2022년 노벨화학상은 분자가 더 빠르고 효율적으로 결합되도록 하는 생물직교 화학과 ‘클릭화학’ 분야의 기초를 마련한 화학자 3명의 연구가 공로를 인정받았다. 클릭화학은 이름 그대로 분자를 클릭 한 번으로, 마치 레고를 조립하듯이 쉽게 결합시키는 것을 의미한다. 이들의 연구는 그간 어려웠던 분자 간 결합을 보다 쉽게 만드는 방법을 제시했다는 평가를 받고 있다.

2022년 노벨화학상은 분자가 더 빠르고 효율적으로 결합되도록 하는 생물직교 화학과 ‘클릭화학’ 분야의 기초를 마련한 화학자 3명의 연구가 수상했다.노벨위원회)

레고처럼 결합시키는 ‘클릭화학’

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 5일(현지시간) 2022년 노벨화학상에 미국 스크립스연구소 교수와 모르텐 멜달(68) 덴마크 코펜하겐대 교수, 캐럴린 버토지(56) 미국 스탠퍼드대 교수 등 3명을 올해 노벨화학상 수상자로 선정했다.

노벨위원회는 “올해 화학상은 복잡한 문제를 쉽고 간단하게 풀 수 있도록 한 분야가 수상했다”며 “이들의 연구는 매우 간단한 경로를 통해 분자가 결합해 기능할 수 있도록 한다”고 수상자들의 공로를 밝혔다.

먼저, 샤플리스 교수와 멜달 교수는 분자가 효율적으로 결합되도록 하는 기능적 형태의 화학인 일명 ‘클릭화학’의 기초를 마련한 것으로 평가받고 있다. 클릭화학은 이름 그대로 분자를 클릭 한 번으로, 마치 레고를 조립하듯이 쉽게 결합시키는 것을 말한다. 특히 버토지 교수는 클릭화학을 유기체에 활용하는 ‘생물직교화학’(Bioorthogonal Chemistry)으로 합성화학을 새로운 차원으로 끌어올린 것으로 알려졌다.

노벨화학상 수상자들의 연구는 생체 분자가 많은 세포 환경에서도 촉매 없이 반응이 일어나도록 하는 방법을 찾아낸 것이라는 평가를 받고 있다.

버토지 교수는 그동안 노벨상 수상자 맞추기로 유명해 ‘노벨상 족집게’로 불리는 톰슨-로이터 등에서 유력 후보로 단골 거론돼온 인물로 알려졌다. 그는 스탠퍼드대 화학과 교수로 재직하면서 생물직교화학이라는 용어를 처음 만들었다.

멜달 교수는 칼스버그연구소 유기합성그룹장, 코펜하겐대 나노과학센터 센터장 등을 지냈다. 이번에 바이오 의약품 개발과 DNA 매핑에 적합한 물질을 만들 수 있는 화학반응을 개발한 공로를 인정받았다.

샤플리스 교수는 1963년 스탠퍼드대에서 박사 학위를 받고 스탠퍼드대·하버드대 등에서 연구원으로 일했다. 그는 이후 생체의약 분야에서 세계 최고 권위를 자랑하는 스크립스연구소(TSRI)에 근무했다. 샤플리스 교수는 전이금속인 타이타늄을 이용해 인체에 유용한 한 개의 광학이성질체만 합성할 수 있는 산화 반응을 개발했으며, 이를 통해 고혈압·심장질환 치료제로 쓰이는 신물질 ‘글라이시돌’을 개발해 2001년 윌리엄 놀스, 노요리 료지와 함께 노벨화학상을 받은 바 있다.

멜달 교수와 샤플리스 교수는 구리를 촉매로 쓰면서 아자이드(Azide) 분자와 알카인(Alkyne) 분자를 반응시켜 트리아졸을 만드는 방법을 공개하며 주목받았다.(노벨위원회)

클릭화학과 생물직교 화학이 생소할 수 있지만, 과학계에서는 이미 노벨상 수상이 유력하다는 평가를 받아왔다. 국제학술지 ‘네이처 화학’의 편집장인 스튜어트 켄트릴이 매년 트위터를 통해 진행하는 노벨화학상 설문조사에서 올해 41.7%를 득표해 1위를 차지한 것으로 나타났다. 켄트릴 편집장은 매년 화학상 수상 유망 분야를 선정하기 위한 투표를 진행하고 있으며, 두 분야는 앞서 지난해 같은 설문조사에서도 37.9%로 1위를 기록하기도 했다.

