고려대학교 이승우 교수팀은 서울대학교 남기태 교수팀/고려대학교 박규환 교수팀과 함께 카이랄 나노 입자 기반 빛-물질 간 상호작용에 대한 새로운 물리 현상을 발견, 이를 생체 분자 및 그들의 카이랄성 분석에 성공적으로 응용하여 ‘2022년 12월 15일’ ‘네이처(Nature)’에 논문을 게재하는 쾌거를 이루었다.
자연계에 존재하는 모든 생명체들은 그들이 가진 구조와 그들을 이루는 재료에 따라 빛과 특이적인 상호작용을 가진다. 인류의 전 역사를 통틀어, 이러한 빛-물질간의 상호작용과 이에 대한이해는 생명체를 구성하는 재료의 형질, 조성, 구조 등을 파악하는 유용한 지표가 되어왔으며 재료 분석, 합성, 생체모방 응용기술 분야를 포함한 다양한 분야의 연구를 위한 기초 학문으로 자리잡아왔다.
연구팀은 다양한 생체 분자의 구조적 특징으로 인한 빛-물질 간 상호작용 중 ‘카이랄성’에 의한 분자의 원편광 특이적 상호작용에 대한 연구를 진행하였다. 오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만, 왼손용 장갑을 오른손에 착용할 수는 없다. 이처럼 서로 거울상 대칭이지만 서로 겹쳐지지 않는 특성을 ‘거울상 이성질’ 또는 ‘카이랄성’이라고 한다. 아미노산, 핵산(DNA), 단백질 등 다양한 생체 분자에서 보이는 카이랄성은 독특한 기하 구조에서 비롯되는 화학 반응성 및 구조 선택성으로 인해 다양한 생명 현상의 방향성을 결정짓는 중요한 역할은 한다고 알려져 왔다. 이 때문에 생체 분자의 합성 및 활용, 생체모방 응용기술이 핵심인 생리학·화학·약학 등 광범위한 분야에서 카이랄성의 제어와 분석은 중요한 연구 주제로 여겨져 왔고, 2021 년 노벨 화학상(‘비대칭(카이랄) 유기 촉매 반응’)을 통해 그 중요성이 다시금 입증되었다.
일반적으로 분자의 카이랄성은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 원편광(좌원편광, 우원편광)에 대한 흡수도(상호작용)의 차이를 통해 분석될 수 있다. 하지만, 이와 같은 분석법은 분자(수 nm) 와 빛(수백 nm)의 크기 불일치로 인해 빛-물질 간 상호작용이 충분히 크지 않아 분석에 고농도의 시료가 필요하다는 점과 측정 시간이 오래 소요된다는 점 등의 극명한 한계가 많았다.
연구팀은 문제에 대한 돌파구를 카이랄 금 나노 입자의 2차원 조립 구조에서 보이는 새로운 물리현상에서 발견하였다. 연구팀이 활용한 카이랄 금 나노 입자는 고유의 기하 구조로 인해 입사되는 원편광과 공진하여, 원편광을 나노 입자 근처에서 효율적으로 제어할 수 있다. 연구팀은 해당 나노 입자를 2차원 평면에 주기적으로 배열, 단일 나노 입자 근처에서만 발현되었던 공진 특성을 2차원상에 배열된 나노 입자의 총괄적인 공진을 통해 전방위적으로 확장시켜 원편광 제어도를 극대화할 수 있음을 발견하였다. 이는 원편광에 의해 2차원상 배열된 나노 입자 각각에 팽이와 같이 회전하는 원편광이 동시 다발적으로 유도되는 상황과 유사하다. 연구팀은 위와 같은 물리적 현상을 기반으로 나노 입자가 배열된 2차원 상에 카이랄 분자를 도입, 원편광과 카이랄 분자 간의 상호작용을 성공적으로 극대화시켜 기존 광학계의 카이랄성 검출 한계를 뛰어넘는 카이랄성 민감도를 달성하였다. 또한, 카이랄 금 나노 입자의 배열로 비롯된 카이랄 신호 증폭이 가시광을 포함한 영역대에 존재한다는 사실에 주목, 특별한 도구 없이 분자의 카이랄성을 구분할 수 있는 육안 기반 카이랄성 센서를 제시하는데 성공하였다.
자세한 내용, 고대 연구성과: https://www.korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&command=albumView&page=1&boardSeq=494283&id=university_060108000000
언론보도(동아사이언스): http://m.dongascience.com/news.php?idx=57569