촉매제와 촉매 작용의 변혁적인 역할

빵을 굽는 일부터 종이를 만드는 일까지, 사람들은 수천 년이라는 세월 동안 알게 모르게 촉매 작용의 힘을 활용해 왔습니다. 실제로 우리가 일상생활에서 사용하는 거의 모든 것들이 촉매 작용을 통해 만들어집니다. 촉매제는 특정 반응을 불러일으키는 데 필요한 활성화 에너지를 낮춰 화학적 반응을 촉진하는 물질입니다. 촉매제는 촉매 작용 중 소모되거나 영구적으로 성질이 변하지 않으면서 반응 속도를 높여 줍니다. 이 고유한 속성 때문에 촉매제는 연료와 살충제부터 생명을 살리는 의약품에 이르기까지 실생활에 없어서는 안 될 여러 제품과 관련해 필수적인 요소로 자리잡았습니다.

예를 들어, 가장 유명한 촉매 기반 반응 중 하나인 "하버-보슈법"은 산업용 비료와 대규모 농업을 위한 암모니아를 생성합니다. 이 경우 촉매제를 사용하여 필요한 비용을 크게 줄이고 암모니아를 더 빠르게 생성할 수 있습니다. 하버-보슈법은 지금도 암모니아를 생성할 때 주로 활용하는 방법입니다.

또 다른 예시로는 차량의 촉매 변환기가 있는데, 탄화수소나 일산화탄소, 질소 산화물 같은 중독성 화합물의 배출을 90% 줄이기 위해 백금, 팔라듐 또는 로듐을 사용합니다.

지속 가능한 화학 분야에서 촉매의 역할

지속 가능성이라는 개념이 최근에 주목을 받고 있는 것 같지만, 사실 지속 가능한 환경 정책은 1987년 UN이 '우리 공동의 미래(Our Common Future)'라는 보고서를 발표한 이후로 논의가 이어져 왔습니다. 이 획기적인 보고서에서는 오늘날 일반적으로 생각하는 지속 가능한 개발을 위한 주요 원칙을 제시했는데, 지속 가능한 개발을 "미래 세대가 자신들의 요구를 충족할 수 있는 역량을 보존하면서 현재의 요구를 충족하는 개발"이라고 정의하였습니다. 이러한 정의는 모든 생산품에 지속 가능성을 적용하는 것이 얼마나 중요한지 보여 줍니다.

지속 가능성에 대한 중요성이 점점 더 강조되면서 제품과 공정의 설계 방식에 변혁을 일으키는 지속 가능한 화학 또는 '친환경' 화학을 위한 움직임도 활발해지고 있습니다. 이 혁신적인 접근법의 목표는 화학적 생산 과정에서 천연 자원의 활용도를 높이는 것입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 세 가지 핵심 요건을 충족해야 하는데, 바로 소비 에너지 최소화, 친환경적 화학물질 수용, 효율적인 재료 수명 주기 관리입니다. 지속 가능한 화학은 이러한 방식을 통해 친환경성과 자원 효율성이 더 뛰어난 미래로 향하는 길을 열어 줍니다.

지속 가능한 정책을 준수하는 데 있어 촉매제는 아주 중요한 역할을 하며, 목표 달성을 위한 귀중한 도구를 제공합니다. 촉매제는 생분해성 플라스틱 개발에 기여하여 유해 물질에 대한 의존성을 줄여 주었습니다. 또한 연료와 비료를 만드는 데에는 촉매제가 굉장히 중요하며, 효율성을 최적화하고 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 촉매 작용의 힘을 활용하면 지속 가능성을 주요 원칙으로 삼아 다양한 분야에서 놀라운 업적을 달성할 수 있습니다.

촉매제에 대한 수요가 급증하면서, 지속 가능한 에너지 생산 관련 문제를 해결하고 산업적 배출물을 줄이고 기후 변화에 대응할 목적으로 친환경적인 제품을 찾는 사람들이 많아졌습니다. 이제 CAS Content Collection™의 데이터를 활용하여 지속 가능한 촉매제 연구의 최신 동향과 해당 분야의 주요 발전 사항에 대해 알아보겠습니다.

촉매제의 지속 가능성 높이기

백금, 팔라듐, 이리듐 등의 귀금속은 높은 안정성과 온도 내성 같은 우수한 촉매적 속성 때문에 널리 사용되고 있습니다. 또한 소노가시라 결합, 스즈키-미야무라 결합, 헥 반응 같은 다양한 화학 반응을 촉진하기 위해 사용하기도 합니다.

그러나 이처럼 유용한 귀금속은 높은 비용과 희소성이라는 단점을 가지고 있습니다. 이 귀중한 금속들은 주로 많은 양의 저급 광석에서 얻어낼 수 있는데, 아주 적은 양을 추출하기 위해 대대적인 채광 작업을 진행해야 합니다. 이러한 추출 과정은 많은 에너지를 소모할 뿐 아니라 환경에 안 좋은 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 따라서 촉매 부문에서 귀금속을 활용할 때에는 해당 작업이 환경에 미치는 영향과 지속 가능성을 염두에 두고 신중하게 결정을 내려야 합니다.

귀금속의 경제적, 환경적 비용으로 인한 제약과 전 세계적인 촉매제 수요의 증가에 따라 연구원들은 대체제 찾기에 박차를 가하고 있는데, 그중에서도 티타늄, 철, 코발트, 니켈 등의 비귀금속 전이 금속이 주목을 받고 있습니다. 이러한 금속은 귀금속과 비교했을 때 여러 가지 이점이 있습니다. 첫째, 양이 풍부해 촉매 부문에 안정적인 공급이 가능합니다. 또한 비귀금속 전이 금속은 비용 효율성이 더 뛰어나 경제적으로 우수한 대체제입니다. 그뿐만 아니라 독성 수준도 낮기 때문에 생산, 사용 시 잠재적인 위험이 줄어듭니다. 더 중요한 것은 이러한 금속이 환경적으로 무해해, 생태계에 미치는 안 좋은 영향을 최소화할 수 있다는 점입니다.

