은 전극 통해 H2S 생성 정밀 제어
맞춤형 치료 위한 새로운 가능성
[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 황화수소를 전기 신호로 정밀하게 제어하는 바이오전자 플랫폼을 개발했다고 23일 밝혔다.
달걀 썩는 냄새로 알려진 황화수소(H2S)는 그간 악취와 독성을 지닌 위험 물질로만 인식돼 왔다. 하지만 최근 생명과학 분야에서는 세포의 건강 상태를 유지하고 단백질 기능을 조절하는 생체 신호 전달자로서의 역할이 주목받고 있다.
황화수소는 단백질의 구조를 미세하게 변화시켜 기능을 조절하는 화학적 스위치로 작용할 수 있어 신경계, 면역계, 심혈관계 등 다양한 생리적 시스템에서 중요한 역할을 한다.
그러나 황화수소는 기체 상태로 존재하며 반응성이 매우 높아 빠르게 소멸되기 때문에, 기존의 약물 전달 방식으로는 원하는 시점과 위치에서 정밀하게 전달하기 어려웠다. 기존 연구에서 사용된 화학적 공여체를 이용한 방법도 방출 속도와 전달 위치를 정밀하게 제어하기 어렵고 실제 생체 신호 전달 과정과 유사한 정밀한 제어를 구현하기 어려웠다.
박지민 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자연계 박테리아의 순환 시스템에서 착안했다. 생체에 무해한 원료인 티오황산염(S2O32-)에 전기를 가해 황화수소를 생성하는 방식을 설계한 것이다. 이는 기존의 화학적 투여 방식보다 안전성과 제어 정밀성이 훨씬 높다는 것이 특징이다.
연구팀은 다양한 금속 전극을 비교 분석한 결과 은(Ag) 전극이 가장 효율적인 소재임을 확인했다. 밀도범함수 이론(DFT) 기반의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 금속과 수소 사이의 결합이 약할수록 불필요한 부반응이 억제되어 황화수소를 보다 효율적이고 선택적으로 생성할 수 있음을 규명했다. 은 전극은 다른 금속에 비해 황화수소 생성 반응을 선택적으로 촉진하고 전자 전달 효율이 높아 생성량을 정밀하게 제어할 수 있다.
이 플랫폼을 활용하면 전압의 세기와 자극 시간만으로 황화수소의 방출량과 속도를 정밀하게 제어할 수 있어, 환자의 상태나 치료 부위에 맞춰 최적의 시점에 전달이 가능하다. 마치 전기 스위치처럼 황화수소를 원하는 대로 조절할 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 약물 투여 방식의 한계를 극복하고 맞춤형 치료의 새로운 가능성을 열어주는 획기적인 성과라 할 수 있다.
연구팀이 인간 유래 세포(HEK293T)에 적용한 결과는 더욱 고무적이었다. 전기 신호를 통해 세포 내부에서 통증과 자극을 감지하는 스위치 역할을 하는 이온 채널(TRPA1)을 정밀하게 조절하는 데 성공했다. 특히 활성산소 증가 등으로 손상된 상태인 산화 스트레스에 놓인 세포에 적용했을 때, 황화수소가 세포의 균형을 회복시키며 치유 효과를 나타냈다. 세포 독성은 거의 관찰되지 않아 인체 적용 가능성에 대한 안전성도 확인했다. 이러한 결과는 향후 신경계 질환, 심혈관계 질환 등 다양한 질병의 치료에 응용될 수 있는 기초를 마련했다는 점에서 의미가 크다.
박지민 교수는 "이번 연구는 독성 물질로만 여겨졌던 황화수소를 전기 신호로 정밀하게 제어해 생체 시스템을 조절할 수 있는 새로운 도구로 전환했다는 데 의의가 있다"고 설명했다. 이어 "신경계 및 심혈관계 질환 치료를 위한 정밀 의료기기뿐 아니라, 실시간 건강 관리를 위한 디지털 헬스케어 분야로의 확장 가능성도 크다"고 덧붙였다. 이는 바이오전자 의학의 미래 방향을 제시하는 중요한 발언이다.
이번 연구는 KAIST 임리안 석사, 이창호 박사과정, 이재웅 박사가 공동 제1 저자로 참여했으며, 김지한 교수가 공저자로, 박지민 교수가 교신저자로 참여했다. 해당 논문은 국제적 권위의 학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 3월 19일 자로 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단의 신진연구지원사업과 글로벌매칭형사업에 지원을 받아 수행됐으며, 향후 더욱 발전된 임상 연구로 이어질 것으로 기대된다.
biggerthanseoul@newspim.com
