'35펨토초' 찰나의 순간도 포착...분자 탄생 과정 봤다

[이데일리 강민구 기자] “분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성했습니다. 단백질과 같은 수천 개의 원자로 이뤄진 복잡한 분자의 반응 매커니즘을 상세히 알아내 효율이 좋은 촉매나 신약개발에 활용할 수 있을 것으로 기대합니다.”

김종구 기초과학연구원(IBS) 선임연구원은 과학기술정보통신부에서 열린 브리핑에서 이같이 연구성과 활용을 기대했다.

IBS는 이효철 나노물질·화학반응 연구단 부연구단장 연구팀이 원자가 결합해 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰했다고 24일 밝혔다.

펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도.<자료=기초과학연구원>

물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 만든다. 하지만 원자들이 언제, 어떻게 움직이며 분자를 구성하는지 관찰한 연구는 그동안 없었다. 화학적으로 결합하는 원자들이 수 펨토초(1000조분의 1초)라는 짧은 순간에 옹스트롬(1억cm분의 1) 수준으로 미세하게 움직이기 때문에 실시간으로 이를 포착하기 어려웠기 때문이다. 연구팀은 펨토초의 순간을 관측하기 위해 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저를 이용했다.

김종구 선임연구원은 “원자의 움직임을 추적 관찰해 상세한 메커니즘을 알아내기 위해 분자결합이 끊어지는 순간(2005년)과 화학결합을 통해 분자가 탄생한 순간(2015년) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측해 왔다”며 “이를 기반으로 올해 원자들의 재배치를 실시간으로 관찰하는데 성공했다”고 설명했다.

연구팀은 우선 기존보다 더 빠른 움직임을 보도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물인 금 삼합체 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 한 결합이 35펨토초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토초 뒤 나머지 결합이 차례로 형성된다는 사실을 알아냈다.

원자들은 화학결합 형성 이후 같은 자리에 머물지 않고 원자 간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있는 것으로 확인됐다.

김 선임연구원은 “앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명할 계획”이라면서 “몸속에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀낼 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인판에 25일 0시자로 게재됐다.