이러한 비귀금속이 매력적인 대체제인 것은 맞지만, 고유한 과제 또한 존재한다는 사실을 염두에 두어야 합니다. 비귀금속은 보통 귀금속보다 반응성이 더 높은 경우가 많은데, 높은 반응성이 촉매제의 품질 저하(내구성 감소)와 촉매 활동의 선별성 감소(부산물로 인한 폐기물 증가와 공정 효율성 감소)를 초래할 수 있습니다. 또한 비귀금속은 특성화가 복잡하고 까다롭습니다(표 1).

그럼에도 불구하고, 비귀금속을 활용한 지속 가능한 촉매제 개발이 많은 관심을 받고 있습니다. CAS Content Collection이 제공하는 통찰력을 살펴보면, 2012년 ~ 2022년에 비귀금속 촉매제/촉매 작용에 대한 간행물이 크게 증가했습니다(그림 1).

촉매 작용의 기술과 발전

지난 몇십 년 동안 실생활에 필수적인 제품을 위한 다양한 특수 촉매제가 개발되었습니다. 이러한 촉매제는 크게 전기촉매, 광촉매, 균일촉매, 생체촉매(또는 효소)와 같이 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

CAS Content Collection의 데이터를 살펴보면, 비귀금속 촉매제를 사용하는 지속 가능한 화학 부문에서 전기촉매 관련 간행물이 가장 많은 비중을 차지했습니다(그림 2 및 그림 3). 전기촉매는 전극 역할 또는 전극 표면에 도포되는 촉매 물질 역할을 하여 전기화학 반응에 기여합니다. 전통적으로는 전기촉매 작용에 백금이 널리 활용되었습니다. 하지만 희소성이 높고 많은 비용이 들어 연구원들이 대체제를 찾기 시작했습니다. 그중 주목할 만한 예시 중 하나는 코발트 원자로 강화한 질소 도입 그래핀을 사용한 사례로, 물에서 수소를 추출하는 것과 관련해 촉매제로서의 효율성과 내구성을 입증받았습니다. 이러한 접근법은 에너지 생성을 위한 저비용 촉매제 확보에 한층 더 가까워졌다는 것을 의미합니다.

광촉매의 경우 반도체 재료가 빛 에너지를 흡수하여 감소 및 산화 반응을 유도하는 EHP(Electron-Hole Pair)를 생성합니다. 물 분해 같은 반응과 관련된 에너지 및 환경 문제를 해결하기 위해서는 수소 생성과 오염 물질의 분해를 각각 진행하는 것이 중요합니다(그림 4). 그러나, 연구계에서는 태양광 에너지만을 사용해 물을 분해할 수 있는 비귀금속 반도체 재료를 찾아야 한다는 큰 과제를 안고 있습니다. 현재 이 영역에서는 공촉매 또는 복합 요소 나노통합을 비롯해 여러 전략을 모색하고 있습니다.

백금과 팔라듐 같은 귀금속은 높은 활동성과 안정성, 다목적성 때문에 균일촉매 작용에서도 널리 사용되고 있습니다. 그러나 균일촉매 부문에서 귀금속을 대체할 재료를 찾으려면 연구원들이 현재 진행 중인 복잡한 과제를 해결해야 합니다. 이러한 촉매제로 촉진할 수 있는 주된 반응 중 하나가 바로 스즈키 결합입니다. 팔라듐이 필요 없는 스즈키 결합을 입증했다고 주장한 보고서들이 추후 소량의 팔라듐 오염 물질을 촉매로 사용한 것으로 밝혀진 유명한 사례가 있습니다. 그러나 이 영역에서 요오드, 에오신, 테트라부틸암모늄 요오드화물 같은 라디칼 반응 개시제의 사용은 긍정적인 결과를 불러올 가능성이 있습니다(그림 5).

효소 기반 촉매제인 생체촉매는 지속 가능한 친환경 촉매제의 모범 사례에 해당합니다. 즉시 이용 가능한 재생 공급 원료로 만든 생체촉매는 유기적이며 생분해가 가능하고 독성이 없을 뿐만 아니라 약한 반응 조건에서도 작용합니다. 생체촉매의 잠재적인 주요 응용 분야는 바로 지속 가능한 바이오 연료 생성인데, 메탄올과 지방산의 에스터교환을 통해 식물성 유지와 지방을 활용합니다. 이러한 반응은 바이오디젤(지방산 메틸에스터)과 글리세롤이라는 부산물을 만들어 냅니다(그림 6). 또한 생체촉매와 금속 촉매제의 조합도 귀중한 분자 생성의 지속 가능성을 확보하기 위한 접근법으로 떠오르고 있습니다.

변화를 위한 촉매

UN Climate Change Conference(COP27)와 UN Biodiversity Conference(COP15)가 개최된 이후로, 보다 지속 가능한 정책을 수용하겠다는 기업들이 눈에 띄게 증가하고 있습니다. 촉매제는 여전히 화학 업계에 없어서는 안 될 요소이기 때문에, 필수적인 제품 생산 작업의 효율성과 지속 가능성을 높일 수 있는 새로운 촉매 개념을 모색하기 위한 연구가 탄력을 받고 있습니다. 이러한 요구에 따라 미국 에너지국은 근본적인 촉매 연구를 전적으로 지원하겠다고 약속했습니다.

지난 10년 동안 지속 가능한 촉매 연구 분야에서 이루어진 중대한 발전들로 미루어 보았을 때, 친환경적 솔루션을 위한 여정은 순조롭게 진행되고 있습니다. 아직 이 시장의 잠재력이 완전히 실현된 것은 아니지만, 앞으로 유기물, 무기물, 친환경 기반 물질을 아우르는 다양한 분야에서 비귀금속, 금속 기반 촉매제의 미래는 밝을 것이라고 예상합니다.

