종합화학 분야 상위 9.6% 『Advanced Science』 게재, 생체모사 기능성 고분자 소재의 가능성 제시

본교 화학공학과 최수형 교수 연구팀이 UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수 연구팀, DGIST 에너지공학과 허수미 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고분자 사슬에 존재하는 결합성 스티커 단량체의 수가 고분자 응축체의 상분리 거동과 계면 응집을 좌우하는 핵심 인자임을 밝혔다.

이번 연구는 세포 내 다양한 생화학 반응을 시공간적으로 조절하는 생체분자 응축체의 형성 원리를 이해하기 위한 연구에서 출발했다. 최수형 교수 연구팀은 생체분자 응축체가 형성되는 액-액 상분리 현상에 주목해, 생체고분자의 주요 상호작용 특성을 모사한 고분자를 설계·합성하고 분자 간 상호작용이 상분리로 이어지는 과정을 연구해 왔다.

단백질이나 핵산과 같은 생체분자는 액-액 상분리 현상을 통해 세포내 특정 영역에 농축되어 생체분자 응축체(biomolecular condensate)를 형성한다. 이 때, 양이온성 단백질 서열에서 흔히 관찰되는 아르기닌과 라이신 잔기들은 RNA나 DNA와 같은 음이온성 생체분자와 정전기적으로 상호작용할 수 있어, 생체분자 응축체의 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

두 아미노산 잔기는 모두 양전하를 띠지만, 구아니디늄(guanidinium) 작용기를 갖는 아르기닌은 정전기적 상호작용뿐만 아니라 동시에 π-매개 상호작용에도 참여할 수 있어 암모늄(ammonium) 작용기를 갖는 라이신보다 생체분자 응축을 더욱 효과적으로 촉진하는 경향을 보이는 것으로 보고되었다.

이러한 분자 상호작용의 차이에 착안해, 공동 연구팀은 π-매개 상호작용에 참여할 수 있는 구아니디늄 스티커와 암모늄 스페이서가 하나의 사슬 내에 분포하는 스티커-스페이서 고분자 모델을 설계했다.

본교 최수형 교수 연구팀은 이온강도를 변화시켜 스티커 간 상호작용 세기를 조절하고, 이에 따른 용액의 상 거동과 개별 고분자 사슬의 구조 변화를 분석했다. 그 결과, 고분자 내 스티커의 분율이 증가할수록 더 낮은 이온강도에서도 액-액 상분리가 발생했으며, 개별 고분자 사슬이 팽창된 형태에서 조밀한 형태로 수축하는 전이 역시 더 낮은 이온강도에서 나타났다. 이는 하나의 고분자 사슬에 존재하는 스티커의 수가 많아질수록 상대적으로 약한 스티커 간 상호작용만으로도 단일 사슬의 구조 변화와 거시적인 상분리가 유도될 수 있음을 보여준다.

UNIST 이동욱 교수 연구팀은 표면력 측정기(Surface Forces Apparatus, SFA)를 이용해 스티커 간 상호작용이 계면 응집에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, 스티커 분율이 높은 고분자에서는 이온강도가 증가해 스티커 간 상호작용이 강해질수록 오히려 마주 보는 두 표면 사이의 응집력이 감소했다. 이는 표면에 밀집된 고분자 사슬의 스티커들이 각 표면 내부에서 우선적으로 상호작용해 젤과 유사한 응축체 층을 형성하면서, 두 표면 사이의 응집에 참여할 수 있는 스티커의 수가 줄어들기 때문으로 해석할 수 있다.

DGIST 허수미 교수 연구팀은 실험에서 관찰된 현상을 단순화한 조립질(coarse-grained) 비드-스프링 모델을 이용해 시뮬레이션했다. 스티커의 수가 많고 상호작용이 강할수록 단일 고분자 사슬의 수축이 촉진됐으며, 표면에서는 스티커 간 상호작용이 강해질수록 외부에 노출된 스티커의 수가 감소하는 현상이 재현됐다. 이를 통해 사슬 내 스티커의 수와 스티커 간 상호작용 세기라는 두 분자적 변수가 단일 사슬의 구조 변화, 액-액 상분리, 계면 응집을 연결하는 핵심 요인임을 확인할 수 있었다.

연구책임자인 최수형 교수는 “이번 연구는 생체분자의 복잡한 서열을 비교적 단순하고 제어 가능한 스티커-스페이서 고분자로 구현해, 분자 수준의 상호작용이 단일 사슬에서부터 거시적인 상분리와 계면 응집 거동으로 어떻게 이어지는지를 하나의 모델 시스템을 통해 분석했다는 데 의미가 있다.”라고 전했다.

또한 제1저자인 오승환 박사는 “이번에 구축한 고분자 모델이 생체분자 응축 현상을 이해하는 기초 연구뿐 아니라, 향후 상분리와 계면 특성을 조절할 수 있는 생체모사 연성소재를 설계하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 미래도전연구지원사업, 이공분야 개인기초연구사업(중견), 한국화학연구원 기본사업, 방위사업청·산업통상자원부의 민군기술협력사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 2025년 JCR 기준 종합화학 분야 상위 9.6% 국제학술지 Advanced Science (IF = 14.1)에 2026년 8월 18일 게재됐다.

(왼쪽) 오승환 박사 (제1저자, 現 한국과학기술연구원 소속), (오른쪽) 최수형 홍익대 화학공학과 교수 (교신저자)

관련 논문 정보

(1) 논문명: Sticker Valence Governs Chain Collapse and Liquid-Liquid Phase Separation in Peptide-Inspired Associative Polymers

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(2) 논문명: Upper Critical Solution Temperature (UCST) Behavior of Polyguanidinium in Aqueous Media

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(3) 논문명: Simple Coacervation of Guanidinium-containing Polymers Induced by Monovalent Salt

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온라인커뮤니케이션실 김서진 기자