이화여자대학교 화학·나노과학과 남원우 교수 사이언스21 입니다.

이화여자대학교 화학·나노과학과 남원우 교수

산소 같은 과학자, 세상을 푸르게 하다
광합성 효소에서 칼슘 이온 역할 규명
이화여자대학교 화학·나노과학과 남원우 교수

동물은 다른 동물이나 식물을 먹어야 살 수 있지만, 식물은 햇빛을 먹고 이를 에너지로 물과 이산화탄소를 요리해 스스로 영양분을 만들어낸다. 즉, 식물이 태양에너지를 이용해 이산화탄소와 물에서 포도당을 합성하고 산소를 대기 중에 방출하는데, 바로 이 광합성 과정을 통해 만들어진 포도당은 식물의 줄기와 잎, 꽃, 열매가 된다. 하지만 이 광합성의 자세한 과정 중에는 아직 베일에 싸여 있는 부분들이 남아 있다. 특히 광합성 반응을 일으키는 광합성 효소 속 칼슘이 어떤 일을 하는지 정확히 알지 못했는데, 최근 이화여자대학교 남원우 교수 연구팀이 칼슘의 역할과 기능에 대해 규명, 세계 과학계의 이목을 집중시켰다. 무엇보다 이번 연구는 광합성 효소의 기능을 모방한 산소발생시스템 개발 등 친환경 기술 개발의 단초를 제공했다는 점에서 그 가치와 의미가 남다르다.

광합성 효소 이용한 산소발생시스템 개발 토대 마련
친환경적이며 재생 가능한 에너지 개발이 시급히 해결해야 할 당면과제로 부상함에 따라 산소 활성화 촉매 및 물 산화 촉매에 대한 연구가 주목받고 있다. 따라서 그동안 촉매를 통해 공기 중의 산소를 활성화시키는 방법과 그 메커니즘에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 하지만 물을 산화시켜 산소분자를 생성할 때 나타나는 산소-산소 결합 형성에 대한 메커니즘에 대한 이해는 아직까지 초보적인 단계에 머물러 있으며, 국내의 물 산화 촉매 개발에 대한 연구 역시 마찬가지 수준이다.
“물의 산화를 통해 산소를 방출하는 시스템을 이용한 촉매 및 광에너지 이용 촉매의 개발은 훌륭한 대체에너지가 될 것으로 판단됩니다. 따라서 세계적으로 그 메커니즘을 규명하려는 움직임이 활발한 상황이죠. 하지만 현재까지 밝혀진 성과는 미비한 실정으로, 보다 체계적인 연구가 필요합니다.”

산소 활성화 촉매 및 물 산화 촉매에 대한 연구에 대한 중요성이 증가함에 따라 관련 연구에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데 세계적 석학인 남원우 교수의 존재감은 더욱 빛을 발하고 있다. ‘푸른 화학’이라는 개념 아래 환경친화성 촉매 개발 연구를 수행하며 뚜렷한 족적을 남겨온 만큼 남원우 교수가 관련 분야의 세계적 흐름을 주도할 것으로 기대를 모으고 있기 때문이다. 최근의 연구성과들은 이러한 과학계의 기대를 온전히 충족시키고 있다. 특히 지난해 9월에는 광합성 효소가 산소를 생성할 때 관여하는 칼슘의 역할을 규명한 연구결과를 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’지에 발표하며 다시 한 번 남원우 교수의 이름을 세계 과학계에 각인시켰다.
먼저 연구팀은 다양한 리간드를 사용해 산소방출처의 망간 모델화합물 합성을 시도하고, 이들의 반응성을 알아보았다. 물 분자의 산화를 촉진시키는 모델화합물의 연구는 산소방출처의 구조 이해에 많은 도움을 주었지만, 현재까지 이들 중 물 분자로부터 산소분자를 만들 수 있는 모델화합물은 극히 드문 상황이다.