지속 가능한 촉매 작용의 미래에 대해 보다 많은 통찰력을 얻고 싶다면 최근 발표한 ChemRxV 간행물을 확인해 보십시오.

디지털화 ROI 극대화: 제약 비즈니스의 과제

평균적으로 제약 기업들은 신약 개발과 검증 및 마케팅에 10-15년을 투자합니다. 하지만 최근의 COVID-19 팬데믹과 성공적인 초고속 mRNA 백신 개발로 디지털 도구를 사용해서 프로세스를 가속화할 수 있는 잠재력이 주목받게 되었습니다. 이 엄청난 사건으로 인해 디지털 변혁을 이행하고 프로세스에 인지 도구를 구현하는 것에 대한 제약 산업의 관심도가 커졌습니다. 하지만 디지털화는 복잡하고 까다로울 수 있습니다.

제약 기업의 약 55%가 어느 정도 디지털 기술을 사용하고 있다고 답했습니다. 그러나 지식 관리에 대한 전문 지식과 디지털 도구에 대한 경험의 결여로 인해 이 스마트한 이니셔티브가 논란의 여지가 있는 투자로 전락하는 경우가 종종 있습니다. 디지털화 프로그램 중 약 70%가 실패하고 있는 가운데, 제약 기업들은 경쟁력을 제고하고 인생을 바꿀만한 의약품을 개발하기 위해 디지털화 투자처를 재평가하고 배포 전략을 최적화해야 합니다.

탄탄한 지식 관리, 인지 도구, 긴밀하게 관계되는 방식에 대한 깊이 있는 이해를 통해 제약 기업들은 모든 수준에서 프로세스를 혁신하고 글로벌 의료를 한층 더 개선할 수 있습니다.

디지털화 및 지식 관리: 혁신을 가속화하기 위한 회사 전반의 데이터 액세스 지원

제약 기업들은 성분 정보, 제형, 임상 시험 데이터부터 처리 시간, 생산 및 품질 관리 보고서까지 수많은 정보를 만들어냅니다. 기존 정보 출처와 사일로화된 데이터베이스 사용 시 이러한 새 문서가 빠르게 쌓이기 때문에 검색이 까다로워지게 됩니다. 비구조적이고 비조화적인 과거 실험 결과는 모든 조직 지식의 55%에 달하는 “다크 데이터”가 되고 맙니다.

부서들 간 과거 데이터에 쉽게 액세스할 수 없는 제약 기업들은 이전의 실수를 되풀이하거나 이미 답이 있는 질문을 조사할 가능성이 있습니다. 혁신을 가속화하고 제품 출시 기간을 대폭 단축하기 위해서는 디지털화가 핵심입니다.

제약 기업들은 실험실 저널, 데이터세트 및 보고서와 같은 과거 문서를 연결된 지식 관리 플랫폼에서 검색할 수 있는 자산으로 변모시키고 있습니다. 이러한 변화를 통해 조직 전체에서 성분 수준 정보, 공급자 정보, 규제 가이드라인 및 기타 과학 및 비즈니스 인텔리전스에 액세스할 수 있습니다. 이러한 기업들은 온라인 사용자 인터페이스를 도입해 여러 부서와 여러 지역의 팀을 연결하는 방식으로 디지털화를 한 단계 더 끌어올리고 있습니다.

제약 기업들은 신중한 디지털화를 통해 R&D, 제조 및 상용화를 한층 더 용이하게 하고 간소화 및 확장하는 동시에 학제간 작업과 국제 협업을 촉진할 수 있습니다.

약물 개발 간소화: 인지 도구를 사용한 치료법 혁신 가속화

디지털화 시대가 연구원들에게 출시 속도와 안전성을 개선할 수 있는 혁신적인 도구를 제공하면서 제약 산업을 변모시키고 있습니다.

1년이 채 안 되는 기간에 COVID-19 백신을 개발한 Pfizer는 제약 산업의 핵심 기업으로 입지를 다졌습니다. Pfizer는 인력 효율이 반론의 여지가 없으며 Pfizer의 전례 없는 대응 시간과 경쟁 우위는 팬데믹 전 오랜 기간 구현해온 잘 구축된 파이프라인에 뿌리를 두고 있습니다. 디지털 전략의 개척자인 Pfizer는 제약 부문에 대한 지식 관리와 데이터 분석 및 AI 이니셔티브의 변혁적인 잠재력을 이해해 일상의 기업 운영에 접목시켰습니다.

전문 지식과 연구 데이터를 수십 년 동안 축적해온 이 거대 제약 기업은 주요 후보를 가장 안전한 최고의 옵션으로 좁힐 수 있습니다. 예를 들어, 이전 임상 데이터와 AI 기반 알고리즘의 결합으로 연구원들은 COVID-19 공격률에 대한 실시간 예측 모델을 사용해서 방대한 임상 시험을 설계하고 감독할 수 있었습니다. 지식 관리 전략과 AI 모델을 실험실 밖으로까지 적용해 재고 예측과 공급망 모니터링이 가능해져 백신 개발과 배포, 접근이 간소화되었습니다.

가치 체인 전반에 배포된 강력한 데이터 토대와 인지 도구 덕분에 COVID-19 백신 개발 경쟁에서 Pfizer가 가장 선두에 설 수 있었습니다. 초기 약물 후보 선택부터 치료 모니터링까지, 인지 도구의 약물 개발 가속화 능력이 입증되었습니다. 하지만 AI 예측 정확도를 최대치로 끌어올리기 위해서는 명확하고, 엄선되고, 보호되는 데이터세트를 통한 올바른 트레이닝이 필요합니다. 제약 R&D 워크플로에서 AI를 시작하거나 최적화하려면 먼저 데이터 및 지식 관리 인프라의 품질을 평가해야 합니다.

