 활용할 경우, 하나의 촉매가 동시에 과산화효소(색 변화 유도) 반응과 카탈레이스(반응 기질 제거) 반응을 함께 일으켜 진단 신호의 정확도가 낮아지는 문제가 있다. 

연구팀은 촉매의 반응 선택성을 원자 수준에서 제어하기 위해, 촉매 중심 금속인 ‘루테늄(Ru)’에 금속과 결합해 화학적 성질을 조절하는 ‘염소(Cl) 리간드’를 3차원 방향으로 결합하는 ‘독창적 구조 설계 전략’을 활용하여 정확한 진단 신호만을 검출하는데 성공했다.

< 본 연구의 촉매(루테늄 단일원자 촉매)는 3차원 방향의 리간드 조정으로 자연 효소와 같이 과산화 효소 선택적 활성을 나타낸다. 경쟁적인 카탈레이스 활성이 없기 때문에 생체 유사 조건에서 선택적인 과산화 효소 유사 반응이 진행된다. 이와 대조적으로, 평면상에 배치된 활성점을 지니는 기존 단일 원자 촉매는 pH에 따라 이중 기능을 나타낸다. 중성 조건에서 이들의 카탈레이스 활성은 과산화수소 소실로 이어져 정확한 검출을 방해한다. 본 연구의 촉매는 이러한 간섭이 제거되어 산화효소와의 연계 반응을 통해 바이오마커를 직접 검출할 수 있으므로 버퍼 교체와 같은 번거로운 단계를 거치지 않아도 된다. 생체 유사 조건에서 여러 표적 물질을 동시에 검출할 수 있다는 것은 현장 진단을 위한 루테늄 단일원자 촉매의 실용성을 입증한다. >

실험 결과, 이번에 개발한 촉매는 기존 효소 모방 촉매 대비 38배 이상 향상됐으며, 과산화수소 농도에 따른 반응 민감도와 속도 또한 눈에 띄게 증가했다. 특히 생체 체액의 조건에 가까운 환경(pH 6.0)에서도 반응 선택성과 활성을 안정적으로 유지해, 실제 진단 환경에서의 적용 가능성도 입증했다. 

연구팀은 개발한 촉매에 산화효소를 담아 종이 센서에 적용함으로써 산화효소-효소모방촉매 연계 반응을 통해, 우리 몸의 건강상태를 알려주는 바이오마커에 해당하는 ‘포도당, 젖산(락테이트), 콜레스테롤, 콜린’ 등 4종의 바이오마커를 동시에 검출할 수 있는 진단 시스템을 구현했다. 

다양한 질병 진단에 범용 적용이 가능한 이 플랫폼은 별도의 pH 조절이나 복잡한 장비 없이도 3분 이내에 색 변화를 통해 육안으로 결과를 판별할 수 있으며, 이 성과는 플랫폼 자체의 변경 없이, 촉매 구조 제어만으로도 진단 성능을 획기적으로 개선할 수 있음을 보여준 사례다.

< (a) 종이센서 모식도 (구역 1: 포도당 산화효소(GOx)-촉매 복합체 담지, 구역 2: 락테이트 산화효소(LactOx)-촉매 복합체 담지, 구역 3: 콜린 산화효소(ChOx)-촉매 복합체 담지, 구역 4: 콜레스테롤 산화효소(COx)-촉매 복합체 담지, 구역 5: 촉매 단독 (산화효소 미탑재) (b) 루테늄 단일원자 촉매기반 종이센서를 이용한 단일 바이오마커 검출, (c) 루테늄 단일원자 촉매기반 종이센서를 이용한 다중 바이오마커 검출> (a) 포도당, 락테이트, 콜레스테롤, 콜린 등 4종의 표적 바이오마커를 5개의 독립된 검출 영역에서 동시에 감지할 수 있도록 설계된 종이 기반 센서의 구성도를 나타낸다. (b) 다양한 생체 내 간섭 물질 (a: 포도당, b: 락테이트, c: 콜레스테롤, d: 콜린, e: 갈락토스, f: 알부민 단백질, g: 시스테인, h: 아스코르빈산, i: 요산, j: Na⁺, k: Ca²⁺, l: 완충용액)의 존재 하에서도 각 표적 물질(포도당, 락테이트, 콜레스테롤, 콜린)에 대해 높은 선택성을 유지하며, 비특이적 반응 없이 정확한 검출이 가능함을 확인하였다. (c) 질병 진단과 연관된 여러 표적 물질이 혼합된 복합 시료 내에서도 각 표적에 대한 신호가 개별적으로 검출되어, 본 플랫폼이 다중 진단 환경에서도 우수한 정량 성능과 선택성을 유지함을 입증하였다 (용액 1: 포도당 단독, 용액 2: 포도당 + 락테이트, 용액 3: 포도당 + 락테이트 + 콜레스테롤, 용액 4: 포도당 + 락테이트 + 콜레스테롤 + 콜린) >

이진우 교수는 “이번 연구는 단일원자 촉매의 반응 선택성을 원자 구조 설계를 통해 제어함으로써, 효소 수준의 선택성과 반응성을 동시에 구현한 사례로 의의가 있다”고 밝혔다. 또한 “이러한 구조–기능 관계 기반의 촉매 설계 전략은 향후 다양한 금속 기반 촉매 개발에도 적용할 수 있으며, 선택성 제어가 중요한 다양한 반응 영역으로 확장될 수 있다”고 강조했다. 

우리 대학 생명화학공학과 박사과정 박선혜 학생과 최대은 학생이 공동 제1 저자로 연구 결과는 재료과학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 2025년 7월 6일 게재됐다.

※ 논문명: Breaking the Selectivity Barrier of Single-Atom Nanozymes Through Out-of-Plane Ligand Coordination

(저자 정보 : 박선혜(KAIST, 제1 저자), 최대은(KAIST, 제1 저자), 심규인(서울대, 제1 저자), Phuong Thy Nguyen(가천대, 제1 저자), 김성빈(KAIST), 이승엽(KAIST), 김문일(가천대, 교신저자), 한정우(서울대, 교신저자), 이진우(KAIST, 교신저자) 총 9명)

※DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202506480 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.