우리 눈은 사물을 약 75 마이크로미터 크기까지 식별가능하고 사물의 움직임은 약 1/10초까지 구별할 수 있다고 한다. 총알의 움직임 같이 눈으로 볼 수 없는 빠른 움직임을 보려면 초고속 카메라와 같은 장비를 이용하면 되지만 총알의 움직임 보다 훨씬 빠른 분자의 움직임을 보려면 다른 방법을 사용해야 한다.

그 동안 과학자들은 레이저 기술을 이용해 분자의 움직임을 연구해 왔다. 그러나 레이저 기술만으로는 분자의 움직임에 대한 정확한 정보를 얻을 수 없다. 분자의 위치를 정확하게 알아내기 위해서는 엑스선 회절법이나 핵자기공명법이 이용되는데 이런 방법들은 분자의 움직임 같은 빠른 움직임을 관찰할 수 없다.

레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 시간분해 엑스선 회절법을 이용하면 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치 정보와 함께 측정할 수 있다.

광이성화(photo-isomerization)는 빛을 흡수하는 특정 분자의 구조가 바뀌는 반응으로 망막에서 일어나는 반응이 대표적인 사례다. 광이성화를 비롯한 모든 화학 반응은 반응 소재의 구조 변화를 유발하고, 이 과정에서 가장 불안정한 상태를 ‘전이상태(transition state)’라 한다. 이 상태는 매우 짧으므로, 3차원 구조에서 관찰하기는 거의 불가능했다. 전이상태의 3차원 분자구조는 반응의 특성을 파악하고 향방을 결정하는 데 매우 중요한 요소이므로, 이를 실시간으로 시각화할 수 있다면 화학공학과 생명과학에 매우 효율적인 연구수단을 제공할 수 있다.

X 선 등을 이용한 회절사진은 단백질을 비롯한 고분자 화합물을 분석하는 데 유용하게 사용된다. 그러나 고전적인 회절 분석법은 한 번에 하나의 단면만 정지 상태로 관찰할 수 있어 분자의 동적인 변화를 추적하기 어려웠다. 사진은 효소인 SARS 프로테아제 결정의 X선 회절 사진.
© Jeff Dahl

pCA 발색단과 잔여물들의 확대 이미지. 녹색, 붉은색, 노란색, 파란색 부분은 각각 탄소, 산소, 황, 질소 원자를, 점선은 수소결합을 나타낸다. 발색단과 결합한 전체 단백질 구조와 결합부의 상세 구조(위)와 이번 분석으로부터 도출된 광반응 회로도(아래).
© 이효철/Nature Chemistry

전자밀도지도로 표현된 pCA. 붉은색 부분은 바닥 상태, 녹색 부분은 광활성 상태에서의 이미지다. 바닥 상태와 광흥분 상태에서 공통적으로니 나타나는 부분은 흰색으로 표현되었다.
© 이효철/Nature Chemistry

나노물질및화학반응연구단의 이효철 교수 연구팀은 광이성화 반응을 실시간으로 추적해내는 데 성공했다.

연구진은 광반응성 황색 단백질 내부에서 일어나는 광이성화의 속도를 낮추어 가전이 상태를 안정화시키고, 이의 3D 구조를 관찰하여 실시간 X선 회절로 규명했다.

이 연구에서 원자는 단백질 내부의 서로 다른 원자 간의 상호작용으로 인해 운동을 최소화하는 두 가지 반응 경로로 진행한다는 사실을 규명했다. 자전거 페달에 작용하는 것과 유사하게 일어나는 자전거 페달 경로와 훌라 춤의 형태와 유사한 훌라 트위스트 경로가 이번에 확인됐다.

사람이 얼마 없는 지하철에서 사람은 일직선으로 움직이려고 하지만, 혼잡 시간에는 빈 공간이 있는 곳으로 이동하려고 한다. 이와 마찬가지로 분자는 동작의 양을 최소화하는 공간 효율적인 반응 경로로 움직여서 화학반응을 일으킨다. 이번 연구에서 발견한 두 가지 경로는 분자가 반응 과정에서 공간 효율적인 경로를 따른다는 사실을 입증한 것이다.

유룡 단장의 이효철 연구팀이 낸 연구 결과는 화학 반응 전이에 대한 관찰을 통해 전이 상태를 조작할 수 있는 포석이 될 것이다. 연구의 의의는 단순히 새로운 연구 방법론을 제공했다는 데 그치지 않는다. 화학 반응을 연구자가 원하는 대로 통제할 수 있다면 신약이나 치료법을 개발하는데 응용할 수 있다. 이에 필요한 X선 회절 데이터는 차세대 가속기인 XFEL(X-ray Free Electron Laser)를 사용하여 초기 시간 범위 내에서 수집할 수 있으며, 초기 반응종의 구조도 검출할 수 있을 것으로 전망된다.