고려대학교 물리학과

물리학과 박규환 교수,

초고민감도 분자 카이랄성 측정기술 개발...네이처 게재

- 카이랄 나노입자 기반 빛-물질 간 상호작용 원리 규명 -

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 서울대학교 남기태 교수, 고려대학교 이승우 교수, 박규환 교수로 구성된 공동연구팀이 카이랄* 나노입자 기반 빛‑물질 간 상호작용에 대한 새로운 물리현상을 발견하여, 이를 생체 분자 및 그들의 카이랄성 분석에 성공적으로 응용하였다고 밝혔다.

* 오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만 왼손용 장갑을 오른손에 착용할 수 없는 것과 같이, 

서로 거울상 대칭이지만 겹쳐지지 않는 특성

과기정통부가 신연구방법론(계산과학 등)을 활용하여 새로운 물성과 기능을 구현하는 신소재를 개발하는 ‘미래소재디스커버리지원 사업 등을 지원한 이번 연구의 성과는 네이처(Nature, IF 69.504)에 12월 15일 게재되었다.

자연계에 존재하는 모든 생명체들은 그들이 가진 구조와 그들을 이루는 재료에 따라 빛과 특이적인 상호작용을 가진다. 여기서, 연구팀은 다양한 생체 분자의 구조적 특징으로 인한 빛 ‑물질 간 상호작용 중 ‘카이랄성’에 의한 분자의 원편광* 특이적 상호작용에 대한 연구를 진행하였다.

* 편광은 전자기파가 진행할 때 전자기파의 진동 방향(예 : 파도의 위아래 움직임)을 특정 방향으로 조정한 빛이며, 원편광은 전자기파가 원형으로 회전하며 진행하는 빛

분자의 카이랄성은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 원편광(좌원편광, 우원편광)에 대한 상호작용의 차이를 통해 분석될 수 있으나, 분자와 빛의 크기 불일치로 인해 빛‑물질 간 상호작용이 충분히 크지 않아 분석에 고농도의 시료가 필요하고 측정 시간이 오래 소요되는 등 극명한 한계가 많았다.

연구팀은 이러한 문제에 대한 돌파구를 카이랄 금 나노 입자의 2차원 조립 구조에서 보이는 새로운 물리현상에서 발견하였다. 연구팀이 활용한 카이랄 금 나노 입자는 고유의 기하 구조로 인해 입사되는 원편광과 공진하여, 원편광을 나노 입자 근처에서 효율적으로 제어할 수 있다.

나노 입자가 배열된 2차원상에 카이랄 분자를 도입하여 원편광과 카이랄 분자간의 상호작용을 성공적으로 극대화시켜 기존 광학계의 카이랄성 검출 한계를 뛰어넘는 카이랄성 민감도를 달성하였다.

또한, 카이랄 금 나노 입자의 배열로 비롯된 카이랄 신호 증폭이 가시광을 포함한 영역대에 존재한다는 사실에 주목하여 특별한 도구 없이 분자의 카이랄성을 구분할 수 있는 육안 기반 카이랄성 감지기를 제시하는데 성공하였다.

서울대학교 남기태 교수는 “대한민국 연구진이 함께 새로운 학문 분야를 개척하고 있다는 것에 자부심을 느끼며, 새로운 소재 개발 등 후속 연구를 통해 초격차 기술을 기반으로 한 새로운 사업을 탄생시키고자 한다”고 전했다. 공동교신저자인 고려대학교 이승우, 박규환 교수는 카이랄 금 나노 입자 격자의 광 특성과 분자 카이랄성 민감도에 대한 전자기학 시뮬레이션과 새로운 물리적 이론을 구축하였으며, “생체모방 재료공학과 전산나노광학의 창의적 융합을 통해 카이랄 분자 감지의 새로운 장을 열게 되었다는 점이 크게 고무적이며, 육안으로 분자의 카이랄성을 구별할 수 있는 시대가 도래한 것이다”라고 밝혔다.

카이랄 금 나노 입자 배열 기반의 초고민감도 분자 카이랄성 분석은 다양한 생체 분자, 화학 약품, 의약품의 카이랄성 분석 등에 이용될 수 있어 생체 재료 합성 및 물질 분석이 중요한 분석학, 진단학, 약학 등 다양한 산업뿐만 아니라 화학, 생물학, 물리학 등 기초 학문 분야에도 큰 파급력을 미칠 것으로 보인다.

논문명: Enantioselective sensing by collective circular dichroism / Nature

(윗줄 왼쪽부터)공동교신저자 고려대 이승우교수, 서울대 남기태교수, 고려대 박규환교수

(아랫줄 왼쪽부터)공동제1저자 인하대 유석재교수, 서울대 김령명연구원, 고려대 허지혁박사

[그림 1] 2D Helicoid 결정과 카이랄성 검출 원리

(위) 432 대칭성을 가진 헬리코이드 입자는 카이랄 구조를  갖도록 금속을 펩타이드를 이용하여 성장시켜 만든 180 nm  크기의 금 입자이다. 이 헬리코이드를 2차원 주기로 배열하여 만든 결정 구조에 원형 편광 빛을 비스듬히 입사하면 증폭된 신호로부터 시료분자의 카이랄성 검출이 가능하다..  (아래)  헬리코이드로 여기된 근접장 카이랄 광의 모습

[그림 2]  제작된 2D helicoid 결정 특성

2D helicoid 결정의 Angle-resolved CD 반응과 측정된 CD 

[그림 3] 생물분자의 고감도 CD(Circular Dichroism) 변화 측정

 L– proline , D-proline  분자와  helicoids에 결합된 miR-21 분자  측정. 붉은 점선으로 표시된 miR-21 분자의 CD 변화량은 관심영역에서 114 pM의 세계 최고 수준의  극미량 측정 달성