목 차 

1. 학술대회 소개
2. 학술대회 주요 발표내용
  2.1. Plenary Sessions: Chemistry for Life Science and Healthcare
    2.1.1. Supercharging Immunotherapy Through Nanotechnology: Chemical Structure Matters (Presented by Natalie Artzi)
    2.1.2. From Molecular Fingerprints to Clinical Diagnostics: Raman Spectroscopy Bridging Fundamental Physical Chemistry, Life Sciences, and Clinical Medicine (Presented by Juergen Popp)
  2.2. Sessions
    2.2.1. A Tale of 3 Biosynthetic Enzymes (which make very different natural polymers) (Presented by Martin Schmeing)
    2.2.2. Higher-Order Assemblies in Immunity (Presented by Tianmin Fu)
    2.2.3. Targeting Sphingolipid Signalling in Metabolic Disease (Presented by Hannah Middleton)
    2.2.4. Entanglements, Manipulation, and Unique Chemistry at the Bacterial Surface (Presented by Lynette Cegelski)
    2.2.5. Solid State NMR Studies of Two Kinds of Lipid Anchored Molecules (Presented by Kaoru Nomura)
    2.2.6. Highly Sensitive Exosome Detection Platform for Enhanced Cancer Dianosis (Presented by Young Mee Jung)
    2.2.7. Multi-Target Modulation Strategies for Alzheimer’s Disease Based on Chemical Design (Presented by Mi Hee Lim)
3. 총평

1. 학술대회 소개

2025년 12월 15일부터 20일까지 하와이 호놀룰루에서 개최된 Pacifichem 2025는 환태평양 지역을 넘어 전 세계 화학자들이 집결한 대규모 국제 학술대회로, 다각적인 장소 활용과 체계적인 일정 구성을 통해 진행되었다. 이번 학술대회는 전 세계 참가자들을 수용하기 위해 호놀룰루의 주요 컨벤션 센터와 힐튼 하와이안 빌리지, 쉐라톤 와이키키 등 대형 호텔들을 거점으로 삼아 분야별 세션을 동시에 운영되었다. 광범위한 지역에서 세션이 분산 개최됨에 따라 참가자들이 장소를 원활하게 이동할 수 있도록 주요 거점 간에 상시 셔틀버스를 운행하여 접근성과 편의성을 높였다.

6일간의 일정은 학술적 깊이를 더하는 발표와 글로벌 네트워크 형성을 위한 이벤트들로 구성되었다. 첫째 날 오전부터 각 분과별 심포지엄이 본격적으로 시작되었으며, 대회 2일 차부터는 각 거점 장소에서 오전과 오후 세션으로 나누어 최신 연구 성과를 공유하는 구두 발표와 초청 강연이 진행되었다. 특히 매일 저녁 6시 30분에는 컨벤션 센터 4층에서 각 분야의 세계적인 사람들이 참여하는 전체 강연(Plenary Lecture)이 진행되어 학계의 최신 통찰을 제공하였다. 또한, 하와이 컨벤션 센터 전시실에서는 매일 지정된 시간마다 포스터 세션이 열려 연구자들이 자신의 연구를 직접 설명하고 심도 있는 일대일 토론을 나누는 소통의 시간이 이어졌다.

기초 화학부터 응용 분야까지 아우르는 수많은 세션이 여러 장소에서 동시에 진행되어 폭넓은 학술적 선택지 제공되었으며, 단순히 발표를 듣는 것이 아닌 리셉션과 포스터 세션을 통해 실질적인 공동 연구 및 정보 교환이 이루어질 수 있도록 마련되었다.

그림 1. Pacifichem 2025 주요 개최 장소 및 학술 교류 현장

2. 학술대회 주요 발표내용

2.1. Plenary Sessions: Chemistry for Life Science and Healthcare

2.1.1. Supercharging Immunotherapy Through Nanotechnology: Chemical Structure Matters (Presented by Natalie Artzi, Harvard Medical School)

Harvard Medical School의 Natalie Artzi 교수는 나노기술을 활용한 약물 전달 시스템이 단순한 운반체를 넘어, 분자 수준의 정밀 설계가 치료의 성패를 결정짓는 핵심 요소임을 강조하였다. 기존의 전신 약물 전달 방식은 혈액 내에서 약물이 희석되거나 표적 부위 도달 전 분해되는 등의 문제로 인해 효율이 매우 낮아 이를 극복하기 위해 나노(nano)부터 마이크로(micro) 및 매크로(macro) 스케일에 이르는 다양한 재료를 결합하여, 약물을 필요한 위치와 시간에 정밀하게 방출하는 전략을 제시하였다. 특히 전신 투여가 비효율적인 경우에는 질환 부위에 직접 부착하는 국소 전달 시스템을 활용하였으며, 이때 전달체는 단순히 약물을 가두는 것이 아니라 주변 조직 및 세포의 생물학적 반응성을 고려하여 유기적으로 설계되었다.

