풀러렌(Fullerenes)은 sp2 탄소 원자로 구성된 구(球)형 케이지 형태 분자로서 다이아몬드와 흑연과 동일하게 탄소 동소체(allotropes)에 속한다. 풀러렌은 지난 1985년도에 최초로 보도된 이래 특수한 구조와 풍부한 화학 특성 때문에 과학자들의 높은 관심을 받고 있다. 풀러렌을 발견한 과학자는 지난 1996년도에 노벨 화학상을 수상하였다. 하지만 풀러렌은 물에 용해되기 어렵기 때문에 바이오 시스템과 같은 물 용해성 환경에서의 응용을 크게 제한하고 있는 상황이다.
풀러레놀(Fullerenol)은 풀러렌(Fullerenes)의 하이드록실 파생물(Hydroxylated derivatives)로서 응용 범위가 폭넓은 상황이다. 때문에 풀러레놀은 풀러렌의 제일 중요한 물 용해성 파생물 중의 하나로 평가 받고 있다. 풀러레놀은 생물체 내 자유산화기(free radicals)를 통해 신경 시스템을 보호하기 때문에 파킨슨 병 및 알츠하이머 병과 같은 신경 퇴행성 질환(Neurodegenerative diseases)을 치료하는 분야에서 큰 잠재력을 보유하고 있다.
중국과학원 하이 에너지 물리(high energy physical) 연구소 연구팀은 지난 2003년도부터 지금까지 관련 연구를 통해 풀러레놀은 많은 우수한 생물학 기능을 보유하고 있기 때문에 항암 치료 분야에서 밝은 응용 전망을 보유하고 있다는 점을 입증하였다. 예를 들면, 임베디드 금속 풀러렌 Gd@C82에 기반한 풀러레놀 Gd@C82(OH)22 는 낮은 세포 독성과 높은 항암 활성을 보유한 일종 잠재력이 크고 효율성이 높고 독성이 낮은 항암 약물에 속한다.
이런 항암 약물은 암 세포를 ‘감금’하는 방식을 통해 암 성장과 이전을 억제하는 역할을 발휘한다. 전통적인 치료 방법인 방사성 치료를 통해 암 세포를 제거하는 원리에 비해 연구팀이 개발한 항암 약물은 세포를 제거하지 않고, 관측할만한 인체 내 독성 부작용이 없고, 암을 유발하지 않는 약물 저항성을 보유하고 있는 등 다양한 강점을 보유하고 있다. 하지만 풀러레놀에 대해 정밀 구조 특징 분석을 실행하기 어려워 바이오 응용 디자인을 제약하고 있는 상황이다.
중국과학원 하이 에너지 물리 연구소 산하 `복합 학과 센터` 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 나노 항암 재료(Nano anti tumor material)인 풀러레놀(Fullerenol)에 대한 이론 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.
연구팀은 풀러레놀 구조에 대한 연구를 실행하고 풀러레놀 산소 함유 그룹 종류와 자유 기(基) 음 이온 특성 구조의 기원에 대해 분석하여 지금까지 제일 정밀하고 정확한 풀러레놀 구조 모델을 구축하는데 성공하였다. 연구팀은 다양한 합성 조건 하에서의 풀러레놀 생성 메커니즘과 산소 함유 그룹 구조 특징을 분석하고 실험 조건과 풀러레놀 생성물 구조 관련성을 해석하였다.
