새로운 다차원 분광학을 이용하여 광합성 초기의 에너지 이동경로 규명

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2005-03-31 02:00

대전--(뉴스와이어)--과학기술부와 한국과학재단이 창의적연구진흥사업으로 지원하는 고려대학교 다차원 분광학 연구단의 조민행 (趙敏行, 40, 연구센터 소장) 교수는 새로운 연구 도구로 주목받기 시작하고 있는 이차원 전자 분광학을 이용하여 광합성 현상의 초기 에너지 이동 경로와 메카니즘을 세계 최초로 규명하였다.

多차원분광학연구단은 2000년 창의적연구진흥사업으로 지정된 후 현재 5년차인 연구단이다. 연구단의 목적은 “단백질 구조분석을 위한” 다차원 분광학의 이론적 연구개발이다.

다차원분광학이란?
① 1990년대 후반에 처음 개념이 도입되어 실험이 시작된 분야로써
② 분자의 전자 또는 진동과 공명을 일으키는 한 가지 색의 빛 (가시광선 또는 적외선)을 분자에 쪼일 경우 분자의 전자 및 진동에너지를 측정할 수 있고 그 정보를 분석하여 분자의 구조와 성질을 알 수 있다. 만일 2가지 서로 다른 색의 빛이 물질과 상호작용하는 것을 분석한다면 종래의 분광학적 방법으로 구할 수 없는 새로운 (차원의) 정보를 얻을 수 있다. “TV에 비유하자면 흑백 TV와 컬러 TV의 차이”를 연상하면 될 것이다.

③ 국내에는 이 분야의 연구자가 전무하고
④ 국외에는 미국과 유럽에 소수의 실험 및 이론 연구자가 있음

왜 다차원분광학인가?
단백질의 구조 분석을 위해서 X-선 회절법과 이차원 핵자기공명법(MRI 장비의 기본원리에 해당)이 1950, 1980년대에 각기 개발되어 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 X-선 회절법은 단백질이 결정을 이루어야만 한다는 단점이 있고 이차원 핵자기공명법은 대략 1/1000초 정도보다 느리게 구조가 변화하는 단백질의 연구에만 유용하다. 그러나 수많은 생체 단백질의 효소 기능이 발현되는 현상이나 단백질 접힙(folding)과 같은 현상은 1/1012 ~ 1/106 초에 이르는 짧은 시간에 일어난다. 따라서 단백질의 삼차원적인 구조가 변화하는 과정을 시간에 따라 관찰할 수 있는 연구도구가 절실히 요구되었는데 바로 다차원 전자-진동 분광학이 그 새로운 대안으로 제시되었다. 이 연구결과는 31일 새벽 2시(한국시간)에 "Nature"에 발표된다.

□ Nature 논문의 연구 결과 요약

조민행 박사의 다차원 분광학 연구단은 주로 단백질 분자 자체에 대한 연구에 초점을 맞춰왔다. 인간 게놈 연구에 이어 차세대 연구주제로 급부상한 프로티오믹스 분야 중에서 단백질의 구조와 동력학을 연구하는데 다차원 분광학이 중요한 기여를 할 것으로 예상하였고 현재 치열한 연구 경쟁 환경이 점차 조성되어 가고 있다. 그러나 현재 출판 예정인 Nature 논문은 다차원 분광학의 여러 방식 중에서 특히 이차원 전자 분광학을 광합성 반응의 초기(1/1010 초 이내)에 일어나는 에너지 이동 현상을 연구하는데 최초로 적용하였으며 이차원 분광학의 가능성과 이론적 가설을 직접적으로 검증한 예라는 점에서 중요성을 인정받을 것이다. 광합성 현상은 빛에너지를 화학에너지로 변환시키는 과정을 말한다. 태양으로부터 지구에 도달한 빛의 알갱이인 광량자는 광합성 단백질에 붙어있는 클로로필 분자에 그 에너지를 전달하고 소멸한다. 이렇게 흡수된 에너지는 여러 분자들 사이를 이동하다 궁극적으로 광합성 반응센터라는 단백질 내에서 화학에너지로 전환된다. 물론 지구상의 모든 생명체는 이렇게 저장된 에너지를 이용하여 생명 현상을 유지하고 종의 번식과 진화를 거듭하고 있다. 본 논문은 이 광합성 현상의 초기 단계인 에너지 전이 경로와 메카니즘을 규명하는데 이차원 분광학적 연구방법이 타에 추종을 불허하는 정밀도의 시간-공간적 분해능을 가진 도구라는 점을 처음으로 보여준 연구라 하겠다.

자연과학의 발전을 저명한 물리학자인 다이슨(Dyson)은 두 가지 측면에서 가능하다고 보았는데 첫째가 새로운 개념의 발견 즉 패러다임의 변환이라는 과정이라면 두 번째는 새로운 연구 도구의 발견이라고 했다. 본 연구는 후자에 해당하는 것으로 다차원 분광학적 방법은 광합성 현상뿐 아니라 시간에 따라 변화하는 단백질의 구조, 분자 집합체의 전자 구조 및 에너지 이동 현상, 효소의 반응 동력학, 고체 표면에서의 화학반응 및 진동 동력학 등의 연구와 같이 자연과학 전반에 폭넓게 활용될 수 있는 새로운 연구방법이 될 것으로 조심스럽게 예측해 본다.

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