“물은 한시도 가만히 있지 않습니다. 물 분자들은 끊임없이 춤추면서 모습을 바꾸고 있거든요. 여기에 다른 물질이 들어오면 어떻게 될까요? 지금까지는 컴퓨터 계산으로만 짐작했던 모습을 실험적으로 관측하는 데 성공했습니다.”
김영삼 자연과학부 화학과 교수팀이 분자와 물 사이에서 일어나는 매우 빠른 움직임을 실험적으로 관측하고, 이 움직임 덕분에 단백질 같은 분자들이 수용액에서도 안정하게 존재한다는 사실을 발견했다. 수분이 많은 우리 몸에서 단백질이 안정한 구조로 존재하는 증거를 잡아낸 최초의 연구로 주목받고 있다.
이번 연구는 물리화학 분야 국제 저명 학술지 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터(Journal of Physical Chemistry Letters, JPC Letters)’ 9월 20일자 표지 논문으로도 선정됐다.
물(H₂O)은 수소(H)와 산소(O)가 결합해 이뤄진 물질이다. 기본적으로 두 원자는 전자를 공유하는 ‘공유결합’으로 뭉쳐지지만, 약한 양성(+)을 띠는 수소가 다른 물 분자의 산소(-)에 달라붙는 ‘수소결합’도 나타난다. 수소결합은 공유결합보다 에너지는 약하지만, 끊임없이 나타났다 사라지며 물의 특성을 결정한다.
▲ 물 분자의 움직임을 보여주는 동영상. 수소결합이 끊임없이 생성되고 소멸되는 역동성이 나타난다.
물속에 다른 물질이 들어오면 수소결합 때문에 구조나 성질이 달라지게 마련이다. 하지만 우리 몸을 이루는 단백질이나 핵산 같은 생체분자들은 물속에서도 구조적으로 안정하게 존재한다. 과학자들은 그 이유를 비공유 상호작용이라고 추정해왔으며, 그 중 대표적인 것이 ‘엔-파이스타 상호작용(n→π*)’이다.
엔-파이스타(n→π*) 상호작용도 수소결합처럼 전자를 공유하지 않으면서 원자들을 결합시킨다. 결정 상태의 단백질 구조에서 많이 관찰할 수 있는 이 현상이 물속에서도 나타나는지 입증한 실험은 없었다.
페닐 포메이트 분자를 용매에 녹여 분자 결합 상태를 분석한 그림
김영삼 교수는 “수소결합의 에너지가 엔-파이스타 상호작용보다 강하기 때문에 물속에서 엔-파이스타 상호작용이 실제로 영향력을 발휘하는지는 관측 전에는 알 수 없었다”며 “이차원 적외선 분광법(Two-Dimensional InfraRed Spectroscopy, 2D IR)’을 활용한 이번 연구로 물속에서도 엔–파이스타 상호작용이 존재하며, 수소결합과 경쟁하면서 분자를 안정화시킨다는 걸 최초로 확인했다”고 설명했다.
연구팀은 엔-파이스타 상호작용이 나타나는 ‘페닐 포메이트(Phenyl Formate, PF) 분자’를 물과 다른 용매에 녹이면서 2D IR로 관찰했다. 물 함량을 조절하면서 수소결합 변화도 함께 살폈다. 그 결과 PF 분자에서 엔–파이스타 상호작용으로 나타나는 ‘시스(Cis) 구조’와 ‘수소결합 구조’가 피코 초 단위로 계속 교환됐다. 물이 많아질수록 수소결합 구조의 비율이 늘어났고, 두 구조가 서로 바뀌는 속도도 빨라졌다.
김 교수는 “물을 매개로 하는 두 구조 사이의 매우 빠른 교환이 단백질을 비롯한 생체분자의 구조를 더 안정하게 만든다”며 “물과 대상 분자의 수소결합이 끊어졌다 연결되기를 반복하면서 무질서도가 증가하고, 약한 에너지를 가진 엔-파이스타 상호작용도 존재할 수 있는 환경이 되는 것”이라고 분석했다.
2D IR 기술에 필요한 장비의 내부_적외선을 반사하기 위해 금(gold)으로 얇게 코팅한 거울이 쓰인다. | 사진: 김경채
한편, 2D IR은 수십 펨토 초 시간 폭을 가지는 적외선 3개를 피코 초 단위의 시간차를 두고 분자에 쏘이면서 분자 구조와 매우 빠른 움직임을 관측하는 기술이다. 파장이 긴 적외선은 에너지가 낮기 때문에 자외선이나 가시광선처럼 화학적‧생물학적 반응은 잘 일으키지 않는다. 이 덕분에 2D IR은 생체분자의 실제 작용을 실시간으로 관측할 수 있는 가장 효과적인 기술로 손꼽힌다.
김영삼 교수는 2D IR의 개척자인 故 로빈 M. 호크스트래서(Robin M. Hochstrasser) 교수의 제자다. 2D IR 분야에서는 호크스트래서 교수의 첫 번째 제자로 꼽히며 20년 가까이 이 기술의 발전을 위해 전력을 다하고 있다.
김 교수는 “높은 에너지를 가진 다른 빛들은 화학적‧생물학적 변화를 가져올 수 있기 때문에 생체분자나 수용액 속 분자가 실제로 활동하는 모습을 보기 힘들다”며 “관측 도구의 영향으로 ‘죽어버린 분자’가 아니라 ‘살아 움직이는 분자’를 보는 기술이 2D IR”이라고 이 기술의 장점을 강조했다.
김영삼 교수의 연구실 책장에는 지도교수와 함께 찍은 사진(오른쪽 아래)이 놓여있다. | 사진: 김영삼 교수 제공
