행성의 기원을 감지하고 지구의 생명력을 향상하는 Carboxen^® 기술

1997년 10월 15일 아침 케이프 커내버럴의 하늘에 동이 트기 전, 카시니호는 토성계를 탐사하기 위한 7년 동안의 21억 마일의 여정을 시작했습니다. 항해 중 조개 모양의 하위헌스 탐사선은 토성의 얼음 위성 중 하나인 타이탄에 최초로 착륙을 시도할 예정입니다. 이 임무의 목적은 토성의 고리와 그 위성의 미스테리에 대한 정보를 수집하고 우리 태양계의 기원을 살펴보기 위한 것입니다.

카시니호 내부에 깊숙하게 숨어있는 하위헌스 탐사선은 탄소 기술의 작은 구형 형태로 분석용 기체를 수집하고 농축할 수 있습니다. Supelco^® 포트폴리오의 Carboxen^® 우주 비행사들은 흡착 기술이 존재하지 않던 곳으로 용감하게 나아갈 준비가 되어 있으며, 그들이 수집하게 될 지식은 우리 태양계가 어떻게 생겨났는지에 대한 기본 이론을 바꿀 것입니다.

Supelco^® 제품 기술은 두 개의 분석기에 사용됩니다. 카시니호의 이온 및 중성 질량 분석기(INMS, ion and neutral mass spectrometer)에는 수소 동위원소와 작은 사슬형 탄화수소 분석을 위한 고도로 설계되고 면밀하게 균일한 다공층의 탄소 구체인 Carboxen^® 1004가 사용되었습니다. 이러한 결과는 빅뱅 이론을 가다듬고 생명체의 지표를 찾는 데 사용될 것입니다.

하위헌스 탐사선의 기체 크로마토그래피-질량 분석기(GC-MS, gas chromatography-mass spectrometer)에는 흑연화된 탄소 분자체인 Carboxen^® 1017이 사용되었습니다. 이 기술은 타이탄의 표면에서 데이터를 수집하는 데 72분을 소비하기 전에 타이탄의 표면까지 샘플을 수집하고 농축하면서 2.5시간 내에 하강할 수 있게 합니다.

Betz는 “결과를 들었을 때 방 안의 에너지가 느껴졌습니다.”라고 회상했습니다. “하위헌스 탐사선은 타이탄의 대기 내 주요 기체가 질소와 메탄임을 확인했습니다. 탄소와 질소 동위원소의 비율을 감지하고 아르곤 이외의 비활성 기체가 없음을 확인하여 타이탄의 대기 진화 모형을 만들 수 있었습니다. 이것은 금성과 목성에서 측정한 것과는 대비되는 데이터를 보여주었고 행성의 생성에 대한 논의의 확대에 기여했습니다.”

Betz는 “타이탄의 데이터가 우리 태양계를 보는 방식을 형성할 수 있다고 생각하니 참으로 놀랍습니다.”라고 말합니다. “우리는 이제 메탄과 에탄이 구름에서 비로 내리고 극지방의 강과 호수로 모이며, 단단한 표면은 대기에서 떨어진 탄화수소 모래로 뒤덮인 물 얼음으로 이루어져 있음을 압니다. 이것은 지구 형성 초기에 대해 꽤 정확한 그림을 그리게 해줍니다.”

ISS와 그 너머까지...

카시니호는 행성으로 추락하기 전에 토성과 그 고리 사이를 오가는 최종 임무를 완료했고 유성처럼 타버려 행성의 일부가 되기 전까지 데이터 전송을 계속했습니다.

그러나 이는 Carboxens의 마지막 우주 임무가 아니었습니다. 2018년 NASA는 국제 우주 정거장(ISS)에서의 소형 대기 모니터링 임무를 요청했습니다. NASA의 제트 추진 연구소와 일하며 초소형 전기 기계 장치의 예비 농축기 기체 크로마토그래프(MEMS PCGC)용 예비농축기를 제공하도록 {Hcompany}에게 요청했습니다. 이러한 장래성이 있는 기술을 통해 ISS에서의 외부 활동과 우주복 내의 핵심적인 주요 구성 성분과 미량 기체 분석을 제공할 것입니다.

