<국립군산대 이차전지에너지학부 화학과 이민재 교수>
<POSTECH · 서울대 공동연구팀>
<아미노산 및 박테리아 부산물의 독특한 계면 동역학과 액정과의 상호작용 메커니즘 규명으로 생체분자의 움직임을 확인>
- POSTECH · 서울대 · 국립군산대, 아미노산 및 박테리아 부산물의 독특한 계면 동역학과 액정과의 상호작용 메커니즘 규명으로 생체분자의 움직임을 확인
③ 연구진 소개 및 학술지명
POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 김영기 교수 · 통합과정 최예나씨, 서울대학교 화학과 손창윤 교수 · 통합과정 이상민씨, 국립군산대학교 이차전지에너지학부 이민재 교수 연구팀은 아미노산과 박테리아 부산물의 계면 동역학 및 이 생체분자들과 액정 간의 상호작용 원리를 규명하고, 이를 거시적 광학 신호로 변환하는 고감도 액정 기반 인식 시스템을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다.
④ 기본개념과 연구 진행배경
계면에서 발생하는 생체분자 현상 (세포막 동역학, 면역 반응 등) 을 이해하는 것은 생체분자 간의 상호작용에 대한 기초적인 이해뿐만 아니라, 실용적 응용 (바이오마커 스크리닝, 바이오센서 등) 을 위해서도 매우 중요하다. 그동안 다양한 기술을 이용해 생체분자의 계면 거동 원리를 규명하려는 연구가 있었으나, 계면에서의 복잡한 생체분자 상호작용을 정확히 해독하는 것은 여전히 과학적 난제로 남아있었다. 이에 생체분자의 계면 동역학 및 다른 생물학적 물질과의 상호작용을 인식하고, 이를 거시적인 광학 신호로 변환하여 보여줄 수 있는 액정(Liquid Crystal, LC) 기반의 광학 변환 시스템이 주목받고 있다.
⑤ 연구내용
이번 연구에서 연구팀은 생물학적 조직에서 구조는 유사하지만 기능이 다른 두 아미노산인 글루탐산과 아스파트산이 액정과 독특한 배향 상호작용을 한다는 것을 발견하고, 이를 활용한 범용적인 액정 기반 광학 인식 시스템의 설계 원리를 제시하였다.
수용액 내의 이 아미노산들 (글루탐산, 아스파트산) 은 액정 계면에서 자발적으로 흡착 및 탈착 과정을 거치며 계면 액정 분자들의 일시적인 배향 변화를 유도했고, 이는 밝고 (흡착) 어두운 (탈착) 상태가 교차하는 거시적인 광학 신호로 나타났다.
연구팀은 실험과 밀도범함수 이론 (DFT) 시뮬레이션을 결합하여, 이러한 글루탐산과 아스파트산의 액정-수용액 계면 흡착-탈착 동역학과 액정과의 상호작용이 수용액의 pH 조건에 의해 지배된다는 것을 규명하였다. pH 변화에 따라 아미노산의 전하 상태가 변하며, 음전하를 띤 글루탐산과 아스파트산은 계면에 우선적으로 흡착되어 지속적인 광학 신호를 만드는 반면, 중성 글루탐산과 아스파트산은 일시적인 신호를, 양전하 아미노산 (글루탐산, 아스파트산) 은 분자 종류에 따라 신호 강도가 극명하게 달라짐을 확인하였다.
더 나아가, 연구팀은 글루탐산과 아스파트산이 살모넬라, 포도상구균, 대장균과 같은 박테리아의 부산물과 정전기적 상호작용을 통해 서로 다른 결합 에너지를 갖는 복합체를 형성하고, 글루탐산과 아스파트산의 액정-수용액 계면 흡착이 촉진되고 안정화되어 액정과의 배향 결합 동역학이 크게 변화함을 확인하였다. 이러한 계면 동역학은 글루탐산과 아스파트산과 결합하는 생체분자의 특성 (작용기 전하, 탄소 사슬 수) 에 따라서 변화함을 확인하였다.
결과적으로 연구팀은 수용액의 pH 조건과 수용액 내 생체분자의 유무에 따른 글루탐산과 아스파트산의 액정-수용액 계면 흡착-탈착 동역학 변화를 바탕으로, 특정 생체분자 (살모넬라 부산물) 존재를 광학 신호로 변환하는 액정 기반 인식 시스템을 구현하였다. 이 액정 기반 인식 시스템은 감염 용량의 10% 수준인 극미량 (102 cfu/ml) 의 살모넬라균을 1분 이내에 자율적으로 인식하고 광학 신호로 보고하는 뛰어난 민감도와 반응 속도를 보였다. 이는 최소 6시간 이상 소요되는 기존의 검사법 (PCR, ELISA) 을 획기적으로 뛰어넘는 결과이다.
