^*시스(cis)와 트랜스(trans): 두 용어는 라틴어에서 왔는데, ‘시스’는 “같은 면”이라는 뜻이고 ‘트랜스’는 “다른 면”이라는 뜻이다. 치환기가 같은 방향을 향하면 그 부분을 ‘시스’라고 부르고, 치환기가 다른 방향을 향하면 그 부분은 ‘트랜스’라고 부른다.

^**피코 초(pico second, ps): 1ps는 1조분의 1초

^*펨토 초(femto second, fs): 1fs는 1000조분의 1초

* 故 로빈 M. 호크스트래서(Robin M. Hochstrasser): 미국 펜실베이니아대 교수로 재직했으며, 1999년 노벨 화학상 수상자인 아흐메드 H.즈웨일(Ahmed H.Wewail)의 지도교수이기도 하다. 1998년 2D IR에 관한 최초의 논문을 발표해 용액 속 분자 움직임 관측의 길을 열었다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

자연에 존재하는 화학 결합 중에는 원자들이 전자를 공유하지 않으면서도 결합하는 ‘비공유 상호작용’이 있다. 이런 작용이 균형을 이루면서 생겼다가 없어지는 일련의 과정은 분자의 구조나 안정성, 용액 내 기능을 매우 정교하게 조정한다. 화학과 화학생물학 전 분야에 널리 퍼져있는 ‘수소결합’이 대표적인 비공유 상호작용 중 하나다. 참고로 수소결합은 질소(N)나 산소(O), 불소(F)처럼 전기적으로 음성을 띠는 원자와 결합한 수소 원자가 특정 조건에 있는 다른 원자를 끌어당기면서 생기는 결합을 의미한다.

자연계에는 수소결합보다 더 약한 형태의 ‘비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호작용’도 존재한다. 이런 약한 상호작용은 생명체를 이루는 단백질이나 핵산처럼 중요한 분자뿐 아니라 초분자(고분자)에까지 널리 분포돼 있다. 이 상호작용은 단백질이나 핵산, 초분자 등의 구조를 안정화시키는 역할을 한다고 알려져 있다.

최근 약한 비공유 상호작용이 중요하다는 인식이 점점 커지면서 관련 연구가 많아지고 있다. 그러나 현재까지 이뤄진 엔-파이스타(n→π*) 상호작용 연구는 수용액 상태가 아닌 결정 구조를 대상으로 수행됐거나, 이론적으로 접근한 것들이었다. 따라서 대상 분자에 대한 간접적인 정보만 얻어왔다. 이런 문제점을 극복하기 위해 ‘이차원 적외선 분광법’을 이용해 수용액에서 ‘비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호작용’의 실체를 분자 수준에서 알아내고자 했다.

수소결합과 엔-파이스타(n→π*) 상호작용은 전자의 비국지성 분포로 이뤄지는 비공유 상호작용이라는 공통점이 있다. 하지만 엔-파이스타(n→π*) 상호작용은 수소 결합에 비해 결합 에너지가 작다. 따라서 수용액처럼 수소결합이 형성되는 환경에서 엔-파이스타(n→π*) 상호작용도 존재하는지는 밝혀지지 않았다. 또 엔-파이스타(n→π*) 상호작용이 수소결합과 함께 존재한다면, 두 작용 사이에 어떤 관계가 있는지도 알려지지 않았다. 이번 연구는 이 두 가지를 밝히고자 추진됐다.

2. 연구내용

비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호작용은 단백질이나 핵산과 같은 생체분자의 구조 안정화에 매우 중요한 역할을 한다고 알려졌다. 그러나 현재까지 그 작용에 대한 연구는 결정 구조나 기체상 분자들을 대상으로 수행됐거나 이론적으로만 이뤄졌다. 이런 한계로 인해 실제 수용액 상태의 분자에 대해서도 이러한 상호작용이 존재하는지, 만약 존재한다면 그 원리가 어떤 것인지에 대한 직접적인 정보는 얻을 수 없었다.

본 연구진은 결정 구조나 기체상 연구에서 비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호 작용이 존재한다고 알려진 ‘페닐 포메이트(Phenyl Formate, PF) 분자’를 수용액 상태에서 연구했다. 페닐 포메이트를 ‘물과 테트라하이드로퓨란(TetraHydroFurn, THF) 혼합 용매’에 녹여 일차원 및 이차원 ‘적외선 스펙트럼’을 얻고 이를 분석한 것이다. 이때 용매는 순수한 물부터 순수한 THF에 이르기까지 조성비를 다양하게 변화시켜서 만들었다.

PF 분자는 카르보닐기(Carbonyl Group)*와 페닐 고리(Phenyl Group)**를 함께 가진다. 카르보닐기와 페닐 고리가 서로 마주 보고 있는 ‘시스(Cis) 구조’에서는 비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호작용이 존재할 수 있다. 기체상 연구에서는 시스 구조에도 카르보닐기와 페닐 고리가 등을 돌리고 있는 ‘트랜스(Trans) 구조’도 있는 것으로 추정됐는데, 그 실체는 확실히 밝혀지지 않았다.

