노벨상 성과에 투자하기 – 비대칭 유기 촉매

노벨상 역사

노벨상은 과학계에서 가장 권위 있는 상 중 하나다. 알프레드 노벨의 유언에 따라 물리학, 화학, 생리학·의학, 문학, 평화 분야에서 “전년도에 인류에게 가장 큰 혜택을 준 사람들”을 기리기 위해 제정됐다.

스웨덴 중앙은행은 이후 노벨을 기리는 별도의 경제학상을 제정했다. 정식 명칭은 알프레드 노벨을 기념하는 스웨덴 중앙은행 경제학상이며, 흔히 노벨 경제학상으로 불린다.

과학·문학 분야 수상자는 여러 스웨덴 기관이 선정한다. 노벨 평화상은 노르웨이 노벨위원회가 수여한다.

유산에 대한 우려

널리 알려진 이야기로는, 프랑스 신문이 노벨의 형제의 사망 소식을 잘못 이해해 알프레드 노벨의 부고를 싣고 그를 죽음의 상인이라고 묘사했다고 한다. 이 사건이 유언 작성에 결정적인 영향을 줬는지는 확실하지 않다. 노벨은 다이너마이트와 무연 추진제 발리스타이트를 발명했지만, 다이너마이트 자체가 무연 화약은 아니다.

노벨의 발명품은 민간과 군사 분야에 모두 영향을 미쳤다. 그가 인수한 보포르스 제철·철강 기업도 무기 제조업체로 발전했다. 화학자이자 엔지니어, 발명가였던 노벨은 재산의 대부분을 인류에 도움이 되는 업적을 기리는 데 쓰도록 유언했다.

노벨상

노벨재단은 유산을 관리하고 투자해 상의 재원을 마련한다. 수상자는 메달과 증서, 상금을 받는다. 이 글이 다루는 시기에 상 한 부문의 총상금은 1,100만 스웨덴 크로나, 약 100만 달러였다.

출처: Britannica

상금은 여러 수상자가 나눠 받기도 한다. 특히 과학에서는 두세 명의 연구자가 함께 또는 독립적으로 중요한 발견에 기여하는 경우가 많다.

노벨상은 이론적 발견과 실제 응용에 기여한 업적을 함께 기려 왔다. 현대 세계의 토대를 이룬 방사능, 항생제, X선, PCR뿐 아니라 태양의 에너지원, 전자의 전하, 원자 구조, 초유동성 같은 기초과학 성과도 수상 대상이 됐다.

더 많은 촉매를 찾는 여정

화학자들은 오래전부터 반응 속도를 높이거나 원하는 방식으로 분자를 반응시키는 방법을 연구했다. 온도나 압력 같은 물리적 조건을 바꾸는 방법도 있지만, 특정 반응에서는 촉매가 중요한 역할을 한다.

촉매는 반응이 더 쉽게 진행되는 경로를 제공해 반응 속도를 높인다. 원하는 생성물에 대한 선택성을 개선할 수도 있다.

촉매는 반응 과정에 참여하지만 전체 촉매 순환이 끝나면 재생된다. 따라서 반응물처럼 화학양론적으로 소모되지는 않지만, 실제 사용 중에는 열화되거나 비활성화될 수 있다.

촉매는 정유, 플라스틱, 공기 정화, 수처리, 의약품, 향료, 식품 등 다양한 산업에서 필수적이다. 일상에서는 잘 보이지 않지만 현대 제조업을 떠받치는 기술이다.

노벨상 해설 자료에 따르면 촉매는 다양한 생산 과정을 통해 세계 GDP의 약 35%에 관여한다. 이는 촉매 판매액 자체의 비중을 뜻하지 않는다.

다양한 촉매 유형

은, 니켈, 백금, 팔라듐 등의 금속은 중요한 촉매 재료다. 일부 귀금속은 비싸고 회수나 잔류물 관리가 필요하다. 다만 금속 촉매의 선택성이 모두 낮은 것은 아니며, 설계에 따라 높은 선택성을 보이기도 한다.

의약품 제조처럼 원하는 반응과 생성물을 정밀하게 선택해야 하는 분야에서는 이러한 선택성이 특히 중요하다.

또 다른 촉매인 효소는 생명체에서 특정 반응을 촉진한다. 대부분 단백질이며, 생명 활동에 필요한 다양한 화학 과정을 담당한다.

효소를 순수하게 분리하고 연구한 성과는 중요한 과학적 진전으로, 관련 연구자들은 1946년 노벨 화학상을 받았다. 오늘날 효소는 여러 산업 공정에서도 활용된다.

