올해 노벨 화학상 수상자로 벤야민 리스트 독일 막스플랑크연구소 교수와 데이비드 맥밀런 미국 프린스턴대 화학과 교수 등 2명 공동 선정

새로운 의약품과 태양전지에서 광자 포착하는 분자를 효율적으로 개발

데이비드 맥밀런 미국 프린스턴대 화학과 교수와 벤야민 리스트 독일 막스플랑크연구소 교수

다양한 화학 반응을 유도하는 데 사용하는 친환경적이고 저렴하며 안정적인 유기촉매를 다양하게 설계한 과학자들에게 올해 노벨화학상으로 선쟁됐다. 이들의 연구 성과는 새로운 의약품과 태양전지에서 광자를 포착하는 분자에 이르기까지 효율적으로 개발하는데 결정적인 역할을 했다. 이번 노벨화학상 수상자들은 화학계에서 수십 년 동안 고민해왔던 문제에 대해 독창적인 해결책을 찾는 데 성공했으며, 이들이 개발한 유기촉매는 현재 인류에게 매우 큰 혜택을 주고 있는 것으로 평가받고 있다.

‘제약산업 혁신’ 가져온 젊은 과학자들

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 6일(현지시간) 올해 노벨 화학상 수상자로 벤야민 리스트(Benjamin List) 독일 막스플랑크연구소 교수와 데이비드 맥밀런(David W.C. MacMillan)미국 프린스턴대 화학과 교수를 선정했다.

리스트 교수와 맥밀런 교수는 반응 조건이 쉽고, 조작이 간단하며 중금속의 오염이 없어 제약산업에 혁신을 유기 촉매를 만든 공로를 인정받았다. 리스트 교수와 맥밀런 교수는 모두 53세로, 최근 노벨 과학상 수상자 연령이 높아지고 있는 가운데 선정된 ‘젊은 과학자들’로 평가받고 있다.

다양한 화학 반응을 유도하는 데 사용하는 친환경적이고 저렴하며 안정적인 유기촉매를 다양하게 설계한 과학자들에게 올해 노벨화학상이 시상됐다.(노벨위원회)

화학자들은 오랜 시간 동안 촉매가 ‘금속’과 ‘효소’ 등 두 가지 유형만 존재한다고 믿었지만, 이번 노벨 화학상 수상 두 과학자는 2000년 독립적인 연구를 통해 세 번째 새로운 유형의 촉매를 개발한 공로를 인정받았다. 이 촉매는 ‘비대칭 유기촉매’라고 부르며 작은 유기분자를 기반으로 하는 것으로 알려졌다.

식물의 광합성을 비롯해 생명체의 생리 활성에 관여하는 모든 유기 화학물을 비대칭 합성 화학 물질이라고 부른다. 의학적 효과가 있거나 영양분에 포함된 분자들은 비대칭 합성을 통해 만들어지는데 이때 통상 금속과 리간드(유기물질)가 필요하지만, 생리 활성을 위한 의약품을 화학적으로 만들 때 촉매에 사용된 금속이 남으면 독성을 유발할 수 있어 유기 촉매 기술 필요성이 높아졌지만 화학에서 난제로 지적돼 왔다.

이에 2명의 수상자는 금속이나 효소를 사용하지 않고 비대칭 합성 화학물을 만들어내는 비대칭 유기 촉매 기술을 개발해 제약 산업에 혁신을 가져온 것으로 평가받고 있다.

노벨위원회는 “최근 내구성 있는 화학물질을 만들고, 배터리에 전기에너지를 저장하거나 질병의 진행을 억제할 수 있는 분자를 만드는 모든 과정에 화학과 촉매가 관여한다”며 “금속과 효소 외에 세 번째 형태의 촉매인 비대칭 유기 촉매를 2명의 수상자가 2000년대에 독립적으로 개발했다”고 노벨화학상 선정 배경을 밝혔다. 특히 노벨위원회는 “이들의 연구 성과는 제약 연구에 큰 영향을 미쳤고 화학을 더 친환경적으로 만들었다”고 평가했다.

