2022년도 노벨 화학상을 수상한 캐롤린 버토찌/Carolyn R. Bertozzi,
모튼 멜달/Morten Meldal & 배리 샤플레스/K. Barry Sharpless(왼쪽부터)
photo: Christine Olsson
화학은 주로 분자들을 서로 연결하거나 떼어놓는 과학분야라고 볼 수 있는데
화학 작용마다 그 방법과 과정은 엄청 다양하다.
올해 노벨상 위원회는 간단하고 크기가 작은 분자들의 화학적 특성에 상관없이 서로 연결되어서
새롭고 복잡하고 다양한 분자들을 합성하는 새로운 분야인 클릭 화학을 시작하고
지난 20년간 연구해 온 세 과학자들에게 2022년 노벨 화학상이 수상되었다.
클릭 화학/Click Chemistry 분야에서 연구를 이어 온 세 과학자는
미국 캘리포니아 소재 스크립스 연구소의 샤플레스 박사,
스탠퍼드 대학교의 버토찌 박사, 덴마크 코펜하겐 대학교의 멜달 박사들이 그 주인공들이다
수상자 세 분이 분자들을 서로 연결해 주는 버클이 채워질 때에 발생하는 소리 '클릭' 현상을 묘사하고 있다.
클릭 화학이라는 단어는 20년 전에 샤플레스 박사가 처음 지어냈는데,
이 분야는 화학 분자들이 마치 레고 블록이나 벨트의 버클처럼 서로 탁 맞물려서
아주 복잡한 분자들을 합성되어서. 우리 인간들에게 필요한
신약개발과 신소재 개발 그리고 유전자 Sequencing 분야에 혁신을 불러온 과학이다.
샤플레스 박사와 멜달 박사는 각자 독자적으로 간단한 분자들이
어떻게 효율적이고 빠르게 서로 맞물리는 오랫동안 연구를 했고,
버토찌 박사는 이들의 연구를 토대로
살아있는 생물 세포의 작용을 방해하지 않으면서 분자 구조를 변형할 수 있는
직교 화학/Bioothogonal Chemistry 분야를 개척한 업적으로 올해 노벨 화학상을 수상했다.
클릭 화학 작용으로 새로운 화학 분야를 개척한
아자이드azides(−N=N+=N−) 와 알카인/alkynes(C≡C) 분자들은
동 이온/copper ions(Cu+)을 추가해 주면
아주 효율적이고 빠르면서 간단하게 버클처럼 클릭되어서
복잡한 구조의 새 분자가 형성되는 과정을 묘사한 도면
클릭 화학은 버클을 채울 때 나는 소리처럼 분자들의 끄트머리에 달린
화학적 버클이 클릭해서 연결되면서 전보다 더 복잡하고 다양한 분자들을 생성하게 되는데
이를 가능케 해 주는 '화학적 버클'을 찾는 것이 당시 제일 큰 관건이었다.
이 세 과학자들은 아자이드(세 개의 (N)/질소가 일렬로 연결) 그룹과
알카인 그룹(두 개의 탄소가 세 개의 화학결합) 두 개의 화학 그룹을 사용했다.
이 두 그룹이 적절한 화학 환경이 주어지면, 각 분자의 구조는 바뀌지 않은 상태에서
트라이아졸/triazole(2개의 탄소와 3개의 질소로 이루어진 링 구조)가 형성되는 것을 밝혀내서
클릭 화학의 토대를 마련했다.
81세의 샤플레스 박사는 노벨 화학상을 두 번 수상한 대단한 과학자이다.
그는 수상 소감으로 "나는 다른 사람들이 내가 미쳤다는 말이
오히려 내게 자극이 되어서 동기 부여를 제공해 주어서 연구를 이어올 수 있었다.
나는 노벨상을 받을 만큼 클릭 화학이 참 근사하고 매력적인 아이디어였고 믿어왔다.
하지만 두 번째로 이 분야에 관련된 노벨상을 내 생전에 받게 되어서
너무도 기쁘고, 행운이라고 생각한다.
그래서 나는 현재 살아있는 사람들 가운데 제일 대단한 행운아다."라고 말했다.
코펜하겐 대학교의 모튼 멜달/Morten Meldal 교수
각자 독립적으로 이 메카니즘을 연구해 온 멜달 박사와 샤플레스 박사의 연구 이전에
이미 이 메카니즘은 알려졌지만, 합성 시간이 너무 오래 걸리고
따라서 원하는 합성 분자 외에도 원치 않은 다양한 형태의 분자가 형성되었다.
그래서 이들은 오랜 연구 끝에 동 이온/copper ions을 투입하면
분자들간에 보다 더 효율적인 연결이 가능하다는 것을 밝혀냈다.
그런데 이 클릭 화학이 생물학과 만나게 되면, 한 문제에 봉착하게 된다.
동(Cu+) 이온은 생물에게 독이 되기에 생물에 이 메커니즘이 적용하기에 힘들었다.
50세의 스탠퍼드 대학교 교수인 캐롤린 버토찌/Carolyn R. Bertozzi 박사
그래서 버토찌 박사는 생체에 해가 가지 않으면서도
아자이드와 알카인 그룹이 서로 화학반응은 일으키는 방법을 연구하기 시작해서
2004년도에 그 결과를 발표하기에 이르렀다.
그녀는 세 개의 화학 결합으로 이루어진 탄소(알카인) 분자를
8개로 이루어진 링에 끼워 넣어서
알카인 그룹의 반쪽에 '스트레스'를 가해서 더 화학적 반응을 높여주었다.
그리고 그녀는 세포 겉 면에 위치한 탄수화물 폴리머인 글라이캔/glycans에
아자이드 그룹을 연결시킨 후, 클릭으로 합성된 새로운 분자가 표면에 드러나면
이를 표적 하는 형광 물질을 글라이캔에 투입하는 데 성공했다.
덕분에 형광물질로 표적이 가능하게 되면서 동이온으로 결합된 분자도 파악할 수 있게 되었다.
버토찌 박사는 '스트레스'를 받은 아자이드를 세포에 투입하면,
아래에 보이는 사진처럼 세포가 초록색 형광빛을 발하고
세포 핵은 파란 색으로 빛을 발해서 쉽게 찾아내는 방법을 개발했다.
이 세 과학자들의 연구로 분자들을 표적 할 수 있을 뿐만 아니라,
이 분자들이 세포 내에서 어떻게 주위와 상호작용을 일으키는지 알 수 있게 되어서
암 같은 질병을 유발하는 세포와 정상적인 세포의 상호 작용을 제대로 이해할 수 있게 되어서
개개인에 딱 맞는 질병 세포를 표적 하는 신약 개발이 가능하게 되어서
21세기의 가장 혁신적인 화학 발명으로 손꼽히게 되었다.
참고로 샤플레스 박사는 더 안전하고 효율적인 항생제와 항염증제, 심장약 개발에
핵심인 광합성 촉매 연구로 2001년도에 이미 노벨 화학상을 받아서
마리 큐리, 존 바딘, 라이너스 폴링, 프레데릭 생어박사에 이어서
다섯 번째로 2회 노벨상 수상자가 되었다.
버토찌 박사는 33살 때에 맥아더 지니어스 상을 이미 수상했으며,
여덟 번째 여성 노벨 화학상 수상자가 되었다.
