희토류 나노산화 재료를 바이오연구영역에 접목한 결과 ?

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-02

나노 산화세륨(ceria)은 가장 중요한 일종의 희토류 나노재료로서 연구에 의하면 나노 산화세륨은 매우 높은 표면 활성을 가지고 있어 공업 촉매제로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 또한 생체모방효소(biomimicry enzyme)로서 의약바이오 영역에 응용될 수 있을 것으로 전망된다. 그러나 성숙된 공업응용에 비해 의약바이오 응용은 아직 초기단계에 처해 있다. 그중 하나의 주요한 난제는 생체모방효소 활성을 가지고 있는 나노 산화셀륨은 반드시 입자직경이 5nm보다 작고 표면에 대량의 Ce(III)이 존재하는 등 조건을 만족시켜야 하지만 이러한 나노과립은 의약바이오 응용의 요구에 적합하지 않거나 생리적 조건에서 활성을 쉽게 잃을 수 있다. 중국과학원 고에너지물리연구소 다학제센터의 환경독성학팀 연구에 의하면 전자공여체(electron donor)와의 전자이전을 통해 생체모방 활성을 가지고 있지 않았던 나노 산화셀륨을 활성화하여 과산화물제거효소(superoxide dismutase, SOD) 활성을 얻었는데 이 활성은 천연효소보다 더욱 우수하였다. 이 방법으로 다양한 사이즈와 형태의 나노 산화셀륨을 활성화할 수 있었다. 이 연구는 나노 산화셀륨 표면 화학거동과 이 화학 형태 사이의 관계를 보여주었으며 새로운 나노효소의 디자인에 기초를 제공하였는데 이는 나노 산화셀륨이 의약바이오 영역에서의 실제적 응용을 추진할 수 있다. 관련된 연구결과는 이미 <<독일응용화학(Angew Chem Int Ed, DOI:10.1002/ange.201410398)>>에 발표되었고 또한 Wiley-VCH의 Hot Topics in Surface and Interfaces로 선정되었다. 고에너지 환경독성학팀은 희토류 원소화학과 희토류 원소생물효과 영역에서 30여 년의 연구역사를 갖고 있다. 20세기 80년대부터 중성자 활성화 분석기술을 이용하여 토양, 생물 샘플에서 희토류 원소의 함량과 화학형태, 희토류 원소의 식물 생리효과 및 신경 독성학에 관한 연구를 전개하였다. 그 결과, 성능이 우수한 새로운 가돌리늄(Gd) 첨가 액체 신틸레이터(scintillator)를 제조하였고 또한 이를 대아만(Daya bay) 원자로 중성미자실험(neutrino experiments)에 사용하여 중요한 기술난제를 해결하였다. 최근 몇 년간 과기부와 기금위원회의 지원에 의해, 고에너지연구소 “중국 제13차 5개년 계획"과 결합시켜 연구팀은 싱크로복사기술이 화학형태분석에서의 장점을 충분히 발휘하여 연구중점을 희토류 나노재료의 환경거동과 생물효과로 바꾸어 수생생태계에서의 나노 산화세륨의 분포와 동향(Chemosphere, 2012, 89: 530-535; Nanoscale Res Lett, 2012, 7:84)을 연구하였다. 그리고 나노 산화세륨이 다양한 모델의 생물인 대장균(Nanotoxicology, 2012, 6: 233-240; Environ Pollut, 2015, 196: 194-200), 예쁜꼬마선충(caenorhabditis elegans)( Environ Sci Technol, 2011, 45: 3725-3730), 큰 쥐와 작은 쥐(Nanotechnology, 2010, 21: 285103; Int J Mol Sci, 2014, 15, 6072-6085) 등에 미치는 생물적 효과를 평가하였고 희토류 산화물 나노재료와 식물 사이의 상호작용(Chemosphere, 2010, 78: 273-279; Nanotoxicology, 2011, 5: 743-753; Nanotoxicology, DOI: 10.3109/17435390.2014.921344; Environ Sci Technol, 2012, 46(3): 1834-1841; RSC Adv, 2015,5, 4554-4560)을 체계적으로 연구하였다. 연구 결과, 나노 산화세륨의 생물전환 현상을 처음으로 발견하였고 전환조건(ACS Nano, 2012, 6: 9943-9950; Environ Pollut, 2015, 198: 8-14)을 확정하였으며 나노 산화세륨 식물독성 종간(interspecific) 차이의 메커니즘(Nanotoxicology, DOI:10.3109/17435390.2013.855829)을 해석하였다. 위의 연구는 영국 화학회저널에 표지문장으로 두 번 발표(Metallomics, 2011, 3: 816-822; Environ Sci: Nano, 2014, 1: 459 - 465)되었다. 그림: 고에너지가 희토류 나노재료 생물효과에 대한 연구에서 얻은 일련의 성과 ceria.png http://www.cas.cn/syky/201501/t20150129_4306549.shtml