혁신적인 광학 효과로 신약 개발 가속화

비틀린 나노스케일 반도체가 빛을 새로운 방식으로 조작합니다. 이 효과는 생명을 구하는 의약품의 발견과 개발뿐만 아니라 광학 기술의 발전을 가속화하는 데 활용될 수 있습니다.

이 광학 효과는 자동화를 통해 새로운 항생제 및 기타 약물의 신속한 개발과 선별을 가능하게 합니다. 본질적으로 '로봇 화학자'를 구현하는 것입니다. 방대한 화학 화합물 라이브러리를 분석하는 고대역 스크리닝(high-throughput screening)을 위한 새로운 분석 도구를 제공합니다. 각 화합물의 미세한 샘플이 마이크로플레이트(microplate)의 웰(well)을 채웁니다. 웰은 1입방밀리미터만큼 작을 수 있으며, 초콜릿 바 크기의 플레이트에 천 개의 웰을 담을 수 있습니다.

약물 분석의 핵심 측정 중 하나는 분자가 어느 방향으로 비틀리는지를 나타내는 카일랄리티(chirality)입니다. 인체를 포함한 생물학적 시스템은 일반적으로 오른쪽 또는 왼쪽 방향 중 하나를 선호합니다. 잘해야 아무 효과가 없지만, 최악의 경우 잘못된 비틀림을 가진 약물 분자는 해를 끼칠 수 있습니다. 연구자들이 발견한 이 효과는 카일랄리티를 1입방밀리미터보다 10,000배 더 작은 부피에서 측정할 수 있게 합니다.

"이 효과를 등록할 수 있는 작은 부피야말로 연구자들이 매우 적은 양의 고가 약물을 사용하면서 수천 배 더 많은 데이터를 수집할 수 있게 하는 게임 체인저 속성입니다."라고 미시간 대학교 화학 과학 및 공학 교수 니콜라스 코토프(Nicholas Kotov)는 말했습니다.

이 방법은 코토프 연구실에서 개발한 생물학적 설계에서 영감을 받은 구조에 의존합니다. 태양전지에 흔히 사용되는 반도체인 텔루륨화 카드뮴(Cadmium telluride)을 짧고 비틀린 리본 조각 같은 나노입자로 형성합니다. 이들은 단백질이 조립되는 방식을 모방하여 나선형(helices)으로 스스로 조립됩니다.

적색광으로 조명되면, 작은 반도체 나선들은 파란색의 비틀린 새로운 빛을 생성합니다. 이 파란빛은 특정 방향으로 방출되어 수집하고 분석하기 쉽습니다. 이 세 가지 특이한 광학 효과의 조합은 생체 액체 내 다른 나노스케일 분자와 입자가 일으킬 수 있는 노이즈를 획기적으로 줄여줍니다.

약물 발견을 위한 고대역 스크리닝에 이러한 효과를 활용하려면, 나선형으로 조립되는 나노입자를 약물 후보 물질과 혼합합니다. 나노나선이 약물과 자물쇠-열쇠(lock-and-key) 구조를 형성하여 약물 표적을 시뮬레이션하면, 나노나선의 비틀림이 극적으로 변합니다. 이 비틀림 변화는 파란빛을 통해 측정할 수 있습니다.