약 1나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 단일분자는 상온에서 매우 불안정하게 존재한다. 약 100nm 크기의 코로나바이러스가 공기 중에 빠르게 확산되는 것을 생각하면 단일분자 관측이 얼마나 어려운지 짐작할 수 있다. 최근 국내 연구팀이 단일분자 위에 얇은 절연층을 ‘이불 덮듯이’ 덮어 상온에서도 안정적으로 관측할 방법을 찾았다. 단일분자의 구체적인 모양새를 보고자 하는 화학자들의 오랜 꿈이 실현된 것이다.
POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨 연구팀은 UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 화학과 서영덕 교수와의 공동연구를 통해 상온에서 나타나는 단일분자의 자세 변화를 세계 최초로 시각화하는 데 성공했다. 인간을 포함한 모든 물질의 기본단위인 분자 하나의 자세를 상세히 들여다볼 수 있게 된 것이다.
공기에 노출된 분자는 주변 환경과 수시로 화학적 반응을 일으키고 끊임없이 움직인다. 이 때문에 ‘분자 지문’이라고 불리는 라만 산란1) 신호를 검출하기 매우 어렵고, 분자를 영하 200℃ 이하로 얼려 가까스로 신호를 검출하더라도 단일분자 고유의 특성을 규명하는 데 한계가 있다.
연구팀은 금 박막을 입힌 기판 위에 단일분자를 올리고, 매우 얇은 산화알루미늄(Al2O3)층을 그 위에 이불처럼 덮어 ‘꽁꽁’ 묶었다. 금과 산화알루미늄 사이에 갇힌 분자는 주변 환경과 분리돼 화학반응을 일으키지 않는 데다가 움직임 또한 억제됐다.
이렇게 고정된 분자는 연구팀이 개발한 초고감도 탐침증강 나노현미경을 통해 관측됐다. 개발된 나노현미경을 이용하면 날카로운 금속 탐침의 광학 안테나 효과2) 덕택에 단일분자의 미세한 광신호도 정확히 검출할 수 있고, 이를 통해 일반적인 광학현미경의 해상도 한계(약 500nm)를 훨씬 뛰어넘어 1nm 크기의 단일분자가 누워있는지 서 있는지의 자세 변화를 명확하게 구분할 수 있다.
POSTECH 강민구 씨는 “제임스웹 망원경이 가장 먼 곳을 관측하여 우주의 기원을 밝힌다면, 본 연구팀의 단일분자 현미경은 가장 작은 것을 관측하여 생명의 기원을 밝힐 수 있다”라고 기대했다.
이 연구성과는 난치병의 원인 파악과 치료법 개발의 실마리가 될 연구로 학계의 주목을 받는다. 질병의 원인이 되는 단백질이나 DNA의 분자 배향(Conformation)을 나노미터 수준까지 샅샅이 살펴볼 수 있어서다. 이뿐만 아니라 시료 위에 얇은 층을 덮는 방식이 매우 간단한 데다가 상온 또는 고온에서도 적용할 수 있어 그 응용 가능성이 무궁무진하다.
한편, 본 연구는 UNIST 이근식 교수·엘함 올라이키(Elham Oleiki)·주희태 연구원, 한국화학연구원 김현우·엄태영 박사, POSTECH 물리학과 통합과정 구연정·이형우 씨 등이 참여했다. 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.
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[용어설명]
1. 라만 산란: 물질에 일정한 주파수의 빛을 조사한 경우, 분자 고유 진동이나 회전 에너지 또는 결정의 격자 진동 에너지만큼 달라진 주파수의 빛이 산란되는 현상. 이 산란광은 물질의 고유 특성으로, 분자의 분자 구조를 추론할 수 있다.
2. 광학 안테나 효과: 전파를 효율적으로 수신하기 위해 뾰족한 안테나를 세우는 것처럼 전자기파에 해당하는 빛이 자신의 파장보다 작은 차원의 물체를 만나게 되면 그 주위에 빛이 집중되는 현상이 발생하는데, 이를 이용하는 것이 광학 안테나 효과다.
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