^*카르보닐기(carbonyl group): 유기화학의 작용기 중 하나로 −C(=O)− 로 표시되는 2가의 작용기다. 카르보닐은 일반적인 유기 분자에서 매우 흔한 작용기로서, 다른 작용기의 일부로 발견되기도 한다.

^*페닐 고리(또는 페닐기, phenyl group): 탄소와 수소로 이루어진 작용기로 -C₆H₅ 의 화학식을 지닌다. 6개의 탄소 원자는 순환 고리 구조를 이루며 배열돼 있다.

이차원 적외선 분광학 실험 결과, ① 용매에 물이 전혀 없을 때에는 기체상 연구에서 추정한 것처럼 시스 구조와 트랜스 구조, 두 가지만 함께 존재했다. ② 용매에 물이 존재하면 두 구조와 더불어 물과 수소결합을 이루는 구조가 존재하는 게 확인됐다.(그림2) ③ 수소결합 구조와 시스 구조는 물을 매개로 해 피코 초(pico second, 1ps는 1조 분의 1초) 단위에서 계속 구조를 바꿨다.(그림3)

물의 함량이 늘어날수록 수소결합 구조의 비율이 늘어났으며, 시스 구조와 수소결합 구조가 교환되는 속도가 빨라졌다. 결합 에너지 관점에서 보면 용매가 순수한 물이면 대부분의 분자가 수소결합을 이뤄야 하고, 비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호작용을 하는 시스 구조는 거의 없어야 한다. 그러나 예상과 달리 순수한 물에서도 비공유 엔-파이스타(n→π*) 상호작용이 존재하는 것이 관찰됐다. 이는 물이 매개된 화학적 구조 교환 현상 때문에 생기는 용액 전체의 엔트로피 증가 때문이라고 해석할 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구는 약한 엔-파이스타(n→π*) 상호작용과 수소결합이 서로 교환을 한다는 걸 실험적으로 잡은 최초의 증거다. 또 피코 초 동안에 일어나는 두 작용 구조 사이의 화학적 교환은, 엔-파이스타(n→π*) 상호작용이 분자 구조를 안정하게 유지시키는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 의미한다.

이 연구 결과는 작은 분자를 대상으로 이뤄졌지만 비슷한 방법으로 거대 분자 시스템에서의 엔-파이스타(n→π*) 상호작용에 대해서도 확장, 연구할 수 있는 잠재력을 보여줬다. 이번에 밝혀진 원리는 단백질이나 핵산 등의 생체분자에도 그대로 적용될 수 있다. 이는 비공유 결합성 상호작용들이 어떻게 단백질 같은 거대 분자 구조를 안정화시키는지에 대한 새로운 관점을 제시한다.

이번에 사용한 이차원 적외선 분광법을 이용해 생물학적으로 중요한 분자 또는 거대 분자의 구조 안정성과 기능에 대해 분자 수준에서 깊이 이해할 수 있다. 그렇게 되면 인류 지식의 한계를 넓힐 수 있을 뿐 아니라 건강 복리를 위한 신약 개발이나 삶의 질을 높이는 새로운 재료를 개발하는 데 크게 기여할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 비공유 상호작용(noncovalent interactions)

우리가 일반적으로 이야기하는 화학 결합은 원자들이 전자를 공유하는 ‘공유 결합(covalent bond)’이다. 반면 ‘비공유 상호작용(noncovalent interactions)’은 원자들 간에 전자를 공유하지 않고, 분자 또는 분자 내에서 전자기 상호작용의 분산된 변화를 포함하는 화학 결합을 말한다. 비공유 상호작용의 결합 에너지는 공유 결합 에너지에 비하면 매우 작지만, 단백질이나 핵산처럼 큰 분자의 3차원 구조를 유지하는 데 중요하다. 또 비공유 상호작용은 거대 분자가 서로 일시적으로 결합하는 많은 생물학적 과정에도 관여한다. 비공유 상호작용은 ‘수소결합’과 ‘정전기적 효과’, ‘엔 파이 스타(n→π*) 상호작용’을 포함하는 ‘파이(π) 효과’, ‘반 데르 발스 힘’, ‘소수성 효과’ 등 몇 가지의 범주로 나눌 수 있다. 이러한 상호작용은 약물이나 재료 설계, 특히 자기조립 현상 등 많은 유기 분자의 합성에 크게 영향을 미친다.

2. 비공유 n→π* 상호작용(noncovalent n→π* interaction)

분자 내 비결합성 오비탈(n)에서 반결합성 π* 오비탈로 전자의 비국지화가 일어날 때 생기는 약한 화학적 결합 현상을 말한다.

3. 수소결합(hydrogen bonding)

수소결합은 ‘질소(N), 산소(O) 또는 불소(F)와 같은 전기 음성도가 큰 원자와 결합 된 수소 원자’와 ‘고립 전자쌍을 갖는 또 다른 인접 원자’ 사이에 생기는 전기적으로 끌어당기는 힘이다. 수소결합이 많이 존재하는 대표적인 물질이 물(H₂O)이며, 수소결합이 지구에서 생명체가 존재할 수 있게 하는 데 매우 큰 역할을 한다.

[붙임] 그림 설명