디지털화 및 데이터 보안: 독점 정보와 환자 개인 정보 및 연구 무결성 보호

제약 산업은 광범위한 신약 개발 단계와 임상 시험을 통해 중요한 제조 프로세스와 환자 건강 정보에 액세스할 수 있습니다. 이러한 정보는 경쟁사와 악의를 가진 사람들의 표적이 될 만한 귀중한 데이터입니다. 사이버공격(거의 39초에 1건)과 의료 신원 도용(2019년 35%)이 증가하면서 제약 산업에서 견고한 보안 전략을 구현하는 것이 긴급한 사안으로 떠오르고 있습니다.

보고서에 따르면 사이버 공격자의 주된 표적으로 제약 기업이 꼽혔으며, 개인 정보 보호 위반의 53%가 악의적인 활동으로 인한 것이었습니다. 기밀 정보가 다양한 부서와 플랫폼, 소프트웨어에 퍼져 있기 때문에 기업들이 데이터 보호 및 보안 환경을 보장하기가 까다로운 상황입니다. 조직 단위 지식 관리 인터페이스를 구현하면 데이터 위반을 없애면서 엄격한 사용자 액세스 제어가 가능합니다. 제약 산업에서는 연구원과 임상의들이 안전하게 민감한 정보를 공유하고 장치 혼란 리스크를 피할 수 있는 보안 채널을 갖춘 클라우드 기반 협업적 플랫폼이 더욱 보편화되고 있습니다. 그러나 사일로화된 현장 레거시 솔루션에서 클라우드 기반 플랫폼 또는 맞춤형 하이브리드 버전으로 전환하는 것은 복잡하고 채택 속도가 느립니다. 데이터를 보호하는 동시에 업데이트된 지식 관리 생태계로의 원활한 전환을 위해 제약 기업들은 관련 지식을 갖춘 디지털 변혁 파트너를 찾아야 합니다.

제약 부문의 디지털 변혁

디지털화는 보다 나은 지식 관리, 혁신 가속화, 데이터 보안 개선과 함께 의약품 출시 기간 단축 등 제약 산업을 극적으로 변모시킬 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 디지털 변혁 전략을 잘못 구상하면 리소스 낭비와 리스크 증가를 초래할 수 있습니다.

제약 부문의 디지털 변혁이 계속해서 진화하면서, 약물 개발 가속화와 점점 더 증가하는 건강 상태에 맞춰 치료 옵션 확대 등 제약 산업의 모든 측면에서 디지털 기술 및 인지 도구의 활용 방안을 모색하고 있습니다. 디지털 변혁은 지속 가능하고 책임감 있고 접근 가능한 방식으로 혁신적인 의료 솔루션을 구현할 수 있도록 지원합니다.

디지털 변혁과 데이터 관리에 대해 자세히 알아보려면 CAS Custom Services^SM의 사례 연구를 확인해 보십시오.

화장대 위에 수많은 제품을 늘어놓고 오랜 시간 공을 들여 화장을 하는 시대는 지났습니다. 모든 것이 빠르게 진행되는 현대 사회에서, 소비자들은 하나의 제품으로 여러 효과를 얻을 수 있는 방법을 찾고 있습니다.

이제 다기능성 화장품의 시대가 열렸습니다.

보습, 안티에이징, 잡티 개선 효과가 있는 스킨케어 제품이든 부스스함 방지 및 손상모 케어 효과가 있는 인샤워 컨디셔닝 헤어 마스크든 상관없이, 화장품에 대한 소비자들의 기대치가 그 어느 때보다 높습니다. 소비자의 요구가 커지면서, 화장품 업계는 여러 가지 고민을 한 번에 해소할 수 있는 제품을 계속해서 만들어내야 한다는 압박감에 시달리고 있습니다.

조제자는 나노기술 같은 새로운 전달 시스템과 키토산, 리그닌 같은 다기능성 성분에 대한 최근 개발 사항을 숙지하여 이 빠르게 변화하는 까다로운 시장에 계속해서 혁신적인 제품을 선보일 수 있습니다.

핵심 성분

화장품 업계에서 다기능성 화장품을 제조하기 위해 사용할 수 있는 유용한 도구 중 하나가 바로 '핵심 성분'입니다. 이러한 성분은 다양한 이점을 동시에 제공하므로 몇 가지 성분만으로 다양한 고민을 해소할 수 있는 제형을 만들 수 있습니다.

몇 가지 일반적인 화장품의 핵심 성분은 다음과 같습니다.

더 적은 성분을 사용하는 '클린 화장품'에 대한 소비자들의 관심이 커지면서, 하나의 성분으로 화장품에 관한 모든 요구를 충족시키고 싶은 사람들에게 핵심 성분은 굉장히 매력적인 투자 대상입니다. 이러한 성분은 제형을 만드는 데 도움이 될 뿐 아니라 많은 사람들에게 '내추럴' 또는 '클린' 제품으로 분류되고 있어 마케팅 측면에서 확실한 이점을 제공합니다.

막강한 힘을 가진 하이드레이터

하이드레이터는 가장 다재다능한 화장품 성분 중 하나입니다. 이 성분은 피부, 모발, 손톱 보습 효과를 주기 위해 자주 사용되며, 이러한 모든 신체 부위의 보습을 위한 다목적 제품을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 최근에는 보습 세럼과 오일을 핸드 크림, 페이스 모이스처라이저, 바디 모이스처라이저, 그리고 헤어 컨디셔닝 마스크로 사용할 수 있는 단일 제품으로 판매하고 있습니다.

보습 성분은 신체의 여러 부위를 보습하는 것 외에도 다양한 용도로 사용이 가능합니다. 예를 들어 안티에이징, 항산화, 항균 효과를 제공하는 다기능성 화장품에 사용할 수 있습니다. 시어버터와 코코넛 오일 같은 식물성 오일은 화장품 업계에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 새로운 연구에서는 키토산을 새롭게 주목받는 성분으로 꼽았습니다.

키토산은 피부와 모발에 사용 가능하며 보습 및 보호 효과가 있습니다. 키토산은 다음과 같은 효과를 제공한다고 알려져 있습니다.

