홍승우 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 비헴 금속 착물에서 생성되는 금속-산소 활성종의 구조와 반응성을 정밀하게 이해하는 생무기화학 연구이다. 특히 철, 구리, 크롬, 망간과 같은 전이금속이 산소와 결합하여 형성하는 고활성 중간체는 효소 반응, 산화 촉매, 생체 내 산화환원 조절과 밀접하게 연결되어 있어 기초과학과 응용연구를 동시에 견인하는 주제이다. 연구실은 이러한 중간체가 어떤 전자구조와 스핀 상태를 가지며, 어떤 조건에서 전자전달·수소원자전달·산소원자전달 반응으로 분기되는지를 체계적으로 해석하는 데 강점을 보인다. 이를 위해 합성 금속착물의 설계, 분광학적 특성 분석, 결정구조 규명, 반응속도론, 산화환원 전위 비교, 반응 메커니즘 해석을 통합적으로 수행한다. 논문 및 학술발표 이력을 보면 mononuclear nonheme iron complex, iron-oxo, iron-imido, manganese-peroxo, metal-oxygen intermediate 등 고산화수 금속종의 생성과 전환을 집중적으로 다루고 있으며, 이러한 연구는 산소 활성화와 선택적 C-H 결합 활성화의 원리를 밝히는 데 직접 연결된다. 또한 산·염기 환경, 리간드 구조, 배위 기하, 비활성 금속 이온 결합 등의 변수가 반응 경로를 어떻게 바꾸는지도 주요 분석 대상이다. 이 연구는 단순히 반응성 높은 화학종을 관찰하는 수준을 넘어, 자연계 효소가 보여주는 정밀한 산화 반응을 인공적으로 재현하고 제어할 수 있는 기반을 제공한다. 궁극적으로는 고효율 산화 촉매 개발, 친환경 화학공정 설계, 생체 효소 메커니즘 해석, 활성산소 관련 질환 이해에 중요한 학문적 토대를 형성한다. 연구실의 성과는 생무기화학, 촉매화학, 반응기구화학을 잇는 융합적 연구로서 높은 파급력을 가진다.

연구실은 자연계 효소의 구조와 기능을 모사하는 생체모방 화학을 통해 새로운 인공효소와 기능성 금속착물을 설계하는 연구를 활발히 수행하고 있다. 주요 목표는 효소가 가진 높은 선택성, 반응속도, 온화한 반응조건의 장점을 인공 분자 시스템으로 구현하는 것이다. 이를 위해 리간드의 전자적·입체적 특성을 정밀하게 조절하고, 단핵 또는 다핵 금속 중심을 도입하여 반응성 스펙트럼을 확장하는 접근을 취한다. 수행 과제를 보면 무기고분자 설계 기반 생체 모방 인공효소 개발, 첨단 바이오 모방 화학적 접근을 통한 치료제 개발 등에서 알 수 있듯이, 연구실은 단순 합성에 머무르지 않고 반응 메커니즘과 기능 발현 원리까지 함께 규명한다. 특히 반응 중간체의 생성과 소멸, 금속 중심의 협동 작용, 리간드 토폴로지에 따른 전자구조 변화, 광촉매 산화 및 바이오매스 전환과의 연계 등은 인공효소 설계의 핵심 요소로 다루어진다. 이러한 접근은 자연 모사 수준을 넘어 특정 목적 기능에 최적화된 ‘de novo’ 금속복합체 설계로 이어진다. 이 분야의 의의는 생체 반응을 이해하는 기초학문적 가치와 함께, 촉매·에너지·환경·의약 분야로의 확장 가능성이 매우 크다는 점이다. 고성능 인공효소는 기존 효소보다 더 넓은 조건에서 작동할 수 있고, 자연계에 없는 새로운 반응성도 구현할 수 있다. 따라서 본 연구실의 생체모방 금속화학 연구는 차세대 분자촉매, 진단·치료용 기능성 화합물, 지속가능 화학 공정 개발의 출발점으로서 중요한 의미를 가진다.

홍승우 연구실은 생무기화학과 바이오융합기술을 접목하여 암세포 특이적 치료 전략을 개발하는 응용연구도 적극적으로 전개하고 있다. 특히 세포 내 활성산소종(ROS)의 균형이 암세포 생존과 사멸을 결정하는 핵심 요소라는 점에 주목하여, 금속착물을 이용해 ROS 수준을 정밀하게 교란하거나 조절하는 치료 접근법을 탐구한다. 이는 일반적인 세포독성 약물과 달리 암세포의 대사 상태와 산화환원 네트워크를 표적으로 삼는 전략이라는 점에서 차별성이 크다. 연구 및 특허 자료에서는 SOD 모방 구리 착물을 활용해 대장암 세포의 ROS 및 ATP 농도를 감소시키고, 세포주기 정지와 세포사멸 신호 전달을 유도하는 결과가 확인된다. 또한 대장암, 위암 등에서 수산화 라디칼 생성, 미토콘드리아성 세포사멸, apoptosis와 ferroptosis의 교차 경로 분석, RNA sequencing 기반 기전 확인 등이 발표되어 분자 수준과 세포 수준의 기전 연구가 함께 진행되고 있음을 보여준다. 나아가 정상세포와 대장암세포를 구별하는 dinuclear metal complex 설계와 같은 발표는 선택성 높은 항암 플랫폼 개발로 연구가 진화하고 있음을 시사한다. 이 연구는 향후 맞춤형 항암제, 금속 기반 정밀의료, 새로운 작용기전의 신약후보 발굴로 이어질 가능성이 높다. 기존 항암 치료가 가진 내성, 부작용, 비선택성의 한계를 극복하기 위해서는 암세포 내부의 산화환원 환경을 이해하고 조절하는 전략이 중요하며, 본 연구실은 그 화학적 도구를 설계하는 데 강점을 가진다. 따라서 이 연구 축은 기초 화학 지식을 실제 질환 치료 기술로 연결하는 대표적인 바이오융합 연구로 평가할 수 있다.