본 발표에서는 약물의 구성 성분만큼이나 중요한 것이 '구조적 아키텍처'라고 설명하며 '구조적 나노 의약'이라는 관점을 제시하였다. 이는 분자 수준에서 약물의 결합 방식, 입자 내 위치, 화학적 상호작용을 정밀하게 제어하는 기술로, 대표적인 사례로는 면역 활성화를 유도하는 STING agonist 계열 약물이 소개되었다 [1]. 기존에는 전하 차이를 이용한 정전기적 결합 방식을 주로 사용했으나, 이는 약물이 작거나 불안정할 경우 체내에서 쉽게 해체되는 한계가 있어 이를 해결하기 위해 연구팀은 질환 부위의 효소나 pH 농도와 같은 특이적 자극에만 반응해 절단되는 linker를 설계하여 약물을 나노 코어에 화학적으로 결합(Conjugation)하였다. 이 방식은 기존의 전기적 결합보다 훨씬 높은 약물 적재량을 가능하게 하며, 세포 내 유입 전까지는 견고한 구조적 안정성을 유지하다가 유입 후 linker가 절단되면서 약물을 활성 형태로 방출되게 된다. 실제 동물 모델 실험 결과, 동일한 약물과 용량을 사용했음에도 불구하고 이러한 구조적 설계가 적용된 나노 의약은 자유 약물이나 일반 복합체에 비해 생존율과 항암 효과가 비약적으로 향상되었으며, 일부 모델에서는 종양의 완전 제거까지 관찰되었다.

연구의 또 다른 성과는 나노 입자가 암세포에 먼저 흡수된 뒤 면역세포로 이동하는 Particle transfer effect를 규명하였다 [2]. 종양 미세환경에서는 암세포의 개체 수가 압도적으로 많기 때문에 나노 입자가 우선적으로 암세포에 유입될 가능성이 크다. 하지만 암세포 내로 들어간 입자가 이후 다시 방출되어 주변 면역세포로 전달됨으로써 2차적인 면역 반응을 강력하게 유도한다는 사실이 확인되었으며, 이는 체내 분포를 단순히 초기 흡수 세포 기준으로만 판단하던 기존의 패러다임을 확장하여, 경유 세포를 활용한 다단계 전달이라는 새로운 설계 방향을 제시하였다.

그림 2. 학술대회 Plenary Session (2.1.1.) 발표 전

2.1.2. From Molecular Fingerprints to Clinical Diagnostics: Raman Spectroscopy Bridging Fundamental Physical Chemistry, Life Sciences, and Clinical Medicine (Presented by Juergen Popp, Leibniz Institute of Photonic Technology)

라만 분광학은 레이저 조사 후 발생하는 비탄성 산란광을 분석하여 분자의 진동 정보를 획득하는 기술로, 시료의 화학적 조성을 비침습적으로 파악할 수 있는 장점을 가진 물리화학적 도구이다. 과거에는 주로 실험실 기반의 분석법에 머물러 있었으나, 최근 레이저 광원, 광학 필터, 고감도 CCD 검출기 등 하드웨어 기술의 발전으로 측정 속도와 민감도가 크게 향상되었다. 이에 따라 라만 분광은 단순한 분석 화학적 수단을 넘어, 실제 임상 현장에서 질병을 진단하고 수술을 보조하는 기술로 확장해 나가고 있다.

