기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단의 이효철 그룹리더(KAIST 화학과 교수)는 펨토초 엑스선 펄스라는 특수 광원을 이용해 금 삼합체(gold trimer) 내에서 화학반응이 일어나는 순간을 처음으로 관측했다고 22일 밝혔다.
연구진은 원자간 결합을 관측하기 위해 펨토초 엑스선 펄스라는 특수 광원과 평소에는 가까운 곳에 흩어져 있다가 레이저(빛)을 쏘아주면 반응해 화학적으로 결합하는 성질이 있는 금 삼합체라는 화합물을 이용했다.
원자의 지름은 1옹스트롬(Å : 1억분의 1㎝)이고 화학결합 순간은 1조분의 1초 정도여서 원자 간 화학반응을 감지하려면 빛의 파장이 원자 수준으로 짧아야 하고, 빛의 시간 길이는 원자 간 결합 순간보다 짧아야 하는데 이를 만족하는 광원이 엑스선 자유전자 레이저에서 얻어지는 펨토초 엑스선 펄스이다.
연구진은 레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 펨토초 엑스선 회절법으로 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치와 함께 측정할 수 있었고 이 방법을 이용해 금 삼합체 내부의 금 원자들 사이에서 화학결합이 형성되는 순간을 실시간으로 관측했다.
이 연구결과는 과학저널 ‘네이처’ 18일자에 게재됐다. 이 교수팀은 2005년에 분자결합이 끊어지는 과정을 밝힌 논문을 ‘사이언스’에 발표한 바 있어 이번 연구로 화학결합의 시작과 끝을 모두 규명하는 성과를 이뤄냈다.
연구진은 앞으로 펨토초 엑스선 회절법을 단백질의 탄생 순간과 단계별 구조변화를 밝히는 데 적용할 계획이다. 이를 통해 단백질 반응의 제어, 질병 치료, 신약 개발 등에 필요한 기초정보를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
특히 이번 연구 결과는 찰나 시간대에 일어나는 분자의 진동, 회전운동도 관측하고, 실험 대상을 단백질로 확장해 단백질 구조 변화의 시발점을 밝혀낼 것으로 기대되고 있다.
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펨토초 엑스선 회절법 실험 과정. 레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 광반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 펨토초 엑스선 펄스로부터 회절 이미지를 얻는다(자료=IBS)
