시스템 화학 글로벌 선도연구센터(2025년 5월호)

서울특별시 동작구 흑석로 84, 중앙대학교 수림과학관(104관) 417호

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생명체는 수많은 화학 반응 과정들과 분자 수송 과정들의 네트워크를 통해 생명기능들을 구현해 낸다. 나노입자들의 형성 및 상전이 현상 그리고 최근 관심을 받고 있는 생체 고분자들의 응집체 형성 과정들 역시 많은 수의 화학 반응들과 분자 수송 과정의 네트워크를 통해 구현된다.

시스템 화학은 생체계 및 물질계에서 창발되는 성질과 기능들을 분자 수송 및 화학 반응 네트워크 차원 에서 정량적으로 이해, 예측 및 디자인하는 것을 목표로 하는 새로운 융합 화학 분야이다. 그런데, 이 시스템 화학의 목표를 달성하기 위해서는 세 가지 기초과학 난제 해결이 필요하다. 첫째, 반트호프(Jacobus Henri- cus van't Hoff)의 반응속도론으로 정확히 기술하기 어려운 복잡한 생체 반응 네트워크의 확률적 화학 동력 학 문제, 둘째, 아인슈타인(Albert Einstein)의 브라운 운동 이론이나 이를 단순히 확장한 이론들로 설명하기 어려운 복잡 물질계 내 분자나 이온의 비정규 수송 및 반응 동력학 문제, 마지막으로 깁스-톰슨(Gibbs- Thomson) 방정식에 기반한 기존 핵생성 이론으로 설명되지 않는 나노입자계나 생체고분자계의 핵 형성 및 상 분리 동력학 문제이다.

시스템 화학 글로벌 선도연구센터 (센터장: 중앙대학교 화학과 성재영 교수)는 이 세 난제들을 해결하고 시스템 화학의 목적을 달성하기 위해 이론 및 계산화학 그룹, 생체계 실험 그룹 그리고 물질계 실험 그룹들의 컨소시엄으로 구성된 초학제간 연구센터로서 2024년 8월 과학기술정보통신부의 글로벌 선도연구센터 사업 지원을 받아 설립되었다.

시스템 화학 글로벌 선도연구센터는 이 융합 협력 연구를 통해 시스템 화학 분야를 정립하고 이 분야 세계 최고 수준의 글로벌 연구센터로 성장하려는 비전을 가지고 있다. 이 비전을 현실화하기 위해, 국내 연구팀만으로 추진 할 수 없는 연구는 해외 선도 연구그룹들과의 공동연구 네트워크를 구축하여 추진하고 있다. 시스템화학 센터는 이론 및 계산 다섯 그룹, 생체계 실험 네 그룹, 물질계 실험 다섯 그룹들로 구성되어 있고, 대학 별로는 중앙대 다섯 그룹, 카이스트 두 그룹, 서울대, 포항공대, 연세대, 고려대, 성균관대, 서울시립대, 부산대 각 1 그룹을 포함해 총 9개 대학 90여 명의 연구원으로 구성되어 있다. 국내 연구팀과 상호 보완적 과제 추진을 위해 하버드 의과대, 매사추세츠 공과대 , 코넬대 , 보스턴대, 미네소타대, 토론토대, 국립대만대를 포함한 총 10개의 해외 선도 연구그룹과 공동연구 네트워크도 구축하였다. 보스턴 아동병원, 아리조나 주립 대 생물물리센터, 성균관대 항생제 내성 치료제 연구소, 서울대 IBS 나노입자 연구단 등과도 정기적 학술교 류 및 공동연구를 위한 상호 양해 각서를 체결하였거나 체결이 추진 중이다.

