인류의 삶의 질 향상과 생명 연장이라는 목표를 위해 새로운 의약품 개발 연구가 계속해서 이루어지고 있다. 신약 개발 분야의 최전선에 있는 약학과 김인수 교수의 레이트스테이지 약물 최적화 연구실(BRL)을 취재했다. 김인수 교수 연구실은 탄소-수소 결합의 직접적인 변환 반응(탄소-수소 기능화 연구)을 통해 의약품의 골격 및 신규 유도체를 합성하는 연구 방법을 개발 중이다. 특히 촉매를 활용하여 합성 부산물을 최소로 배출하는 환경친화적인 합성 공정을 개발하고 있다.

♠ 연구실 소개

레이트스테이지 약물 최적화 연구실은 전이금속 촉매를 이용한 탄소-수소 변환 반응을 통해 신규 기능기 도입 연구, 의약품 핵심 단위 구조인 헤테로고리 화합물의 합성 및 변환 연구뿐만 아니라 실제 약물 분자에 직접적으로 신규 기능기를 도입하고 생물학적 활성까지 평가하는 연구를 하고 있습니다. 특히 레이트스테이지 약물 최적화 연구를 포함하는 약물 합성 개발전략은 신약 개발을 위한 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다. 본 연구실은 보다 더 혁신적인 합성법의 개발을 통해 약물 합성 분야의 글로벌 리딩 연구실로 발전하는 것을 최종목표로 하고 있습니다.

♠ 대표적인 연구 활동

1) 탄소-수소 변환 반응 연구

본 연구실에서 활발히 진행하고 있는 “전이 금속을 이용한 비활성 탄소-수소 직접적 변환반응”은 현재 전 세계적으로 주목받고 있는 연구 분야입니다. 비활성 탄소-수소 결합을 가지는 화합물은 천연으로부터 손쉽게 얻을 수 있는 유용한 화합물이지만 그들의 상대적 안정성 때문에 일반적인 화학 반응을 이용한 조작은 매우 어려운 기술적 난제입니다. 그러나 다양한 전이금속 촉매 하에서 기질 내 탄소-수소 결합은 탄소-탄소, 탄소-산소, 탄소-질소, 탄소-할로겐과 같은 새로운 결합으로의 변환이 가능합니다. 이러한 합성 전략은 다단계 합성 방법을 피할 수 있어서 다량의 부산물을 최소화할 친환경적이며 경제적인 합성법으로 평가받고 있습니다. 

이러한 전략으로부터 도출된 대표적 연구성과는 항우울제 및 항불안제의 핵심 골격인 2-벤즈아제핀의 신규 합성법 개발 및 단백질-단백질 상호작용 저해제의 핵심 골격인 다중 연속고리 화합물의 효과적인 합성법 개발 등이 있습니다. 이러한 합성법은 의약품의 핵심 구조로 알려져 있는 N-헤테로고리 화합물을 단일단계 반응을 통해 합성할 주요 플랫폼으로 활용이 가능하며, 신규 천연소재 및 의약품 유도체로 사용될 다수의 화합물을 신속히 양산할 수 있어 신약 개발에서 소요되는 시간을 단축할 수 있습니다.

▲ 그림 1 - 탄소-수소 변환 반응 모식도

2) N-헤테로고리 기능화 연구

헤테로고리 화합물은 탄소 원자와 비탄소 원자로 구성된 고리 모양 골격구조 화합물입니다. 그중 질소를 포함하는 방향족 헤테로고리 화합물은 의약품에서 가장 중요한 핵심 구조로 알려져 있습니다. 2015년부터 2020년까지 FDA에 승인된 약물은 164개로 알려져 있으며, 이중 N-헤테로고리를 포함하는 약물은 총 144개로서 전체 약물의 약 88%를 차지하고 있습니다. 헤테로고리 구조의 비활성 탄소-수소 활성화 반응을 금속 촉매가 아닌 새로운 유기화학 방법론을 이용하여 새로운 탄소-탄소 결합 반응을 개발하는 것 또한 본 연구실의 주요 연구 목표 중 하나입니다. 대표적인 연구 결과로는 인(phosphorus) 및 황(sulfur) 일리드(ylides)를 활용한 N-헤테로고리 및 뉴클레오시드 염기의 신규 변환 반응 등을 세계 최초로 보고했습니다. (그림 2) 특히 뉴클레오시드 염기의 신규 변환 반응으로 도출된 화합물은 COVID19를 포함한 다양한 바이러스 질환 치료를 위해 현재 연구가 진행되고 있습니다.

▲ 그림2. N-헤테로고리 기능화를 위한 대표 연구 예시

♠ 하나의 연구를 진행하는 과정

연구(research)를 풀어서 해석하면 다시(re) 찾는다(search) 입니다. 즉 연구의 시작은 기존 문헌을 공부하는 것으로부터 시작합니다. 하나의 연구를 시작하기 전 우리 연구실은 주기적으로 기존 문헌을 정리하여 발표하는 랩 세미나를 개최합니다. 이 과정에서 저와 대학원생들 상호 간에 다양한 아이디어를 도출하고, 도출된 아이디어를 실현하기 위해 다양한 연구기법을 적용하며 목표하는 합성 방법을 개발하고, 반응기전 이해를 위한 다양한 실험을 수행합니다.

♠ 연구실의 자랑거리

우리 연구실의 가장 큰 자랑거리는 화목한 실험실 분위기입니다. 신입생이 들어오면 소규모 연구팀을 박사후연구원-석박사과정생-신입생으로 구성하여 기초적인 실험기법을 터득하게 하고 자연스럽게 연구프로젝트에 참여할 연구자로 성장하게 도와줍니다. 이렇게 배양된 연구 능력은 결국 국내 대형 제약회사로의 취업 및 해외 대학으로의 학위과정 연계로 이어지게 합니다. 현재까지 50여 명의 석박사 졸업생을 배출하였으며 대웅제약, 유한양행, 일동제약, 삼성바이오로직스 등에 전원 취업하여 제약회사에서 필요로 하는 전문가로 활동하고 있습니다.

♠ 연구실에 들어가기 위해 필요한 것

우리 연구실에 들어오기 위해 필수적으로 갖추어야 할 자격이나 능력은 없습니다. 다만 제가 필요로 하는 학생은 성실성과 호기심을 가지고 있는 학생입니다. 연구는 성공보다는 실패의 연속이며, 실패하더라도 포기하지 않는 것이 중요합니다. 이러한 자세는 성실성에서 나온다고 생각합니다. 호기심은 연구자가 가져야 할 기본 품성이라 생각합니다. 궁금하다는 것은 새로움을 찾아가는 첫걸음이니까요.

♠ 연구원을 꿈꾸는 학생들에게

약학은 의약품의 개발부터 인체의 적용까지를 아우르는 학문입니다. 유기화학과 생명과학을 기본으로 다양한 학문이 융합하는 자연과학의 꽃이라 할 수 있습니다. 만약 여러분이 연구원을 인생의 목표로 설정하셨다면, 저희 약학대학으로 오시길 바랍니다. 학부 전공이 다르더라도 약학대학 대학원은 여러분에게 약학이라는 학문을 체계적으로 교육하여 신약 개발 전문가로 성장할 수 있도록 도와주고 있습니다. 우리 연구실도 여러분을 환영합니다.