“1조분의 1초, 분자 움직임 잡았다”…韓 연구진, 50년 난제 해결

[헤럴드경제=구본혁 기자] 빛을 쬐면 약효를 켜고 끄거나 원하는 형태로 움직이는 초소형 ‘분자 스위치’. 그 대표주자인 ‘아조벤젠’이 빛을 받은 순간 실제로 어떻게 움직이는지를 둘러싼 50년 가까운 수수께끼를 국내 연구진이 풀었다. 다.

KAIST는 화학과 이효철 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 첨단 반응동역학 연구단과 함께 빛에 반응하는 분자 아조벤젠의 초고속 구조 변화 과정을 규명했다고 1일 밝혔다.

아조벤젠은 빛을 받으면 분자 구조가 달라지는 대표적인 광반응 분자다. 두 개의 벤젠 고리가 질소 원자 두 개로 연결돼 있는데, 빛을 받으면 두 고리의 상대적인 위치가 바뀐다.

이 같은 특성 때문에 빛으로 약물 활성을 조절하는 ‘광약리학’을 비롯해 스마트 소재, 초소형 분자기계 등의 핵심 소재로 연구되고 있다.

문제는 빛을 받은 직후 벌어지는 변화가 워낙 빨라 실제 움직임을 직접 확인하기 어렵다는 점이었다. 양쪽 벤젠 고리가 크게 회전하는지, 가운데 질소 연결부가 움직이는지 등을 놓고 약 반세기 동안 여러 가설이 제시돼왔다.

연구팀은 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자레이저를 활용해 이 찰나의 움직임을 추적했다. 메탄올에 녹인 아조벤젠에 레이저를 쏘아 반응을 일으킨 뒤 초고속 엑스선으로 시간에 따른 구조 변화를 측정했다.

특히 주변 용액에서 발생하는 강한 신호 속에서 아조벤젠의 미세한 신호만 분리해냈다. 순간순간 측정한 구조 정보를 이어 붙여 분자가 움직이는 과정을 일종의 ‘분자 동영상’으로 재구성했다.

그 결과 예상과 달리 양쪽의 큰 벤젠 고리가 한꺼번에 크게 회전하지 않는 것으로 나타났다. 먼저 탄소와 질소가 연결된 부분이 비틀어진 뒤 가운데 질소 연결부 양쪽이 마치 자전거 페달처럼 맞물려 움직이면서 전체 분자의 모양을 바꿨다.

이 같은 움직임은 주변 용액의 점성이 높아져도 아조벤젠의 반응 속도가 크게 달라지지 않는 이유를 설명할 단서도 제공한다. 큰 벤젠 고리 전체가 회전하는 것보다 중심부 위주로 움직이면 주변 용액을 밀어내야 하는 공간이 줄어들기 때문이다.

이번 성과는 아조벤젠을 활용한 약물이나 소재의 성능을 곧바로 높이는 기술은 아니다. 하지만 분자가 실제로 어떤 경로를 거쳐 움직이는지를 구조 수준에서 규명했다는 점에서 향후 광응답 소재와 분자기계의 설계·검증에 활용될 수 있다.

또 무거운 원자가 없는 용액 속 유기분자도 X선을 이용해 초고속 구조 변화를 추적할 수 있음을 보여줬다. 연구팀은 앞으로 용매와 빛의 파장 등 조건을 바꿔가며 다양한 유기분자의 ‘분자 동영상’을 확보할 계획이다.

이효철 교수는 “아조벤젠이 빛을 받은 뒤 어떤 경로로 모양을 바꾸는지 밝힌 성과”라며 “다양한 광반응 분자의 작동 원리를 이해하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 30일(현지시간) 게재됐다.