12-17 총설.qxp

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1 우수선도연구기관 최고 수준의 분광기 활용 분자의 3차원 구조 동역학 연구 부산대학교 분자구조동역학 연구단 센터장 임만호 단장(부산대학교 화학과 교수) 주소 부산광역시 금정구 부산대학로63번길 2(장전동) 부산대학교 화학관 403호 전화 051) 이메일 홈페이지 34 화학세계

2 부산대학교 분자구조동역학 연구단 1999년 노벨화학상은 이집트 아흐메드 즈웨일 박사에게 돌아갔다. 즈웨일 박사는 펨토화학(femtochemistry)이라는 새로운 분야를 탄생시킨 공로를 인정받았다. 펨토화학은 초고속 레이저 섬광을 사용해 화학반응의 가장 깊숙한 내부를 조 사하는 분야이다. 레이저 섬광은 화학반응이 일어나는 것과 거의 같은 시간 차원, 즉 펨토초(femtosecond) 수준에서 번 쩍이는데, 1펨토초는 초이다. 그래서 이 분야의 물리화학을 펨토화학이라 부른다. 펨토화학은 순간을 느릿하게 보여 줄 수 있는 것으로 1초를 아주 세밀하게 나눠 3200만분의 1로 확장하고 순간마다 일어나는 모든 변화를 다큐멘터리로 생 생하게 보여주는 과학기술 분야인 것이다. 하지만 현재까지의 기술 수준으로는 이 펨토화 통일된 연구목표를 향한 3방향 접근 학에도 한계가 존재한다. 펨토초 영역의 초고속 상호 피드백-유기적인 연구진행 중간체 구조규명을 위한 실험과 이론의 상호검증 시간분해능을 가진 분광학적 기법의 사용은 화학 중간체 구조 및 이해 반응에서 변화하는 분자의 3차원 구조에 대한 직 화학반응의 분자수준 조절 접적인 정보를 주지 못하며 또한 화학반응의 반응 시분해 단백질 물-생성물의 양자역학적 상태에 대한 구조적인 IR/X-선 동역학 시분해 IR/X-선 분광법 분광법 분자 모사실험 임만호, 이상국 정보를 제공하지 못한다. 이에 부산대 분자구조동 구조동역학 연구실 단백질 동역학 모사실험 역학 연구단(연구단장 임만호)은 다양한 형태의 박영상 분자 시스템에 대한 동역학적인 3차원 구조 정보 생체활용 생체활용 시스템 양자계산 시스템 장준경 를 제공할 수 있는 새로운 실험 기술과 연구를 진 양자계산 행하고 있다. 연구단은 기존 물리화학적 실험 방법의 한계를 그림 1. 분자구조동역학 연구실 유기적인 구성 극복하기 위해 첨단의 다각화된 실험기법을 사용 해 3차원 분자구조동역학 연구를 추구하고 있다. 연구단은 구체적으로 시분해 IR/X-선 분광법(임만호, 이상국 교수 팀), 단백질 동역학 모사실험(박영상 교수팀), 생체모방재료 양자계산(장준경 교수팀) 으로 나뉘어 연구를 진행하고 있 다. 연구단장인 임만호 교수는 우리 연구단의 극초단 적외선 및 엑스선 분광법의 상호 보완적 연구는 국내에서 유일하게 시도하는 것이며, 이는 기존의 동역학 분야에 커다란 반향을 일으킬 것 이라며 궁극적으로 원하는 기능을 가지는 선택성 촉매 개발 및 구조기반의 신약 개발 등에 응용될 수 있는 기반 지식을 제공할 수 있을 것이다 라고 설명했다. 그림 2. 시분해 IR/X-선 분광법 펨토초 적외선 분광법을 이용한 실시간 분자구조동역학 국내에서는 펨토초 적외선 분광법을 이용한 실험연구는 초보 단계이다. 이에 분자구조동역학 연구단은 펨토초 적외선 화학세계 35

