친환경 화학: 화학 반응을 더욱 깨끗하고 빠르게

새로운 접근 방식을 통해 과학 연구의 속도와 친환경성을 더욱 높일 수 있을까요?

애브비의 연구 과학자인 윌프리드 브라예 (Wilfried Braje) 박사는 적은 에너지로 화학 반응을 일으켜 폐기물을 줄이는 기술을 사용합니다.

150년간 지속된 연구방법을 변화시키다.

몇몇 쉬운 친환경 전략 (Green Initiatives)은 명확합니다. 예를 들어, 더 이상 플라스틱 빨대를 사용하지 않고 바다를 보호하는 것입니다. 하지만 다른 일부 친환경 전략은 수 세기에 걸쳐 내려온 기존의 화학 반응 진행 시스템을 점검하는 것과 같이, 보다 복잡합니다.

그러나 윌프리드 브라예 박사는 그렇게 복잡해야 할 이유가 없다고 합니다. 애브비의 수석 선임 연구 과학자인 브라예 박사는 폐기물을 줄이고 보다 환경 친화적인 방식을 찾아 나가는 것이 특히 삶의 질을 개선하는데 최선을 다하는 과학자들에게는 아주 자연스러운 일이 되어야 한다고 말합니다.

독일 루트비히스하펜 애브비 연구개발시설의 브라예 박사와 동료 과학자들은 이 중요한 문제에 단순하지만 명쾌한 해결책을 발견해 냈습니다. 이들이 발견한 해결책은 바로 지난 150년간 이어 온 기존의 과학적 방법을 혁명적으로 변화시켜 개선하는 기술이었습니다. "자연 친화적 용제"를 활용하는 것이 어떻게 환경을 보호하고 과학 연구의 속도를 높일 수 있는지에 대해 브라예 박사가 설명한 내용은 다음과 같습니다.

우선 어떤 문제가 있는지요? 왜 화학은 "친환경적"이어야 하나요?

윌프리드 브라예 박사 : 제가 하는 일에 대해 친구들에게 설명할 때, 저는 제 자신을 실험실이라는 부엌에서 일하는 “과학 요리사”라고 말합니다. 케이크를 만드는 과정을 한번 떠올려 보십시오. 오일, 설탕, 밀가루와 같은 다양한 재료를 준비해서 굽게 되면 모든 재료들이 서로 어떻게 반응하는지를 볼 수 있습니다(스푼을 핥아보면서 자신이 선호하는 맛도 알 수 있습니다).

과학분야에서도 이와 비슷하게 화학 실험을 진행할 때, 우리가 신약 후보 물질에 적합한 성분을 가지고 있는지 판단하려고 합니다. 150년이 넘는 기간 동안 과학자들은 광물성 기름에서 유래한 유기 용제에서 이러한 화학 반응을 실험했습니다. 이러한 유기 용제는 값도 비싸고 독성이 있으며, 인화성이 높은 경우가 대부분입니다. 하지만 계속 사용되어 왔고, 원하는 효과를 얻을 수 있었습니다.  유기 용제를 기반으로 많은 화학반응이 가능했고, 이는 혁신 의약품 개발시에도 사용됐습니다.

어떤 방식으로 프로세스를 개선하고 있습니까?

브라예 박사 : 우리 팀의 방식은 산타 바바라에 있는 캘리포니아 대학교에서 연구팀을 이끌었던, 수중 화학의 “창시자”인 브루스 H. 립슈츠(Bruce H. Lipshutz) 교수가 시작한 것입니다. 그 연구팀에서는 유해한 유기 용제가 아닌 물 속의 나노마이셀(nanomicelles)을 이용해, 유효 제약 성분의 생산에 필요한 몇 가지 화학 반응을 물 속에서 성공적으로 수행했습니다. 이 프로세스에서는 실제 폐기물이 거의 나오지 않았습니다. 2014년에 저는 그 연구를 접하고 립슈츠 교수에게 연락했습니다. 그리고 18개월 후에, 저희 팀에서 수중에서 매우 효율적으로 화학 반응을 수행할 수 있는 독자적인 기술을 개발하게 됐습니다.

저희가 개발한 기술은 양성 식품 첨가물을 사용하여 수중에서의 초기 화학 반응 방식을 크게 개선해 줍니다. 모든 초기 재료들은 물에서 용해되고 립슈츠 박사팀의 프로세스와 유사하게 폐기물이 거의 나오지 않습니다.

