POSTECH, 생체 친화적 연료 태워 움직이는 나노모터 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 생체 내 자율운동을 모방해 인공적으로 움직임을 실현하는 나노모터를 개발했다.

POSTECH 화학과 이인수 교수, 니티 쿠마리(Nitee Kumari) 연구교수, 통합과정 권태완 씨 연구팀이 생체 친화적 연료인 포도당을 연료로 사용해 연쇄 촉매 반응을 촉진함으로써 대사 자율운동을 향상시키는 나노모터를 제조하는데 성공했다. 

이 연구는 이 연구성과는 화학 분야 권위 학술지인 앙게반테케미(Angew. Chem. Int. Ed.) 온라인판에 게재됐다.

나노 크기로 소형화된 자율 이동식 나노 장치는 세포 내 표적 약물 전달, 정밀한 세포 조작 및 바이오센서 등의 광범위한 분야에 잠재적 응용성을 가지고 있다. 

하지만 이러한 나노 장치들은 브라운 운동에 의해 움직임이 제한되기 때문에 생체 이용 가능한 연료에 대한 반응으로 원하는 움직임을 실현하는 것이 매우 어렵다.

반응성 금속 (Pt, Mg 등)을 이용한 나노·마이크로 물질의 화학적 확산 현상은 흔히 알려졌지만, 생체 내 유해한 농도의 과산화수소나 기타 비천연 연료를 사용하거나 이에 대한 반응으로만 작동할 수 있다는 문제점이 있다. 

이런 문제를 해결하기 위해서는 생체 친화적 연료를 사용하면서 브라운 운동을 극복해 방향성 움직임을 가지는 나노모터 개발이 필요하다.

연구팀은 둥지 내 달걀(egg-in-nest) 형태와 유사한 금-백금(Au-Pt) 기반 나노 구조를 도입하고, 나노입자 내부의 동적 움직임을 제한하는 방식을 통해 다중 촉매 기능을 가진 나노모터를 용액 내에서 합성했다. 

합성된 나노모터는 촉매 Au-Pt 인터페이스가 비대칭적으로 끝에 위치한 독특한 야누스 나노 구조를 가졌다. 

이 독특한 야누스 나노 구조로 인해 나노모터는 포도당을 연료로 사용하여 브라운 운동을 극복하고 방향성 움직임을 보였다.

이러한 화학 주성 움직임을 가진 나노모터는 높은 빈도의 세포막과의 상호 작용으로 효율적인 세포 흡수를 보였을 뿐만 아니라 항암 약물 로딩 및 방출을 위한 전달 수단으로서의 잠재력도 보였다.

이번 연구를 통해 개발한 나노모터는 정교한 나노 단위로 합성됐고, 독특한 구조를 가지기 때문에 다양한 분야에서 상호 작용하는 새로운 운동성 나노 물질 개발에 응용될 수 있다. 

생화학 연료에 반응해 기계적 작업을 수행하는 나노 크기의 전달체 플랫폼은 인공 소기관, 약물 운반체 및 다양한 바이오 감지, 진단 및 치료 도구를 설계하는 데 응용될 수 있다.

이인수 교수는 “이번에 개발된 나노모터는 ‘나노공간한정 화학반응’ 전략을 통해서 합성됐으며 생체친화적인 연료로 구동할 수 있기 때문에 앞으로 의료 진단·치료용 나노-마이크로 소자를 개발하는 데에 유용할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다.