박철환(화학공학과) 교수 연구팀, 광범위한 응용 가능성 지닌 혁신적 항산화 신물질 합성

- Food Chemistry 과학전문지 게재 (JCR JIF Percentile 상위 3.1%) -

- Naringin과 3HB의 효소적 에스터화 반응을 통한 신규 항산화 물질인 3HBN의 합성 전략 제시 -

- 향상된 체내 흡수율과 생물학적 활성을 통한 다각적 산업 분야에서의 혁신적 응용 가능성 기대 -

모교 박철환 교수(화학공학과) 연구팀은 Naringin과 3HB (3-hydroxybutyric acid)의 효소적 에스터화 반응을 통해 신규 항산화 물질인 3HBN (6′′-O-((±)-3-hydroxybutyryl)naringin)을 합성함과 동시에, 최적화된 반응 조건을 제시하여 효율적인 합성 전략을 확립했다. 3HBN은 향상된 체내 흡수율과 우수한 생물학적 활성을 보이며, 이를 통해 식품, 화장품 및 제약 산업 등 다양한 분야에서 혁신적인 항산화 물질로서의 잠재력을 입증했다.

(좌측부터) 김경아(제1저자), 이강현(공동제1저자), 유하영(공동교신저자), 박철환(지도교수/교신저자)

Flavonoid는 식물에서 유래한 이차 대사산물로, 항산화, 항염증, 항암 등 다양한 생리학적 효능을 지니고 있다. Flavonoid의 일종인 Naringin은 시트러스 과일에 풍부하게 함유되어 있으며, 뼈 재생, 대사증후군 개선, 유전적 손상에 효과적이다. 또한, 산화 스트레스를 조절을 통해 중추신경계 질환에 효과적이며, 당뇨병의 잠재적인 치료제로 입증되었다. Naringin은 빛, 습도, 산소에 대한 불안정성으로 인해 생체 내 적용에 한계가 있으며, 이를 개선하기 위해 에스터화 반응에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 연구는 지방산을 이용한 에스터화 반응에 집중되어 있으며, 지방산 외 다른 물질과의 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.

따라서 지방산 이외의 우수한 생물학적 효능을 가진 물질과의 에스터화 반응에 대한 연구가 필요한 상황이다. 3HB는 생체 내 포도당의 대체 에너지원으로 활용될 수 있는 단쇄 카르복실산으로, 항산화 및 항염 특성을 보유하고 있으며, 알츠하이머 및 파킨슨병을 비롯한 신경퇴행성 질환의 잠재적인 치료제로 주목받고 있다. 본 연구에서는 Naringin과 3HB의 효소적 에스터화 반응을 통해 신규 항산화 물질인 3HBN을 최초로 합성하였으며, 이를 최적화하기 위한 효소 종류 및 농도, 기질의 몰 비율, 반응 온도, 반응 용매 등의 조건을 체계적으로 설정하고 분석함으로써 3HBN의 효율적인 합성 전략을 제시하였다.

합성된 3HBN은 구조적 특성, 친유성, 항산화 및 항염증 활성까지 종합적으로 평가되었으며, 이를 통해 식품, 화장품, 제약 등 다양한 산업에서의 혁신적 응용 가능성을 위한 기초 자료를 마련했다. 연구 결과, 3HBN의 최적화된 합성 조건 (Novozym 435 100 g/L, Naringin과 3HB의 몰 비율 1:9, 반응 온도 40 ℃, 반응 용매 Acetonitrile) 하에서 8시간 이내에 80% 이상의 높은 전환율을 달성하였다.

구조적 특성 분석을 통해 Naringin의 C-6” 하이드록시기에서 효소적 에스터화 반응을 통해 3HBN이 성공적으로 합성되었음을 확인하였다. 3HBN의 항산화 활성은 Naringin에 비해 감소하였으나, 향상된 친유성으로 인해 생체 내 전달 속도와 흡수력이 개선된 것을 입증하였으며, 이로써 항상화 물질로서 광범위한 응용 가능성이 기대된다.

또한, IBD와 RA와 같은 염증성 질환에 대한 잠재적 보호 효과를 확인함으로써, 3HBN은 식품, 화장품 및 제약 산업에서 혁신적이고 유망한 항산화 물질로 자리매김할 가능성을 제시했다.

본 연구 결과와 직접적으로 연계된 2024년도에 등록된 연계 특허 3건에 해당하는 ‘(1) 항산화 활성 및 항염증 활성을 갖는 신규한 화합물 및 이에 따른 항산화 활성용 및 항염증용 조성물, (2) 화학적 합성방법을 통한 항산화 활성 및 항염증 활성을 갖는 신규한 나린진 화합물의 합성 방법 및 합성용 키트, (3) 효소적 합성방법을 통한 항산화 활성 및 항염증 활성을 갖는 신규한 나린진 화합물의 합성 방법 및 합성용 키트’는 현재 해당 기술에 관심있는 기업들과의 미팅을 통해 기술이전을 준비 중에 있다.

3HBN 합성 전략 및 다양한 산업적 응용 가능성

본 연구의 실험 디자인 및 전략을 제시하고 실험에 주도적으로 진행하며 제1저자로 참여한 김경아 연구원은 현재 바이오 의약품 회사인 에이프로젠에 재직 중이다. 김경아 연구원은 석사과정 재학 중에는 한국생물공학회 학술발표대회 및 국제심포지엄에서 우수논문발표상을 수상한 경험과 본교에서 주최한 ‘제14회 공과대학 학술제’에서 최우수상 (총장상) 및 학부 4학년 시절 ‘WISET 2020 여대학원생 공학연구팀제 지원사업 심화과정 최종 결과발표대회’에서 우수상 (WISET소장상 & 화학공학회장상)을 수상한 바 있다.

지도교수인 박철환 교수는 현재까지 SCI(E) 논문 276편, 국내학술논문 57편, 특허등록 53건 및 학술발표 410건 등의 활발한 연구활동(총인용 11,271회, h-index 50, i10-index 212)을 수행하고 있으며, 광운대학교 창업패키지사업단장, 한국생물공학회 기획사업이사, 한국화학공학회 기술정보지 부편집장, 아시아생물공학연합체 한국지회 이사, 바이오 분야의 SCIE 저널 Editor 등의 대외 활동도 활발히 수행 중이다.

본 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 한국연구재단(NRF), 그리고 해양수산부에서 지원하는 국립해양과학기술원(KIMST)의 지원을 받아 수행되었다. 그 결과를 인정받아 국제 저명 학술지인 ‘Food Chemistry’에 2025년 2월 28일 자 온라인판에 “Novel enzymatic synthesis of 3-Hydroxybutyryl Naringin and its molecular identification and bioactive characterization”의 제목으로 게재되었으며, 2025년 6월 15일 출판이 예정되어 있다. 이 저널은 JCR(Journal Citation Reports) 학문 분야별 ‘Nutrition & Dietetics’ 분야 최상위 3.1%에 해당하는 권위있는 학술지다.

Web link : https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2025.143590

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)