국내 연구팀이 단백질, 핵산 등 생체 분자들이 물 속에서도 안정된 구조를 이루는 이유를 실험적으로 밝혀냈다.

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울산과학기술원(UNIST)은 김영삼 자연과학부 교수팀이 분자와 물 사이에서 일어나는 매우 빠른 움직임을 실험적으로 관측하고, 이 움직임 때문에 단백질 등 분자들이 수용액에서도 안정하게 존재한다는 사실을 발견했다고 22일 밝혔다.

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물(H₂O)은 수소(H)와 산소(O)가 결합해 이뤄진 물질이다. 기본적으로 두 원자는 전자를 공유하는 ‘공유결합’으로 뭉쳐지지만, 약한 양성(+)을 띠는 수소가 다른 물 분자의 산소(-)에 달라붙는 ‘수소결합’도 나타난다. 수소결합은 공유결합보다 에너지는 약하지만, 끊임없이 나타났다 사라지며 물의 특성을 결정한다.

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물 속에 다른 물질이 들어오면 수소결합 때문에 구조나 성질이 달라지게 된다. 하지만 우리 몸을 이루는 단백질이나 핵산 같은 생체분자들은 물속에서도 구조적으로 안정하게 존재한다. 과학자들은 그 이유를 비공유 상호작용이라고 추정해왔으며, 그 중 대표적인 것이 ‘엔-파이스타 상호작용’이다.

엔-파이스타 상호작용도 수소결합처럼 전자를 공유하지 않으면서 원자들을 결합시킨다. 결정 상태의 단백질 구조에서 많이 관찰할 수 있는 이 현상이 물속에서도 나타나는지 입증한 실험은 없었다.

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연구팀은 엔-파이스타 상호작용이 나타나는 ‘페닐 포메이트(PF) 분자’를 물과 다른 용매에 녹이면서 이차원 적외선 분광법(2D IR)로 관찰했다. 물 함량을 조절하면서 수소결합 변화도 함께 살폈다. 그 결과 PF 분자에서 엔-파이스타 상호작용으로 나타나는 시스 구조와 수소결합 구조가 1조분의 1초 단위로 계속 교환됐다. 물이 많아질수록 수소결합 구조의 비율이 늘어났고, 두 구조가 서로 바뀌는 속도도 빨라졌다.

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김영삼 교수는 “물을 매개로 하는 두 구조 사이의 매우 빠른 교환이 단백질을 비롯한 생체분자의 구조를 더 안정하게 만든다”며 “물과 대상 분자의 수소결합이 끊어졌다 연결되기를 반복하면서 무질서도가 증가하고, 약한 에너지를 가진 엔-파이스타 상호작용도 존재할 수 있는 환경이 되는 것”이라고 분석했다.

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이어 “높은 에너지를 가진 다른 빛들은 화학적, 생물학적 변화를 가져올 수 있기 때문에 생체분자나 수용액 속 분자가 실제로 활동하는 모습을 보기 힘들다”며 “관측 도구의 영향으로 죽어버린 분자가 아니라 살아 움직이는 분자를 보는 기술이 2D IR”이다.