• 보습 효과
• 피부 진정 효과
• 항균 효과
• 스킨 컨디셔닝
• UV 차단
• 항산화 효과

뛰어난 항산화제

항산화 효과가 있는 키토산은 시어버터, 코코넛 오일, 나이아신아마이드, 그리고 프로폴리스와 같이 주된 화장품 성분으로 자리잡게 될 것입니다. 이러한 성분은 각기 다른 다기능성을 가지기 때문에 항산화 효과가 있는 화장품을 제조할 때 다양한 선택지를 제공합니다.

최근 주목을 받고 있는 또 다른 항산화 화장품 성분은 바로 리그닌입니다. 사탕수수 같은 천연 물질에서 추출하는 리그닌은 고유한 항산화 효과를 제공하며, 이러한 특성을 화장품에 적용할 수 있습니다. 2023년에 진행한 연구에서는 리그닌이 화장품 표준을 기준으로 다른 성분과 동일하거나 약간 더 우수한 수준의 활성 산소 제거 능력을 보유한 것으로 밝혀졌습니다. 또한 이 연구에서는 리그닌을 천연 화장품 안료와 UV 차단제로 사용할 수 있다고 밝히며 미래의 핵심 성분이 될 가능성이 크다는 사실을 강조했습니다.

우수한 자외선 차단 효과

리그닌의 잠재적인 UV 차단 효과는 항산화 효과보다 더 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 시험관과 자원봉사자들을 대상으로 진행한 연구에서 강력한 UV 차단 효과를 보여준 리그닌은 UV 차단 다기능성 화장품의 미래에 큰 도움이 될 기회를 제공합니다. 자외선 차단에 대한 중요성이 대두되면서, 소비자들은 다른 피부 관련 고민도 해결해 주는 SPF 제품을 찾고 있습니다.

또 다른 연구에서는 로즈마린산을 자외선 차단제 제형에 추가하였는데, 그 결과 SPF 효과가 41% 증가하고 항산화 효과도 더해졌습니다. SPF가 포함된 다기능성 화장품 제형의 주된 장애물 중 하나가 바로 새로운 성분을 추가했을 때 해당 제품의 자외선 차단 효과가 떨어지면 안 된다는 것인데, SPF 효과를 높이고 다른 이점까지 제공하는 로즈마린산 같은 성분이 제형 부문에 아주 큰 변화를 불러올 것입니다.

탁월한 잡티 개선 효과

잡티 개선 제품은 보통 피부 보습, 상처 치유, 항산화 효과를 비롯해 여러 가지 기능을 함께 제공해야 합니다. 소염 및 항균 작용을 하는 성분은 여드름을 억제하는 데 도움이 되고, 상처 치유 및 피부 장벽을 복구하는 성분은 흉터를 줄이는 데 도움이 됩니다. 잡티 개선 성분은 이러한 방식으로 하나의 주된 목적을 달성하기 위해 다양한 기능을 함께 제공해야 합니다.

화장품 업계에서 광범위한 항균 및 소염 성분이 활용되면서, 제조자들은 여러 활성 성분 중 원하는 것을 선택할 수 있습니다. 일반적으로 알로에베라, 위치하젤, 살리실산, 과산화벤조일, 레티놀을 잡티 개선 제품에 사용하는데, 모이스처라이저 같은 제품에 항균 및 소염 효과를 더해줍니다.

하지만 핵심 성분만 중요한 것은 아닙니다. 혁신적인 성분 전달 방식을 마련하면 핵심 성분의 효능과 지속성이 증가합니다. 최근에는 피부와 접촉했을 때 활성 성분을 천천히 방출할 수 있는 화장품용 여드름 방지 성분의 나노기반 전달 시스템이 개발되었는데, 이 시스템을 사용했을 때 항균 및 항산화 효과가 증가했습니다.

최고의 제형

소비자들이 사용하는 화장품의 수를 계속해서 줄이고 있는 오늘날, 화장품 업계는 전에 없이 수준 높고 다재다능한 제형을 만들어야 한다는 과제에 직면하고 있습니다. 핵심 성분을 최대로 활용하여 화장품 제형에 더 많은 기능을 담으면 개발자가 이러한 목표를 달성하고 다기능성 화장품의 새로운 흐름을 주도하는 데 도움이 됩니다.

제조자는 키토산과 리그닌 같은 전도유망한 핵심 성분에 투자하여 제품 개발을 진전시키고 나노기술을 사용하는 새로운 전달 시스템을 채택해 기존 성분에서 전례 없이 많은 기능을 확보할 수 있습니다. 또한 다기능성 화장품에 대한 최신 연구 결과를 끊임없이 확인함으로써 계속해서 혁신적인 개발을 지원하고 소비자의 기대치를 뛰어넘는 화장품을 선보일 수 있습니다.

AI를 사용하여 역배합을 예측하기 위해 Citrine과 파트너십을 맺은 방법을 알아보고 최고의 제형을 만드는 데 CAS가 어떤 도움을 줄 수 있는지 자세히 확인해 보십시오.

소비자들이 개인적인 사유와 건강에 맞춰 식단을 바꾸고 지속 가능성이 뛰어난 식사를 추구하는 사회적 흐름이 자리잡으면서, 지난 몇 년간 식물성 고기를 찾는 사람들이 급증했습니다. 이 부문에서 이루어지는 혁신은 계속해서 대체육의 품질을 높이고 전에 없이 많은 선택지를 제공하는데, 이에 따라 시장은 점점 더 세분화되고 경쟁도 치열해지고 있습니다.

식물성 고기의 지속 가능성은 이러한 제품에 대한 대중의 관심을 높이는 가장 큰 동인 중 하나이므로, 소비자들은 좋아하는 음식을 먹는 일을 포기하지 않고도 고기 섭취량을 줄이고 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 도움이 될 대안을 찾고 있습니다. 제조업체들은 어떻게 맛과 식감에 대한 소비자들의 높은 기대치에 부합하는 지속 가능성이 뛰어난 양질의 제품을 제공할 수 있을까요?