리스트 교수와 맥밀런 교수는 반응 조건이 쉽고, 조작이 간단하며 중금속의 오염이 없어 제약산업에 혁신을 유기 촉매를 만든 공로를 인정받았다. (노벨위원회)

‘유기촉매’로 제약 혁신과 친환경 구현

이번 노벨 화학상을 수상한 두 과학자의 가장 큰 공로는 단연 새로운 유형의 촉매, 작은 유기분자를 기반으로 하는 비대칭 유기촉매다.

리스트 교수는 1970년대 초 아미노산 중 하나인 ‘프롤린’이 촉매로 사용된 연구 결과에 주목했다. 그리고 그는 아무도 이에 대해 계속 연구하지 않은 이유가 프롤린이 촉매 기능을 잘 하지 못했기 때문이라고 판단했다. 이후 그는 프롤린이 두 개의 서로 다른 분자의 탄소 원자를 결합하는 일(알돌 반응)을 촉매 반응 실험을 진행했으며, 놀랍게도 효과를 보인 것으로 나타났다.

특히 그는 이 실험을 통해 프롤린이 효과적인 촉매이며, 비대칭 촉매 작용을 유발할 수 있음을 증명했다. 자연적으로는 거울분자 두 개 중 한쪽이 훨씬 더 잘 형성되는데, 원하는 분자만 골라 대량으로 만들 수 있다는 의미다.

이번 노벨화학상 수상자들이 분자를 분해하거나 결합할 수 있는 수많은 촉매들을 발견한 덕분에, 이제는 의약품과 플라스틱, 향수, 식품 향료 등 일상생활에서 사용하는 수천 가지의 다양한 물질을 만들 수 있게 됐다. 전세계 산업의 35%가 화학적 촉매 작용을 이용하는 것으로 추정되고 있다.

데이비드 맥밀런 미국 프린스턴대 화학과 교수(프리스턴대)

벤야민 리스트 독일 막스플랑크연구소 교수(막스플랑크연구소)

그동안 학계에서는 아주 오랫동안 촉매가 금속과 효소 등 두 가지 유형만 존재한다고 믿어 왔는데, 금속 촉매는 전자를 일시적으로 받아들이거나 다른 분자에게 주는 능력이 있다. 하지만 분자 중 원자 사이의 결합을 느슨하게 하기 때문에 상한 결합이 끊어지고 새로운 결합이 생길 수 있는 것으로 알려졌다.

또한 산소와 물에 매우 민감하기 때문에 금속 촉매는 산소나 물기가 없는 환경에서 사용해야 한다. 대규모 산업에서는 활용하기가 어렵고, 특히 금속 촉매는 환경에 해로운 중금속이 대부분으로 지적돼 왔다.

이에 효소는 매우 효율적인 촉매이기 때문에 1990년대 화학자들은 원하는 화학반응을 유도하는 새로운 효소 변이체 개발을 주목했다. 해당 분야에서 가장 잘 알려진 연구자는 미국 캘리포니아 스크립스연구소의 카를로스 바바스 박사다.

당시 이 연구실에 박사후연구원이었던 리스트 교수는 올해 노벨화학상을 받을 만한 아이디어를 떠올리게 된다. 바로 항체를 촉매로 활용하자는 생각이다. 항체는 일반적으로 우리 몸에 바이러스나 세균이 들어왔을 때 붙는 물질로, 리스트 교수와 동료 화학자들은 그 대신 항체가 화학 반응을 일으킬 수 있도록 재설계 한 것으로 알려졌다.

이러한 가운데, 당시 미국 하버드대에서 미국 버클리 캘리포니아대로 옮긴 맥밀런 교수도 동일한 목표 하에 비슷한 연구를 진행 중으로, 하버드대에서 금속을 이용해 비대칭 촉매를 개선하는 연구를 해왔다.