연구팀이 사용한 풀러레놀은 알칼리성과 산화성(NaOH+O2) 조건 하에서 개발되었다. 실제 조건 하에서 가능하게 존재할 수 있는 산소 함유 그룹 종류에 대한 연구를 실행하기 위해 연구팀은 다양한 수산기를 가진 플러렌(hydroxylated fullerene) 구조의 산도 계수(pKa)와 산화 환원 전위(Redox potential)(ε)를 계산하였으며 관련 계산 결과에 근거하여 실험 조건 하에서의 풀러레놀 속에 산소 함유 그룹의 6, 6 주변 디올(Diol), 5, 6 헤미아세탈(Hemiacetal), 고립된 하이드록시(Isolated hydroxy) 기(基)와 에폭시 구조(Epoxy structural)가 가능하게 존재할 수 있다는 점을 예측하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 13C 표식(Labeled) C60 풀러레놀을 합성한 동시에 질량 분석법(Mass spectrometry)과 푸리에 변환 적외분광법(Fourier transform infrared spectroscopy)으로 특성 분석을 실행하여 관련 이론 결과를 입증하였다. 연구팀은 과거 연구를 통해 제시한 공액 탄소 재료 안정성 규칙(Conjugated carbon material stability rules)을 이용하여 풀러레놀의 새로운 구조 모델을 구축하였다. 이런 모델은 더욱 합리적으로 실험 과정에서 관측한 풀러레놀 푸리에 변환 적외분광 현상을 해석하고 있다.
연구팀은 관련 실험을 통해 관찰한 자유산화기(free radicals) 음이온 특성은 풀러레놀 표면의 트리틸(Trityl)과 유사한 국지적인 구조에서 발생된다는 점을 발견하였다. 이런 구조가 트리틸과 차이가 나는 점은 한 개 방향족 6원 고리가 한 개 방향족 5원 고리 음이온으로 대체된다는 점이다. 그 외, 연구팀은 다른 히드록실화(Hydroxylation) 풀러렌 구조가 다른 산성과 환원성을 보유하고 있는 원인에 대해 해석하였다.
합성 공법이 풀러레놀 구조에 끼치는 영향에 대한 연구를 실행하기 위해 연구팀은 다른 실험 조건 하에서의 풀러레놀 생성 메커니즘에 대한 계산을 실행하였다. 연구팀은 C60, Gd@C60, Gd@C82 세 가지 탄소 케이지가 각각 O2, H2O2와 화학 반응을 발생시키는 루트와 에너지 곡선에 대한 분석을 실행하고 중성(中性)과 알칼리성 두 가지 다른 용매화 효과가 반응에 끼치는 영향을 분석하였다.
연구팀은 관련 연구를 통해 다른 합성 조건이 풀러레놀 생성물 속에 있는 산소 함유 기(基) 종류에 대해 중요한 영향을 끼친다는 점을 입증하였다. 중성(中性) 조건 하에서 이런 반응은 모두 비교적 큰 에너지 장벽을 보유하고 있기 때문에 반응이 쉽게 진행되지 않지만 알칼리성 조건 하에서는 반응이 가능한 것으로 나타났다.
풀러렌 케이지는 전자 부족 구조를 보유하고 있지만 O2와 H2O2는 친전자성(Electrophilic)을 보유하고 있기 때문에 풀러렌과 반응을 실현하기 어려운 상황이다. 알칼리성 조건 하에서 O2와 H2O2는 각각 친 핵성 O2.-와 HO2- 음이온을 형성하기 때문에 풀러렌과 쉽게 반응할 수 있다.
H2O2를 산화제로 사용하여 취득한 풀러레놀 속 산소 함유 기는 주로 하이드록시(Hydroxy) 기, 카르보닐(Carbonyl) 기, 헤미아세탈(Hemiacetal)과 탈 양성자화 인접 디올이 있으며, 그 중 헤미아세탈은 제일 큰 화학 안정성을 보유하고 있는 상황이다. 하지만 O2를 산화제로 사용하면 풀러레놀 생성물 속에는 주로 산소 함유 기로 탈 양성자화를 실현한 인접 디올과 에폭시 구조가 포함되어 있으며 하이드록시 기 함유량이 뚜렷이 감소되고 있는 상황이다.
연구팀이 취득한 이번 연구 성과는 풀러레놀 화학 구조와 특성을 분석하고 합성 조건과 구조 관계를 분석하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있는 동시에 바이오 의약 응용 분야에서도 중요한 의미를 보유하고 있다.
연구팀의 관련 연구 성과는 Chemical Science 및 Nanoscale 학술지에 발표되었으며 각각 outside front cover 및 outside back cover에 보도되었다.
이번 연구는 중국과학원의 ‘백인계획(百人計劃)’ 프로그램 비용 및 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용 지원을 받아 실행되었다.