본 발표의 핵심은 세포 내 단백질, 지질, 핵산 등 다양한 구성 성분을 종합적으로 반영하는 라만 스펙트럼을 세포의 “Molecular phenotype"으로 해석할 수 있다는 점을 강조하였다. 질환 상태나 환경 조건에 따라 미세하게 변화하는 이러한 Molecular phenotype을 분석해 질환 특이적 정보를 추출하는 것을 목표로 제시하였다. Juergen Popp은 실험 설계부터 데이터 전처리, 모델 학습 및 평가에 이르는 통합 분석 파이프라인을 구축하여 이는 단일 세포 수준에서 면역세포의 종류와 상태를 정밀하게 분류하고 건강 상태의 변화를 정량적으로 평가할 수 있게 함으로써, 질환 특이적 정보를 추출하는 데 머신러닝 기반 데이터 해석이 필수적임을 보여주었다. 감염 질환 분야에서는 응급실과 같은 긴박한 의료 환경을 고려한 고속 진단 전략이 소개되었다. 소량의 혈액에서 분리한 백혈구를 microfluidic 라만 측정 장치와 AI로 분석함으로써, 기존의 배양 기반 검사보다 훨씬 짧은 시간 내에 바이러스성, 세균성, 진균성 감염을 정확히 구분할 수 있으며, 항바이러스제, 항생제, 항진균제 선택을 신속히 지원할 수 있는 잠재력을 갖는 것으로 제시되었다 [3]. 또한, 중환자실 패혈증 환자와 감염 환자를 대상으로 한 장기 추적 연구 결과도 소개되었다. 급성기뿐 아니라 회복기 이후에도 라만 기반 분석을 통해 환자와 건강 대조군을 구분할 수 있었으며, 이는 심각한 감염이 면역 시스템에 장기적인 변화를 남길 수 있음을 시사하는 결과로 해석되었다. 다만 패혈증은 임상적 정의와 치료 개입이 복잡한 질환이기 때문에, 완벽한 분류보다는 현실적인 정확도와 해석 가능성이 중요하다는 점도 함께 제시되었다.

암 진단 및 수술 보조 응용에서는 비선형 라만 및 다중 광학 정보를 활용해 절제 조직 표면을 고속으로 영상화하고, 이를 딥러닝 기반 기법으로 병리학적으로 익숙한 형태의 영상으로 변환하는 접근이 제시되었다. 이를 통해 수술 중 종양 경계를 직관적으로 판단할 수 있으며, 조직 염색 없이도 실시간으로 병리 정보를 제공할 수 있다는 점이 강조되었다. 더 나아가 영상화와 레이저 절제를 결합해 진단과 치료를 동시에 수행하는 통합적 접근 가능성도 제시되었다.

종합적으로 본 발표는 라만 분광 기술이 고속 측정 하드웨어, AI 기반 데이터 해석, 임상 워크플로우와 결합될 경우 감염 질환의 신속 진단과 암 수술 보조 등 다양한 의료 현장에서 실질적인 가치를 제공할 수 있음을 보여주었다.

그림 3. 학술대회 Plenary Session (2.1.2.) 발표 전

2.2. Sessions

2.2.1. A Tale of 3 Biosynthetic Enzymes (which make very different natural polymers) (Presented by Martin Schmeing, McGill University)

본 세션에서는 효소가 수행하는 화학반응을 통해 생체 고분자가 합성되는 과정을 구조생물학적으로 규명한 연구가 소개되었다. 먼저 소개된 주제는 Cyanophysin으로, 이는 펩타이드 backbone에 반복적으로 아스파르트산이 연결되고, 각 잔기에는 아르기닌이 결합된 독특한 구조를 가지며, 반복 수가 수백 단위까지 확장될 수 있는 비교적 큰 고분자이다. 자연계에서는 주로 남세균에서 발견되며, 질소를 고밀도로 저장하는 물질로 기능한다. 발표에서는 cyanophysin이 질소 함량이 매우 높아 세포가 대사 상태 변화와 무관하게 질소를 축적하고 필요시 활용할 수 있다는 점에서 ‘질소의 glycogen’에 비유되어 설명되었다. Cyanophysin은 특정 유전자를 도입할 경우 E. coli나 식물 등 다양한 숙주에서 생산이 가능하며, 대사공학적 최적화를 통해 세포 건조중량의 상당 부분을 해당 고분자로 축적할 수 있다는 점이 제시되었다. 이를 기반으로 비료나 기능성 바이오소재, 예를 들어 self-healing 특성을 갖는 wound bandage와 같은 응용 가능성도 함께 논의되었다. 본 발표의 핵심은 cyanophysin이 단일 효소인 cyanophysin synthetase에 의해 합성되며, 이 효소가 여러 도메인을 활용해 고분자를 연속적으로 성장시키는 구체적인 기작을 구조적으로 규명했다는 점이었다. Martin Schmeing는 여러 종의 효소를 클로닝 및 정제한 뒤, 일부를 Cryo-EM으로 분석하여 반응 중간 상태의 복합체 구조를 반복적으로 확보하였다고 설명하였다. 이를 통해 고분자 말단이 ATP 인산화를 거쳐 새로운 아스파르트산이 결합되고, 이후 특정 도메인에서 아르기닌이 추가되는 과정이 순차적으로 진행됨을 제시하였다. 또한, 기능이 모호했던 효소의 N-말단 도메인이 전하를 띤 두 개의 나선 구조를 통해 성장 중인 고분자를 느슨하게 붙잡아, 활성부위로부터 다소 떨어진 위치에 있음에도 불구하고 고분자 말단이 두 활성부위 사이를 효율적으로 이동하도록 돕는 일종의 tethering 또는 sliding 역할을 수행하는 것으로 제시되었다. 추가로 해당 도메인에는 예상치 못했던 protease 활성이 존재하여, cyanophysin을 특정 길이의 올리고머로 절단해 ‘primer’를 만들어내는 기능이 제시되었다. 발표에서는 이 primer가 다시 합성 반응의 시작점으로 작동해 효소가 더 높은 효율로 고분자 합성을 이어갈 수 있으며, primer 생성 기능을 잃는 변이체는 외부 primer가 없을 경우 합성 활성이 거의 나타나지 않는다는 실험 결과가 함께 제시되었다.