⑥ 연구자 코멘트
연구를 주도한 POSTECH 김영기 교수는 “액정-수용액 계면에서 발생하는 특정 아미노산 (글루탐산, 아스파트산) 의 자발적인 흡착 및 탈착 동역학과, 다른 생체분자와의 정전기적 결합에 따른 액정 분자 배향 변화 메커니즘을 규명한 연구” 라며, “생체분자 간의 복잡한 계면 상호작용을 즉각적인 거시적 광학 신호로 변환·증폭시키는 액정 기반 시스템 설계 원리를 제시하였기 때문에, 차세대 액정 기반 센서 분야에도 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라며 이번 연구의 의의를 설명했다
⑦ 사사사업명
이번 연구는 과학기술정보통신부 한우물파기 기초연구, 미래융합파이오니어 사업, 글로벌 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다. (끝)
⑧ 논문정보
|
논문 정보 |
|
|
O 추가 설명 자료
□ 연구배경
|
세포막 동역학, 면역 반응, 세포 신호 전달 등 계면에서 일어나는 생체분자 현상을 이해하는 것은 생물학적 기초 지식을 넓히는 것뿐만 아니라, 바이오센서나 질병 진단과 같은 실용적인 응용을 위해 매우 중요합니다. 그동안 많은 연구가 다양한 기술을 통해 이러한 생체분자의 계면 거동 원리를 밝히고자 노력해왔습니다. 하지만 계면에서 발생하는 복잡한 생체분자 간의 상호작용을 연구하는 것은 여전히 과학계의 중요한 난제로 남아있었습니다. 이에 연구팀은 생체분자의 미세한 상호작용을 거시적인 광학 신호로 즉각 변환하여 보여줄 수 있는 '액정 기반 광학 변환 시스템'에 주목하여 이번 연구를 시작하게 되었습니다. |
□ 주요내용
|
이 연구는 특정 아미노산 (글루탐산, 아스파트산) 및 박테리아 부산물의 독특한 계면 동역학 및 이에 따른 액정과의 상호작용 메커니즘을 최초로 규명했습니다. 생체 조직 내에서 구조는 유사하나 기능이 다른 두 아미노산 (글루탐산, 아스파트산) 이 수용액-액정 계면에서 자발적으로 흡착 및 탈착을 반복하며, 액정 분자의 배향을 변화시켜 광학 신호를 발생시킴을 확인했습니다. pH 조건에 따른 글루탐산, 아스파트산의 전하 상태 변화가 이러한 계면 동역학을 지배한다는 사실을 실험 및 밀도범함수 이론 (DFT) 시뮬레이션으로 검증했습니다. 글루탐산, 아스파트산이 살모넬라, 포도상구균, 대장균의 박테리아 부산물과 결합할 때 계면에서의 흡착이 더욱 촉진되고 안정화되며, 결합하는 생체분자의 고유 특성(작용기 전하, 탄소 사슬 수 등)에 따라 액정의 배향이 변화함을 확인했습니다. 또한, 이를 통해 주변 생체분자의 유무와 특성에 따라 변화하는 계면 동역학을 거시적인 액정 기반 광학 신호로 구별했습니다. |
□ 기대효과
|
이 연구는 특정 아미노산 (글루탐산, 아스파트산) 및 박테리아 부산물의 독특한 계면 동역학 및 이에 따른 액정과의 상호작용 메커니즘을 최초로 규명했습니다. 이는 향후 다양한 계면 현상의 기초가 되는 분자 수준의 상호작용 메커니즘을 근본적으로 이해하고 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다. 이 액정 기반 시스템은 극미량 (102 cfu/ml)의 살모넬라균을 1분 이내에 인식하고 시각적 신호로 보고할 수 있습니다. 이는 결과를 얻기까지 최소 6시간 이상 소요되는 기존의 표준 검사법 (PCR, ELISA) 보다 매우 빠른 속도와 민감도를 보입니다. 향후 식품 안전 검사, 수질 모니터링 등 신속한 검사가 필수적인 현장에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다. |
 이전글 |
국립군산대 동문 권순임, 발전 기금 200만 원 기부2026-03-17 |
|---|---|
다음글  |
국립군산대 전북군산 미래형 상용모빌리티 소부장지원센터 2026년도 기업지원사업 설명회 성황리 개최2026-03-23 |
