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대덕밸리과학소식/한국기초과학지원연구원

1조분의 1초, 생체분자의 3차원 입체 구조 분석

펨토 초는 1조 분의 1초라는 상상도 할 수 없는 짧은 시간입니다.

1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간입니다.

분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어납니다.

예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초입니다.

사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장합니다.

또 효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초,
수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초입니다.

펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저입니다.

펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있습니다.

깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있습니다.

교차편광구조와 헤테로다인 측정 기법을 이용한 펨토 초 진동 광학 활성 측정 장치 개략도


바꿔 말해 펨토 초 만에 찍어 내는 카메라인 셈 이며 펄스를 연사하면 펨토 초라는 ‘찰나’의 시간 동안 분자가 어떻게 움직이는지를 담은 ‘동영상’도 만들 수 있는 것입니다.

이 펨토 초 레이저를 이용해 생체분자의 3차원 입체 구조를 분석하는 데 유용한 극초고속 광학 이성질체 측정법과 계산법이 최근 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

자연계에 존재하는 대부분의 생체 물질이나 합성 신약들은 광학 이성질체로 되어 있습니다.

광학 이성질체가 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛과 차등 상호작용하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는 광학활성


따라서 새로운 신약의 생체 반응의 특성을 이해하기 위해서는 3차원 광학 이성질체 구조를 분석 측정하는 기술이 대단히 중요합니다.

특히, 생체반응 중 수반되는 분자의 빠른 구조 변화를 관찰하기 위해서는 초고속 시분해능이 겸비된 구조 분석 장비가 필요합니다.

시분해 광학 활성 측정의 중요성



그런데 기존의 분석 방법들은 근본적인 측정 원리의 한계로 인해 시분해능이 길게는 수 시간에 달하는데, 이는 분자들의 움직임에 비해 무한히 느린 시간입니다.

한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 화학과 조민행 교수팀은 최근 공동으로 생체분자의 3차원 입체 구조를 1조 분의 1초 시분해능으로 관찰할 수 있는 펨토 초 광학 이성질체 측정법 개발에 성공했습니다.

이한주 박사

조민행 교수



이는 실험적 측면에서 기존의 극미세 신호 및 시분해능 한계를 독창적인 방식으로 극복했다는데 그 의의가 있습니다.

또한 이론⋅계산적 측면에서 분자역학 시뮬레이션 기법을 활용한 새로운 시간 상관 계산법을 개발하였으며, 실험과의 정량적 일치를 통해 방법의 타당성을 입증했습니다. 

시간 영역 광학활성 측정 및 계산법


연구진은 이번 연구 성과를 바탕으로 현재 적절한 들뜸-탐침 방법을 연동해 생체 시스템에서 일어나는 다양한 생체분자의 구조 다이나믹스 연구를 진행할 예정입니다.

이번 연구가 지속된다면, 앞으로 단백질 접힘-펴짐 현상이나 DNA-단백질 결합 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응 및 비대칭 화합물들의 화학 반응의 메커니즘을 밝히는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

또 의약(high-throughput screening) 및 재료과학에도 널리 사용될 전망입니다.

이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 Accounts of Chemical Research 지(IF=18.203) 학술지에는 12월 21일에 게재될 예정입니다.
(논문명 : Infrared Optical Activity : Electric Field Approaches in Time Domain)



*용어설명*

□ 광학 이성질체 / 광학 활성 

사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상입니다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없습니다.

분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 합니다.

그 이유는 이들이 광학적으로 서로 다른 특성을 가지기 때문입니다.
즉, 광학 이성질체는 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛(진행함에 따라 그 편광 방향이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 빛)과 서로 다른 상호작용을 하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는데 이러한 성질을 광학 활성이라고 합니다.

따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공합니다.


□ 분자역학 시뮬레이션 / 시간 상관 계산법

실험에서 측정된 분광 스펙트럼으로부터 분자의 구조 정보를 얻기 위해서는 분자 계산을 통한 비교 분석이 필수적입니다.

그런데 기존의 계산법에서는 기체상의 분자에 대해 양자역학적 계산을 수행하기 때문에 용매 분자(용질 분자를 둘러싸고 있는 분자)의 영향이 고려되기 힘듭니다.

반면, 분자역학 시뮬레이션을 이용한 시간 상관 계산법에서는 용매 분자와 용질 분자 사이의 상호작용이 고려된 분자들의 궤적을 펨토 초 단위로 계산한 후 광학 활성과 관련된 물리량들의 시간 상관 함수로부터 스펙트럼을 획득합니다.