연구진이 효소의 기능을 모방하는 합성 고분자를 개발하여 산업 촉매 작용 및 약물 개발에 혁명을 일으킬 가능성이 있다고 Nature지에 발표된 연구에서 밝혔다. 연구팀은 생물학적 과정에서 중요한 역할을 하는 금속 이온을 함유한 단백질인 금속단백질의 활성 부위를 복제할 수 있는 무작위 이종 고분자(RHP)를 만드는 데 집중했다.

이번 연구는 재료 과학 분야의 오랜 과제인 합성 물질을 사용하여 단백질의 복잡한 기능을 복제하는 문제를 해결한다. 과학자들이 단백질의 구조적 계층을 모방하는 데 진전을 이루었지만, 유사한 기능적 복잡성을 달성하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었다. 연구팀의 접근 방식은 1,300개 이상의 금속단백질 활성 부위 분석을 바탕으로 특정 화학적 특성을 가진 RHP를 설계하는 것을 포함했다. 그들은 단백질의 기능성 아미노산 잔기에 해당하는 주요 단량체를 도입하고, 이러한 단량체를 포함하는 세그먼트의 화학적 특성(예: 세그먼트 소수성 또는 물을 밀어내는 특성)을 통계적으로 조절했다.

연구진은 논문에서 "단백질과 다른 골격 화학 구조를 가진 고분자의 경우, 세그먼트 수준에서 곁사슬의 공간적 및 시간적 투영을 프로그래밍하는 것이 단백질 행동을 복제하는 데 효과적일 수 있다고 제안한다"고 밝혔다. 결과적으로 생성된 RHP는 유사 활성 부위를 형성하여 주요 단량체에 단백질과 유사한 미세 환경을 제공하여 촉매 기능을 수행할 수 있도록 한다.

이러한 발전의 중요성은 천연 효소와 관련된 한계를 극복할 수 있는 잠재력에 있다. 천연 효소는 종종 생산 비용이 비싸고 환경 조건에 민감하며 특정 응용 분야에 맞게 수정하기 어렵다. 반면에 합성 효소 모방체는 더 쉽게 설계 및 합성할 수 있고, 종종 더 견고하며 특정 요구 사항에 맞게 조정할 수 있다.

이러한 RHP의 설계는 단백질에서 발견되는 정확한 단량체 서열의 부족을 보완하기 위해 고분자의 회전 자유도를 활용한다. 이를 통해 완벽한 서열 제어 없이도 앙상블 수준에서 균일한 거동을 보이는 재료를 만들 수 있다. 연구진은 원팟 합성법을 사용하여 생산 공정을 단순화하고 확장성을 높였다.

이 연구의 의미는 다양한 분야로 확장된다. 산업 촉매 작용에서 RHP는 기존 금속 촉매를 대체하거나 보완하여 보다 효율적이고 지속 가능한 화학 공정을 가능하게 할 수 있다. 약물 개발에서는 새로운 치료제 또는 약물 전달 시스템을 만드는 데 사용할 수 있다. 또한 이번 개발은 재료 과학에서 인공 지능(AI)의 역할이 커지고 있음을 강조한다. RHP 설계를 안내한 금속단백질 활성 부위 분석에는 계산 도구 및 데이터베이스 사용이 포함되었으며, 이는 AI가 새로운 재료 발견을 가속화할 수 있는 방법을 보여준다.

앞으로 연구진은 RHP 설계를 더욱 개선하고 다양한 분야에서의 응용을 탐구할 계획이다. 또한 RHP의 속성을 예측하기 위한 AI 기반 방법을 개발하여 발견 프로세스를 더욱 가속화하는 것을 목표로 한다. 맞춤형 속성을 가진 합성 효소 모방체를 만들 수 있는 능력은 에너지 및 환경에서 의약 및 제조에 이르기까지 다양한 분야의 과제를 해결할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.