1조분의1초 찰나 순간…분자 탄생 실시간 관측 성공

국내연구팀, 특수 광원 이용해 관찰

▲펨토초 엑스선 회절법 실험 과정.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 분자 탄생 순간을 실시간으로 관측하는데 성공했다. 국내 연구팀이 특수 광원을 이용해 원자 간 화학결합을 직접 관찰했다. 이번 연구 결과가 산업에 당장 쓰일 수 있는 것은 아닌데 찰나 시간대에 일어나는 분자의 진동, 회전운동을 관측할 수 있다. 실험 대상을 단백질에까지 확장하면 단백질 구조 변화의 시발점을 밝혀낼 수 있다. 질병 치료와 신약 개발에 응용 가능하다.

연구팀은 화학결합의 순간포착을 위해 평소에는 가까운 곳에 흩어져 있다가 레이저(빛)를 쏘아주면 반응해 화학적으로 결합하는 성질이 있는 금 삼합체(gold trimer)를 실험모델로 삼았다. 화학결합이 이뤄지는 1조 분의 1초의 찰나를 관측하기 위해 펨토초(1천조 분의 1초) 엑스선 펄스라는 특수 광원을 이용해 광반응에 따른 금 삼합체 원자의 구조 변화를 엑스선 회절 이미지로 구현해 냈다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 이효철 그룹리더(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 세계 최초로 원자끼리 만나 분자를 이루는 화학결합의 순간을 실시간으로 관측하는 데 성공했다고 22일 발표했다.

2005년 분자결합이 끊어지는 과정을 밝히고 사이언스(Science)에 논문을 게재했던 이효철 그룹리더는 이후 10년만에 분자의 결합이 이뤄지는 과정까지 관측함으로써 화학반응의 시작과 끝을 밝혀내는 쾌거를 이룩했다. 연구팀은 펨토초 엑스선 회절법을 단백질의 탄생 순간과 단계별 구조 변화를 밝히는 데 적용할 계획이다. 이를 통해 단백질 반응의 제어, 질병 치료, 신약 개발 등에 필요한 기초정보 제공이 가능할 것으로 기대하고 있다.

이번 연구 결과는 네이처(Nature, IF 42.351) 2월18일자((논문명: 펨토초 엑스선 회절법을 이용한 용액상 화학결합 형성의 관측, Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering)에 실렸다. 공동 제1저자는 김경환 IBS 나노물질 및 화학 반응 연구단 연구원, 김종구 KAIST 화학과 박사과정생이다. (교신저자는 이효철 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더이다.

연구팀은 모든 화학반응의 근본이 되는 원자 간 결합을 관측하기 위해 특수한 광원과 화합물을 이용했다. 원자의 지름은 1옹스트롬(1억 분의 1센티미터)이고 화학결합의 순간은 1조 분의 1초 정도여서 원자를 감지하려면 빛의 파장이 원자 수준으로 짧아야 한다. 빛의 시간 길이는 원자간 결합의 순간보다 짧아야 하는데 이를 만족하는 광원이 엑스선 자유전자 레이저에서 얻어지는 펨토초 엑스선 펄스이다.

레이저 기술과 엑스선 회절법 기술을 결합한 펨토초 엑스선 회절법을 이용하면 빠른 분자의 움직임을 정확한 위치 정보와 함께 측정할 수 있다. 이 방법을 이용해 금 삼합체 내부의 금 원자들 사이에서 화학결합이 형성되는 순간을 실시간으로 관측할 수 있었다.

이효철 그룹리더는 "펨토초 엑스선 회절법을 통해 화학결합의 관측 외에도 펨토초 시간대의 분자의 진동, 회전 등을 관측할 수 있을 것"이라며 "이번 연구 과정에서 축적한 기술과 경험을 바탕으로 국내 연구진이 세계 과학계의 흐름을 주도해 나아가기를 바란다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr