일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
만능 촉매로 신약 개발에 새로운 길 열려
나고야 대학, 복잡한 화합물을 자유자재로 결합

생체 내의 효소는 미세한 구멍에서 특정 물질을 파악해 원하는 반응만을 촉진시킨다. 이 구조를 인공적으로 재현해 복잡한 형태의 유기화합물을 정밀하게 이어주는 기술이 눈 앞에 실현을 앞두고 있다. 나고야(名古屋) 대학은 다양한 물질의 합성에 응용 가능한 ‘테일러메이드 촉매’의 개발에 도전한다. 2030년에는 의약품 등을 자유자재로 만드는 만능 촉매가 등장할 가능성이 있다.

“효소와 유사한 기능을 촉매로 실현한다”. 나고야 대학의 이시하라(石原) 교수가 실현을 위해 의지를 불태우고 있는 것은 탄소 원자를 골격으로 수소 원자나 산소 원자 등이 결합하는 유기화합물을 자유자재로 연결시키는 기술이다.

생물이 살아갈 수 있는 것은 체내의 효소가 필요한 성분을 부족함 없이 만들어 내고 있기 때문이다. 잡다한 물질로부터 원료를 선택해 원하는 구조로 변환하는 효소와 같은 촉매의 개발은 꿈 같은 이야기였다.

응용이 기대되는 의약품 개발에서는 그 주역이 저렴한 유기화합물에서 세포나 항체를 사용한 고가의 바이오 의약품으로 바뀌고 있다. 유망한 유기화합물을 만들려고 해도 촉매의 종류가 한정되어 있어 새로운 기능을 가진 물질을 찾기 어려워졌기 때문이다.

이시하라 교수는 만능 촉매가 실현된다면, ‘의약품 등의 개발 폭이 확대된다”라고 강조한다. 지금까지는 미생물 및 식물로부터 찾아 낸 유망 물질을 기존의 촉매로 개량해 새로운 의약품의 개발로 연결시켜 왔다. 합성 가능한 화합물의 종류가 대폭적으로 늘어난다면 새로운 기능을 갖춘 의약품의 합성에도 새로운 길이 열리게 된다.

일반적으로 신약 후보 물질이 판매에 도달할 확률은 3만분의 1 정도로 한정되어 있어, 대부분의 후보 물질은 세상에 나오지 못하게 된다. 또한 개발에 필요한 기간은 10년 이상이라고 한다. 이처럼 새로운 의약품 개발은 해를 거듭할수록 어려워지고 있다.

-- 전자 기기에도 도움 --
만능 촉매의 등장으로 개발 효율화에 탄력이 붙을 것으로 예상된다. 의약품뿐만 아니라, 전자기기 등에 사용하는 신재료 개발에도 도움이 된다.

기존의 의약품을 합성하는 비용도 낮아진다. 현재는 불필요한 반응이 일어나지 않도록 많은 공정을 거듭한다. 반응이 일어나기 수운 화학구조의 일부를 반응 못하도록 하는 등의 고안이 필요하다.

만능 촉매는 반응하기 쉬운 부분이 여러 개 있어도 특정의 장소만을 타깃으로 할 수 있다. 공정을 줄이며 정제 등에서 발생되는 낭비를 억제할 수 있다.

현재 개발하고 있는 만능 촉매는 U자형의 구멍으로 물질을 인식한다. 구멍의 깊은 쪽에 있는 붕소 원자로 물질의 탄소 원자를 활성화시켜 다른 한 쪽의 물질에 연결시킨다.

반응하는 물질에 맞춰 촉매에 사용하는 부품을 교체한다면 다양한 물질에 응용할 수 있다. 물질이 결합하는 위치나 방향 등이 뿔뿔이 흩어지게 되어 불필요한 화합물이 만들어지는 것을 방지한다.

구멍의 크기는 반응 도중에 변화한다. 물질을 집어 넣은 만능 촉매는 ‘구멍을 작게 닫아 불필요한 물질이 들어가거나, 방향이나 위치가 바뀌거나 하지 않게 한다. 반응 후에 화합물이 촉매로부터 방출되면 구멍이 크게 열려 다음 물질을 집어 넣을 준비를 한다. 이와 같은 반응을 점차 반복하게 된다.

-- 원료를 선택해 반응 --
이시하라 교수는 11월, 하타노시(波多野) 교수와 공동으로 만능 촉매의 실현에 가까운 성과를 발표했다. 탄소 원자를 연결하는 다양한 반응 중, 디엔과 알켄으로 불리는 2종류의 물질을 연결시키는 특정의 반응으로 원하는 구조를 가진 화합물의 합성에 성공한 것이다.

다양한 원료로 시도해 그 기능을 자세히 해석했다. 개발한 촉매는 잡다한 물질이 섞여 있는 속에서 원료를 선별해 반응시키는 것이 가능해졌다. 입체 구조 등이 서로 다른 72종류의 화합물로 만들어지게 되는 반응으로, 원하는 1종류의 화합물만을 거의 100% 수율로 합성할 수 있었다.

이시하라 교수 팀의 촉매는 원료를 섞기만 하면 간단하게 합성이 가능하며 보다 복잡한 형태의 원료에도 반응할 수 있게 되었다.

한편, 실용화를 위한 문제도 남아있다. 현재는 딜스알더(Diels-Alder) 반응으로 불리는 특정의 반응만을 사용할 수 있다. 향후 다양한 반응으로 촉매를 제작할 수 있다면 원하는 물질을 합성하는 ‘테일러메이드 촉매’의 실현을 향해 한 걸음 더 전진하게 된다.

AI 활용에도 가능성
설계 기술의 공유 필요

2030년 경에는 다양한 반응으로 유기화합물을 원하는 대로 합성할 수 있는 만능 촉매가 곧 실현될 전망이다. 지금까지와는 달리, 전혀 새로운 물질을 합성해 의약품 등의 개발에 공헌할 수 있게 하려고 한다. 이시하라 교수는 “촉매를 설계하는 노하우의 축적이 가능하다면, 합성을 원하는 화합물질에 적합한 촉매를 설계하는 인공지능(AI)의 개발도 더 이상 꿈이 아니다”라고 말한다.

그러나, 촉매의 설계는 연구자의 장인기술에 의지하고 있는 것이 현실이다. 촉매에 사용하는 원료의 종류에 의해 구멍의 형태는 크게 다르다. 반응 시키는 물질을 집어넣기 쉽게 하기 위해서는 세심한 조정이 반드시 필요하다. 누구나가 사용할 수 있는 기술로 만들기 위해서는 설계의 노하우를 공유하는 시스템이 필요하다.

촉매의 구멍이 개폐해 물질이 내부에 결합하는 모습은 컴퓨터의 계산으로 어림잡았다. 반응시키는 물질과 촉매에 관한 정보 등을 안다면, 반응하는 구조는 분석이 가능하다. 반대로, 반응 후의 화합물 구조를 기반으로 구멍의 구조 등을 계산으로 어림잡아 내는 것은 아직 어렵다고 한다. 성공 사례를 착실히 쌓는 것이 실용화 및 AI 실현을 위한 열쇠가 될 것이다.

 -- 끝 --