▲ 산화효소 선택적 반응 및 바이오마커 검출 모식도 / 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.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

국내 연구진이 질병의 조기 진단과 효율적인 만성 질환 관리를 위한 현장 진단(POCT) 기술의 핵심인 '효소 모방 촉매' 분야에서 혁신적인 성과를 발표했다. KAIST 이진우 교수 연구팀은 서울대학교 한정우 교수, 가천대학교 김문일 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 기존 효소 모방 촉매보다 38배 이상 향상된 선택도를 가진 촉매를 개발하고, 이를 활용해 단 3분 만에 육안으로 질병 진단 결과를 확인할 수 있는 고감도 센서 플랫폼을 구현하는 데 성공했다.

고비용·불안정성 자연효소 한계 극복... 정확도 높인 새 촉매 탄생

현재 의료 현장에서 질병 진단에 활용되는 자연효소는 높은 비용과 불안정성으로 보관 및 유통에 어려움이 많았다. 이러한 한계를 극복하고자 개발된 '효소 모방 촉매(나노자임)'는 상대적으로 저렴하고 안정적이지만, 반응 선택도가 낮아 정확한 진단 신호를 얻기 어렵다는 문제점을 안고 있었다. 특히 과산화수소를 기질로 사용할 경우, 하나의 촉매가 색 변화를 유도하는 과산화효소 반응과 반응 기질을 제거하는 카탈레이스 반응을 동시에 일으켜 진단 신호의 정확도를 떨어뜨렸다.

KAIST 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 촉매 중심 금속인 '루테늄(Ru)'에 '염소(Cl) 리간드'를 3차원 방향으로 결합하는 독창적인 구조 설계 전략을 적용했다. 이를 통해 원하는 과산화효소 반응만을 선택적으로 수행하며 높은 반응 효율을 유지하는 새로운 단일원자 촉매를 개발하는 데 성공했다.

실험 결과 입증된 '3분 진단'의 가능성

이번에 개발된 촉매는 기존 효소 모방 촉매 대비 38배 이상 향상된 반응 선택도를 보였으며, 과산화수소 농도에 따른 반응 민감도와 속도 또한 크게 증가했다. 특히 사람의 체액과 유사한 환경(pH 6.0)에서도 반응 선택성과 활성을 안정적으로 유지하여 실제 진단 환경에서의 적용 가능성을 입증했다.

연구팀은 이 촉매에 산화효소를 담아 종이 센서에 적용, 산화효소-효소모방촉매 연계 반응을 통해 우리 몸의 건강 상태를 알려주는 포도당, 젖산(락테이트), 콜레스테롤, 콜린 등 4종의 바이오마커를 동시에 검출할 수 있는 진단 시스템을 구현했다. 이 플랫폼은 별도의 pH 조절이나 복잡한 장비 없이 3분 이내에 색 변화를 통해 육안으로 결과를 판별할 수 있어, 다양한 질병 진단에 범용적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 이진우 교수는 "이번 연구는 단일원자 촉매의 반응 선택성을 원자 구조 설계를 통해 제어함으로써 효소 수준의 선택성과 반응성을 동시에 구현한 의의 있는 사례"라며, "이러한 구조-기능 관계 기반의 촉매 설계 전략은 향후 다양한 금속 기반 촉매 개발 및 선택성 제어가 중요한 반응 영역으로 확장될 수 있을 것"이라고 강조했다.

KAIST 생명화학공학과 박사과정 박선혜 학생과 최대은 학생이 공동 제1저자로, 이번 연구 결과는 재료과학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 2025년 7월 6일 게재되었다.

논문명은 Breaking the Selectivity Barrier of Single-Atom Nanozymes Through Out-of-Plane Ligand Coordination이다.