“물 분자를 산화시킬 수 있는 여러 가지 유형의 리간드 및 금속화합물을 합성한 후 산화과정 중 물로부터 산소분자 발생여부를 알아보는 반응성 연구가 매우 중요합니다. 특히 전이금속 화합물들의 반응성은 그 기하구조로부터 많은 영향을 받기 때문에 이제까지 사용된 리간드 뿐 아니라 새로운 형태의 리간드를 고안하고, 금속과 반응시켜 다양한 기하구조를 갖는 금속화합물을 확보하는 것이 중요한 의의를 가집니다.”
연구팀은 공기 중의 산소를 활성화시킬 때 레독스-비활성 금속을 철(III)-퍼옥소 종에 결합시킨 후 전자-전달 반응에 의해 산소-산소 결합이 해리되어 철(IV)-옥소 종이 생성되는 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 철(III)-퍼옥소 종을 생성시킨 후 결정화시켜 고체시료를 얻었으며 철(III)-퍼옥소 종에 레독스-비활성 금속을 첨가하는 방식이었다.
이에 대한 분광학적 및 구조적 특성은 UV-vis, EPR, ESI-MS, rRaman, EXAFS 등 분광기기를 이용해 확인했다. 생성된 레독스-비활성 금속이 결합된 철(III)-퍼옥소 종에 전자 주개 화합물인 페로세인(ferrocene) 유도체를 첨가했는데, 그 결과 일-전자 환원에 의해 산소-산소 결합이 해리되어 철(IV)-옥소 종이 생성됨을 분광학적으로 확인할 수 있었다.
또한 이 때 결합되는 레독스-비활성 금속의 루이스(Lewis) 산성도에 따라 반응속도가 다르며, 전자주개의 전자-전달 능력에 따라 반응성이 달라졌다. 이는 금속-효소들이 공기 중 산소를 활성화할 때 레독스-비활성 금속의 역할이 무엇인가를 규명한 것이다.

이와 더불어 레독스-비활성 금속이 결합된 철(III)-퍼옥소 종들이 산화되어 산소분자를 형성하는 것을 확인했는데, 연구팀은 광반응계 II에서 물을 산화시켜 산소분자를 방출하는 화학 반응의 일부분임을 감안, 레독스-비활성 금속 이온들의 루이스 산도(유기화합물의 반응을 돕는 산촉매로 흔히 사용되는 루이스 산의 세기)에 따라 사용되는 금속의 중요성을 알아보고자 했다. 즉, ‘광반응계 II에서 자연은 왜 칼슘(Ca2+) 이온을 활용하며, 과연 칼슘 이온의 역할은 무엇인가?’라는 물음에 대한 답변을 얻고자 했다.

실험 결과, 연구팀이 예측한 대로 루이스 산도가 강하면 환원되기는 쉬우나, 산화되기는 어려워 쉽게 환원되어 철(IV)-옥소 종을 생성했다. 하지만 세륨 4가(Ce4+)와 같은 산화제와는 반응을 하지 않았고, 그 결과 산소 분자를 방출하지 않았다. 이와 반대로 루이스 산도가 약한 칼슘(Ca2+) 및 스트론튬(Sr2+) 이온들을 사용했을 때는 세륨 4가(Ce4+)와 같은 산화제와 반응을 해 산소분자를 방출한다는 사실을 밝혀냈다. 즉, 광합성 효소의 활성화 자리를 모방한 인공 효소를 합성하고, 이 효소에 루이스 산도가 약한 칼슘 이온을 이용함으로써 산소 방출이 원활하게 일어난다는 사실을 규명한 것이다.
“이번 연구결과는 광합성 효소의 기능을 모방한 산소발생시스템 개발 등의 중요한 토대가 될 것으로 기대하고 있습니다. 물을 산화시켜서 산소나 과산화수소를 만들 수 있게 된다면 친환경 대체에너지나 촉매 개발에 기여할 수 있을 것입니다.”
한편, 이번 연구는 남원우 교수와 방수희 석사과정 연구원, 이용민 박사, 오사카대 후쿠주미 교수가 공동으로 진행했으며, 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘네이처 케미스트리’지 온라인판 2014년 9월 15일자에 게재되었다.