식물성 대체육의 지속 가능성

축산업이 환경에 미치는 부정적인 영향은 오래 전부터 연구를 통해 잘 알려진 사실입니다. 가축과 축산업계가 배출하는 온실가스는 전 세계 온실가스의 약 15%를 차지합니다. 2031년까지 이러한 배출량이 9% 더 증가할 것으로 예측되는 가운데, 고기에 대한 수요를 줄일 수 있는 해결책을 찾는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

이러한 해결책 중 하나가 바로 식물성 고기입니다. 탄소 배출량 측면에서 보았을 때, 식물성 고기가 고기보다 최대 120배 더 뛰어난 효율을 자랑합니다. 2021년에 진행한 연구 결과 식물성 패티는 소고기 패티보다 기후 변화에 주는 부담이 77% 더 적었으며 이용하는 토지와 용수의 양이 더 적고 부영양화, 산성화 현상이 줄어들었습니다.

식물성 고기의 지속 가능성에 대한 주된 비판은 바로 대체육의 지속 가능성이 자연식물식의 식단만큼 지속 가능하지는 않을 수 있다는 것입니다. 이러한 비판은 일리가 있지만, 고기를 먹는 사람들에게는 자연식물식 식단으로 전환하는 것보다 대체육이 지속 가능한 식단으로의 전환을 더 용이하게 합니다.

식단 전환하기

현재 기후 위기에 대한 우려가 팽배하고 유축농업이 환경에 어떠한 영향을 미치는지 널리 알려져 있음에도 불구하고, 아직도 많은 소비자들이 식단에서 고기를 제외하는 것을 어려워합니다. 지속 가능성을 높이고 싶다는 마음만으로 고기의 섭취량을 줄이거나 고기 섭취를 끊어내게 하는 데는 어려움이 있습니다. 식물성 고기는 대체품이 이러한 난제를 해결할 수 있는 완벽한 방안을 제시합니다.

혁신가들은 맛과 식감이 고기와 유사한 식물성 제품을 개발함으로써 소비자들에게 고기와 자연식물식의 이점을 모두 제공할 수 있습니다. 채식으로 완전히 전환하고 싶지는 않은 소비자들이 대체육을 많이 찾고 있기 때문에 제조업체들은 유연한 채식을 지향하는 이러한 고객을 대상으로 설정하는 것이 중요합니다. 배스대학교의 조사에 따르면, 식물성 고기와 유제품을 섭취하는 사람들의 90%가 여전히 고기를 식단에 포함시키고 있었습니다.

섭취하는 고기의 일부를 식물성 대체육으로 바꾸면 지속 가능성을 높일 수 있다고 생각하는 소비자들이 많아지고 있는데, 이러한 제품이 정말로 의미있는 지속 가능성을 제공할까요? 연구 결과에 따르면 그렇다고 합니다. 아주 작고 실천하기 쉬운 계획이지만, 이러한 변화가 환경에 아주 큰 영향을 미치게 됩니다. 한 연구 결과에 따르면 독일에서 소비하는 고기의 5%만 완두콩 단백질로 대체하면 연간 온실가스 배출량을 800만 톤이나 줄일 수 있습니다.

제조업체들은 이러한 방식으로 친환경적인 미래로 향하는 제대로 된 길을 만들어낼 수 있으며, 대다수의 사람이 더 쉽게 받아들일 수 있습니다. 또한 계속해서 혁신을 거두고 자사 제품의 지속 가능성을 높임으로써 환경에 관심이 많은 소비자들의 이목을 끌고 식물성 고기의 지속 가능성에 대한 투자를 지속적으로 장려할 수 있습니다.

식물성 단백질 선택

새로운 대체육을 개발할 때 가장 중요한 것은 바로 활용할 식물성 단백질을 선택하는 것입니다. 단백질원은 제품의 맛과 식감, 영양 성분, 지속 가능성에 영향을 미치며, 제조업체는 이러한 모든 영역에서 소비자의 마음을 사로잡아야 합니다. 소비자의 수요가 크게 증가하면서, 2030년까지 식물성 단백질 시장의 규모는 $1,620억에 달할 것으로 예상됩니다. 오늘날 이 방대한 업계에는 혁신가들이 선택할 수 있는 다양한 단백질원이 존재하며 그중 현재와 미래의 단백질원으로 자리를 잡은 식재료는 다음과 같습니다.

가격이 저렴하고 공급량이 준수하고 영양가가 높은 대두, 밀, 완두콩 단백질원은 해당 업계에서 최초로 상용화된 식물성 단백질입니다. 이러한 이점을 기반으로, 옥수수, 쌀, 병아리콩, 균류, 카놀라를 비롯한 새로운 단백질원들은 제품 개발을 위한 기능성 개선에 초점을 맞추고 있습니다. 그러면 개발자들이 더 큰 제어권을 가지고 소비자가 원하는 맛과 식감을 가진 제품을 만들어 낼 수 있습니다.

여기서 한발 더 나아가, 조류와 세포 대체제 같은 미래의 단백질원은 가장 높은 수준의 지속 가능성을 확보하는 것을 목표로 삼고 있습니다. 여전히 식물성 단백질에 대해 회의감을 가지는 소비자들이 존재하지만, 식물성 단백질은 재생 가능성이 더 높고 환경에 미치는 영향이 매우 적어 식물성 고기의 지속 가능성을 높여 줍니다.

향후 식물성 고기의 지속 가능성

식물성 대체육은 향후 지속 가능성 측면에서 상당히 중요한 역할을 합니다. 고기를 먹는 사람들이 식습관을 바꾸지 않고 쉽게 고기 섭취량을 줄일 수 있는 방안인 대체육은 훨씬 더 많은 사람들이 고기 섭취량과 환경에 미치는 영향을 대폭 줄일 수 있도록 도와 줍니다.

