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생체 모방으로 탄생한 친환경 약물 패치[에너지공학전공 박치영 교수]
1월 5일 대구경북과학기술원(DGIST)에서 만난 박치영 DGIST 에너지공학전공 교수의 연구실엔 기사 스크랩이 가득했다. 새로운 분야에 도전해보고자 관심 있는 연구를 하나둘 모으다 보니 많아졌다고 했다. 실제로 그의 연구실에서는 고분자화합물을 다루는 순수 화학 연구부터 실생활에 유용한 약물 전달체와 인공 광합성까지 다양한 연구를 진행하고 있다. 주제는 모두 다르지만 연구 전체를 관통하는 철학은 있다. 생체시스템을 모방한 분자공학 기술이다. 박 교수는 “가장 친환경적인 것은 자연 그대로의 모습”이라며 “이를 바탕으로 인류와 지구에게 유용한 기술을 연구하겠다”고 말했다.
아찔한 실수가 생체 모방 ‘친환경’ 약물 계기로
한때 작가를 꿈꿀 만큼 글을 좋아했던 박 교수는 대학 시절 모더나의 공동설립자이자 세계적인 석학인 로버트 랭거 미 국 매사추세츠공대(MIT) 교수가 분자 크기의 작은 물질을 체내에 전달하는 기술을 개발했다는 기사를 읽고 약물 전달체 연구에 매료됐다. 지금도 박 교수의 연구실 한편에는 그의 연구에 영감을 준 랭거 교수의 사진이 실린 기사가 붙어 있다. 하지만 박 교수가 친환경 물질에 몰두하게 된 계기는 따로 있다. 작은 실수에서 비롯된 쓰라린 경험이었다. 그는 “일본 에서 연구할 당시 흑연을 그래핀으로 얇게 벗겨내는(박리) 실 험을 했는데 이때 질산과 같은 강산이 많이 이용됐다”며 “단 한 번도 그랬던 적이 없는데 그날따라 홀린 듯이 장갑을 끼지 않았다. 심지어 강산이 들어있는 약물통 뚜껑을 열자마자 가 스로 기화돼 대량으로 분출됐다”고 말했다. 그대로 손등에 깊은 화상을 입게 된 그는 이후 독성 물질을 쓰지 않고 환경 친화적인 물질을 이용한 실험 방법을 고민하기 시작했다.
아픈 깨달음으로 시작된 연구는 결과도 좋았다. 당시 그는 친환경적인 조건에서 단층 그래핀을 합성했는데, 세계 최고효율 수준의 결과를 얻어 특허를 인정받았다. 현재 이 특허 기술은 글로벌 기업에서 이용하고 있다.
최근에는 생체 내 이온통로(채널)를 모방한 약물 전달체를 고안했다. 식물성 물질 기반의 초분자 복합체를 이용해 약물이 유입되는 양을 스스로 조절할 수 있는 약물 전달체를 개발했다. 체내 주입형과 파스와 같은 부착형 패치 두 가지로 만들어 향후 고성능 의료기기에 활용될 수 있을 것으로 기대 된다. 연구 결과는 지난해 9월 국제학술지 ‘ACS 나노’에 발표 됐다. 당뇨병 환자처럼 오랜 기간 주기적인 투약이 필요한 환자는 약물이 필요한 순간에만 적정량 주입되는 게 중요하다. 그러나 대부분의 약물 전달체는 확산 시스템을 기반으로 만들어져 점진적으로 약물이 방출된다. 체내 약물 농도를 조절할 수 없어 임계점 이상으로 약물이 체내에 주입돼 약물 부작용 을 일으키기도 한다.
이를 해결하고자 물질이 방출되는 양을 나노 공간에서 자 극을 통해 기계적으로 조절하는 ‘분자 밸브’가 국내외에서 활발히 연구되고 있다. 체내 이온 농도에 맞춰 열리고 닫히며 세포의 이온 항상성을 조절하는 막단백질과 방식이 유사하다.
박 교수는 식물에서 유래한 탄닌산을 이용한 분자 밸브를 개발했다. 탄닌산은 철 이온 등과 화합물을 형성해 강한 접착 력을 띤다. 이를 이용해 박 교수는 2~50nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 구멍을 지닌 다공성 나노입자에 약물을 담은 뒤 구멍 끝에 화합물을 코팅했다. 여기에 전압을 가하면 화합물 구조가 불안정해지면서 틈이 발생해 안에 들어 있는 약물이 나오고, 전압을 줄이면 다시 화합물이 결합해 틈 을 단단히 막아 약물 유출을 막는다.
박 교수는 “전압은 환자들이 불편함을 느낄 수 있어 대신 마찰 전기를 연구 중인데 유의미한 결과를 확인했다”며 “전압 장비 없이 몸을 두드리는 것만으로 마찰 전기를 일으켜 일 정 약물을 체내에 투입시킬 수 있을 것”이라고 설명했다.
의료용 드레싱 테이프 개발도 관심사다. 체내는 수분이 많아 테이프가 금방 떨어진다. 이 때문에 접착 부분에 고분자를 이용하는데, 고분자 역시 약한 수소 결합을 하고 있어 물이 닿으면 팽창하고 접착력도 약해진다. 박 교수는 잠자리의 날개의 엘라스틴 단백질 등 자연계에 존재하는 물질을 모방해 문제를 해결하고 있다.
박테리아로 바이오 에너지와 친환경 유기 소재를 만드는 연구에도 도전하고 있다. 그는 “전기를 띤 박테리아를 화학적 으로 조작해 바이오 에너지를 생산하는 연구를 하고 있다”며 “전 주기 관점에서 환경문제를 일으키지 않는 친환경적인 고 분자를 만들고 싶다”고 밝혔다.
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글 : 조혜인 기자
사진 : 장춘구
과학동아 2022년 2월호