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이호재‧서지원 교수 공동 연구팀, 단백질 모사체 기반 자기장 감응 형광분자 시스템 개발
관리자
작성일2020.06.25 13:23 조회수506

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 화학과 이호재 교수와 서지원 교수 공동 연구팀이 광범위 용액 극성에서 자기장을 감지할 수 있는 단백질 모사체 기반 형광분자 시스템을 개발하였다.

이번 연구성과는 향후 반도체나 고집적 정보저장 장치 등에 사용되는 미세 자성구조체의 자기장분포이미징 연구에 활용될 것으로 기대된다.

펩토이드* 기반의 이 분자 시스템은 자기장의 세기에 따라 형광의 양이 변하는 엑시플렉스**를 이용한 것으로, 무극성 용매 환경에서부터 수용액에 가까운 매우 큰 극성의 용매 환경에 이르기까지 광범위하게 작동하는 최초의 자기장 감응 형광분자 시스템이다.

*펩토이드(Peptoid): 생체 단백질의 기능을 인공적으로 모사하기 위해 개발된 신물질로, 아미노산 40개 이하가 모여 이루어진 생체 고분자인 펩타이드 모사체이다. 기존 가지구조의 고분자나 인공단백질에 비해 합성이 용이하고 구조를 정밀하게 제어할 수 있다는 것이 장점이다.

**엑시플렉스(Exciplex, 들뜬 복합체): 두 개의 서로 다른 분자 간에 형성된 들뜬 복합체이다. 복합체 형성 시, 하나는 들뜬 상태로 다른 하나는 바닥상태로 결합된다.

화학에서 가장 중요한 반응 중의 하나가 전자전달반응인데, 자기장 감응 엑시플렉스는 이 전자전달반응과정을 형광으로 관찰할 수 있도록 해 주어 반응메커니즘 연구에 매우 유용한 모델시스템이다. 이러한 엑시플렉스의 학문적 중요성에도 불구하고 기존의 자기장 감응 엑시플렉스 형광분자 시스템들은 물에 비해 매우 낮은 극성을 가진 몇 몇 유기용매에서만 작동하여 그 응용과 활용이 제한되어 왔다.

본 연구팀이 파악한 이러한 제한 원인 중의 하나가, 지금까지는 자기장감응 엑시플렉스 시스템은 전자주개(electron donor)분자와 받개(electron acceptor)분자들을 단순히 섞거나 긴 탄소체인으로 연결시켰다는 것이었다.

본 연구팀은 펩토이드 주골격구조 위에 전자주개분자와 받개분자를 도입하고, 둘 사이의 상대적 공간 관계를 분자수준에서 용매환경에 따라 알맞게 조절하여 자기장에 감응하는 엑시플렉스 형광을 관찰할 수 있도록 하였다. 그 결과, 연구팀은 극성이 매우 낮은 다이에틸 에터(diethyl ether)에서 뿐만 아니라 극성이 매우 높은 아세토나이트릴(acetonitrile)과 물의 30:70 혼합용액에서까지 자기장의 세기에 따라 엑시플렉스 형광이 밝아지는 현상을 관찰하였다.

이호재 교수는 이번 연구는 광범위 용매극성 환경에서 활용 가능한 자기장 감응 형광분자시스템 디자인 원리를 제공하였다는데 가장 큰 의의가 있다면서 특히, 수용액에 가까운 용매에서 작동을 하는 자기장 감응 형광분자시스템은 생체 시스템에 도입이 가능하여 향후 전자기파가 인체에 미치는 영향 등을 정량적으로 이미지할 수 있는 기술 개발이 기대된다고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 GIST 연구원(GRI)의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 물리화학 분야의 권위 있는 국제학술지 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(The Journal of Physical Chemistry Letters)62일 자 온라인으로 게재되었다.

한편 대구대학교 송종원 교수 연구팀은 양자계산을 통하여 전자주개분자와 전자받개분자간 상대적 위치관계가 엑시플렉스의 구조에 주는 영향을 밝혀냄으로써 본 연구의 결과 해석과 메커니즘 도출을 뒷받침 해 주었다. <>

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[그림 1] 펩토이는 분자 시스템이 빛 (광자)에 의해 엑시플렉스를 형성하고 있다.

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