이러한 환경적 변화를 위해서는 기업들이 고기의 맛, 식감, 외형을 최대한 똑같이 재현하는 매력적인 제품을 개발해야 합니다. 더 많은 지속 가능한 식물성 단백질원에 대한 연구가 진행되고 있어 식물성 고기의 인기는 앞으로도 계속해서 증가할 것으로 예상됩니다. 지속 가능한 농업과 탄소 배출량 감소에 도움이 되는 새로운 비료 관련 접근법에 대해 좀 더 자세히 알아보려면 지속 가능한 농업에 대한 최신 기사를 읽어 보십시오.

친환경 촉매제부터 시작되는 그린 케미스트리라는 이 새로운 분야에서 최근 어떤 일이 일어나고 있을까요? 촉매제는 산업체, 규제 기관 및 R&D 실험실에서 필수 불가결한 요소이며 CAS의 최신 요약본에서는 새로운 기회와 과제, 혁신을 소개합니다. 촉매제는 에너지부터 농업과 제약 분야까지 산업 전반에 걸쳐 지속 가능성 지표를 개선하는 데 있어 필수 요소일 수 있습니다.

전 세계적으로 증가하고 있는 암에 대한 부담

인구의 고령화가 진행되고 암 관련 주요 위험인자의 분포와 유병률이 변하면서 전 세계적으로 암과 관련 사망률에 대한 부담이 빠르게 증가하고 있습니다. 또한 2040년에는 암 진단 사례가 284만 건에 달할 것으로 예측되는데, 2020년과 비교했을 때 무려 47%나 증가한 수치입니다.

여성 유방암의 경우 폐암을 넘어 가장 많이 진단된 암으로 나타났으며, 2020년 신규 환자 수가 약 230만 명(11.7%)에 달했고 폐암(11.4%), 대장암(10.0 %), 전립선암(7.3%), 위암(5.6%)이 그 뒤를 이었습니다. 면역 관문 억제제 같은 면역 치료는 암 치료 가능성을 크게 높여 주는 획기적인 기술입니다. 하지만 면역 치료가 모든 암을 치료하는 만병통치약은 아닙니다. 모든 종양이 면역치료제에 반응하는 것은 아니며, 내성 기전 때문에 종양의 면역 회피 현상이 발생하거나 종양이 커지기도 합니다.

비록 현재 미국식품의약국에서 승인한 mRNA 암 백신은 존재하지 않지만, 면역 관문 억제제인 펨브로리주맙(Merck)과 함께 임상시험용 백신 mRNA-4157-P201(Moderna)에 대한 혁신 치료제로 지정되어 완전절제술 후 고위험 흑색종의 보조 치료와 관련된 연구가 진행되고 있습니다. mRNA COVID-19 백신의 성공으로, 연구원들은 암 세포 치료에 mRNA 백신 기술을 활용할 수 있다고 믿고 있습니다. 그렇다면 머지않아 mRNA 요법을 암 치료에 활용할 수 있게 되는 것일까요?

 새로운 가능성 — mRNA 백신과 암

많은 사람들의 눈에는 COVID-19 mRNA 백신이 하룻밤 사이에 개발된 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 수년간의 연구로 독감, 거대세포바이러스, 지카 백신을 위한 토대를 마련하지 않았다면 이러한 백신의 신속한 설계와 제조, 테스트는 불가능했을 것입니다.

1995년에 진행한 주요 연구에서는 네이키드 RNA 부호화 암배아 항원을 쥐의 근육 안에 주사했을 때 항원 특이성 항체 반응을 이끌어 낼 수 있었습니다. 그다음 해에 진행한 또 다른 연구에서는 mRNA 감염 수지상 세포를 종양이 있는 쥐에게 주사했을 때 T세포 면역 반응이 나타나면서 해당 종양의 성장이 억제되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이러한 결과를 토대로 수많은 연구들이 mRNA 기반 기술의 실현 가능성과 효과, 안전성을 조사하기 시작했습니다. 그러나 최근까지도 불안정성, 선천적인 면역원성, 그리고 비효율적인 체내 전달 방식으로 인해 mRNA 백신의 활용도와 치료 응용 부문이 제한적이었습니다. 따라서 연구원들은 mRNA 염기서열을 인체에 주사할 때 일종의 방어 체계 없이도 외부 물질로 인식되어 파괴되는 일 없이 mRNA를 특정 목적지까지 전달해야 한다는 주요 과제에 직면하게 되었습니다.

신종 코로나바이러스 SARS-CoV-2의 치료를 위한 mRNA 백신이 신속하게 개발되면서 기초연구에서 임상 방식(bench to bedside)의 mRNA 백신 사용 속도가 빨라졌습니다. 예를 들어, Pfizer-BioNTech 백신과 Moderna 백신은 지질 나노입자(LNP)를 활용하여 mRNA를 표적 세포로 전달하는 방식이 얼마나 효율적인지 보여 주었습니다. 2019년 말에는 SARS-CoV-2가 빠르게 확산되면서 mRNA 치료법에 대한 논문과 특허 출원 수가 전 세계적으로 급증하였습니다. 2020년 이후에는 동일한 주제를 다루는 논문들이 급격하게 많아졌으며, 2021년에는 3,361개, 2022년에는 약 5,000개까지 그 수가 증가했습니다. 특허 출원 수는 2020년 이후에도 상향세를 이어 나가고 있으며 2021년에는 특허의 수가 382개에 달했고 2022년에는 510개까지 증가한 것으로 추정하고 있습니다(그림 1).

COVID-19 mRNA 백신의 성공은 mRNA 플랫폼이 다른 전염병 뿐만 아니라 암에도 활용될 수 있다는 가능성을 제시하였습니다. 바이러스 연구 결과, 암 백신 개발도 가능할 것이라는 전망이 나오고 있습니다.

면역 체계 강화 — mRNA 암 백신의 작용 기전

mRNA는 암 백신 분야에서 다양하게 활용할 수 있는데, 연구원들이 암의 면역 치료를 위해 다음과 같은 여러 전략을 탐구하고 있습니다.

