효소는 생체 내 화학반응을 매개하는 촉매로서 물질의 대사나 신호 전달 등과 같은 신체 내 주요 활동에 관여한다. 이러한 효소를 활용한 반응 및 생체 시스템 모방 연구에서는 세포와 같이 지질 막으로 둘러싸인 작은 공간을 활용하는 것이 일반적이다. 그러나 국내 연구진은 이러한 막 구성 물질 없이 소리만을 이용하여 효소반응을 조절할 수 있음을 보였다.

복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장(POSTECH 화학과 교수) 연구팀은 기존 통념과 달리 지질 막이 없이 소리만으로 용액 내에 분리된 공간을 생성하고 이를 활용하여 효소반응을 시공간적으로 조절할 수 있음을 규명하였다.

세포와 같은 생체 시스템 모방 연구에서 효소반응을 시공간적으로 조절하기 위해서는 효소를 지질이나 고분자 막으로 만들어진 공간에 가두는 ‘구획화’ 가 필요하다. 이를 위해서는 막 형성을 위한 물질을 효소와 섞어주고 정제하는 과정이 필요한데, 가격이 비싸고 번거로우며 시간이 걸리는 단점이 있다. 연구진은 이러한 과정 없이 소리를 이용하여 용액을 상하로 흔들어주는 방식으로 ‘막 없는 구획화’를 구현하였고, 이를 활용하여 다단계 효소반응을 시공간적으로 조절할 수 있음을 최초로 보였다 [그림 1].

[그림 1] 소리를 이용한 다단계 효소반응의 조절
소리에 의해 생성된 물결에는 상하로 움직이는 마루와 움직이지 않는 마디가 존재한다. 마루는 공기 중의 산소를 용액으로 공급을 하는 역할을 하며, 마디는 이러한 마루 영역이 서로 섞이는 것을 저지하는 막 역할을 하여‘막 없는 구획화’를 이룬다. 마루로 공급된 산소와 용액 내 반응물1은 효소1에 의하여 생성물1을 만들고, 이는 다시 효소2에 의하여 반응물2와 반응하여 생성물2로 변한다. 실제 실험에서는 생성물2의 생성을 색깔 변화로 관찰할 수 있도록 디자인했다.

물이 담긴 페트리 접시에 25 – 90 Hz 주파수의 소리를 틀어주면 이에 상응하는 동심원 물결이 생기는데, 연구진은 이 물결에서 상하로 움직이는 마루와 움직이지 않는 마디가 존재하는 것을 관찰하였다. 이 과정에서 연구진은 용액이 마치 가상의 막이 있는 것처럼 물결의 마디를 경계로 서로 섞이지 않고 구획화되는 현상을 발견하였다.

연구진은 이러한 소리를 이용한 새로운 구획화 방법을 포도당 산화효소(glucose oxidase)와 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase)로 구성된 다단계 효소반응 시스템에 적용하였다. 그 결과 두 번의 효소반응을 거친 최종 생성물이 용액의 마루 영역에서만 관찰되며, 또한 마디에 의해 서로 분리되어 동심원의 색깔 패턴으로 나타남을 확인하였다 [그림 2]. 이것은 막 구조를 이루는 물질이 없이 소리만을 이용한 구획화가 성공적으로 이루어졌으며, 다단계 효소반응의 시공간적 조절과 같은 생체 시스템의 모방에도 성공하였음을 의미한다.

[그림 2] 소리를 이용한 다단계 효소반응 조절
(A) 포도당 산화효소(glucose oxidase, GOx)와 겨자무 과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)로 구성된 다단계 효소반응 시스템. 최종 생성물인 ABTS 라디칼 분자의 청록색을 관찰하여 반응의 진행 정도를 확인할 수 있다. (B) 40 Hz의 소리 존재 하에 효소반응이 진행되는 마루 영역에서만 색깔이 나타나며, 각각의 동심원은 마디로 분리되어 서로 섞이지 않는다.

연구진은 이러한 소리를 이용한 구획화 방법을 활용하여 나노 입자가 용액 내의 특정 영역에서만 성장 또는 배열을 하는 등의 응용이나, 패턴된 수화젤을 합성하고 이를 세포 성장에 활용하는 등 이 발견이 다양한 분야에 사용될 수 있음을 보였다 [그림 3].

[그림 3] 소리를 이용한 나노 입자 응집 조절과 수화젤의 합성 및 응용
(A) 카르복실 산 작용기로 둘러싸인 금 나노입자는 효소반응에 의하여 산성으로 변한 마루 영역에서 용해도가 감소하여 응집 현상이 일어난다. 나노 입자의 영역별 응집 현상은 색깔 변화와 더불어 각 영역에서의 TEM 이미지에서 확인할 수 있다. (B) 나노 입자가 패턴된 수화젤 사진(좌측)과, 그 위에서 기른 세포의 형광 패턴 이미지(우측).

김기문 단장은 “본 연구는 소리를 이용한 ‘막 없는 구획화’와 이를 활용한 효소반응의 조절에 대한 것으로, 향후 이 방법이 생체 모방 시스템 연구나 새로운 물질의 합성 등에 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 5월 2일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

IBS 이지영