버클리대로 온 맥밀런 교수는 금속이 아닌 다른 재료로 새로운 형태의 촉매를 개발하기 시작했으며, 그가 금속과 마찬가지로 일시적으로 전자를 주거나 받을 수 있지만, 생물을 구성하고 있는 분자(유기 분자)를 이용한 촉매를 만드는 시도를 했다.

맥밀런 교수는 이미늄 이온을 형성할 수 있으며 전자에 대해 친화력이 강한 질소 원자를 포함한 촉매를 개발했으며, 이 촉매를 이용해 디엔과 필로디엔을 형성하는 딜스 알더 반응에 작용한 결과 뛰어난 촉매 작용을 확인했다. 그는 새로운 형태의 촉매에 '유기촉매'라는 이름을 붙였다. 2000년 1월 리스트 교수가 그의 연구 성과를 발표하기 직전, 맥밀런 교수는 이미 과학저널 편집부에 원고를 제출한 것으로 알려졌다. 이들은 서로 독립적으로 촉매에 대한 완전히 새로운 형태를 발견한 것으로 평가받았다.

2000년 이후 유기촉매는 눈부시게 발전해왔다. 리스트 교수와 맥밀란 교수는 유기촉매가 수많은 화학 반응을 유도하는 데 사용될 수 있음을 보여줬고, 여전히 이 분야를 선도하고 있다. 그들은 매우 다양한 화학 반응을 유도하는 데 사용하는 친환경적이고 저렴하며 안정적인 유기촉매를 다양하게 설계하기도 했다.

특히 이후 과학자들은 이들의 연구 성과를 활용해 새로운 의약품과 태양전지에서 광자를 포착하는 분자에 이르기까지 효율적으로 개발하는데 성공한다.

유기촉매를 사용하면 화학 생산 공정에서 각각 중간 과정의 생성물을 불리하고 정제하지 않아도 연쇄적으로 최종 산물을 만들어 낼 수 있는데, 이는 화학 공정에서 시간이나 비용, 재료 등을 최소로 아낄 수 있다는 뜻이다.

현재 제약사들은 유기촉매를 이용해 간단하게 의약품을 만들기도 한다. 불안장애와 우울증 치료제인 ‘파록세틴’, 독감 등 호흡기감염질환을 치료하는 항바이러스제 ‘오셀타미비르’가 바로 유기촉매를 활용한 의약품이다.

한국과 유독 친한 수상자들

노벨화학상 두 수상자는 한국에서 근무했거나 한국 과학자들과 공동 연구를 한 지한파 과학자들이라는 점에서도 주목받고 있다. 이들은 한국에 많은 제자를 두고 공동 연구를 진행하며 한국도 자주 방문하는 등 한국과의 인연이 깊은 것으로 알려졌다.

맥밀런 교수는 서울대에서 2016년과 2017년 화학부 석좌교수를 겸임했으며, 프린스턴대에서 함께 교수로 근무했던 이철범 서울대 화학부 교수가 맥밀런 교수를 초대한 것으로 알려졌다. 맥밀런 교수는 2016년 여름과 2017년 여름 한 달씩 교수를 맡아 대학원생 특강 등을 진행했으며, 이 교수와 함께 광촉매 분야 연구를 함께 진행해 2018년 연구결과를 국제학술지 ‘앙게반테 케미’에 발표하기도 했다.

리스트 교수는 한국에도 방문하고 한국과 공동연구도 자주 진행하는 것으로 알려졌다. 또한 2008년 성균관대 자연과학부 초청으로 방문교수 자격을 얻어 성균관대서 특강을 열기도 했다. 양정운 성균관대 화학과 교수와 리스트 교수는 2015년 한국민속촌을 방문해 한국 교수들과 어울려 막걸리를 마시며 즐거운 시간을 보내기도 했다.

또한, 리스트 교수는 배한용 성균관대 화학과 교수와 함께 인기 있는 향수 원료물질인 베티버 오일의 향기 원리를 유기합성을 통해 밝혀낸 연구를 올해 2월 ‘앙게반테 케미’에 발표하는 등 현재까지도 공동 연구를 이어오고 있는 것으로 알려졌다.

노벨사이언스 편집위원회