효소는 생물학적 환경의 특정 기능에 적응해 왔다. 따라서 새로운 산업 반응에 바로 맞는 효소를 찾기 어려울 수 있다. 효소 공학으로 활용 범위를 넓힐 수 있지만 모든 반응에 적합한 것은 아니다.

일부 효소는 강한 산성이나 높은 온도에서 안정성이 낮다. 이에 따라 작고 맞춤 설계가 가능한 비금속 촉매가 주목받았다. 유기 촉매는 탄소를 중심으로 수소, 질소, 산소, 황, 인 등의 원소로 이루어진 작은 유기 분자를 이용한다.

유기 촉매

2021년 노벨 화학상은 비대칭 유기 촉매 반응을 발전시킨 베냐민 리스트와 데이비드 W. C. 맥밀런에게 수여됐다.

유기 촉매는 유기화학의 기본 원소로 구성된다. 여기서 비대칭이라는 말은 서로 거울상인 분자 중 한쪽을 우선적으로 만드는 능력과 관련된다.

이처럼 거울상과 겹쳐지지 않는 성질을 키랄성이라고 한다. 단순히 분자를 돌려 놓는 방향의 차이가 아니라 입체 구조의 차이다. 예를 들어 리모넨의 거울상 이성질체는 서로 다른 냄새를 낼 수 있다.

출처: Nobel Prize

리스트와 맥밀런이 유기 촉매를 처음 발견한 것은 아니다. 1912년에는 퀴닌이 시아노하이드린 생성 반응을 촉진한다는 연구가 있었고, 이후 퀴닌 유도체를 이용한 비대칭 촉매 반응도 개발됐다.

출처: Nobel Prize

하지만 오랫동안 이러한 사례는 개별적인 발견에 머물렀다. 작동 원리를 바탕으로 새로운 촉매를 체계적으로 설계하는 접근법은 아직 충분히 정립되지 않았다.

촉매 작용은 어떻게 이루어지나요?

화학 반응이 진행되려면 활성화 에너지 장벽을 넘어야 한다. 촉매는 이 장벽이 더 낮은 반응 경로를 제공한다. 반응물과 생성물 사이의 전체 에너지 차이나 평형 자체를 바꾸는 것은 아니다.

출처: Byjus

금속 촉매는 전자적 성질과 결합 형성 등을 이용해 반응을 촉진한다. 효소는 활성 부위의 입체 구조와 화학적 성질을 조합해 전이 상태를 안정화하고 반응을 돕는다.

효소의 활성 부위에서는 소수의 아미노산 잔기가 핵심 촉매 작용을 담당하는 경우가 많다. 나머지 부분은 구조 유지, 반응물 결합, 활성 조절 등에 기여한다.

출처: Nobel Prize

리스트는 여기서 출발해 소수의 아미노산, 나아가 단 하나의 아미노산도 특정 효소 반응을 촉진할 수 있을지 연구했다.

리스트 촉매: 프롤린 및 키랄리티

리스트가 선택한 아미노산은 프롤린이었다. 프롤린의 촉매 가능성은 이미 1970년대 연구에서 알려졌지만, 그는 그 활용 범위와 작동 원리를 새롭게 탐구했다.

실험에서 프롤린은 반응을 촉진했을 뿐 아니라 두 거울상 생성물 중 한쪽이 더 많이 생기도록 했다. 이는 작은 유기 분자로도 유용한 비대칭 반응을 구현할 수 있음을 보여줬다.

이 연구는 에나민 촉매 반응의 체계적 발전에 기여했다. 에나민 형성을 이용한 촉매 작용은 루이스 염기 촉매 반응과 관련된다.

프롤린의 질소 부분이 반응물과 일시적으로 결합해 반응성이 높은 에나민 중간체를 만든다. 카복실산기는 전이 상태를 안정화하고 반응의 입체 선택성을 높이는 데 기여한다.

출처: Nobel Prize

맥밀런 촉매: 이미늄 이온

맥밀런은 금속 기반 비대칭 촉매를 연구하면서, 일부 촉매가 공기나 수분에 민감하고 산업적 사용 조건이 까다롭다는 점에 주목했다. 이는 모든 금속 촉매가 산업에 부적합하다는 뜻은 아니다.

그는 금속 촉매의 특정 작용을 작은 유기 분자로 구현할 방법을 찾았다.

금속 촉매는 전자쌍을 받거나 반응물과 결합하는 등 다양한 방식으로 활성화 장벽을 낮춘다. 작동 원리는 금속과 반응 종류에 따라 다르다.

맥밀런은 아민 촉매가 반응물과 일시적으로 이미늄 이온을 형성하면, 해당 분자의 전자적 성질을 바꿔 반응을 촉진할 수 있다고 판단했다.