Cyanophysin 외에도 폴리케타이드나 지방산 합성과 유사한 모듈형 효소 시스템에 대한 Cryo-EM 구조 분석도 간략히 소개되었다. 이 시스템은 여러 도메인이 각각 다른 반응을 담당하며 반복적으로 사슬을 연장하는 구조를 가지며, 운반 단백질(ACP)이 여러 활성부위를 오가는 다양한 상태를 구조적으로 포착하려는 연구 진행 상황이 공유되었다. 특히 두 개의 반응 챔버가 비교적 독립적으로 작동할 수 있음이 변이 실험과 Cryo-EM 분석을 통해 제시되면서, 향후 기작 규명 및 효소 공학적 제어 가능성에 대한 논의로 이어졌다.

종합적으로 본 발표는 생체 고분자 합성 과정에서 활성 부위의 화학반응뿐만 아니라, 고분자의 이동을 돕는 구조적 요소와 primer 생성 보조 기능이 전체 합성 효율에 결정적인 역할을 한다는 점이 인상적이었으며, 이러한 메커니즘 이해는 향후 바이오 소재 생산 최적화 및 효소 공학 설계에 중요한 기반이 될 것으로 판단된다.

2.2.2. Higher-Order Assemblies in Immunity (Presented by Tianmin Fu, University of Massachusetts Chan Medical School)

본 세션에서는 박테리아가 바이러스(파지) 감염을 인지하고 이에 대응하기 위해 사용하는 면역 시스템의 분자적 작동 원리를 구조생물학적으로 규명한 연구들이 소개되었다. 첫 번째로는 고등 생물의 면역 수용체와 구조적·기능적으로 유사한 박테리아 단백질 복합체였다. Tianmin Fu는 고등 생물의 선천 면역 수용체가 평상시에는 자가 억제된 단량체 상태로 존재하다가 감염 신호를 감지하면 올리고머화되어 면역 반응을 활성화하는 점을 언급하며, 유사한 원리가 박테리아 면역 시스템에도 적용될 수 있다는 가설을 제시하였다. 실제로 박테리아 유전체 분석을 통해 이러한 수용체 유사 단백질들이 다수 존재함이 확인되었고, 이들 역시 감염 신호에 따라 구조적 재배열을 통해 활성화되는 것으로 나타났다. 해당 단백질은 비활성 상태에서는 단량체로 존재하지만, 감염 신호가 주어지면 이합체와 중간 올리고머를 거쳐 필라멘트 형태의 고차 구조로 전이된다. 구조 분석 결과, 이 필라멘트 형성은 기존의 ATP 결합 도메인이 아니라 감염 인지에 관여하는 센서 도메인을 중심으로 이루어지며, ATP 결합과 가수분해가 구조의 안정화와 유지에 필수적인 역할을 한다는 점이 확인되었다. 실제로 ATP 가수분해가 불가능하거나 필라멘트 형성 계면을 변이 시킨 경우 구조 형성과 함께 항파지 방어 능력이 모두 저하되었으며, 이를 통해 박테리아 면역에서는 단백질의 고차 구조 조립 자체가 감염 신호를 증폭시키는 핵심적인 활성화 메커니즘임이 제시되었다.

