찰나의 분자세계 입체영화 찍는다.

찰나의 분자세계 입체영화 찍는다.

다차원분광학(Multidimensional Spectroscopy)은 매우 짧은 레이저 펄스와 분자 간의 상호작용을 이용해 물질의 구조, 성질, 그리고 동력학(dynamics)에 대한 정보를 얻는 새로운 방법이다. 우리 연구단은 다차원분광학을 단백질 구조 연구에 도입해 많은 성과를 거두고 있다. 기존에는 핵자기공명(NMR)이나 X선 회절법을 이용해 단백질의 구조와 성질을 알아내는 방법이 사용됐다. 그러나 이런 방법은 실험에 많은 제약이 따른다. 다차원 분광학은 이러한 제약을 극복할 수 있는 제3의 방법으로 현재 활발히 연구가 진행되고 있다. (그림1) 아미노산으로 연결된 1차 구조(왼쪽)를 띄던 단백질은 접힘(folding)현상에 의해 수소결합을 하면서 다양한 2차 구조(오른쪽)를 갖는다. 이러한 다양한 2차 구조는 각기 다른 적외선 스펙트럼을 보인다. 1차원 분광학은 분자의 고유한 진동수와 공명하는 적외선을 분자에 쪼여 분자 진동에 관한 정보를 스펙트럼으로 얻는 것이다. 2차원 진동분광학은 일정한 주파수의 빛을 분자에 쪼이는 것은 동일하지만 2가지 종류의 서로 다른 주파수의 빛을 사용하는 게 특징이다. 실제 실험은 수십 펨토초(10-15초=1000조분의 1초) 길이의 레이저 펄스를 사용하고 이들의 시간 간격을 조절해 비선형적으로 산란하는 빛의 세기를 측정하게 된다. 이렇게 하면 1차원 분광학에서 얻을 수 있는 정보뿐만 아니라 서로 다른 2개의 진동 모드간의 상관관계까지 얻을 수 있다. 비유하자면 평면영화가 아닌 입체영화를 보는 셈이다. (그림2) 단백질의 반평행(a)-평행(b) 평면구조 및 1차원 적외선 흡광스펙트럼(c)과 2차원 적외선 분광 스펙트럼(d) 과학자들은 단백질의 2차 구조(그림1)에 따라 진동 분광 스펙트럼이 상당히 달라진다는 것을 이용해 용액 속 단백질의 여러 가지 구조들을 결정하려는 노력을 해왔다. 예를 들어 베타평면구조를 가지는 단백질 사슬의 2차 구조는 사슬의 방향이 평행(Parallel)인가 반 평행(Anti-parallel)인가에 따라 두 가지로 나뉜다. 우리 연구단은 1차원 분광학으로는 구분할 수 없는 이 두 가지 구조를 2차원 분광학을 이용해 구분할 수 있음을 밝혔다. (그림2) 또 이론적으로 제안된 2차원 전자분광학을 이용한 실험을 통해 광합성 반응의 초기 에너지 이동 경로를 최초로 규명하기도 했다. 다차원분광학은 이처럼 단백질 구조와 에너지 전이뿐만 아니라 화학반응동력학(Chemical Reaction Dynamics), 용매화 구조 및 용매화 동력학(Solvation Structure and Dynamics), 표면과학(Surface Science) 등 각종 분야에 응용될 수 있다. 또 단백질 접힘(Protein Folding), 효소 촉매작용(Enzyme Catalysis), 단백질-리간드 결합과정(Protein-Ligand Binding Process)등을 포함한 생화학적 연구에도 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

글/이제욱 고려대 다차원분광학연구단 연구원 austin89@korea.ac.kr (2006년 12월 15일)