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'금속-수퍼옥소' 연구로 생체모사 촉매 개발의 지평 열어

조재흥 교수 (대구경북과학기술원)
논문명, 저자정보

Synthesis, characterization and reactivity of non-heme 1st row transition metal-superoxo intermediates.
조재흥 교수 (교신저자, 대구경북과학기술원), 노현주 (제1저자, 대구경북과학기술원)

연구의 주요내용
1. 연구의 필요성
생체 내에 존재하는 금속 효소는 산소를 활성화시켜 금속-산소 중간체 종을 형성하여 체내의 산화적 대사 과정에 관여한다. 이러한 금속 효소의 명확한 반응 기작을 연구하기 위하여 모방 화합물을 이용한 다양한 금속-산소 중간체 종에 대한 분광학 및 결정학적 연구를 비롯한 반응성 연구가 활발하게 진행되어 왔다.

이렇듯, 금속 이온을 보조인자로 포함하는 금속 효소들 중에서도 특히 금속-수퍼옥소 종은 생체 내의 다양한 반응에 관여한다고 알려져 있다. 도파민을 분해하여 신경전달물질인 노르에피네프린을 합성하는 반응을 촉매하는 효소로 알려진 도파민 베타 모노산화효소는 구리-수퍼옥소 종을 중간체로 가진다. 최근에는 쿼세틴을 분해하는 쿼세틴-2,4-산화효소가 니켈-수퍼옥소 종이 반응 중간체로 관여한다는 사실이 결정학적으로 규명되었다. 따라서 다양한 생체 금속 효소의 반응 기작을 파악하기 위해 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구 결과는 매우 중요하다.

이에 연구팀은 생체 금속 효소의 반응 중간체 중에서 금속-수퍼옥소 종을 정하여 모방 화합물을 이용한 지금까지의 연구 결과를 정리하게 되었다. 리뷰지를 통해 각 금속 별로 분류하여 합성 과정, 특성 확인, 반응성에 대한 연구를 체계적으로 정리하였다.
2. 연구내용
연구팀은 지금까지 밝혀진 다양한 거대고리분자 배위자와 1주기 전이 금속을 이용한 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구를 소개하였다.

그 중에서도 생체 내에 존재하는 금속 효소가 보조 인자로 가지는 금속 이온인 구리, 철, 니켈, 망간을 이용한 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구에 집중하였다. 모방 화합물을 이용한 각 금속-수퍼옥소 25종의 합성법, 다양한 물리적, 화학적 기법을 통한 특성 확인, 기질과의 반응성에 대한 연구를 통해 금속 효소의 반응 메커니즘에 대한 연구를 정리하였다.
* 보조인자: 효소가 활성을 나타내기 위해서 필요한 물질

특히 많은 연구가 진행된 구리-수퍼옥소 종은 배위자의 특성에 따라 입체효과, 전자적효과, 수소결합효과, 용매 효과, 주게원자효과에 대해 정리하였다. 또한, 산소의 배위 형태에 따른 분광학적 특성, 자기적 특성을 분류하여 정리하였다.
* 입체효과: 반응물질의 공간배치가 반응의 속도, 성질, 정도에 미치는 영향
3. 연구성과/기대효과
금속-수퍼옥소 종은 다양한 금속 효소의 반응 중간체로 알려져 오랜시간동안 단백질을 비롯하여 모방 화합물을 이용한 연구가 진행되어 왔다. 따라서 리뷰지를 통해 광범위한 연구 주제에 해당하는 수많은 화합물에 대한 연구를 체계적으로 분류하여 정리하였다.

1주기 전이 금속을 이용한 금속-수퍼옥소 종에 대한 리뷰지를 참고로 하여 현재까지의 연구 흐름을 파악하고 후속 연구를 진행하는데 큰 도움을 주며 다양한 금속-수퍼옥소 종에 대한 심도 깊은 연구가 기대된다.
지금까지 밝혀진 금속-수퍼옥소 중간체 종 (구리, 니켈, 철, 망간 화합물)
지금까지 밝혀진 금속-수퍼옥소 중간체 종 (구리, 니켈, 철, 망간 화합물)

생체 내에서 중요한 역할을 하는 금속 효소의 중간체 종으로 밝혀진 구리, 니켈, 철, 망간-수퍼옥소 종에 대해 연구하기 위해 다양한 모방 화합물을 이용한 금속-수퍼옥소 종이 합성되었다. 금속-수퍼옥소 종은 산소의 배위 형태에 따라 엔드온 배위 형태(왼쪽), 사이드온 배위 형태 (오른쪽)인 두 가지로 구분된다.

연구이야기
1. 연구를 시작한 계기나 배경은?
지금까지 다양한 금속 이온을 이용한 금속-활성산소 중간체에 대한 연구가 발표되었습니다. 특정 금속을 정하여 다양한 활성산소 중간체 종에 관한 리뷰지 혹은 여러 가지 금속-활성산소 종에 대한 연구를 모두 정리한 리뷰지는 많이 발표되었습니다. 금속-수퍼옥소 종은 생체 내 효소의 반응 중간체 종으로 많이 알려져 있어 수많은 연구가 진행되어 왔음에도 불구하고 금속-수퍼옥소 종만을 다룬 대표적인 리뷰지는 발표되지 않았습니다. 그래서 개별적인 연구 결과를 찾아서 연구 동향을 파악하고 참고해야했습니다. 따라서 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구 결과를 모아서 지금까지의 연구 결과들을 체계적으로 정리하고 분류한 리뷰지가 있다면 아으로의 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구를 하는데 있어 큰 도움이 될 것이라는 생각이 들었습니다.
2. 연구 전개 과정에 대한 소개
지금까지 발표된 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구 논문을 모두 찾아서 금속 별로 분류하고 산소의 배위형태에 따라 사이드온, 엔드온 형태 등으로 분류하였습니다. 각 화합물의 합성법, 특성 확인, 반응성 등 연구 결과를 카테고리에 따라 정리하였습니다. 특히, 연구가 많이 진행된 구리-수퍼옥소 종의 연구 결과를 통해 다양한 배위자 효과에 대해 추가적으로 논의하였습니다.
3. 이번 성과, 무엇이 다른가?
금속-활성 산소 종에 대한 다양한 리뷰지들이 발표되었지만, 그 중에서도 금속-수퍼옥소 종에 대한 연구 결과만을 총망라한 리뷰지는 아직 발표되지 않았습니다. 금속-수퍼옥소 종은 생체 내에서 중요한 역할을 하는 몇 가지 금속효소의 반응 중간체 종으로 알려져 있기 때문에 상당히 중요한 연구 테마입니다. 그만큼 오랜 시간 동안 수많은 연구 팀에 의해서 모방화합물을 이용한 다양한 금속-수퍼옥소 종이 합성되었고, 활발한 연구가 진행되어왔습니다. 특히, 생체 내에 존재하며 금속-수퍼옥소 종을 중간체로 갖는다고 알려진 금속 효소의 모방 화합물에 집중하여 구리, 철, 니켈, 망간의 수퍼옥소 화합물에 대해서 집중하였습니다.
4. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
금속-활성산소 종에 대한 연구는 많이 진행되어 왔고, 수많은 화합물의 합성, 특성 등 다양한 연구가 발표되어 왔습니다. 따라서, 지금까지의 연구 결과가 체계적으로 정리된 리뷰지를 참고할 수 있다면 지금까지의 연구 동향을 파악하고 후속 연구를 진행하는 데 있어서 큰 도움을 줄 수 있을 것이라 생각합니다.