이 방식은 이미늄 이온 촉매 반응으로 알려졌으며, 특정 금속 루이스 산 촉매의 효과를 유기 분자로 구현한다.

이미늄 이온의 형성은 반응물의 전자 수용성을 높인다. 촉매 주변의 큰 치환기는 반응물이 접근하는 방향을 제한해 한쪽 거울상 생성물이 우선적으로 만들어지도록 한다.

출처: Nobel Prize

유기 촉매의 부상

리스트와 맥밀런은 2000년 각각 독립적으로 연구 결과를 발표했다. 맥밀런은 이 접근법을 설명하기 위해 유기 촉매 반응이라는 용어를 사용했다.

두 연구자와 연구팀은 작동 원리를 밝히고 응용 범위를 넓혀, 개별 사례를 넘어 체계적인 유기 촉매 개발의 길을 열었다.

유기 촉매가 화학 산업에서 주목받는 이유는 다음과 같다:

• 일부 반응에서 고가의 금속 촉매를 대체해 비용과 금속 잔류물 관리 부담을 줄일 수 있다.
• 비대칭 합성은 원하는 입체 구조의 생성물을 얻는 데 중요하다.
  • 의약품에서는 거울상 이성질체에 따라 효과와 안전성이 달라질 수 있다.
• 에나민과 이미늄 이온 등 다양한 촉매 원리를 응용해 새로운 반응을 개발할 수 있다.
• 일부 유기 촉매는 친환경 공정에 도움이 되지만, 모두 무독성이거나 쉽게 재활용되는 것은 아니다.

유기 촉매의 성과

유기 촉매가 합성 공정을 개선한 예로 스트리크닌 합성이 있다.

쥐약 등에 쓰였던 독성 물질 스트리크닌의 초기 전합성은 29단계 반응을 거쳤고, 전체 수율은 약 0.0009%였다.

2011년 연구에서는 유기 촉매 반응을 활용해 합성 단계를 12단계로 줄였다. 노벨상 해설은 이를 초기 합성보다 약 7,000배 효율적인 공정으로 소개한다.

이런 합성 기술은 식물이나 해양 생물에서 얻던 복잡한 유기 물질을 제조하는 데도 도움이 될 수 있다. 의약품 원료의 공급을 늘리고 생산 비용을 낮추는 것이 중요한 목표다.

미래 개발

광촉매

자연의 광합성은 빛 흡수와 전자 전달을 결합해 태양 에너지를 화학 에너지로 전환한다. 다만 효소와 금속을 포함한 복잡한 생체 시스템이므로, 이를 단순한 무금속 유기 촉매 반응과 동일시해서는 안 된다.

과거 생물체에 저장된 에너지는 오랜 지질학적 과정을 거쳐 오늘날 석유화학 산업의 원료인 화석연료의 형성에도 기여했다.

인공 광촉매 연구의 목표 중 하나는 빛을 이용해 수소나 다른 연료에 에너지를 저장하는 것이다. 촉매가 에너지를 새로 만들어 내는 것이 아니라 빛 에너지의 전환을 돕는다.

적절한 광촉매를 사용하면 태양광을 전기로 바꾼 뒤 전기분해에 쓰는 경로 대신, 빛으로 원하는 화학 반응을 직접 구동할 수 있다.

이런 방식이 연료 생산 비용을 낮출 가능성은 있지만, 실제 경쟁력은 효율과 내구성, 원료 및 설비 비용에 달려 있다.

AI 분자 설계

가능한 분자 구조는 매우 많지만, 그중 실제로 연구된 것은 일부에 불과하다.

분자의 전자 구조를 정확하게 계산하는 비용은 원자와 전자 수가 늘수록 빠르게 증가한다. 그러나 실용적인 근사 계산법은 훨씬 큰 분자에도 쓰이므로, 모든 계산이 원자 5~10개를 넘으면 불가능하다는 뜻은 아니다.

AI는 학습된 패턴을 이용해 분자의 성질을 예측하거나 후보 구조를 생성함으로써 탐색을 도울 수 있다. 결과는 계산과 실험으로 검증해야 한다.

이러한 도구는 새로운 분자와 재료 후보를 제안할 수 있다. 관련 사례로는 단백질 구조를 예측하는 Google DeepMind의 AlphaFold, 분자의 항생제 활성을 예측하는 AI 연구, 마이크로소프트의 AI4Science 프로그램 등이 있다.

출처: Microsoft

AI는 아직 탐색하지 못한 유기 촉매 후보를 찾는 데 도움이 될 수 있다. 관련 가능성은 “인공지능을 통한 발견 속도의 변화”에서도 다뤘다.

