Research

(English version is shown below) 우리는 젓가락이 아닌 숟가락을 사용해서 국을 먹습니다. 숟가락이 젓가락보다 액체를 담아 옮기기에 적합한 형태를 갖기 때문입니다. 이렇게 “형태가 기능을 결정한다”는 사실은 맨눈으로 볼 수 있는 물건들 뿐만 아니라, 현미경으로 들여다보아야만 형태가 확인되는 아주 작은 생체 분자들(예: 단백질, DNA 등)에도 통용되는 말입니다. 만약, 생체 분자들의 정교하고 복잡한 형태(예: 단백질 알파-나선, DNA 이중나선 등)를 모방할 수 있는 새로운 분자를 합성하고, 나아가 이 형태를 자유자재로 재단하는 방법을 찾아낸다면, 자연에 존재하지 않는 형태(그리고 완전히 색다른 기능)을 갖는 분자를 구현할 수 있지 않을까요?

이 질문의 연장선에서 우리 연구실에서는 유기화학 반응을 통해 플라스크에서 합성되는 “폴대머(Foldamer)”라는 접힌(folded) 유기화합물에 대해서 연구합니다. 폴대머는 용액상에서 접혀서 나선, 병풍과 같은 형태를 매우 안정하게 유지하는데, 이 형태가 단백질의 2차 구조와 매우 많이 닮아있습니다. 이러한 구조적 유사성에 기인하여, 폴대머는 단백질의 기능을 모사할 수 있을 것으로 예측되고, 또, 증명되고 있습니다. 특히, 단백질의 기본 구성 단위체인 아미노산이 수십여가지로 제한된 것에 비해 폴대머의 구성 단위체들은 아미노산에 없는 관능기를 포함할 수 있기 때문에, 폴대머는 단백질의 기능을 모사할 수 있을 뿐만 아니라 단백질들이 갖지 못한 특성을 가질 수 있습니다. 따라서 기존의 생체 분자와 차별화된 특장점을 갖는 폴대머는 생명과 관련된 여러 분야(의약 등)에 무궁무진하게 응용될 수 있습니다.

우리가 다루는 폴대머는, 단순한 구성 요소로 고차원의 구조체를 만드는 레고와 유사점이 많습니다. 폴대머와 레고에 단 하나의 한계가 있다면, 그것은 바로 우리가 가진 상상력의 한계일 것입니다. 우리 연구실에서는 이 상상력의 한계를 시험하고, 기초 학문의 저변을 넓힘으로써, 인류의 삶에 도움이 되는 연구를 목표합니다.

We use a spoon, not chopsticks, to eat soup—because the spoon’s shape is more suited for holding and transporting liquids. This idea that “form determines function” applies not only to everyday objects we can see with the naked eye, but also to tiny biomolecules—such as proteins and DNA—whose intricate structures can only be observed through powerful microscopes or other tools. If we could synthesize new molecules that mimic these sophisticated and complex structures (like protein alpha-helices or the DNA double helix), and further, if we could find a way to control and redesign these forms freely, wouldn’t it be possible to create molecules with entirely new shapes—and entirely new functions—that do not exist in nature?

In pursuit of this question, our laboratory studies a class of folded organic molecules called foldamers, which are synthesized through organic reactions in the flask. Foldamers adopt highly stable structures in solution—such as helices and sheets—that closely resemble the secondary structures of proteins. Owing to this structural similarity, foldamers are predicted (and increasingly proven) to mimic the functions of proteins. More importantly, unlike proteins, which are limited to about twenty natural amino acid building blocks, foldamers can be constructed from a vast array of synthetic building blocks, many of which possess functional groups that do not exist in amino acids. This opens up the possibility not only of mimicking protein function, but also of achieving properties and functions that natural proteins could never attain. Consequently, foldamers—by offering advantages that distinguish them from biological macromolecules—hold great promise for diverse applications in life sciences, including medicine.

In many ways, the design of foldamers is like building with LEGO: simple components can be assembled into complex, higher-order architectures. If there is one limitation shared by both foldamers and LEGO, it may be the limits of our own imagination. At our laboratory, we strive to challenge those limits, broaden the foundations of basic science, and ultimately contribute knowledge that benefits human life.