두 번째로는 전혀 다른 방식의 방어 전략을 갖는 박테리아 면역 시스템이 소개되었다. 이 시스템은 여러 단백질과 RNA, DNA 성분이 사전에 하나의 대형 복합체로 조립된 상태로 존재하며, 감염이 발생하면 오히려 이 복합체가 분해되면서 방어 반응이 활성화되는 특징을 보였다. 그중 특정 RNA–DNA 혼성 구조가 일종의 ‘분자 접착제’ 역할을 하여 복합체의 비대칭적 구조를 유지한다고 설명하였다. 감염이 일어나면 파지가 생성한 핵산 분해 효소에 의해 이 분자 접착제가 분해되고, 그 결과 복합체가 해체되면서 핵산 분해 활성을 갖는 단백질 소단위가 방출된다. 방출된 단백질은 파지 유전체를 선택적으로 분해하여 파지 증식을 억제하는 역할을 수행한다. 실제로 복합체 해체가 일어나지 않도록 설계한 변이체에서는 박테리아의 항파지 방어 능력이 현저히 감소하는 결과가 제시되었다. 종합적으로 본 발표는 박테리아 면역 시스템이 단순한 효소 반응의 집합이 아니라, 단백질 조립과 해체라는 구조적 전환을 통해 감염 신호를 인지하고 증폭시키는 정교한 방어 전략을 사용하고 있음을 보여주었다.

그림 4. 학술대회 Session (2.2.2.) 발표 전

2.2.3. Targeting Sphingolipid Signalling in Metabolic Disease (Presented by Hannah Middleton, Monash Institute of Pharmaceutical Sciences)

본 세션에서는 생체막의 주요 구성 성분이자 신호 전달 물질인 스핑고지질(Sphingolipids)에 대한 논의로 시작되었다. 스핑고지질 대사산물 중 하나인 세라마이드(Ceramide)는 세포의 성장, 분화 및 사멸을 조절하는 중요한 역할을 하지만, 체내에 과도하게 축적될 경우 인슐린 저항성을 유발하고 염증 반응을 촉진하는 '지질 독성(lipotoxicity)'의 원인이 된다. 특히 간 조직 내 세라마이드 수치의 상승은 단순 지방간이 심각한 염증 및 섬유화 단계로 진행되는 데 결정적인 역할을 한다고 강조하였다. 대사 기능 장애 관련 지방간 질환(MASLD)은 간 내 지방이 쌓이는 상태를 넘어, 대사 기능 장애 관련 지방간염(MASH), 간경변, 나아가 간암에 이르는 치명적인 질환이다. 하지만 현재 MASLD와 MASH를 치료할 수 있는 승인된 약물이 매우 부족한 실정임을 지적하며, Hannah Middleton은 세라마이드 생합성을 담당하는 핵심 효소인 Des1 (Dihydroceramide desaturase 1)과 ASMase (Acid sphingomyelinase)를 동시에 억제하여 세라마이드 수치를 낮추는 전략을 제시하였다. 기존에 ASMase 저해제로 알려졌으나 연구 과정에서 Des1 저해 활성과 항지방간 효과가 새롭게 확인된 'Compound 1'을 기반으로 구조-활성 관계(SAR) 탐색을 시작하였다. 특히 Des1과 ASMase의 활성 부위에 존재하는 금속 이온에 착안하여, 이들과 결합할 수 있는 hydroxamic acid나 hydroxyamidine과 같은 금속 결합 머리 그룹을 포함한 화합물들을 설계하고 합성하였다. 실험 결과, 여러 유도체에서 우수한 Des1 저해 활성과 항지방간 효과가 확인되었으나, 예상외로 두 활성 사이의 직접적인 상관관계는 나타나지 않았습니다. 이는 개발된 화합물들이 기존에 설정한 효소 외에 우리가 아직 알지 못하는 제3의 표적에 작용하여 지질 감소 효과를 나타낼 가능성을 시사하였다. 추가적인 구조 분석 과정에서 효소와의 금속 결합이 필수적일 것이라는 초기 가설과 달리, 금속 결합 능력이 없는 아미드(Amide) 그룹을 가진 화합물들 역시 대등한 수준의 지질 저하 효과를 나타냈다. 이러한 발견은 금속 결합 머리 그룹을 제거함으로써 다른 단백질과의 비특이적 결합을 최소화할 수 있음을 의미하며, 약물의 선택성과 안전성을 동시에 높일 수 있는 중요한 설계 지침을 제공하였다.