유기 촉매에 투자하기

유기 촉매 시장에 대해서는 2022~2032년 연평균 6.4% 성장률을 제시한 시장 전망이 있다. 이는 조사 기관의 예측이며 실제 성장률을 보장하지 않는다.

여러 증권사를 통해 관련 기업에 투자할 수 있다. securities.io에서는 미국, 캐나다, 호주, 영국 등 여러 국가의 증권사 비교 자료를 제공한다.

개별 기업을 선택하고 싶지 않다면 iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) 또는 Vanguard Materials ETF (VAW)처럼 화학·소재 업종에 분산 투자하는 ETF를 살펴볼 수 있다. 이들은 유기 촉매만을 대상으로 하는 펀드는 아니다.

촉매 기업

1. BASF (BASFY)

BASF는 대규모 화학 기업으로, 이 글이 다루는 시기에 직원 수가 11만 명을 넘었다.

당시 BASF는 화학, 소재, 산업 솔루션, 표면 기술, 영양·케어, 농업 솔루션 등 6개 사업 부문 아래 여러 사업부를 운영했다.

화학·플라스틱과 운송 관련 고객 산업이 중요한 비중을 차지하며, 농업과 소비재 분야에도 제품을 공급한다.

출처: BASF

BASF의 촉매 부문은 이 글에 인용된 당시 자료 기준으로 직원 8,000명 이상과 제조 시설 약 30곳을 보유했다.

이 촉매 사업은 정유와 화학 공정, 배출가스 처리 등 여러 분야에 걸쳐 있다.

BASF의 2023년 연구개발 지출은 약 21억 유로였다. 연구는 여러 사업을 대상으로 하며 농약, 종자 처리 등 농업 솔루션도 주요 분야에 포함됐다.

출처: BASF

BASF의 플라스틱과 화학 제조 기술은 나노입자 표면 코팅, 다공성 재료, 고분자 같은 분야에도 활용된다.

촉매와 소재 기술은 BASF가 화학, 배터리, 의약품 관련 공급망과 나노기술 등에서 기회를 찾는 데 기여할 수 있다.

2.  Schrödinger, Inc.

이 회사는 물리 기반 모델로 목표에 맞는 분자를 탐색하며, 효능, 용해도, 반감기, 합성 가능성 등 서로 상충할 수 있는 특성을 함께 평가한다.

슈뢰딩거는 물리 기반 계산과 머신러닝을 함께 사용해 후보 분자를 평가한다. 대규모 가상 라이브러리에서 후보를 좁히는 방식이지만, 10억 개 중 8개를 며칠 만에 고른다는 사례를 모든 프로젝트의 성과로 일반화할 수는 없다. 예측 후보는 실험 검증이 필요하다.

출처: Schrodinger

슈뢰딩거는 2020년 바이엘과 5년 협력을 발표했으며, 계약에는 최대 1,000만 유로의 지급이 포함됐다. 협력은 Schrödinger (SDGR )의 기술을 활용한 신약 설계 플랫폼 개발을 목표로 했다.

또 다른 사례는 2022년 릴리와 발표한 협력이다. 계약에는 선급금과 함께 개발·허가·판매 성과에 따른 최대 4억 2,500만 달러의 마일스톤 및 로열티가 포함됐다. 이 최대 금액을 이미 받은 현금으로 볼 수는 없다.

과거 협력에는 Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol Myers Squibb 및 다른 제약사가 포함됐다.

슈뢰딩거는 자체 프로그램과 제약사 협력을 통해 신약 후보를 개발한다. 글에 인용된 과거 자료에는 자체 프로그램 8개 중 2개가 임상 1상, 파트너 프로그램 23개 중 5개가 1상, 3개가 2상으로 제시됐다. 이 수치는 특정 시점의 파이프라인 현황이며 승인된 제품 수가 아니다.

출처: Schrodinger

회사는 소프트웨어와 협력 사업에서 매출을 내지만, 연구개발과 사업 확대 비용으로 순손실이 발생할 수 있다. 당시 보유 현금이 운영을 뒷받침했더라도 향후 자금 소요와 추가 조달 가능성을 함께 살펴야 한다.

슈뢰딩거는 신약 개발 외에도 화학, 배터리, 고분자 등 소재 분야로 계산 플랫폼의 활용 범위를 넓히고 있다.

출처: Schrodinger

새로운 협력 계약은 플랫폼에 대한 산업계의 관심을 보여줄 수 있다. 그러나 계약 발표만으로 기술의 임상적 성공이나 새로운 시장에서의 수익성을 확정할 수는 없다.

유기 촉매와 유기화학 연구에서 계산 플랫폼은 새로운 분자를 탐색하고 제조 공정을 개선하는 데 기여할 수 있다. 실제 성과는 실험 검증과 공정 적용에 달려 있다.