생체 내 산소화반응 중간체 수퍼옥소 구조 규명
남원우 교수 연구팀은 광합성 효소에서 칼슘 이온의 역할을 규명한 데 이어 최근 의학과 생물 연구, 신약 개발, 화학공정 개선에 필수적인 화학물질의 구조를 밝히는 데 성공했다. 바로 산소가 활성산소로 변하는 과정에서 나타나는 중간단계 화합물인 ‘철(Ⅲ)-수퍼옥소’의 결정구조를 규명한 것이다.
수퍼옥소는 산소분자에 전자가 달라붙어서 다른 물질과의 반응성이 크게 높아진 것으로 철(Ⅲ)-수퍼옥소는 수퍼옥소가 철분자와 결합한 것이다. 인체에서 세포를 공격하는 유해물질로 알려진 활성산소가 생길 때는 물론 식물이 광합성을 할 때, 그리고 공장에서 화학제품을 생산하는 과정 등 다양한 화학반응에서 철(Ⅲ)-수퍼옥소가 발생한다.
하지만 수퍼옥소는 100만 분의 1초라는 찰나의 시간 동안 생겼다가 사라지기 때문에 분자 구조가 어떠한지, 무슨 역할을 하는지 확인하기 어려웠다. 연구팀은 수퍼옥소가 생겼다가 사라지는 환경이 상온이라는 점에 주목해 온도 조건을 바꿔가며 실험을 진행했는데, 그 결과 영하 40도의 극저온에서는 수퍼옥소가 생겼다가 사라지는 간격이 길어진다는 사실을 알아냈다.
실험실에서 철(Ⅲ)-수퍼옥소를 만들어낸 연구팀은 X선을 쪼여 원자들의 위치를 파악하는 방법으로 철(Ⅲ)-수퍼옥소의 구조를 최초로 분석했다. 철(Ⅲ)-수퍼옥소의 구조가 전자를 주거나 받는 역할을 모두 수행할 수 있게 되어 있다는 점을 확인하고, 그 덕분에 산소분자를 전달할 수 있다는 사실을 알아냈다. 실제로 철(Ⅲ)-수퍼옥소가 망간화합물에 산소분자를 전달한다는 사실도 확인했다.

“수퍼옥소는 광합성 같은 기초적인 생명 현상에서부터 항암제와 플라스틱 제조 공정 등 다양한 분야와 밀접한 관련을 맺고 있습니다. 수퍼옥소의 구조와 작동 원리를 이해하면 이들 화학반응을 제어하는 데 도움을 줄 것으로 기대됩니다.”
이번 연구는 미국 스탠퍼드대 솔로몬 교수와 함께 진행했으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’지 온라인판 2014년 12월 16일자에 게재되었다.
앞서 남원우 교수는 생체모방 연구를 통해 산소화 효소의 역할과 화학반응 중간체 구조 및 작동 메커니즘을 규명하는 데 성공하고 관련 논문 2편을 2003년과 2005년 세계적 과학학술지인 ‘사이언스(Science)’지에 발표하면서 학계의 주목을 받았다. 이밖에도 2009년에는 산소화 효소 화학반응에서 순간적으로 존재하는 중간체 구조를 규명한 데 이어 2010년 친환경 촉매 생산에 필요한 원천기술인 산소화 효소의 중간체 생성에 성공해 ‘네이처 케미스트리’지에 게재되는 등 관련 연구에서 독보적인 행보를 보여 왔다. 특히 2011년에는 효소에 의한 산소 활성화 반응에서 생성된 중간체의 구조를 확인하고, 산소 활성화 반응 메커니즘을 규명하는 데 성공, 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처(Nature)’지에 연구결과를 발표하며 세계 선두 연구자로서 자리매김한 바 있다.