2.2.4. Entanglements, Manipulation, and Unique Chemistry at the Bacterial Surface (Presented by Lynette Cegelski, Stanford University)

본 세션에서는 장내 공생균 및 병원성 세균이 형성하는 바이오필름의 분자적 구성과 기능적 의미를 중심으로, 구조생물학 및 고체상 NMR (solid-state NMR)을 포함한 다양한 분석 기법을 활용한 최신 연구들이 소개되었다. 특히 E. coli가 생성하는 기능적 아밀로이드인 curli fiber와 셀룰로오스 기반 매트릭스가 상호작용하여 안정적인 다세포 구조를 형성하는 메커니즘이 주요 주제로 다루어졌다 [4]. Lynette Cegelski는 세균 유래 셀룰로오스가 기존에 알려진 단순한 다당이 아니라 phosphoethanolamine으로 화학적 변형된 modified cellulose임을 규명하였으며, 이는 기존의 harsh digestion 기반 분석법으로는 확인하기 어려웠고, 정밀한 구조 분석 기법을 통해서만 규명될 수 있음을 강조하였다. 이와 함께 bcsG 유전자가 변형 셀룰로오스 합성에 핵심적으로 관여함이 밝혀졌으며, Cryo-EM과 구조생물학적 접근을 통해 셀룰로오스 합성 복합체의 작동 메커니즘이 제시되었다. 이러한 변형 셀룰로오스는 curli fiber와 협력적으로 작용하여 세균 간 결합력을 강화하고, 장 상피세포 부착 및 바이오필름의 구조적 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 수행함이 실험적으로 입증되었다. 또한 생물학적 구조와 기능을 규명하기 위한 방법론으로 고해상도 solid-state NMR 기술의 발전도 중점적으로 다루어졌다. 분해능과 감도를 향상시키기 위한 고자기장 NMR, 계산 기반 분석 기법 등이 소개되었으며, in vivo 및 in-cell solid-state NMR을 활용한 생체 환경 내 구조 분석 연구도 공유되었다. 특히 막단백질, 단백질 응집체, 초분자 복합체, 아밀로이드 및 섬유화 구조를 다차원 solid-state NMR과 cryo-EM, solution NMR, 회절 및 이미징 기법과 결합해 분석하는 융합 연구가 활발히 논의되었다. 마지막으로, curli–cellulose 상호작용을 저해하는 소분자 화합물(NDGA, curcumin 유도체 등)을 이용한 항병원성(antivirulence) 전략이 소개되었으며, 이는 세균을 직접 사멸시키지 않고도 바이오필름 형성을 제어할 수 있는 접근법으로서 장내 미생물 조절 및 치료 응용 가능성을 시사하였다. 본 세션은 고체상 NMR을 포함한 정밀 구조 분석 기술이 미생물 집단행동과 병원성 메커니즘을 이해하는 데 핵심적인 도구로 활용되고 있음을 보여주었다.

그림 5. 학술대회 Session (2.2.4.) 발표 전

2.2.5. Solid State NMR Studies of Two Kinds of Lipid Anchored Molecules (Presented by Kaoru Nomura, Suntory Foundation for Life Sciences) 

본 세션에서는 단백질 응집(aggregation)과 세포막 상호작용의 분자적 메커니즘을 주제로 한 연구 발표들이 이어졌다. 특히 GPI-anchor를 갖는 단백질과 다양한 막 결합 단백질이 세포막 환경에서 어떤 구조적 변화를 겪으며, 그 결과 이동성 감소와 응집체 형성으로 이어지는지에 대한 물리화학적 분석 결과가 소개되었다. Kaoru Nomura는 GPI-anchor 단백질이 진핵세포에서 ER–Golgi 경로를 거쳐 막 표면으로 수송되는 과정을 설명하고, 이를 실험적으로 모사하기 위해 세균 발현 시스템에서 GPI-mimic 단백질을 제작한 전략을 제시하였다 [5]. 이후 FRAP, CD spectroscopy, DLS 등의 분석 기법을 활용한 실험 결과를 통해, 단백질이 막에 결합할 경우 β-sheet 구조가 증가하고 분자 이동성이 현저히 감소하며, 이러한 변화가 응집체 형성과 직접적으로 연관됨을 입증하였다. 또한 단백질 응집이 단백질 자체의 성질에 의해서만 결정되는 것이 아니라, 막의 조성 및 보조적인 막 구성 성분에 의해 조절될 수 있음을 제시하였다. 특정 지질 성분이나 보조 인자는 단백질의 막 삽입을 촉진하거나, 반대로 과도한 응집을 억제함으로써 막의 유동성과 기능적 안정성을 유지하는 역할을 수행할 수 있다는 점이 강조되었다.

