김동하 교수, 빛을 이용한 혁신적 암 치료법 개발

화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 효소처럼 작용하는 키랄 플라스모닉 나노입자(Chiral Plasmonic Nanoparticles, CPNs)를 이용해 광학적으로 제어 가능한 촉매적 암 치료법을 개발했다. 특정한 파장의 빛을 이용해 나노입자의 촉매 활성을 정밀하게 조절함으로써 암세포를 효과적으로 제거할 수 있는 혁신적인 방법을 제안한 본 연구 결과는 세계적 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications> 온라인 판에 3월 15일 게재됐다. 김동하 교수 | 루크 리 초빙석좌교수 우리 몸에서는 대사 과정, 신호 전달, 유전자 조절과 같은 복잡한 생화학적 반응이 연속적으로 일어난다. 이러한 반응들은 효소에 의해 조절되며, 특정한 환경에서 순차적으로 일어나야 최적의 효과를 발휘한다. 연구팀은 연쇄 반응(Cascade Reactions)을 모방하여, 나노입자를 활용한 암 치료법을 개발했다. 이번 연구에서는 포도당 산화효소 및 과산화효소 활성을 갖는 생체 모방 키랄 플라스모닉 나노 입자를 제작하고, 원형 편광 빛을 이용하여 각 반응을 독립적으로 조절하는 방식을 제시했다. 세포 수준 연구 및 동물 모델 실험에서, 순차적으로 원형 편광을 조사한 경우 가장 높은 라디칼 생성률과 암 치료 효과를 나타내어, 본 기술의 우수성을 입증했다. 이번 연구는 키랄성을 도입한 나노 입자가 생체 내에서 자연의 선택적 반응성을 모방하고, 빛을 통해 조절 가능한 기능을 추가함으로써, 기존 촉매 기반 암 치료의 한계점을 극복할 수 있다는 점에서 큰 의미를 가진다. 앞으로 이 기술은 표적 약물 전달, 재생 의학 등 다양한 의료 분야에도 적용될 가능성이 있으며, 나노기술을 활용한 의학의 패러다임을 변화시킬 것으로 기대된다. 키랄 플라스모닉 나노입자(CPNs)를 이용한 계단식 효소 반응을 통해 RC 및 LC 조명 하에서 촉매적 암 치료가 이루어지는 개략적 모식도 김동하 교수는 “향후 연구에서는 더 다양한 암 유형에 대한 적용 가능성, 임상 실험을 통한 효과 검증, 생체 적합성 개선 등이 이루어질 것으로 기대된다”며 “향후 나노입자를 활용한 새로운 광학적 항암 치료법이 실제 의료 현장에서 사용되기를 기대한다”고 밝혔다. 연구 결과를 담은 논문 「Optically tunable catalytic cancer therapy using enzyme-like chiral plasmonic nanoparticles」은 이화 프런티어 10-10 사업의 일환으로 초빙된 바이오공학 분야 석학 루크 리(Luke P. Lee) 초빙석좌교수와의 공동 연구로 수행되었고, 서울대 재료공학부 남기태·한정우 교수, 한국과학기술연구원 화학생명융합연구센터 김세훈 박사가 공동교신저자로 참여했다. 화학나노과학과는 이화 프런티어 10-10 선도 분야 ‘미래지속가능 분자설계 연구단’ 사업을 수행하며 지속 가능한 미래 사회를 실현하는 데 필수적인 연구 분야인 에너지, 환경, 바이오 헬스 분야에서 첨단 소재, 나노·분자과학 개발을 중점적으로 연구하고 있다. 향후 초빙 석학들과의 유기적인 공동연구를 통해 난치병의 진단 및 치료를 비롯해 차세대 융합 소재 개발, 친환경촉매 분야의 나노원천소재 및 소자 개척, 인공광합성 연구 등 국가 미래 경쟁력을 담보할 핵심 연구를 주도해 나갈 예정이다. 김동하 교수는 고분자화학과 나노소재과학 주전공을 바탕으로 학제간 융복합 연구 분야에 주력하여 에너지 저장·변환, 디스플레이, 친환경 촉매, 메모리 및 생의학적 진단·치료 영역에 이르는 광범위한 분야의 기초 및 응용 연구를 수행해 오고 있으며, 현재까지 222편의 SCI 논문 게재, 국내특허 56건과 해외특허 2건 등록 및 기술이전 5건 등의 성과를 거둔 바 있다. 2016년 차세대 디스플레이로 주목받는 페로브스카이트 발광다이오드 관련 연구 결과를 <Nature Nanotechnology>에 게재한 것을 비롯하여, 나노과학기술 진보의 핵심 소재인 귀금속 나노구조체의 표면 플라즈몬 공명 현상에 대한 메커니즘 규명 연구와 실용적 응용에 관해 세계적 수준의 논문을 지속적으로 발표하며 관련 분야 연구를 주도했다는 평을 받는다. 이러한 성과를 바탕으로 한국공업화학회 이녹스학술상(2023), 정부포상 대통령표창(2019), 과학기술정보통신부 장관표창(2017), 공업화학회 이앤에프 창의혁신상(2018), 고분자학회 KOPTRI 고분자학술상(2019)·중견학술상(2015) 등을 수상했고, 과학기술정보통신부 '국가연구개발 우수성과 100선'(2017/2018), 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry) 펠로우(2017) 및 이화펠로우(2015)에 선정된 바 있다. 아울러 국내 고분자과학 발전에 기여한 이러한 공로를 인정받아 오는 4월 개최되는 <한국고분자학회춘계총회>에서 시상하는 한화고분자학술상(2025) 수상자로 선정됐다. 이 외에도 영국왕립화학회 발간지 <Nanoscale>의 부편집장, 네이처 출판사 발간지 <Scientific Reports>의 편집 위원, 그리고 영국왕립화학회가 발간하는 <Journal of Materials Chemistry A)>, <Materials Horizons>, <Nanoscale Horizons>의 자문 위원 등으로 위촉되어 활동 중이다.