암, 치매 등 인류의 건강수명을 위협하는 질병들과 코로나19 사태 등 새롭게 발생하는 치명적인 감염병들의 병인을 규명하고 치료법을 제시하기 위해 인공지능, 항암, 항바이러스, 감염, 미세먼지, 면역치료 등을 키워드로 생명과학과 의과학·의공학의 유기적인 공동연구를 수행하고 있는 지스트 연구센터의 이름은 무엇일까요?
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고분자 합성이 생명과학의 영역과 연결되는 일은 얼핏 의외로 보이지만, 단백질이 거대 분자이며 나선형 구조를 바탕으로 기능을 발휘한다는 점에서 이 두 영역은 밀접히 맞닿아 있다. 단백질의 접힘과 응집은 생명 현상의 핵심 과정이며, 1984년 펩타이드 합성으로 노벨상을 받아 관련 분야의 발달이 이뤄졌다. 단백질을 모사하는 나선형 고분자는 단순한 소재 연구를 넘어 생명 현상 이해와 치료 전략에 중요한 단서를 제공할 수 있다.
광주과학기술원에서 연구를 시작하며 우리가 주목한 물질은 폴리이소시아네이트이었다. 1960년대부터 연구된 폴리이소시아네이트는 분자량 제어가 난제였으나, 음이온 중합을 통해 리빙 중합을 구현함으로써 분자량의 제어가 가능하였다. 이 성과로 지난 수십 년간 다수의 논문을 게재하였고, 나선형 고분자의 구조적[그림] 1 또는 기능적 연구에 중요한 토대를 마련했다 2 3
1. 슈퍼박테리아용 항균제 연구
기존 항생제는 주로 자연물 유래 또는 유도체여서, 박테리아가 쉽게 구조를 파악하여 무력화하고 내성을 키우는 한계를 지녔다. 그러나 폴리이소시아네이트와 같은 인공 나선형 고분자는 박테리아가 쉽게 인식하지 못하는 새로운 분자 구조를 제시할 수 있으며, 슈퍼박테리아 대응 항균제로의 가능성이 논의되고 있다. 4
2. 나선형 고분자의 알파-베타 전이 연구
폴리이소시아네이트는 알파-헬릭스와 베타-시트 간의 가역적 전이를 모사할 수 있어, 단백질 응집과 병리적 전이 과정을 실험적으로 추적하는 모델이 될 수 있다. 5 최근 알츠하이머 환자의 뇌에서 리튬 결핍이 중요한 병리 요인임을 밝혔다. 6 이는 금속 이온 환경이 단백질 접힘에 결정적 영향을 준다는 점을 시사하며, 합성 고분자가 이 과정을 모사할 수 있다면 의학적 추적이 가능할 수 있다.
3. 생분해성 고분자 및 환경 응용 연구
자연계에 존재하는 기능성 단백질을 폴리이소시아네이트와 같은 고분자로 모사함으로써, 탈플라스틱을 지향하는 환경에 기여 가능한 다양한 생분해성 소재의 합성이 가능하다. 이는 오일 수송 시 필요한 동결 방지용 하이드레이트를 비롯하여, 삼투막, 페인트 등 여러 응용 분야를 포함한다. 7
2024년 노벨 화학상과 물리학상은 단백질 구조 예측과 인공신경망의 기초 연구에 수여되었다. 이는 AI가 단순 도구를 넘어 과학적 발견 자체를 견인하고 있음을 보여준다. 극한 실험의 한 분야인 고분자 합성 연구에서도 AI는 분자 구조 및 기능 예측, 합성 경로 최적화, 실험 자동화에 기여할 수 있다. 8 고성능 AI와 AGI, ASI 등, 자율 실험 플랫폼이 보편화된다면, 합성 경로 탐색과 조건 최적화의 자동화가 진전되어 시행착오를 줄이고 창의적 설계에 더 집중할 수 있다.
나선형 고분자 합성이 생명 현상 모사와 AI의 계산적 예측이 융합되고, 진공, 고온, 고압 등 극한 실험 조건을 극복할 수 있는 피지컬 AI, 자율 실험 로봇을 활용한다면, 고분자 합성 분야에서 새로운 지평이 열릴 것이다. 더 나아가 고분자 합성과 생명, 그리고 인공지능이 맞물리는 지점에서 우리는 항균제, 치매 치료제, 생분해성 소재까지 인류의 난제를 풀어갈 새로운 해법을 찾을 수 있다. 
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