단백질 분자 움직임 관찰하기

단백질 분자 움직임 관찰하기

금요일에 과학터치

 

기술이 발전하며 사람들은 많은 것을 눈으로 볼 수 있게 됐다. 초고속 카메라의 개발로 물체의 빠른 움직임을 관찰할 수 있었고, 현미경의 발견으로 작은 크기의 미생물과 세포 등을 탐구할 수 있었다. 하지만 기술 발전에도 불구하고, 그동안 직접 눈으로 보기 어려웠던 것이 있는데 그 중 하나가 바로 단백질이다.

지난 23일, 대전 교육과학연구원에서 진행된 ‘금요일에 과학터치’에서는 한국과학기술원(KAIST) 이효철 화학공학과 교수가 ‘움직이는 단백질 동영상 찍기’라는 주제로 강연을 진행했다.

단백질 관찰이 어렵던 이유
단백질은 생물체의 몸을 구성하는 대표적인 거대분자로 생체 내 각종 화학반응과 신진대사에 참여하는 중요한 물질이다. 하지만 단백질 분자의 크기가 너무 작아 일반 카메라로는 이를 관찰할 수 없다. 이유는 현미경으로 볼 수 있는 빛의 파장이 단백질 크기보다 크기 때문이다.

▲ 지난 23일, 대전 교육과학연구원에서 금요일에 과학터치가 진행됐다. ⓒ황정은

이효철 교수는 “단백질의 구조는 보통 엑스선 결정법(X-ray Crystallography) 이라는 방법을 사용해 얻는다. 하지만 엑스선 결정법은 정지돼 있는 단백질의 안정적인 구조만을 볼 수 있었다. 또한 시간에 따라 변하는 중간체에 대한 정보를 얻기 위해 개발된 시간분해 분광법만으로는 반응 중에 생성되는 중간체에 대한 직접적이며 자세한 3차원 구조정보를 얻을 수 없었다”고 언급했다.

이유는 원자의 수가 늘어남에 따라 분자시스템의 구조는 점점 커지고 복잡해지는 데 반해, 시간분해 분광법이 제공하는 정보량은 증가하지 않기 때문이다. 이 교수는 “이러한 이유로 복잡한 분자 시스템의 3차원 구조 정보를 보다 실질적이고 직접적으로 얻을 수 있는 새로운 기술 개발이 필요한 상황이었다”고 전했다.

분자시스템의 관찰이 중요한 이유는 이를 통해 생명 현상에 대한 이해를 보다 깊이 할 수 있기 때문이다. 예를 들어 신약 개발 과정에서 약물 분자와 결합하는 단백질의 3차원 구조가 밝혀지면 신약 개발 시간을 두 배 이상 단축시킬 수 있으며 만성골수성 백혈병치료제인 글리벡은 C-ABL 단백질의 활성부위 구조가 밝혀진 덕분에 개발됐다. 뿐만 아니라 에이즈치료제인 프로테이즈 억제제의 경우 프로테이즈 단백질의 구조가 밝혀진 후에야 개발될 수 있었다.

이효철 교수는 “의약품의 제조공정과 오존층의 파괴, 환경오염과 새로운 생명체의 탄생 등 우리 주위의 모든 생명현상은 대부분 한 물질이 다른 물질로 변화하는 화학적 반응과정을 포함하고 있다”며 “이러한 다양한 화학적 반응과정을 분자 수준에서 자세히 이해하는 것은 자연현상에 대한 근본적인 이해를 가능하게 하고, 때로는 이를 통해 인류에게 유용한 물질을 만들어 내는 데 결정적인 단서를 제공하기도 한다”고 설명했다.

이어 그는 “하지만 현재 기술로는 대부분 화학반응에서의 반응물과 생성물의 구조만 알 수 있다. 즉, ‘반응물-중간체-생성물’ 시스템에서 반응물과 생성물에 대해서만 알고 있는 것이다. 화학반응이 이뤄지는 단계인 중간체에 대한 직접적인 3차원구조 정보를 얻을 수 없다”고 말했다.

엑스선으로 관찰하는 단백질

단백질은 그 크기가 너무 작아 일반 카메라로는 관찰할 수 없지만, 엑스선(X-ray)을 통해서는 관찰이 가능하다. 때문에 그동안 단백질 구조는 엑스선 결정법(X-ray Crystallography)에 의해 정보를 얻을 수 있었다. 하지만 본 방법으로는 정지된 상태의 단백질의 안정적인 구조만 볼 수 있던 까닭에 보다 심도 깊은 연구와 섬세한 정보를 얻기에는 어렵다는 단점이 있었다.

이 교수는 “이러한 이유로 인해 우리 연구단은 엑스선 결정법을 더욱 발전시킨 ‘시간분해 엑스선 회절법’ 이란 방식을 연구했고, 분자의 움직임을 잡아낼 수 있었다”고 전했다.

시간분해 엑스선 회절법이란 회절현상을 일으킬 수 있는 엑스선 펄스(X-ray pulse)를 용액에 쪼인 후 일어나는 복잡한 분자들의 회절신호를 시간에 따라 측정하는 방법으로, 100억분의 1초의 시간 길이를 가진 아주 짧은 광원인 ‘엑스선 펄스’가 분자의 빠른 움직임을 찍어내는, 일명 ‘분자 캠코더’라고 이해할 수 있다. 즉, 회절된 빛의 무늬를 기록·분석해 분자의 모양을 알 수 있는 것이다.

이효철 교수는 “해당 기술로 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수 도 있어 단백질의 작동 기작을 밝히는 데 중요한 도구가 될 것으로 보인다. 앞으로 신약개발과 BT(Bio Technology), NT(Nano Technology) 분야 발전에 큰 도움을 줄 것으로 보인다”고 언급했다.

이어 이 교수는 “해당 기술을 통해 정지된 분자의 구조 뿐 아니라 단백질 분자와 약물 분자의 반응을 3차원 구조로 세세하게 분해해 영상화함으로써 약물이 신체에 작용하는 자세한 과정을 더욱 정확히 이해할 수 있으므로 신약개발 성공확률 역시 획기적으로 증가시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이날 강의를 들은 김예지(원앙초, 5년) 학생은 “단백질에 대한 설명을 듣는 게 재미있었다. 단백질도 당연히 눈으로 볼 수 있을 것이라고 생각했는데, 그동안 그렇지 않았다는 것에 놀랐다. 강의가 매우 유익했다”며 강의에 대한 소감을 전했다.

자녀와 함께 강연장을 찾은 배연숙(대전 서구 둔산동) 학부모는 “제목을 보고 다소 어려운 내용이 아닐까 싶었지만 아이들이 강의에 집중하는 것을 보니 신기하더라”라며 “학교에서는 접하기 힘든 수준 높은 강의를 무료로 만날 수 있다는 게 매우 만족스럽다”고 밝혔다.

한편 ‘금요일에 과학터치’는 매주 금요일 전국 5개 도시에서 동시에 진행된다.

황정은 객원기자 | hjuun@naver.com 저작권자 2012.11.26 ⓒ ScienceTimes