1. 생체 반응 네트워크 동력학

생체 화학 반응은 크기가 매우 작고 동적으로 불균일한 반응 환경을 제공하는 세포에서 일어난다. 그렇기 때문에 크기가 크고 균일한 환경에서 일어나는 화학반응을 기술하는데 적합한 반트호프(van’t Hoff)의 고전 화학반응 동력학을 사용해서는 생체 화학 반응 동력학을 정확하게 기술 하기 어렵다. 생명현상을 구성하는 유전자 발현 및 신호 전달 과정들 그리고 생체 대사 과정들을 구성하는 수많은 화학반응들의 네트워크 동력학을 고전 화학반응 동력학의 반응 속도 상수 개념에 기초해 설명하기 어려운 이유는 생체 화학 반응 네트워크가 매우 복잡할 뿐 아니라 세포 내에서는 반응 속도 계수의 값이 세포 환경 변화에 따라 시간에 따라 확률적으로 변화하는 확률 변수가 되기 때문이다. 이 난제를 해결하기 위해 시스템 화학 연구센터는 생체 반응 네트워크 를 기능별로 모듈화하고, 반응속도 상수 대신 모듈별 반응시간 분포함수를 도입하여 기술하는 새로운 화학반 응 동력학을 선행연구를 통해 개발하였다. 이 새로운 화학동력학을 사용하면 세포 환경 하에서 시간에 따라 확률적으로 변화하는 반응 속도 계수와 세포 내 계층적 구조를 가진 복잡한 화학반응 네트워크의 동력학을 효과 적이면서도 정량적으로 기술할 수 있다. 근년 이 새로운 시스템 화학 동력학을 사용하여 기존 화학반응 동력 학에 기초한 시스템 생물학 분야에서 설명할 수 없었던 세포 내 유전자 발현의 확률적 동력학 실험 결과들을 다양한 생체 시스템에 대해 일관되게 설명할 수 있음이 밝혀진 바 있다(Park et al., The Chemical Fluctuation Theorem governing gene expression, Nat. Commun. 2018). 시스템 화학 선도연구센터는 시스템 화학 동력학을 확장하여 외부 스트레스에 의해 촉발되는 생체 신호 전달 및 신호 유발 유전자 발현 동력학을 생체고부자 농도의 평균은 물론 분산까지 정량적으로 설명하고 예측할 수 있는 생체 네트워크 반응동력학모델을 구축하는 연구를 추진하고 있다(세포 기능의 다양성을 연구하기 위해 생체분자의 평균 농도 뿐 아니라 평균 주변으로의 요동도 중요한 의미를 가진다). 대표적인 예로 DNA 손상에 따른 항암기작 생체 네트워크 활성 동력학을 실시간으로 모니터링하고, 실험 결과를 정량적으로 설명할 수 있는 생체 네트워크 동력학 모델을 구축할 계획이다.

2. 복잡 물질계 분자 수송 및 반응 네트워크 동력학

복잡 물질계 내 화학반응 네트워크는 분자 및 이온 혹은 에너지 전달자들의 수송 과정과 반응과정이 연계되어 있다. 이들의 수송 동력학과 반응동력학은 해당 물질계의 물리화학적 특성과 기능을 결정하는 중요한 요소이다. 그러나 복잡 물질계 내 수송 동력학은 아인슈타인의 고전 브라운 운동이론으로 설명되지 않는 경우가 많다. 복잡 물질계 화학 반응 네트워크 동력학은 아인슈타인의 브라운 운동이론에 기초한 스몰루코프스키(M. Smoluchowski)의 확산지배 반응 속도론이나 이를 단순히 확장한 이론들로 설명하기 어렵다. 시스템 화학연구센터는 선행연구를 통해 복잡한 매질 내에서 일어나는 분자나 이온의 확률적 운동 양상을 일반적으로 기술할 수 있는 새로운 분자 수송 방정식을 얻어 낸 바 있다. 이 수송 방정식은 기존 브 라운 운동이론이나 다른 기존 이론들 설명되지 않던 복잡 유체 내 분자의 열운동을 정확하게 설명하는 것으로 드러나 학계의 주목을 받은 바 있다(Song et al., Transport Dynamics in Complex Fluids, Proc. Nat. Acad. Sci. 2019). 스탠포드 대학의 린덴버그(Aaron M. Lindenberg) 그룹은 이 수송 방정식의 해를 사용하여 기존 이론들로서는 설명할 수 없었던 고체 전해질 내 이온들의 열운동을 정확하게 설명할 수 있음을 보고한 바 있다(Poletayev et al., Defect-driven anomalous transport in fast-ion conduct- ing solid electrolytes, Nat. Mater.2022). 또 다른 선행연구를 통해 이 복잡 매질의 수송 방정식에 기초한 복잡매질 반응 동력학 이론을 개발하고 이를 이용해 복잡 매질하 나노입자들의 응집 반응 동력학을 최초로 정량적으로 설명한 바 있다(Song et al., Real-space imaging of nanoparticle transport and interaction dynamics by graphene liquid cell TEM, Sci. Adv. 2021). 시스템 화학 연구센터는 이 연구 결과들을 확장하여 고체상 배터리나 유기 반도체 내 전하 전달체들의 수송 및 이들이 전극에 도달하였을 때 일어나는 전자 전달 반응 동력학을 정량적으로 이해하고 예측할 수 있는 모델을 구축하는 연구를 추진하고 있다.

