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[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 원자가 결합해 분자가 되는 모든 과정을 실시간으로 관측하는데 성공했다. 이 기술을 발전시켜 다양한 촉매나 단백질의 반응 과정을 원자 수준으로 관찰할 수 있게 되면 효율성 높은 촉매를 개발하거나 신약을 개발하는데 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 이효철 기초과학연구원 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장의 연구팀은 이같은 내용의 연구 결과가 국제 학술지인 네이처에 25일(현지시간) 실렸다고 밝혔다.
연구팀은 수 펨토 초(1000조 분의 1초)라는 찰나의 순간에 수 옹스트롬(1억 분의 1cm) 수준으로 미세하게 움직이는 원자의 시간과 공간에 따른 변화를 실시간 관측하는데 세계 최초로 성공했다.
연구팀은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체 분자의 형성과정을 관찰했다. 이를 위해 펨토 초의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스)를 이용했다.
이 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 한 결합이 35펨토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토 초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성된다는 것도 규명했다.
금 삼합체는 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물이다. 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응해 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
연구팀은 이 실험을 통해 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있다는 것도 관측했다.
연구팀은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스설 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유기 촉매나 무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr
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펨토초 X선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 X선 회절법 실험을 통해 금 원자 3개로 이루어진 금 삼합체가 2단계 결합을 통해 만들어진다는 것을 확인했다. 레이저를 쪼인 뒤 35펨토초 만에 가까이 있던 금 원자 2개 사이에 결합이 형성되고 360펨토초 후 나머지 금 원자 1개가 결합해 금 삼합체가 완성된다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 X선 회절 이미지를 얻고 분석해 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
IBS 이효철 교수(왼쪽.교신저자)와 김종구 선임연구원(제1저자)[IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