후반부에서는 NMR 및 분광학적 분석을 통해 단백질–막 상호작용 과정에서 막의 곡률 변화와 구조적 재편성이 동반됨을 보여주었으며, 이를 통해 단백질 응집과 막 물성 변화가 상호 영향을 주는 통합적인 메커니즘이 제안되었다. 본 세션은 단백질 응집 현상이 신경퇴행성 질환뿐 아니라, 막 기반 생물학적 기능 전반에 걸쳐 중요한 영향을 미칠 수 있음을 시사하며 마무리되었다.

2.2.6. Highly Sensitive Exosome Detection Platform for Enhanced Cancer Diagnosis (Presented by Young Mee Jung, Kangwon National University)

본 세션에서는 엑소좀(Exosome) 분석 및 암 진단을 위해 표면 증강 라만 산란(SERS)과 심자외선(Deep-UV) 라만 분광법을 결합한 연구 발표가 진행되었다. 엑소좀은 체액 내에 존재하는 소포체로, 세포 내부의 다양한 구성 성분을 포함하고 있어 기존의 조직 생검을 대체할 수 있는 암 진단 마커로 주목받고 있다. 라만 분광법은 시료에 대한 상세 화학 정보를 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 생체 시료 분석 시 가시광선 영역에서 발생하는 자가 형광 현상이 신호 검출을 방해한다는 기술적 한계를 지적했다. 따라서 나노 구조를 활용해 라만 신호를 증폭시키는 표면 증강 라만 산란(SERS) 기술을 기반으로 엑소좀(Exosome) 내 극소량의 바이오마커를 초고감도로 검출하는 혁신적인 진단 플랫폼을 소개하였다. Au 나노와이어 기판 위에 엑소좀을 포획하는 샌드위치 형태의 면역 분석법을 설계하였으며, BBT, DNTB, NT, MBA와 같이 서로 다른 고유의 라만 밴드를 가진 네 가지 SERS 태그를 개발하여 핵심 기술로 활용하였고, 각 태그는 특정 항체와 결합하여 엑소좀 표면에 존재하는 CD63, CD9, EpCAM, CD81 단백질을 선택적으로 식별해 냈다, 이러한 다중 SERS 면역 분석(Multiplexed SERS Immunoassay) 기술 덕분에 단 한 번의 측정만으로도 4종의 표면 단백질 마커를 동시에 검출하는 것이 가능해졌다. 이러한 SERS 기술의 초고감도 특성에 더해, 연구팀은 생체 시료 분석의 고질적인 문제인 자가형광 간섭을 극복하기 위해 244nm 레이저를 사용하는 심자외선 공명 라만 분광법(DUVRR)을 결합하였다. 가시광선 영역에서는 단백질 등 바이오 분자의 강력한 자가형광이 라만 신호를 가리는 한계가 있었으나, Deep-UV 영역을 활용함으로써 형광의 간섭 없이 깨끗한 라만 스펙트럼을 확보하고 특정 바이오 분자의 신호를 수만 배 이상 증폭시키는 성과를 발표하였다.

연구의 실용성을 높이기 위해 획득한 복잡한 라만 데이터에는 인공지능(AI) 기반 분석이 적용되었다. 암세포 유래 엑소좀과 정상 세포 유래 엑소좀의 미세한 스펙트럼 차이를 주성분 분석(PCA)과 딥러닝 알고리즘으로 학습시킨 결과, 암 환자와 건강 대조군 샘플을 약 85%의 정확도로 분류해 낼 수 있었으며, 이 시스템이 단순히 암의 유무를 판단하는 것을 넘어, 환자의 치료 반응을 실시간으로 모니터링할 수 있는 도구가 될 수 있음을 강조하였다.

2.2.7. Multi-Target Modulation Strategies for Alzheimer’s Disease Based on Chemical Design (Presented by Mi Hee Lim, Korea Advanced Institute of Science and Technology)