3. 생체계 및 물질계 핵형성 및 상전이 반응 네트워크 동력학 및 통계 열역학 연구

양자점이 형성될 때 나노 미터 수준의 핵생성 과정과 이들 핵자들이 상전이를 일으켜 결정을 형성하는 현상은 거시계를 위해 개발된 기존 열역학과 통계역학으로 설명하기 어렵다. 시스템 화학 센터는 선행 연구를 통해 작은 계 내의 핵생성 및 상전이 거동을 효과적으로 기술할 수 있는 새로운 통계 열역학과 화학 동력학 이론을 개발한 바 있다. 이 새로운 이론들은 몇 가지 간단한 나노 입자계와 생체 고분자계에 걸쳐 핵자 크기 분포와 핵형성 및 상전이 동력학을 일관되게 정량적으로 설명할 수 있는 것으로 드러났다(Kim et al., Multipha- sic Size-Dependent Growth Dynamics of Nanoparticle Ensembles, Proc. Nat. Acad. Sci. (under revision) 2025). 그러나, 이러한 새로운 시스템에 대한 핵형성 및 상전이 실험 결과를 정량적으로 예측하는 것 은 또 다른 차원의 난제로 남아 있다. 시스템 화학 센터는 작은계를 위한 통계열역학 이론, 양자 분자동력학, 실험결과에 대한 기계학습을 병행하는 새로운 예측 모델 시스템을 개발하여 다양한 생체계 및 물질계의 핵형성 및 상분리 거동을 정량적으로 설명할 뿐 아니라 새로운 시스템의 핵형성 및 상전이 거동을 정량적으로 예측할 수 있는 예측 모델을 구축하는 연구를 추진하고 있다. 이러한 연구는 나노 재료와 생물학적 응집체의 제어된 합 성과 조작을 위한 기반 기술 확립에 기여할 것으로 기대된다.

4. 연구 성과의 기대효과 및 활용 계획

시스템 화학 연구센터는 생체계와 물질계의 성질 및 기능을 화학 반응 및 분자 수송 네트워크 차원에서 정량적으로 설명하고 예측할 수 있는 물리화학적 모델을 구축하는 것을 가능케 하는 새로운 학문 분야를 창출하고 정립할 것으로 기대된다. 이 성과는 화학동력학 분야와 통계열역학 분야는 물론 정량 생물학, 시스템 생물학과 합성 생물학 등 첨단 바이오 분야 발전에도 크게 기여할 수 있고, 현대 재료과학과 나노과학 분야에도 새로운 발전 방향을 제시할 것으로 기대된다. 시스템 화학 연구센터는 현재 삼성전자와 반도체 공정의 화학 기계적 평탄화 공정 최적화 공동연구를 진행하고 있는데, 이에 그치지 않고 향후 시스템 화학 기초연구 성과를 응용하여 이차 전지 성능 최적화, 생체 반응 네트워크를 기반으로 한 암 및 신경퇴행성 질환 약물 타겟 발굴, 감염병 진단 및 원인균 동정 플랫폼 개발, 수소 생산용 촉매 및 수소저장 소재 개발, 그리고 특정 합성 생물학 목적을 위한 바이오 네트워크 설계 소프트웨어 개발 등 다양한 국가 전략기술 발전에도 기여할 계획을 가지고 있다.

글로벌 선도연구센터

성재영 센터장

중앙대학교 시스템 화학

글로벌 선도연구센터

“중앙대학교 시스템 화학 글로벌 선도연구센터는 새로운 기초융합 학문 분야인 시 스템 화학을 통해 얻어지는 기초연구 성과들을 응용하여, 국가 신성장 동력 창출에 기여하는 것을 최종 목표로 하고 있습니다.”

연구센터를 이끄는 성재영 교수는 서울대학교 화학과를 졸업하고, 동 대학원 이

상엽 교수의 학위논문 지도를 받아 스몰루초프스키의 비가역확산지배 반응 속도 이론을 가역 확산지배 반응으로 적용 범위를 넓히는 연구를 수행하여 1997년 박 사학위를 취득하였습니다. 그 후, MIT 화학과에서 박사후연구원으로 경력을 쌓으며 생명현상을 세포 내 화학 반응 네트워크 차원에서 정량적으로 이해하려는 시스템 생물학에 관심을 가지기 시작하였습니다. 2004년 중앙대학교 화학과 교수로 부임한 이후 단일분자 반응동력학, 양자액체, 복잡계 통계열역학등 분야에 수월한 연구 성과들을 거두어 왔고, 2015년 12월부터 2024년 11월까지 과학기술정보통신부 리더연구자(창의적 연구) 지원 사업을 통해 세포화학동력학 분야를 창출하였습니다. 2015년 대한화학회 제1호 신국조 학술상, 2017년 국제 통계물리학회 SigmaPhi에서 복잡계 최우수 발표상, 2021년 입재물리화학상을 수상한 바 있습니다. 현재 연구센터는 연구책임자를 포함한 이론 및 계산 그룹에 김지현(중앙대), 장락우(서울시립대), 정연준(서울대), 최정모(부산대), 생체계 실험 그룹 고혜란(중앙 대), 심상희(고려대), 정용원, 임미희(KAIST), 그리고 물질계 실험 그룹 고두현(성균관대), 류순민(POSTECH), 윤성호(중앙대), 황성주(연세대) 교수 그룹으로 구성되어 있고 시스템 화학 분야 발전과 정립을 위해 공동연

구에 매진하고 있다.