두 다리로 걷는 보행분자

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-22

영국 화학자들이 곧은 분자 궤도를 앞뒤로 걸을 수 있는 두 개의 다리를 가진 분자를 고안했다 (M von Delius et al, Nature Chem., 2009, DOI: 10.1038/nchem.481). 그 시스템은 자연에서 사용되는 분자 기계와 유사한 방식으로 짐을 옮길 수 있는 인공적인 직선형 분자모터(molecular motor)를 위한 기반을 형성해줄 수 있다. 에딘버그대학교(University of Edinburgh)의Max von Delius와 Edzard Geertsema , David Leigh는 두 개의 주요 구성요소-두 개의 화학적으로 구분되는 ‘발’을 가진 21 원자 ‘보행분자(walker)’와 각각의 발을 위해 특화된 발판들을 가진 4 단계 저중합체 궤도(oligomeric track)-로부터 그 모터를 만들었다. 그 첫번째 발은 히드라지드(hydrazide) 부분을 가지고 두 번째 발은 황(sulfur)에 기반한 기를 가진다. 그 궤도는 알데히드(aldehyde)와 이황화기 (disulfide group)로 번갈아 구성된다. 산성 조건 아래에서는 히드라지드 발이 그것의 한 쪽에 있는 알데히드 발판들 중의 하나와 가역적으로 공유 히드라존 결합(hydrazone bond)를 형성하는데 반해, 이황화 발은 그 자리에 고정된 채로 남아 있다. 염기성 조건에서는 그 반대의 현상이 일어난다: 황에 기반한 발은 궤도 위의 두 개의 이황화 다리 사이를 움직이지만, 히드라존 발은 고정된 축처럼 작용한다. 그 환경을 산성과 염기성 사이에서 변동시켜줌으로써, 그 보행분자(walker)는 다리를 번갈아 들어 바꿔서 새로운 발판을 찾아 궤도를 오르내리게 된다. 그러나 이들 조건에서 그 보행분자는 다소 무작위적으로 위나 아래로 움직일 것이다. 일을 수행하기에 훨씬 더 유용하게 그것을 한 방향으로만 걷게 하기 위해서는 최소한 한쪽 발이 다른 방향보다 한 방향으로 더 잘 움직이도록 하기 위한 성향(bias)을 도입해줄 필요가 있다. 이것은 가역적인 산-염기 이황화 반응을 비가역적인 산화환원 반응 연쇄로 바꿔줌으로써 이루어졌다. 환원 조건 아래에서 그 이황화 결합이 깨어지나, 산화 조건에서는 그 결합이 빠르게 재형성된다고 Leigh는 설명했다. 이것은 산-염기 반응의 열역학적인 통제(thermodynamic control)라기 보다는 동력학적으로 통제(kinetic control) 되는 근본적으로 다른 반응이며, 그 단계들 중 하나의 방향성에서의 성향은 그 보행분자를 방향성을 가지고 움직이게 하기에 충분하다고 Leigh는 말했다. 중요한 것은, 세포 안의 단백질들을 운송하는 키네신(kinesin)과 같은 생물학적인 분자 기계들이 75~ 175 걸음을 걷는 것과 비교하여 그 보행분자가 떨어지기 전에 거의 40 걸음을 걸을 수 있다는 것이다. 그것은 큰 차이가 아니며, 1 세대 합성 시스템으로서 나쁘진 않다고 Leigh는 말했다. 그 시스템이 네 개의 발판 위에서 작동하는 것을 증명하고 나서, 에딘버그 연구진은 그 궤도를 연장시키고 보다 효율적인 보행분자들을 개발하여, 짐을 운반하는 것을 시작하려고 목표하고 있다. 영국의 캠브리지대학교(University of Cambridge)에서 복잡한 분자 구조들을 연구하고 있는 Jonathan Nitschke는 이 연구가 복잡하고 유용한 일들을 할 수 있는 분자 시스템을 얻는데 관심을 가지고 있는 화학자 공동체의 도구상자에 새로운 도구를 넣어 준다고 말했다. [그림] 두 개의 다리를 가진 분자가 그것이 속한 환경이 산성과 염기성 사이에서 변동하면서 궤도를 ‘걷는다’. 091221_walk.jpg 출처 : rsc.org