우연을 넘어 운명이 된 연구자의 길
저명한 화학자로서 명성을 떨쳐 온 남원우 교수는 국내 과학계의 자부심이자 신진연구자들이 꿈꾸는 미래라고 할 수 있다. 하지만 처음부터 계획한 그대로의 길을 걸어온 것은 아니었다. 지금의 남원우 교수가 있기까지, 그의 연구 인생은 많은 우연으로 점철되어 있다.
“어렸을 때부터 우주소년 아톰, 마징가제트 등 과학만화를 즐겨 보면서 흥미를 가졌던 데다 당시 정부도 과학자를 가장 우대했던 만큼 크면 과학자가 되어야겠다고 생각했었어요. 그러다 서강대 이공계열에 입학해 진학할 학과를 정해야 했었는데, 그때 화학과 조교 누나가 예뻐서 화학과를 선택하게 되었죠(웃음). 그런데 당시 국내는 정치적 상황 때문에 온전히 공부만을 할 수 있는 분위기가 아니었어요. 그 때 마침 미국에서 공부할 수 있는 길이 열려서 유학을 떠나게 되었는데 컴퓨터나 의학을 공부해 보라는 권유가 있었지만 한 번 정했던 진로가 화학이었기에 계속하기로 했던 거죠. 즉, 제가 화학자로서의 길을 가는 것이 저의 운명이라 생각했습니다.”
처음 몇 년간 말도 통하지 않고 친구도 없던 시절 남원우 교수는 공부에 전념했다. 우등생 자리를 놓치지 않으면서 학문과 연구에 빠져 들었는데, 그러자 대학원생처럼 실험실에서 연구할 수 있는 기회도 생겼다. 이 시기 남원우 교수는 직접 실험을 하면서 화학이 가지는 매력에 깊이 매료되어 갔다고 회상했다. 이후 박사과정에 지원하면서 무기화학연구실을 선택했다. 당시 지도교수의 유명세를 따라간 것이었지만 이윽고 마음을 돌려야 했다. 인종차별이 심한 분이라는 걸 알게 되었기 때문이다. 한 백인 박사후연구원의 연구에 남원우 교수가 결정적인 근거를 제공했지만, 자신이 기여한 부분을 조금도 인정받지 못한 사건이 결정적이었다. 지도교수가 전적으로 백인 연구원의 편에 섰던 것이다.

“워낙 유명한 분이었기 때문에 다른 연구실을 가기가 쉽지만은 않았어요. 화학과 전체에서 그 교수님의 영향력이 미치지 않는 분은 저의 지도교수가 된 조앤 발렌타인 교수님 단 한 분뿐이었죠. 그래서 발렌타인 교수님 연구실에 들어가게 되었는데, 교수님의 전공이 바로 생체모방이었습니다. 지금 되돌아보면 수많은 과학 분야 중에 화학을 선택하게 된 것도, 생체모방연구를 하게 된 것도 운명이었던 것 같아요.”
한국으로 돌아온 후 1994년 이화여자대학교 화학과 교수로 옮겨오면서 연구의 꽃은 활짝 피어올랐다. 매일 밤낮없이 연구에 매진한 결과 2003년 노화를 일으키는 활성산소를 제거하는 산소화 효소의 역할을 세계 최초로 밝혀내는 성과를 거두며 남원우 교수의 이름을 세계에 알리기 시작했다. 과학계에서 남원우 교수가 이룬 업적과 입지는 그의 화려한 수상경력으로 대변할 수 있다.

2000년 젊은과학자상(대통령상/한국과학기술한림원)을 시작으로 2003년 무기화학분과 우수연구상(대한화학회), 2004년 우수논문상(과학기술총연합회), 2005년 이화학술상(이화여자대학교)과 이달의 과학기술자상(과학기술부)을 수상했다. 특히 2005년에는 이화여자대학교 120년 역사상 처음으로, 교내 ‘제1호 석좌교수’로 선정되며 이공계의 중추적인 인물로 인정받았다.
이후 2006년에는 학술상(대한화학회)과 듀폰과학기술상(듀폰코리아)을, 2007년에는 경암학술상(경암교육문화재단), 2008년에는 닮고 싶은 스타과학자상(한국과학창의재단), 2012년에는 이태규학술상(대한화학회)을 받으며, 수상 행진을 이어 나갔다. 지난해에는 제7차 아시안 생무기화학회에서 세계적으로 탁원한 연구업적을 달성한 연구자 1인에게 주어지는 ‘Outstanding Achievement Award’를 수상하기도 했다.
아울러 남원우 교수는 세계 저명한 학술지에 250여 편에 달하는 논문을 발표했을 뿐 아니라 미국화학회의 ‘Accounts of Chemical Research’, 영국왕립화학회의 ‘Chemical Science’지 등 많은 국제학술지의 Editorial Board Memeber로 활동하면서 우리나라 화학의 발전 및 국제적 위상을 높이는 데 크게 기여해 왔다.

