펨토 초(1조분의 1초 이하) 레이저를 이용해 생체분자의 3차원 입체 구조를 분석하는 데 유용한 극초고속 광학 이성질체 측정 및 계산법이 최근 국내연구진에 의해 개발되었다.

고려대학교 화학과 조민행 교수팀과 한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)가 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 한국기초과학지원연구원(원장 박준택)의 창의연구사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 Accounts of Chemical Research誌(IF=18.203)에 지난 10월 8일자 온라인판으로 발표되었으며 학술지에는 12월 21일에 게재될 예정이다.

자연계에 존재하는 대부분의 생체 물질 및 합성 신약들은 광학 이성질체로 되어 있다. 따라서 새로운 신약 및 생체 반응의 특성을 이해하기 위해서는 3차원 광학 이성질체 구조를 분석 측정하는 기술이 대단히 중요하다.

특히, 생체반응 중 수반되는 분자의 빠른 구조 변화를 관찰하기 위해서는 초고속 시분해능이 겸비된 구조 분석 장비가 필요한데 기존의 방법들은 근본적인 측정 원리의 한계로 인해 시분해능이 길게는 수 시간에 달하며 이는 분자들의 움직임에 비해 무한히 느린 시간이다.

이번 공동연구진은 생체분자의 3차원 입체 구조를 1조분의 1초 시분해능으로 관찰할 수 있는 펨토 초 광학 이성질체 측정법 개발에 성공했으며, 실험적 측면에서 기존의 극미세 신호 및 시분해능 한계를 독창적인 방식으로 극복했다는데 그 의의가 있다.

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

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

본 연구가 지속된다면, 이는 앞으로 단백질 접힘-펴짐 현상, DNA-단백질 결합 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응 및 비대칭 화합물들의 화학 반응의 메커니즘을 밝히는데 중요한 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 의약(high-throughput screening) 및 재료과학에도 널리 사용될 것으로 기대된다.

분광학 이론 및 컴퓨터 분자역학 시뮬레이션 기법을 활용하여, 본 연구를 수행한 고려대학교 조민행 교수는 “새로운 분광학적 방법의 개발은 파급효과가 대단히 크다고 볼 수 있다.

그 이유는 적용 가능한 분야의 종류가 거의 무궁무진하기 때문이다.“고 말하고, ”이제 그 첫 걸음마를 시작한 셈이니 앞으로의 발전이 더욱 더 기대된다“라고 밝혔다.

한국기초과학지원연구원 이한주 박사는 “광학 이성질체 측정에 있어 기존 방법의 한계를 개선시킨 수준을 넘어 독창적인 방식을 통해 초고속 시분해능에 도달했다”고 말하고, “기초(연)에서 개발된 장비를 활용해 찰나의 순간에 일어나는 생화학 반응들을 관찰하는 것이 궁극적 목표”라고 밝혔다.

특히, “본 연구는 실험(기초연)과 이론(고려대)적 결과가 이상적으로 결합돼 시너지 효과를 일으킨 좋은 예이며 앞으로도 이러한 창의적 학연 공동 연구의 장이 많이 마련되기를 바란다”고 강조했다.