3 우수선도연구기관 분광기를 이용해 이 분야의 연구를 꾸준히 진행하고 있다. 연구단은 고감도 펨토초 적외선 분광기를 활용해 비선형 적외 선 분광법과 이차원 적외선 분광법 등을 개발, 단백질 동역학을 실시간으로 상온의 액상에서 연구하고 있다. 특히 여러 가 지 헴 단백질에서 광분해된 다양한 리간드의 재결합 동역학과 요동동역학 연구를 진행 중이다. 세계의 연구자들은 시분해 분광 단점들을 극복하고자, 기존의 정적 구조 정보 규명에 사용되었던 엑스선 및 전자 회절 의 방법을 시분해 연구에 사용하고 있다. 이 방법들은 기존의 시분해 분광법에서 사용되는 들뜸-탐색(pump-probe) 기 법을 사용하는데, 탐색 펄스로 기존의 레이저 펄스 대신에 엑스선 및 전자 펄스를 사용하는 것이 특징이다. 시분해 전자 회절기술을 사용한 기술은 지난 10년간 기체 분야 및 표면의 나노 어셈블리 등에 적용되어 주목할 만한 결과를 보여주었 다. 현재의 기술로는 약 1 피코초 정도의 시간 분해능을 보이고 있으며 전자 펄스 생성 기술의 발달로 그 시간 분해능을 더 욱 더 향상될 것으로 기대된다. 그러나 전자는 엑스선에 비해 약 100만 배 이상의 산란강도를 가지고 있기 때문에 전자회 절은 생물 화학적인 반응이 일어나는 용액에서의 구조 변화 연구에 사용되기엔 한계가 있다. 이에 연구단은 엑스선 흡수분광법을 결합한 시분해 엑스선 흡수분광법을 주요 분석도구로 발전시켜 기존에는 관찰이 불 가능했던 현상들을 분자 구조 반응 동역학 관점에서 연구하고 있다. 시분해 엑스선 분광법은 대상 분자 시스템의 모든 원 자에 의해 신호가 발생되는 회절 기술과는 달리 특정 원자에 선택적인 신호가 발생하기 때문에 용매 분자에 의한 잡음 신 호를 무시할 수 있다. 그리고 엑스선 흡수곡선내의 EXAFS 및 XANES 구간들의 시분해-신호를 분석해 구조적 변화뿐 아니라 전자 구조의 변화 정보들도 얻어낼 수 있다. 이를 토대로 연구단은 전 세계적으로 초기 단계인 방사광 가속기의 펨 토슬라이싱기술을 사용해 펨토초 영역 용액의 구조 동역학 연구를 추진 중이다. 그림 3. 단백질 동역학 모사실험 분자 동역학 시뮬레이션의 새로운 힘장 개발 해외에서는 컴퓨터 모의실험을 위한 단백질 퍼텐셜 함수의 개선에 대해서 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 광범위 하고 객관적인 퍼텐셜 함수에 관한 비교 개발 연구가 필요한 실정이다. 이에 연구단은 단백질 힘장 개선의 필요성을 인식하고 수년에 걸쳐서 퍼텐셜 함수를 연구해 오고 있다. 연구단은 퍼텐 셜 함수의 문제 때문에 발생되는 자유에너지 표면의 심한 왜곡 현상을 개선하기 위해, 최소한 수의 힘장 파라메타를 최적 화하고 실험 결과를 직접적으로 재현해 분자구조변화를 실시간으로 영상화할 계획이다. 우선 상온에서 단백질 자연구조 의 최소 자유 에너지 조건을 가장 현실적으로 만족시키는 파라메타들을 찾고 또한 온도변화에도 잘 대응 할 수 있는 퍼텐 셜 함수 파라메타를 결정한다. 이를 토대로 기초연구실 내의 다양한 분자시스템의 이론적 배경을 제공하고 실험연구를 보 완한다는 계획이다. 36 화학세계