또한 이 기술은 보다 적은 에너지를 사용합니다. 기존에 유기 용제로 130°의 온도에서 수행하던 화학 반응을 이 새로운 기술을 통해 실온에서 수행할 수 있게 되었습니다.

새로운 방법을 발견했던 순간에 대해 말씀해 주십시오.

브라예 박사 : 지금도 기억에 생생합니다. 우리 팀의 연구 과학자인 타냐 린드너(Tanja Lindner)와 요한나 클리(Johanna Klee)는 신경학 프로젝트를 위해 다양한 화학 반응 연구를 수행했습니다. 새 첨가제를 사용하자, 이전에는 몇 시간이 필요했던 반응시간이 단 1분으로 단축된 것을 금세 알아차릴 수 있었습니다. 정말 믿을 수 없을 정도였습니다. 그 특별한 실험을 세 차례 반복하면서 “바로 이 방법이구나”를 깨닫게 됐고, 정말 대단한 발견이라는 것을 확신할 수 있었습니다. 단기간에 분석하기 위해 매우 많은 샘플을 채취하느라 연구자들의 손에 물집이 잡힐 정도로 연구했습니다. 저와 팀원들은 그 순간을 결코 잊지 못할 것입니다.

저희는 아주 많은 것을 알게 됐습니다. 그리고 많은 동료들이 이 기술을 한층 더 발전시켜 다양한 화학 반응에 적용하기 위해 노력하는 덕분에 지금도 매일 계속해서 새로운 내용을 발견해 내고 있습니다.

애브비 연구 과학자인 윌프리드 브라예 박사, 타냐 린드너와 요한나 클리

폐기물 배출량이 줄어드는 것 이외에 수중 화학 반응의 또 다른 장점이 있나요?

브라예 박사 : 수중에서의 화학 반응은 훨씬 더 효율적입니다. 고온이나 에너지 유입이 없이도 반응 시간이 놀라울 정도로 짧아졌습니다. 이전에 12시간 이상 걸리던 반응 시간이 몇 분 또는 심지어 몇 초 단위까지 단축되었습니다. 이러한 모든 요소가 결과적으로 더 적은 양의 자원을 사용하면서 환자에게 후보 약물을 더 빠르게 전달하게 됩니다. 가장 놀라운 사실은 최첨단 방법론을 사용해서도 불가능했던 화학 반응을 성공적으로 수행할 수 있게 되었다는 점입니다. 이전에는 불가능했던 일이 지금은 가능하게 되었다는 사실을 발견할 때마다 더 빨리 다음 생산 단계로 이동하거나 새로운 방법("레시피")으로 다시 시작할 수 있습니다.

실제로 저희는 프로세스 개선에 열광하고 있지만, 수중 화학 반응이 전혀 새로운 것은 아닙니다. 인체와 연관 지어 생각해 보면, 인체에는 약
37조개의 세포가 있으며 1초에 세포 당 수백만 건의 화학 반응이 일어납니다. 이처럼 수십억 년 동안 자연이 가장 선호해온 용제는 물이었으며, 저희는 단순히 이 자연적인 접근 방식을 이용하고 있을 뿐입니다.

수중 기술에서 애브비 화학분야의 다음 발전 단계는 무엇입니까?

브라예 박사 : 애브비는 화학 산업을 보다 “친환경적”으로 만들기 위하여 여러 학계 전문가들과 지속적으로 협력합니다. 이러한 친환경 운동은 계속해서 확대되고 있으며, 이 기술은 그 효율성 덕분에 차세대 과학자들을 분명 매료시킬 것입니다.

애브비는 미국화학협회 친환경 화학 제약위원회(American Chemical Society Pharma Roundtable for Green Chemistry)의 회원사이고, 제가 애브비를 대표해 활동하고 있습니다. 협회에서 작년에 몇 가지 연구 결과를 발표한 이후, 수중 화학 반응에 대한 하위 팀이 구성됐고, 이와 관련된 기술을 발전시키기 위해 회원사들이 함께 협력 중입니다.

종양학과 관련된 한 연구 프로젝트의 경우, 약물 분자를 제조하기 위한 반응이 유기 용제에서는 실패했지만 수중에서 성공한 사례가 확인되었습니다. 이는 굉장히 흥미로운 일이며, 거의 전례가 없는 결과라 말할 수 있습니다. 우리는 계속해서 연구에 매진해 앞으로 나아갈 것입니다. 

KR-ABBV-190015-191010