본 세션에서는 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)의 복합적인 병인 기전을 동시에 조절하기 위한 multi-target-directed therapeutic 전략에 관한 연구 발표가 진행되었다. Mi Hee Lim는 AD를 amyloid-β (Aβ) 응집, 금속 이온 불균형, 산화 스트레스, 효소 기능 이상, 신경염증 및 미토콘드리아 기능 장애가 상호 연결된 복합 질환으로 정의하며, 단일 타깃 접근법의 한계를 지적하였다. 특히 기존의 항-Aβ 항체, BACE1 또는 γ-secretase 억제제는 Aβ burden 감소에는 기여하였으나, 인지 기능 개선 효과가 제한적이거나 부작용 문제가 동반되었다는 점을 언급하며, AD 병리의 다중성을 동시에 고려하는 치료 전략의 필요성을 강조하였다 [6]. 이에 따라 Aβ 응집, 금속 이온 항상성, 산화 스트레스 및 효소 기능을 동시에 조절할 수 있는 화학적 설계 전략을 제안하였다. 이러한 다중 타깃 접근법의 구체적인 예로, 발표에서는 분자 내 치환기 위치(positional isomerism)를 조절한 소분자 기반 설계 전략이 소개되었다 [7]. Para-, ortho-, meta 위치에 전자공여기를 갖는 phenylene-based 소분자들을 설계하여, 치환기 위치에 따른 전자적 성질, redox potential 및 금속 결합 특성이 Aβ 및 금속 이온과의 반응성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 그 결과, para 및 ortho 치환체는 상대적으로 낮은 redox potential을 나타내어 reactive oxygen species (ROS) 제거 능력이 우수하였으며, 특히 Cu(II)-Aβ 복합체에 대해 선택적인 반응성을 보였다. 반면 meta 치환체는 산화 저항성이 높아 Aβ 응집 조절 능력이 제한적임을 보여, 이러한 결과는 치환기 위치에 따른 전자 밀도 분포 및 공명 효과 차이가 병리 인자에 대한 화학적 반응성을 결정하는 핵심 요소임을 시사하였다. 기전적으로, para 치환체는 Aβ 펩타이드에 대한 공유 결합 형성 또는 산화적 절단을 유도하여 Aβ 응집 양상을 변화시켰으며, ortho 치환체는 금속 이온 결합을 매개로 Cu(II)-Aβ 복합체의 구조적 변화를 선택적으로 유도하였다. 이는 Aβ 응집 억제와 동시에 금속 이온에 의해 유도되는 ROS 생성 및 독성 반응을 함께 조절할 수 있음을 보여주는 결과로 제시되었다.

또한 발표에서는 이러한 화학적 설계 전략이 Aβ 응집 조절에 국한되지 않고, 금속 이온 항상성 회복, 산화 스트레스 감소, AChE 및 MAOB와 같은 효소 기능 조절로까지 확장될 수 있음을 강조하였다. 더 나아가 AD transgenic mouse (APP/PS1) 모델을 이용한 in vivo 실험 결과, para 및 ortho 치환체 처리군에서 hippocampus 내 산화 스트레스 감소, amyloid plaque burden 저감 및 인지 기능 개선 효과가 관찰되었으며, 이는 다중 병인 인자를 동시에 조절하는 전략의 치료적 가능성을 보여주는 결과로 제시되었다. 종합적으로, 해당 발표는 치환기 위치 조절을 기반으로 한 소분자 설계가 AD의 주요 병리 인자들을 동시에 조절할 수 있는 유효한 전략임을 제시하였으며, 향후 치료제 개발뿐만 아니라 복합 병인 기전 규명을 위한 chemical probe로서의 활용 가능성도 함께 제안하였다.

3. 총평

Pacifichem 2025는 화학을 기반으로 한 다양한 분야의 연구가 폭넓게 다루어진 학회로, 본 저자는 특히 바이오소재를 화학적으로 어떻게 분석하고 해석할 것인가에 대한 최신 연구 동향을 집중적으로 파악할 수 있었다. Cryo-EM, NMR, 라만 분광 등 고해상도 분석 기법을 활용하여 바이오 소재의 구조를 규명하고, 기능성 아밀로이드(curli)–변형 셀룰로오스와 같은 생체 고분자 및 매트릭스의 화학적 변형과 상호작용을 정밀하게 분석한 연구들이 인상적이었다. 또한 막–단백질 상호작용과 단백질 응집이 막 물성 변화와 연결되는 메커니즘을 통합적으로 해석하는 접근 역시 주목할 만했다. 더 나아가 AI 기반 데이터 해석과 임상·응용 워크플로우의 결합, 그리고 구조적 나노 의약(structural nanomedicine)과 같이 물질의 ‘구성’뿐 아니라 ‘구조 설계’ 자체가 기능을 결정짓는다는 관점이 강조되면서, 바이오 소재 분석이 단순한 특성 평가를 넘어 설계와 제어로 확장되고 있음을 확인할 수 있었다. 종합적으로 본 학회는 향후 바이오소재 연구에서도 다중 분석 기법을 기반으로 한 구조–기능 상관관계 중심의 접근 전략이 있음을 파악할 수 있는 계기가 되었다.

4. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조