[12강 화학의 활용] 신소재와 신약 개발

1. 신소재

 토마스 에디슨과 그의 연구팀은 백열전구를 완성하기 위해 수많은 실험을 거듭했다. 그들이 전구에 빛을 발하는 필라멘트에 적합한 재료를 찾기 위해 6000가지 이상의 다양한 원소들로 실험을 했다고 한다. 그러다가, 전구 안에 공기만 없다면 실에 탄소를 입혀 쓸 수 있다는 사실을 깨달음으로써 연구가 전환점을 맞이한 것이다. 이후 그들은 특수한 펌프를 이용해 전구 안을 진공상태로 만들었고, 마침내 노란빛을 내는 백열등이 탄생하게 되었다.

 

 혁신을 이루어 낼 신소재를 찾는 것은 아주 유망한 분야이다. 화학의 한 갈래인 신소재 과학은 사람에게 유용하게 쓰일 수 있는 새로운 소재들(세라믹, 합성 소재, 유리, 금속 등)을 발견하고 개발하는 것과 관련된 학문이다. 신소재 과학은 그리 간단한 분야가 아닌데, 왜냐하면 한 가지 물질이 다양한 방식으로 사용되기 때문이다. 만약 새로운 중합체가 여러 분야에 쓰일 수 있다면, 각 분야의 전문가들은 자기 영역에서 이 중합체의 응용가능성을 조심스럽게 파악하고, 디자인하고, 시험해보아야 한다.

 앞서 이야기해보았던 수소 자동차도 신소재 과학이 쓰였다. 무거운 철제 동체 프레임을 탄소 섬유를 결합하여 만든 합성소재로 대체한 것이다. 이는 자동차의 무게를 반으로 줄였으나(쓰이는 연료도 줄여줄 것이다.) 강도는 똑같거나 더 강해지는 효과를 낳았다. 

 

 

언젠가 들어보았던 유망한 신소재들

 

 

 신소재 과학이 영감을 얻은 곳은 전혀 다른 세계나 학문이 아니라 자연의 생물체로부터이다. 대표적인 예로, 잎에서 일어나는 광합성을 모방한 광전지 패널이 있다. 40억년이라는 세월동안 창조물을 완성시킨 자연으로부터 우리는 답을 찾을 수 있다. 단백질 접힘이 단백질의 기능에 어떤 영향을 끼치는지 우리는 모르지만, 우리 몸의 리보솜은 알고 있는 원리이다. 자연의 나무와 곤충, 포유류들이 우리에게 알려줄 수 있는 유용한 정보들을 우리는 겸손한 자세로 연구해야 할 것이다.

2. 신약 개발

 과학자들은 화학 물질의 구조와 서로 결합하는 방식에 대한 지식을 이용해 특정한 질병을 치료할 수 있는 맞춤형 약품을 개발한다. 약품을 개발하려면 과학자들은 특정 질병의 발병 원인에 대해 더 많은 정보를 얻어야 하는데, 단백질체학과 유전자 공학, 컴퓨터 기술이 모두 결합되어 사용된다.

 다양한 기술과 진보를 통해 약품 개발 산업도 날이 갈수록 발전하고 있다. 조합화학(combinatorial chemistry)은 다양한 분자 화합물을 화학적인 기본 단위로 사용하고, 이들을 체계적으로 결합하고 재배치하여 각각 조금씩 차이를 보이는 화학물질 집합을 만든다. 이렇게 만들어진 물질들은 그룹별로 묶어서 검사한 후, 원하는 단백질에 대한 치료 효능이 가장 높아 보이는 후보군을 골라 추가 검사를 하기위해 다양으로 합성한다. 합성 시에는 로봇을 이용하여 자동화 합성 시스템을 활용하는데, 이 과정을 통해 과학자들은 동시에 수천 개의 화학 물질을 만들고 검사하는 것이 가능하다.

 

 화학물질만큼이나 중요한 것이 약품의 구조이다. 구조 기반 신약 개발이라는 방법이 있을 정도인데, 이는 표적 분자의 구조와 이를 위해 개발되는 신약의 구조에 초점을 맞추는 분야이다. 단백질의 구조를 파악하는 데에는 엑스선 결정학과 같은 방법이 사용되는데, 이를 통해 표적 분자에 가장 적합한 약물을 만드는 것이다. 마치 효소-기질 모형과 비슷하게 연구원들은 약물이 활성화되는 가장 잘 들어맞는 구조를 찾는다. 이 때 컴퓨터 시뮬레이션과 모델링이 사용되는데, 약물이 어떻게 기능하고 표적 자리에 결합하는지를 예측하기 위해 사용된다.

 

 인간 게놈과 단백질체학이 발전하면서 우리는 개인의 특수한 유전적 구성에 대해 가장 잘 작용하는 약을 개발할 수 이있는 가능성을 높이고 있다. 하지만 중요한 사실은 자연이 지속적으로 변한다는 것이다. 오랜 시간동안 쓰여온 약물들은 진화와 돌연변이라는 문제에 부딪친다. (코로나 백신이 생각나는 순간이다.) 예를 들어 가장 널리 처방되는 페니실린은 초반에는 분명 잘 듣는 항생제였으나, 점차 박테리아들이 페니실린에 대한 방어체계를 구축하기 시작하면서 도전을 받기 시작했다. (페니실린을 파괴하는 효소를 만들어 낸 것;;) 하지만 이는 말그대로 자연스러운 현상이다. 도전을 받는다는 표현조차 인간 중심적인 관점에 불과하다. 자연은 어떠한 의도도 없다는 사실을 다시금 명심해야 한다는 말이다.

 

 

출처) 동아일보 / 신약과 기존약들. 과연 이 중 코로나 바이러스로부터 인류를 구할 약이 탄생할 것인가

 

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+ 이번 포스팅을 하면서 당연히 코로나 바이러스가 떠올랐다. 전 세계의 연구자들은 코로나19 신약과 백신 개발에 어려움을 겪고 있는데, 이는 코로나 바이러스의 돌연변이 때문이라고 한다. 무려 200개에 가까운 돌연변이가 생겨나면서 난관에 부딪치게 된 상황이지만, 이 상황을 오히려 기회로 여기는 관점에 관한 뉴스가 있어 흥미롭게 보았다.