• 항원 제시: mRNA 백신이 주조직적합성 복합체 I형과 II형을 나타내기 위해 암 항원을 항원 제시 세포(APC)에 전달합니다. 
• 보조 기능: mRNA가 APC로 발현된 패턴 인식 수용체에 결합되어 면역 활성화를 자극합니다. 
• 항원 수용체: mRNA가 키메라 항원 수용체(CAR)와 T세포 수용체와 같은 항원 수용체를 림프구에 도입합니다. 
• 단백질 생산: mRNA를 통해 톨유사 수용체, 케모카인 수용체, 공동자극분자, 사이토카인, 케모카인, 그리고 다양한 단클론 항체 형식을 포함하는 레날리도마이드 단백질을 여러 세포 아집단으로 발현할 수 있습니다.

mRNA를 통한 암 치료가 곧 실현될 수 있을까요?

Genentech, CureVac, Moderna 같은 기업들이 표적 종양에 대한 면역 반응을 이끌어낼 수 있는 부호화 네오에피토프를 보유한 mRNA 백신을 개발하고 있습니다. 수십여 건의 임상 시험에서 췌장암, 대장암, 흑색종 같은 다양한 유형의 암을 보유한 환자와 관련해 mRNA 백신을 단일 치료제 또는 병용 치료제의 일부로 테스트하고 있습니다. 여러 후보가 임상 2상에 진입하였으며, 흑색종, 비소세포폐암, 전립선암에서 우수한 효과를 보였습니다(표 1).

표 1. 암 임상 시험 단계에 있는 mRNA 백신(2상 이상) 

mRNA 암 백신이 연구 커뮤니티 내에서 관심을 받는 동안, 오래 전부터 대다수의 종양학 연구는 mRNA 치료법을 중심으로 진행되어 왔으며, 다음을 포함하여 다양한 후보들이 임상 개발 단계에 접어들고 있습니다(표 2). 

• TriMix-MEL(eTheRNA 면역 치료): 암에 대항하는 주요 면역 세포를 활성화하는 세 가지 mRNA의 조합입니다. 
• mRNA 치료법(BioNTech): 여러 암에서 발현되는 단백질인 클라우딘 18을 표적으로 삼는 단클론 항체를 부호화합니다. 
• LNP 캡슐화 mRNA(MedImmune LLC): 종양 안에 주사하는 방식으로 투약하며 국소적인 인터류킨-12(IL-12) 생산을 주도하고 항종양 면역성을 유도합니다. 

표 2. 암 임상 시험 단계에 있는 mRNA 치료제

mRNA 암 백신 실현

최근 몇 년간 mRNA 암 기술 분야에서는 여러 가지 큰 발전을 이루어냈지만, 아직까지도 근본적인 과제들이 남아 있습니다. 우선, mRNA 암 백신은 특정 포장과 전달 시스템이 필요하며 표적 조직/기관에 대해 적합한 수준의 친화성이 있어야 합니다. 현재 연구원들이 이러한 목표를 달성하기 위한 접근법을 평가하고 있으며, 기관 표적형 성분을 올리고뉴클레오타이드에 결합하는 방식도 고려하고 있습니다. mRNA의 전달 수단으로 LNP가 가장 많이 연구되긴 했으나, 세포 독성에 대한 우려와 상대적으로 짧은 순환 시간 때문에 임상 적용 단계가 지연되고 있습니다. 따라서 mRNA 약리물질의 생체이용률, 부하, 방출을 개선하기 위해 이를 대체할 다양한 스마트 전달 시스템(예: 엑소좀)을 평가하고 있습니다.

mRNA 약리물질을 성공적으로 전달하는 것만으로는 부족합니다. 연구원들은 효과를 극대화하기 위해 체내 단백질 발현율을 높일 수 있는 접근법을 조사하고 있습니다. 캡, 5′ 및 3′ 부위, 개방형 해독틀, 폴리아데닐화된 꼬리를 포함한 mRNA의 모든 부분을 최적화하여 단백질 발현율을 높일 수 있습니다. 화학적으로 변성된 뉴클레오시드가 이 영역에서 높은 가능성을 보였습니다.

발현되는 단백질의 양 외에도 mRNA 백신은 상대적으로 짧은 단백질 생산 기간을 반드시 극복해야 하는데 이를 위해 약물의 반복 투여가 필요합니다. 현재 RNA의 수명과 총 단백질 생산량을 늘리기 위해 자가 증폭형 mRNA와 원형 mRAN을 활용하는 전략을 탐구하고 있습니다.

아직도 갈 길이 멀지만 mRNA 백신은 다양하게 활용 가능한 임상 수단이며, 단독으로 사용하거나 면역 관문 억제제 같은 기존의 치료법과 함께 사용하여 여러 유형의 암을 치료할 수 있는 가능성을 보이고 있습니다. 모두가 하루빨리 최초의 mRNA 치료법이 출시되기를 기다리고 있지만, 전 세계가 느끼는 암에 대한 부담을 줄이기 위해 여러 혁신적인 전략의 관점에서 결과를 탐구하는 것 또한 흥미로운 과정이 될 것입니다.

mRNA 백신과 치료법에 대해 좀 더 자세히 알아보려면 ACS Pharmacology and Translational Science에서 상호 심사를 거친 학술지 간행물을 읽어 보십시오.

중국 항저우의 서호 대학교와 함께 작성한 이 CAS Insights 보고서에서는 생물학적 시스템과 상호작용하는 바이오소재의 미래를 재정의하고 있는 하이드로젤, 항미생물제, 지질 나노입자, 엑소좀 등의 최신 동향을 다룹니다. 이 보고서에서는 바이오소재와 관련이 있는 여러 업계 및 분야의 새로운 기회와 최신 트렌드 및 주요 과제에 대해 설명합니다. 자세한 내용은 아래의 상세 보고서에서 알아보십시오.