안동준-이승우-임동권 교수팀, 결빙방지 단백질을 모사한 금 나노입자 동결제어 나노소재 개발

세계 저명 학술지 Journal of the American Chemical Society 게재돼

고려대 KU-KIST 융합대학원 안동준-이승우-임동권 교수팀은 극지생물의 동결방지 단백질 (Antifreeze protein, AFP)을 모사한 새로운 동결제어용 금 나노입자를 개발했다. 이번 연구 결과는 10월 16일 세계적인 학술지 Journal of the American Chemical Society (IF: 14.695)에 게재됐다.

- 저자정보 : 이승우/안동준 (교신저자, 고려대), 임동권 (공동저자, 고려대), 이재원/이상엽 (공동1저자, 고려대)

- 논문명 : Antifreezing Gold Colloids

얼음이 어는 환경은 생물에게 치명적이다. 물 분자가 얼기 시작하는 낮은 온도에서는 생물체 내에 생성된 뾰족한 얼음 결정이 세포를 찢어버린다. 이뿐만 아니라, 세포 밖의 물이 얼면 세포 밖 물질의 농도가 높아져 물이 세포 밖으로 빠져나가는 삼투 현상이 일어난다. 그 결과 배추를 소금에 절이는 경우처럼 세포가 쭈그러들다 사멸하게 된다. 이러한 얼음으로부터의 공격을 막기 위해 극지에 사는 생물들은 동결방지 단백질 (Antifreeze protein, AFP)이라는 생체 부동제를 만들어내도록 진화했다. 이를 통해 영하의 온도에서도 체내 얼음 결정의 성장을 저해하고 세포의 손상을 방지하여 극한의 환경에서도 생존할 수 있는 것이다.

한편 극저온에서 세포를 보존하는 동결보존법은 지난 수십 년간 의학 및 연구 목적으로 사용되었으나 여기에 사용되는 화학적 부동제가 세포에 미치는 독성으로 인해 동결보존 대상이 제한돼왔다. 반면, 천연 동결 방지제인 동결방지 단백질은 이러한 문제에서 자유로울 수 있어 화학적 부동제를 대체하는 무독성 동결 방지제로서 각광받아왔다. 하지만, 단백질 소재가 가지는 불안정성과 대량생산 공정 확보의 어려움 그리고 이로 인한 높은 단가 때문에 실질적으로 활용되지 못하고 있는 실정이다.

고려대 KU-KIST 융합대학원 안동준-이승우-임동권 교수팀은 동결방지 단백질의 구조적, 화학적 특성을 모사하여 금 나노입자 기반의 동결 제어 나노소재를 개발함으로써 동결방지 단백질이 가지는 한계를 극복했다. 연구팀은 화학적으로 대량 생산한 금 나노입자의 표면에 동결방지 단백질을 모사한 올리고펩타이드를 배열하여 얼음 결정에 흡착할 수 있는 나노소재를 만들었으며, 이를 이용해 얼음 결정의 성장 및 재 결정화를 효과적으로 억제할 수 있음을 보였다. 특히, 동결방지 단백질 대비 100배 낮은 농도에서도 동결방지 단백질에 필적하는 동결제어능을 이끌어내는데 성공하여 미량만으로도 효과를 내는 고효율 부동제를 개발하는데 성공했다.

이에 더해 연구팀은 금 나노입자의 형태를 조절하여 동결 제어 소재와 얼음 결정 사이의 접촉 형태에 따른 동결제어능을 분석했으며 점 접촉에 비해 면 접촉이 얼음과 동결 제어 물질 사이의 상호작용을 극대화하고 동결제어능을 높이는 것으로 나타났다. 이는 기존의 동결방지 단백질 연구에서 미지의 영역으로 남아있던 부분으로 연구팀은 이를 통해 동결방지 단백질과 이를 모사한 동결 제어 물질의 개발 연구에 새로운 방향을 제시했다.

연구팀의 연구 결과는 무독성의 고효율 부동제를 경제적으로 만들어 낼 수 있는 기반기술에 사용될 수 있을 것으로 기대되어 세포치료제 등을 포함하는 의료산업과 제약산업, 농·축·수산업, 그리고 식품산업 등에 큰 파급력을 미칠 것으로 예상된다. 이번 연구는 미래소재디스커버리 사업 (물:얼음증강계면 연구단, 단장 안동준)의 지원을 받아 수행됐다.

[그림 1] 금 나노입자 기반 동결 제어 나노소재의 제작 및 동결 제어 원리를 나타내는 모식도. 동결방지 단백질을 모사한 올리고펩타이드로 표면 개질된 금 나노입자가 얼음 결정에 흡착하여 얼음의 성장을 저해한다.

[그림 2] 동결제어 성능 비교 분석 결과. 증류수 (1행)와 표면 개질되지 않은 금 나노입자 (2행) 용액을 동결시킨 경우 시간에 따른 얼음 결정의 성장이 관찰된다. 반면, 올리고펩타이드로 표면 개질 된 금 나노입자 용액을 동결시킨 경우 (3행) 얼음 결정의 성장이 저해됨을 확인할 수 있다.