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오랫동안 반복 사용할 수 있는 
효소 고정화 소재(나노케이지) 개발
- 정밀화학·제약·바이오기술 등 적용 기대 -
                
                    그림2
(그림 2) 망상형 나노케이지 필름의 구조. (a) 나노케이지 필름(fp=0.6)의 광학 사진 (크기: 8×12 cm, 두께: 40µm). (b) 투과전자현미경 (TEM) 및 (c) 주사전자현미경(SEM)을 통해 측정된 필름의 단면 이미지. 삼차원의 연속적인 기공을 보여줌. (d) 질소 가스 흡착을 통해 얻은 필름의 기공 분포도 (BJH pore size distribution) 및 폴리에틸렌글리콜의 질량 분율(fp)에 따른 필름의 기공 부피 변화. 크기가 5~30 나노미터인 기공이 분포하며 고분자 함량을 조절하여 기공 부피의 조절이 가능함
 
 
□ 한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구 등)의 지원을 받은 박지웅 교수(광주과학기술원), 양성윤 교수(충남대학교) 공동연구팀이 장기간 반복 사용이 가능한 효소 고정화 소재*를 개발하였다고 밝혔다.  
 
  *효소 고정화 소재 : 효소를 고체 상태의 지지체의 표면에 붙이거나 그 안에 걸려 있도록 고정한 소재  
 
  - 생물체의 몸 안에서는 영양분을 흡수하여 성장하고, 에너지를 얻고, 번식하고, 병균을 퇴치하는 등 생물체가 살아가는 모든 과정에서 많은 화학반응이 일어나는데, 이 화학 반응들이 정확하고 빠르게 일어나게 하는 촉매 역할을 하는 것이 효소이다. 
 
  - 현대 과학자들은 효소를 공업적으로 적용하여 약품이나 연료를 생산하고, 물을 정화하거나 대기 중의 이산화탄소를 줄이고자 노력하고 있다. 그러나 효소는 생물체 밖의 환경에서는 쉽게 변질되어 그 촉매 활성을 잃기 쉽고, 한 번 사용 후 다시 사용하기가 어려워 비용이 많이 드는 단점이 있어서 이런 문제를 해결할 수 있는 신기술 개발이 요구되고 있다. 
 
 
               그림3
 
(그림 3) 나노케이지 필름의 기공 및 용질 제거 특성. (a) 나노케이지 필름의 시간에 따른 물 흡수량. 기공 표면에 있는 PEG에 의하여 친수성이 향상되어 짧은 시간에 불구하고 물이 빠르게 흡수됨. (b) 플루오레세인(fluorescein)이 스며든 나노케이지 필름의 공초점 현미경 (confocal microscope) 이미지. 작은 물질인 플루오레세인이 연속적인 기공 내부로 쉽게 확산됨을 보여줌. (c),(d) 필름의 용질 제거 특성. 멤브레인 분석 장비(c)와 미세유체채널(d)에 나노케이지필름을 넣고 수용액 상태의 여러 용질들을 필름에 투과시켜 그 제거율을 분석하였으며 약 5 나노미터 이상의 용질이 전량 제거됨을 확인할 수 있음
 
 
□ 연구팀은 수 나노미터(백만분의 1mm)인 효소 분자와 크기가 비슷한  구멍이 삼차원의 미로처럼 얽혀 있는 구조를 가진 플라스틱 신소재를 개발하고 이 미로에 효소를 가두어 효소의 활성을 반영구적으로 유지하고 여러 번 반복 사용할 수 있도록 새로운 효소 고정화 소재인 나노케이지*를 개발하였다. 이 소재는 대면적의 얇은 필름이나 입체적이고 복잡한 모양으로도 가공할 수 있어서 효소화학반응을 기반으로 한 큰 규모의 화학공정뿐만 아니라 진단이나 검출 기능을 가진 초소형 반응기 등의 신기술에 적용할 수 있다. 
 
  *효소 나노케이지 : 나노미터 크기의 구멍 안에 효소가 갇혀 있는 구조를 가진 소재를 의미하며 구멍 안에서 효소 분자는 구멍으로 들어오는 작은 분자들과의 화학반응에 참여할 수 있지만, 밖으로 빠져 나오지 못하게 되어 있다. 
 
□ 또한 압력을 가해 다양한 종류의 효소를 나노케이지 필름 안으로 밀어 넣는 방법을 개발하였다. 이것은 효소를 고정하는 기존의 어떤 방법보다 간단하게 진행하면서 효소의 변성이나 손실 없이 원하는 양만큼 정량적으로 효소를 고정할 수 있는 최초의 방법이다.
 
 
           박지웅 교수팀
(왼쪽부터) GIST 박지웅 교수, 충남대 양성윤 교수, GIST 배재성 박사
 
 
□ 박지웅 교수는 “이번 연구 성과는 생물체 밖의 인공적인 환경에서도 효소를 보다 쉽고 경제적으로 공업적인 분야에 이용할 수 있게 하는  원천 기술을 개발한 것이다. 이 기술을 이용한 효소 나노케이지 필름은 반응하는 화합물이 필름을 통과하면 원하는 물질을 생성할 수 있어  의약품 제조, 환경 감지기 등 생체막을 모방한 막반응기* 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 
 
  *막반응기 : 액체나 기체상의 화합물이 투과할 수 있고 그 안에 촉매가 들어 있어서, 액체나 기체상의 반응 가능한 화합물이 투과하고 나면 다른 화합물로 변하는 화학반응을 할 수 있는 막 
 
□ 이 연구성과는 화학 분야의 세계적 학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 8월 11일자에 게재되었다. 
 
 
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