‘스타 과학자’ 양성으로 국제경쟁력 확보해야
지난 10년 동안 국내 기초과학 분야는 비약적으로 발전해 왔다. 그러나 향후 세계로 뻗어 나가기 위해서는 과학계를 리드할 수 있는 리더들의 존재가 부족하다는 현실을 직시해야 한다. 남원우 교수는 국내 과학계의 발전을 위해서는 정부의 전폭적인 지원과 연구자들의 페어한 연구정신, 그리고 무엇보다 ‘스타 과학자’ 양성이 필요하다고 제언했다.
“저는 스포츠와 연예계같이 과학계에서도 스타 과학자가 탄생해야 과학계가 발전할 수 있다고 생각합니다. 여기서 이야기하는 스타는 언론 플레이만 하는 과학자가 아니라 실력에서 인정받는 세계적인 리더연구자를 의미하죠. 과거 황우석 박사가 국민과학자로 부상했을 당시 국민들에게 과학의 발전이 대한민국을 선진국으로 이끌어갈 수 있다는 희망을 안겨주고, 이를 계기로 과학이 대중문화로 자리 잡았던 사실을 기억할 것입니다. 비록 아쉬움을 남겨준 사건이지만 과학계에 스타가 존재할 경우 과학계를 위해 무엇을 할 수 있는가를 보여주는 좋은 예라고 할 수 있습니다.”
남원우 교수는 스타 과학자가 자부심을 갖고 연구에 몰두하도록 다양한 종류의 인센티브를 포함한 지원이 아낌없이 이뤄져야 한다고 덧붙였다. 스타 과학자는 젊은 과학자의 역할모델이 되어 연구에 정진하는 촉매작용을 할 뿐 아니라 과학자 사이에 경쟁을 유발해 국제적으로 인정받는 스타 과학자를 여러 분야에서 수백 명 배출할 것이라는 설명이다.

“연구지원 부처에서는 세계 수준의 과학자를 지원하고 육성하는 리더연구자 지원사업을 강화해 과학자의 자긍심과 위상을 높여야 합니다. 리더연구자에게 지속적이고 장기적으로 연구비를 지원해 연구환경을 조성하고 연구역량을 강화할 필요가 있기 때문이죠. 이 사업으로 우리의 새로운 성장동력인 스타 과학자가 탄생하고 스타 과학자에 의해 세계적인 연구결과가 창출된다면, 우리가 염원하는 노벨상 수상자가 국내 과학계에서 나오는 모습을 곧 볼 수 있게 되지 않을까요.”
남원우 교수는 앞으로 물에서 산소를 생성하는 연구에 매진할 계획이다. 산소를 사용해 지구를 푸르게 만드는 것이 그의 최종적인 꿈이다. 이와 함께 이화여자대학교를 국내를 넘어 세계를 주도하는 최고의 연구대학교로 키우고, 우수한 연구자들을 양성해 대한민국을 과학강국으로 만드는 데 기여하겠다는 청사진을 제시했다.
남원우 교수의 연구는 언제나 거침이 없다. 목표를 세우면 한 치의 주저함도 없이, 어떠한 환경에도 흔들리지 않고 연구에만 몰두한다. 그리고 이러한 뚝심이 지금의 세계적 석학 ‘과학자 남원우’를 만들었다. 성공한 연구자를 넘어 존경받는 과학자의 위치에 선 남원우 교수의 열정은 그의 뒤를 따르는 수많은 후학들에게 큰 귀감이 되고 있다. 푸른 세상을 만들겠다는 일념으로 새로운 도전을 시작하는 그에게 힘찬 응원의 박수를 보낸다.

<안유정 기자 reporter1@s21.co.kr>

<이 기사는 사이언스21 매거진 2015년 1월호에 게재 되었습니다.>