미세한 다이아몬드 결함을 이용한 분자 구조 결정

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

이제 MIT 대학 연구진은 미세한 다이아몬드 결함을 이용하여 분자 구조를 이전에는 볼 수 없었던 수준으로 자세히 관측할 수 있는 기술을 개발하였다. 즉, 다이아몬드의 질소 공동 센터로 잠재적으로 실온에서 단일 단백질 분자의 구조를 결정할 수 있게 한 것이다. 단백질은 살아 있는 것들의 기본 요소이며 제한 없는 다양성으로 존재한다. 그것들의 대부분은 매우 복잡한 구조이며 아직 결정되지 않은 형태이다. 그런 구조는 기본 생물학적 프로세스를 이해하기 위해서 또는 새로운 약물 개발에 핵심적일 수 있는 것이다. 그러나 이런 복잡한 분자에서 원자들의 정렬을 이해하기 위해서는 보통 자세히 관측 가능하도록 충분히 큰 결정을 형성하도록 만드는 것이다. 그러나 많은 단백질로 이런 구조를 형성시키는 것은 불가능한 일이다. 이제 미국 MIT 대학의 연구진에 의해서 새로운 기술이 개발되어 매우 자세하게 각각의 단백질을 자세히 볼 수 있게 하였다. 즉, 단백질이 결정을 형성하지 않고서도 복잡한 구조를 알아낼 수 있는 것이다. 이들의 연구 결과는 Physical Review X 저널에 발표되었다. 이 연구는 싱가포르 기술 대학과 하버드 대학의 연구진과 공동으로 수행되었다. 이 기술은 다이아몬드 결정 구조 안의 미세한 결함을 이용한다. 이 결함은 조절된 방법으로 실험실에서 유도될 수 있다. 이런 결함은 질소 공동 센터라고 불리며 질소 원자가 결정 구조 안에 도입될 때 발생하며, 각각은 완벽한 간격의 다이아몬드 격자 안에서 탄소 원자 한개를 각각 치환한다. 그와 같은 격자들은 또한 자연적으로 발생하는 결함을 포함한다. 이런 자연적인 결함은 격자의 보통 위치에서 탄소 원자가 빠짐으로 발생한다. 질소 원자 및 공동이 근접하면, 그것들은 NV 센터를 형성한다. 이를 이용하여 그것들에 매우 근접하게 위치한 원자 안의 양성자 및 전자들의 스핀 상태 특성 및 위치를 검출할 수 있다. NV 센터로부터 단백질 분자의 핵 스핀으로 이런 편극의 전이는 분자 안의 스핀 사이의 결합을 이해하는데 도움을 준다. 단백질 구조는 이런 결합에 포함된 정보로부터 분석해낼 수 있다. 이를 위해서, 레이저 빛을 다이아몬드 표면에 비추면 NV 센터는 형광을 발생시킨다. 방출된 빛을 검출하고 분석함으로써, 근처 입자의 스핀을 재구성하는 것이 가능하다. 다이아몬드에서 NV 센터를 이용할 수 있는 능력은 지난 수 년 전에 개발되었으며 이제 많은 연구진이 그것들을 양자 계산 및 통신에 사용하고 있다. NV 센터가 다이아몬드 표면에 매우 근접하면, 그것들은 또한 표면에 놓인 분자 안에서 입자들의 스핀 상태를 감지하는 데 사용될 수 있다. 개개의 원자들과 그것의 위치는 원칙적으로 검출되고 측정되어 분자 구조를 밝히는데 사용될 수 있는 것이다. 이들 연구진의 방법은 생물학적 분자를 다이아몬드 상단에 놓고 그것의 구조를 결정하는 것이다. 단백질에서 구조와 기능은 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 구조를 정확하게 측정하는 것은 일부 기본 생물학적 프로세스가 어떻게 작동하는지를 이해하는데 유용하며 새로운 약물이 어떻게 특정한 분자 목표와 상호작용하는지를 이해하는 데 유용할 것이다. 그것은 또한 분자 타깃을 봉쇄할 수 있도록 약물을 개발하는데도 도움을 줄 수 있다. 따라서 첫 번째 단계는 그 구조를 아는 것이다. 단백질 분자 구조를 해독하기 위해서 대부분 X-선 결정, 투과 전자 현미경 또는 핵 자기 공명을 사용한다. 그러나 이런 모든 방법은 큰 부피를 가진 시료를 필요로 한다. 예를 들어, X-선 회절은 결정을 구성하기 위한 분자 군집을 필요로 한다. 따라서 그 어떤 방법도 개개의 분자를 연구하기 위해서 적합하지 않다. 연구진은 결정으로 성장할 수 없는 많은 분자들이 있으며 또는 성장시키기가 매우 어려운 분자들이 많다고 말하였다. 이런 분자들에 대해서, 그들의 방법은 결정을 필요로 하지 않고 단지 하나의 분자만을 요구하기 때문에 유용하다. 더구나, 다른 기술들은 매우 낮은 온도 또는 진공과 같은 특수한 조건을 필요로 하는 반면에, 이들의 새로운 기술은 실온 상태에서 가능하다는 장점도 있다. 지금까지는 이론적 연구이며, 다음 단계로 연구진은 이런 기술에 기반한 실제 이미지를 만들 계획이다. 이들 연구진은 지난해 장비 개발을 시작하였으며 기초 실험이 진행 중이라고 말하였다. 이 기술은 바이오분자 구조 결정을 위한 새로운 기술의 개발에 매우 혁신적인 것이라고 이 연구에 참여하지 않은 독일 Ulm대학의 양자 광학의 교수인 Fedor Jelezko가 말하였다. 이 기술은 과학의 많은 분야에 중대한 영향을 줄 것이라고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 "Atomic-Scale Nuclear Spin Imaging Using Quantum-Assisted Sensors in Diamond"라는 제목으로 Phys. Rev. X 저널에 발표되었다. 첨부그림 1: 다이아몬드의 질소 공동(NV) 센터는 잠재적으로 실온에서 단일 단백질 분자의 구조를 밝혀낼 수 있다. NV 센터는 표면 아래의 2에서 3 나노미터에 있으며 단백질 분자는 그 위에 놓여 있다. 첨부그림 2: 이 새로운 기술은 미세한 다이아몬드 결함을 이용하여 분자 구조를 이전에는 밝혀낼 수 없었던 수준으로 상세하게 밝혀낼 수 있다. NV의 스핀은 완전히 광학적으로 편극될 수 있다. 2-newtechnique.jpg 3-newtechnique.jpg http://phys.org/print342430818.html