4 부산대학교 분자구조동역학 연구단 단백질 표면 흡착 DFT 계산 금속-단백질 배위결합 QM/MM 계산 공명 라만 스펙트럼 프런티어 오비탈 그림 4. 생체활용 시스템 양자계산 양자화학 계산 통한 단백질-전이금속 복합체의 분자 구조 연구 단백질-전이금속의 배위 복합체는 생체 내 단백질의 기능 및 생체 재료에서 매우 중요한 의미를 가진다. 이러한 복합체 의 구조를 밝혀내기 위해서 라만, 적외선, 자외선-가시광선, 전자 상자성 공명 등 다양한 분광 스펙트럼이 측정됐다. 그러 나 전이금속 복합체의 복잡성과 용매 효과로 인해서 스펙트럼은 매우 난해해지고 분자 구조에 대한 간접적인 유추만을 줄 수 있었다. 따라서 복합체 구조에 대한 분자 수준의 명료한 정보, 단백질-전이 금속의 결합 세기, 복합체의 전자 들뜸 상 태에 대한 이해는 부족한 실정이다. 분광학 스펙트럼 등 실험적인 연구들이 놓치고 있는 상세하고 명료한 분자 구조 정보 를 얻기 위해서는 양자화학 이론을 통한 연구가 필요하다. 이에 연구단은 화학적으로 중요한 부분은 양자역학(QM)으로 계산하고, 나머지 부분은 분자역학(MM)으로 계산하는 QM/MM 방법을 통해 다양한 분광 스펙트럼을 계산하고 구체적 실험과 비교한다. 이를 토대로 실험에서 측정 불가능한 전이금속-단백질 복합체의 구조, 전자 들뜸 상태의 정보를 도출한다는 계획이다. 생체재료로 활용될 수 있는 단백질의 작 동기작에 대한 분자구조 동역학 실험과 비교할 수 있는 계산연구도 수행할 예정이다. 1단계( ) 신계념 실험/이론 방법 구축 2단계( ) 각 기술의 발전 및 응용/상호보완 3단계(2018) 분자구조동역학 확립 도약기반 구축 극초단 적외선 분광학 극초단 X-선 회질/분광학 분자동역학 이론연구 생체모방 재료 양자계산 비선형 시분해 분광기 구축 액체상 다양한 분자의 반응 구조동역학 시분해 X-선 회절 및 분광법 장치 구축 용매효과 이론적 연구 자체 분자동역학 시뮬레이션 개발 생체모방재료 양자계산 및 방법개선 단분자-분광기 구축 단백질 풀림-접힘 촉매-반응 단백질-리간드 결합 생체시스템 형성 XFEL을 통한 X-선 실험 나노바이오 복합체 연구 구조동역학 확립 도약 기반 마련 그림 3. 단백질 동역학 모사실험 화학세계 37

5 우수선도연구기관 >> "우리 연구단은 다양한 환경에서 분자의 3차원적 동역학 구조 이해 를 목표로 삼고 있습니다. 이것을 전제로 주제를 3가지로 나누어 구체적인 연구를 진행하고 있습니다. 이들 간의 유기적인 협력체계를 구축해 분자구조동역학의 전반적인 현상을 규명할 것입니다" 연구단을 이끌고 있는 임만호 교수는 서울대 학부와 대학원을 졸업한 뒤 미국 하 부산대 분자구조동역학 연구단 버드 대학에서 펨토초 적외선 분광법을 이용한 미오글로빈 동역학 연구 로 박사학 위를 취득했다. 임 교수는 학위 과정 중 세계에서 가장 고감도인 적외선 분광기를 개발 제작해 미오글로빈에 결합하는 일산화탄소의 구조가 잘못돼 있음을 밝혀냈다. 이는 단백질 구조와 기능의 상관관계라는 패러다임을 단백질 구조, 기능, 동역학의 > 상관관계로 수정하는 결과로서 세계적 학술지 사이언스(Science) 표지로 발표됐 다(Science, 2005, 269, 962). 박사 학위 취득 후 미국 펜실바니아 대학에서 박사 후 연구원으로 재직했으며, 이 때 임 교수는 고도로 안정함과 동시에 매우 강한 적 외선 레이저 펄스를 만들고 이를 적외선 배열 검출기(array detector)와 결합해 다 차원 적외선 분광기를 세계 최초로 디자인하고 개발했다. 다차원 적외선 분광법을 개발해 수행한 초기의 연구 논문들은 수백회의 높은 인용횟수를 보여주고 있다. 임만호 단장 부산대학교 화학과 교수 임 교수는 1998년 부산대에 부임한 후 세계적 연구를 활발하게 진행해 왔다. 그는 세계에서 가장 감도가 높은 분광기 중 하나인 고감도 펨토초 적외선 분광기 를 설계하고 부산대에 설치하였다. 이를 토대로 임 교수는 용액상 반응 동역학, 헴 단백질의 리간드 재결합 등에 대한 연구를 수행하여 세계적인 학회지에 논문을 기 고해 왔다. 이러한 연구업적을 인정받아 임 교수는 2006년 대한화학회 물리화학분과회의 젊은물리화학자 상을 수상했으며, 2012년에는 입재물리화학상을 받았다. 연구단에는 임만호 책임교수를 비롯하여 이상국, 박영상, 장준경 공동연구교수, 박사 후 연구원 2명, 석박사 대학원생 13명을 포함한 총 19명의 구성원이 연구활 동을 펼치고 있다. 38 화학세계

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