Adsorption Technologies의 선임 과학자인 Leidy Peña Duque 박사는 “이 개발에는 엄청난 기술적 도약이 필요했습니다.”라고 회상했습니다. “NASA는 더 작고 가벼운 장치, 보다 빈번한 모니터링과 지속적인 작동 등 거의 모든 면에서 기존의 공기 모니터링 시스템의 개선을 원했습니다. 우주 비행사들은 이러한 시스템에서 제공하는 데이터에 의존하기 때문에 대기 비율의 약간의 불균형조차도 빠르고 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 우리의 기술은 이중 안전 장치 뿐만 아니라 모든 범위의 성능 목표 달성이 필요했습니다.”

연구팀은 합성 탄소 구체로 10 – 12 Å의 기공 직경으로 각각 177 - 250 µm 범위를 측정하는 고순도 단층 Carboxen 1000을 사용했습니다. 작은 동전보다 크지 않은 칩에 제공되는 이 작은 단층은 기체를 4,000배로 농축해 이전 시스템 보다 크게 향상된 기능을 보여줍니다.

Duque는 “이 새로운 시스템은 2분 간격으로 주요 기체를 측정하여 우주 비행사의 폐로 들어가는 대기에 대해 거의 실시간에 가까운 보기를 제공합니다.”라고 설명합니다. “이전 시스템은 시간 당 3~5개의 판독값만 측정 가능했지만, 이제 NASA는 매주 미량의 기체를 테스트할 수 있습니다. 이렇게 신뢰할 수 있는 장치는 이전 제품의 1/3 크기에 불과하며 데이터를 자동으로 대량 생산합니다. 우주 비행사들은 본인이 호흡하는 대기에 대해 정확히 알고 대기의 파라미터에 변동이 있을 경우 즉각적인 조치를 취할 수 있습니다.”

우주에서 암 치료, 그리고 그 이상의 역할

Duque는 “이 작은 탄소 비드에는 굉장히 많은 잠재력을 가지고 있고 지구에서도 똑같이 중요한 역할을 합니다.”라고 말합니다. “탄소 비드는 연구실에서 합성되기 때문에 천연 활성 탄소보다 훨씬 더 우수한 순도와 형태학적 프로파일을 가지고 있어 가장 까다로운 정제 공정에 사용할 수 있습니다.”

현재 Carboxens는 최첨단 생물학적 제제의 생산에 사용되고 있으며, 가장 최근에는 암과 자가면역질환의 치료를 위한 단클론 항체(mAbs)의 정제에 사용되고 있습니다. 숙주유래 단백질(HCP)은 mAb 생산의 바이오 제품이지만 최종 치료에서 제외하지 않으면 환자에게 부정적인 면역 반응을 일으킬 수 있습니다. 저분자량 HCP는 물리화학적 특성과 항체와의 비특이적 결합으로 인해 제거하기가 특히 어렵습니다. 이에 더해, 배양 공정은 pH와 전도도에서 매우 다양한 조건을 생성해 많은 정제 공정을 부적합하게 만듭니다.

“Carboxens의 고도의 사용자 정의가 가능한 성질로 인해 극한의 pH와 친수성 및 소수성 조건에서 정제를 진행할 수 있으며, 정제 이온 교환 공정이 필요하지 않을 정도로 매우 효과적입니다. 이것은 mAbs의 안전성과 유효성의 개선에 판도를 바꿀 수 있습니다.”

Duque는 “이것은 Carboxens를 위한 여정의 시작일 뿐이며 Supelco^® 브랜드의 폭넓은 탄소 기술 포트폴리오의 일부일 뿐입니다.”라고 말합니다. “우리는 현재 귀금속 촉매 지원을 위해 배터리 용량 응용분야에서의 Carboxens 사용을 연구하고 있습니다. Carboxens의 정밀성을 통해 우리는 필요한 귀금속의 양을 줄일 수 있습니다. 보다 지속 가능한 운송과 에너지 저장을 향한 여정에 우리가 이러한 유한한 자원을 사용하기 때문에 이는 매우 중요한 부분입니다.”

지금 토성 안에서 열심히 움직이며 우주 비행사가 숨쉬는 공기를 부지런히 측정하고 있는 Carboxens는 우주에서 우리에게 많은 도움을 주었습니다. 그러나 Carboxens가 생명을 구하는 암 치료의 정제와 지속 가능한 에너지 혁명의 원동력이 되는 등 지구에서 그 임무를 계속하면서 우리는 이러한 것들이 그 여정의 단계뿐이라는 사실을 알고 있습니다. 우리를 이끌 이 작은 탄소 구체의 다음 여정은 과연 어디일까요?