이번 노벨화학상으로 샤플리스 교수는 2001년에 이어 올해 두 번째로 화학상을 수상한 기록을 세웠다. 이는 화학상을 두 번 받은 다섯 번째 수상자다. 또한, 그는 2001년 당시 전이금속을 이용해 인체에 유용한 한 가지 광학이성질체만 합성할 수 있는 산화반응을 개발해 고혈압·심장질환 등의 치료제로 쓰이는 물질을 개발한 공로를 인정받았다. 버토지 교수는 1911년 마리 퀴리의 첫 수상 이후 화학상을 수상한 여덟 번째 여성으로 기록됐다.

클릭화학은 이름 그대로 분자를 클릭 한 번으로, 마치 레고를 조립하듯이 쉽게 결합시키는 것을 의미한다. (노벨위원회)

암세포만 찾아내는 항암제 개발 가능성

화학자들은 오랫동안 점점 더 복잡한 분자를 만들기 위해 연구를 진행해 왔으며, 이는 제약 연구에서 특정 의약 특성을 가진 천연 분자를 인위적으로 개발하는 것과도 연관이 큰 것으로 나타났다.

이러한 노력들은 훌륭한 분자를 만들어내는 성과로 이어졌지만, 대부분 시간이 많이 소요되고 생산하는데도 많은 비용이 드는 것으로 지적됐다. 버토지 교수는 원하지 않는 부산물의 영향을 피하면서, 빠르고 단순하게 화학 결합을 만들어낼 수 있는 클릭화학의 개념을 만드는 데 성공했다. 이에 멜달 교수와 샤플리스 교수는 구리를 촉매로 쓰면서 아자이드(Azide) 분자와 알카인(Alkyne) 분자를 반응시켜 트리아졸을 만드는 방법을 공개하며 주목받았다.

화학자들은 클릭화학에 대해 “어떤 것도 붙일 수 있습니다!”(You can click anyting!)라고 평가한다. 이렇게 말할 정도로 어떤 분자도 쉽게 붙일 수 있다는 의미다. 실제로 학계는 화학자가 생각하는 모양 그대로 분자를 100%의 확률로 결합시킬 수 있는 효율적인 반응이라고 설명한다.

지금까지는 일반적인 화학반응은 실험실에서 구현한 특정 환경에서만 선택적으로 일어나기 때문에 생명체에서는 적용하기 어려웠던 반면, 이번 노벨화학상 수상자들의 연구는 생체 분자가 많은 세포 환경에서도 촉매 없이 반응이 일어나도록 하는 방법을 찾아낸 것이라는 평가가 지배적이다.

무엇보다 클릭화학은 전 세계적으로 세포를 탐색하고 생물학적 기저를 찾아내는 데 활용되고 있다. 생물직교반응 역시 임상시험 중인 암 신약 등에 활용할 수 있어 더욱 주목받고 있다.

일반 세포에는 반응하지 않고 암세포만을 찾아내 완벽하게 암을 제거할 수 있는 항암제 개발이 눈앞으로 다가온 것이다. 항암제는 독성이 굉장히 강한 만큼 제약업계는 이같은 항암제 개발에 박차를 가하고 있다.

클릭화학은 전 세계적으로 세포를 탐색하고 생물학적 기저를 찾아내는 데 활용되고 있다. (노벨위원회)

전문가들은 항체 신약을 개발하기 위해서는 단백질인 항체와 유기물(화합물)을 연결시키는 과정이 필요한데 클릭화학으로 둘을 결합시켜 특정 암세포에 작용하는 신약을 개발할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

실제로 이 같은 방식으로 개발된 신약 중 미국식품의약국(FDA)이 승인한 약물이 이미 10개 남짓 있으며 신약 개발에 클릭화학을 직접 활용하는 사례는 점차 늘어나고 있는 것으로 알려졌다.

노벨위원회는 “클릭화학과 생체직교 반응은 화학을 기능주의 시대로 가져갔다”며 “이는 인류에게 막대한 이익을 선사하고 있다”고 이번 노벨화학상의 의의를 평가했다.