▲ 계면에서의 초분자복합체의 상호작용 에너지 측정 결과 a. 표면 힘 측정기 실험 도식도. 내부 위아래 각 표면에는 호스트 분자인 사이클로덱스트린(파란색)이 붙어 있다. b. 계면에서의 호스트-게스트 상호작용 모식도. 하단은 아마만테인 게스트 분자(좌측)와 사이클로덱스트린 호스트 분자(우측)의 화학구조 c. 아다만테인 분자의 농도에 따른 상호작용 힘과 에너지 측정 d. 호스트 분자의 크기와 수용액 상태 게스트분자의 농도에 따른 접착에너지 비교(자료제공=UNIST)  © 특허뉴스

약물전달 시스템, 생체 센서 개발의 데이터베이스로 쓸 수 있을 것으로 전망되는 호스트 분자와 게스트 분자간의 결합력을 직접 측정해 정량화한 연구 결과가 발표됐다.

UNIST는 에너지화학공학과 이동욱 교수팀이 호스트-게스트 상호작용(host-guest interaction) 접착 에너지를 실제 사용 환경과 유사한 환경에서 직접 측정할 수 있는 기법을 개발했다고 21일 밝혔다. 이를 이용해 호스트 분자인 사이클로덱스트린과 게스트 분자간의 접착 에너지를 정량화 하고, 접착 에너지가 강해 질 수 있는 조건도 찾아냈다.

연구팀이 사용한 호스트 분자인 사이클로덱스트린은 겉은 물에 녹는 친수성이지만 내부 구멍은 기름에 친화적인 소수성이라 소수성인 약물 게스트분자를 내부에 접착해 체내로 잘 전달할 수 있다. 또 게스트 분자 종류에 따라 접착력 세기가 달라지는 성질이 있어 생체 센서나 접착제 시스템 개발에도 응용 할 수 있다.

이러한 호스트-게스트 상호작용을 실제 활용하기 위해서는 두 종류의 분자 간 접착력을 제대로 측정하는 것이 필요한데, 이전에는 이론 등에 기초해 단일 분자 수준에서만 그 접착력을 평가해 왔다. 실제로는 게스트 분자와 호스트 분자 1개씩만 있는 것이 아닌 수십~수백 개의 분자가 함께 있기 때문에, 이와 유사한 환경에서 분자 간의 접착력을 알아내는 것이 정확한 시스템 설계를 위해서 필수적이다.

연구팀은 표면 힘 측정기를 이용하는 방식을 통해 이를 계산해 냈다. 측정기 내부에 위치한 마주보는 두 표면에 사이클로덱스트린을 부착한 뒤, 이 사이로 게스트 분자인 아데만테인 이합체 수용액을 넣으면 사이클로텍스트린과 아데만테인 분자 간의 호스트-게스트 상호작용의 크기인 접착력을 알 수 있다. 측정결과, 호스트-게스트 접착력은 수용액 내 게스트 분자의 농도에 따라 증가했다.

또 접착력이 최대가 되는 사이클로덱스트린 호스트 분자 고리의 크기도 찾아냈다. 이 분자 고리는 게스트 분자를 담는 오목한 그릇 역할을 하는데, 특정 분자 고리 크기에서 접착력이 컸다. 호스트 분자 고리의 크기가 게스트 분자인 아데만테인의 크기와 비슷해 생긴 현상이라는 것이 연구진의 설명이다.

제시한 분자 간 접착력 측정 방법의 유효성도 검증했다. 표면 힘 측정기로 측정한 힘을 단일 분자간의 접착 에너지 값으로 환산해 알려진 값들과 비교한 것이다. 비교 결과 연구진이 측정한 값은 기존의 이론 기반 계산 값이나 실측된 결합상수 정보와 일치함을 확인했다.

제 1저자인 박진태 연구원(에너지화학공학과 박사과정)은 “계면 힘을 측정하는 분석 방법을 통해 중요한 데이터베이스를 확보했다”며 “이번에 제시한 연구 방법은 호스트-게스트 분자 상호작용을 비롯한 여러 초분자시스템 기반 물질의 실용화를 한 단계 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

한편, 초분자시스템은 서로 다른 종류의 분자 간에 작용하는 힘에 의해 분자가 특정한 구조와 성질을 갖는 집합체를 형성한 상태를 말한다. 호스트-게스트 상호작용은 대표적 초분자시스템의 하나다.

이번 연구 결과는 1월 10일(현지시각) 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 발표됐다.

논문명은 Size compatibility and concentration dependent supramolecular host-guest interactions at interfaces 이다.