세계 최초로 ‘원자분해능’ 장벽 돌파

초저온전자현미경으로 단백질 원자 정밀 관측에 성공

그동안 인류는 물질의 기본 단위인 원자(atom)의 세계를 들여다보기 위해 많은 노력을 기울여왔다.

그리고 최근 혁신적인 발전을 거듭하고 있다. 22일 ‘사이언스’ 지는 과학자들이 원자 수준의 공간을 분해할 수 있는 단계인 원자분해능(atomic resolution)의 장벽을 넘어서는데 성공했다고 보도했다.

독일 막스플랑크 연구소, 괴팅겐 대학 연구팀은 초저온전자현미경(Cryo-EM)을 통해 단백질 내에서 개별적인 원자 위치와 구조를 파악하는데 성공했는데 이는 해상도를 놓고 경쟁하던 X선 결정학(X-ray crystallography)을 넘어서는 것이다.

과학자들이 초저온전자현미경(Cryo-EM)을 통해 원자 수준의 공간을 분해할 수 있는 단계인 원자분해능의 장벽을 넘어서는데 성공했다. 사진은 알코올 옥시디아제를 촬영한 영상. ⓒwikipedia

국제 기준 넘어 1.25 국제옹스토롱 수준 도달

연구팀은 ‘사이언스’ 지를 통해 “처음으로 원자 수준의 아름다운 광경을 볼 수 있었다.”고 말했다.

연구 결과가 발표되면서 과학계가 뜨거운 반응을 보이고 있는 중이다. 관계자들은 이번 연구 결과로 향후 다양한 원자 세계를 관찰할 수 있으며, 특히 단백질 연구에 있어 놀라운 통찰력을 부여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구 결과는 21일 국제 학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Atomic-resolution protein structure determination by cryo-EM’이다.

연구팀은 단백질 결정구조 속에서 실제 원자를 영상화하기 위해서는 국제 기준으로 1.5 국제옹스토롬(angstroms)을 넘어서야 하지만 그동안 많은 노력에도 불구하고 이 단계에 도달하지 못하고 있었다고 말했다.

그러나 기능을 업그레이드한 초저온투과전자현미경을 통해 점막세포에 분포한 단백질 아포페리틴(apoferritin)의 구조를 1.25 국제옹스토롬 수준에서 관찰할 수 있었다고 밝혔다. 지금까지 관측된 가장 미세한 관측 결과다.

물질의 기본단위 원자는 광학현미경으로는 도저히 보기 힘든 매우 작은 세계다.

그러나 과학자들은 첨단 기술인 X선 결정학과 초저온투과전자현미경을 통해 원자 세계의 신비롭고 아름다운 구조를 관찰하고 있었다.

X선 결정학이란 1914년 노벨물리학상을 수상한 독일의 물리학자 막스 폰 라우에(Max Theodor Felix von Laue)가 확립한 학문 분야다. 그는 X선의 본체가 파장이 매우 짧은 전자파라는 사실을 알아냈다.

그런 만큼 결정성 고체에 X선을 쪼이면, X선이 규칙적으로 배열된 원자에 부딪쳐 회절 되면서, 결정 뒤에 설치해놓은 필름에 일정한 규칙성을 갖는 패턴을 그리게 된다. 이 패턴을 통해 각 점들 간의 방향‧거리를 수학적으로 역추적하면서 원자들을 관찰할 수 있었다.

단백질 등 원자 분석에 새로운 시대 맞아

초저온전자현미경(cryo-EM)은 X선 결정학과 근본적으로 다른 방식을 채택하고 있다.

세포나 수용액에 존재하는 생체 고분자를 초저온 상태로 유지한 상황에서 전자빔을 이용해 고해상도로 3차원 구조에서 관찰할 수 있다.

자연 상태에서 물질을 관찰할 수 있는 전자현미경으로 이를 개발한 자크 뒤보세(Jacques Dubochet), 요아힘 프랑크(Joachim Frank), 리처드 헨더슨(Richard Henderson)은 2017년 노벨화학상을 받았다.

시작서부터 관찰 방식이 다른 X선 결정학과 초저온전자현미경은 그동안 경쟁구도를 구축하며 발전을 거듭해왔다.

이전에는 X선 결정학이 주로 사용돼왔다. 그러나 생명과학이 발전하고 리보솜(ribosome)과 같은 미세한 물질을 파악해야 하는 상황에 직면하면서 한계성을 드러냈다.

X선 결정학을 통해 단백질 구조를 밝혀내기 위해서는 단백질 입자를 결정화시킨 후 엑스선 회절 분석을 통해 그 구조를 파악해야 하는데 이 과정에서 어려움과 실패를 겪게 됐고 과학자들은 또 다른 방식인 초저온전자현미경에 눈을 돌리게 된다.

초저온현미경을 사용할 경우 시료를 결정화할 필요가 없다. 그런 만큼 단백질과 같은 복잡한 구조를 갖는 생체 물질 구조를 밝히는데 다양하게 이용되고 있었다.

기능도 계속 업그레이드되고 있었다. 이전에 일본의 과학자들이 아포페리틴을 대상으로 분석을 시도했는데 1.54 국제옹스토롬(angstroms)에 도달한 바 있다. 그러나 원자를 개별적으로 구분할 수 있는 기준인 1.5 국제옹스트롬에는 도달하지 못하고 있었다.

이런 상황에서 미시간대 연구팀이 1.25 국제옹스토롬에 도달함으로써 향후 단백질 분석에 새로운 상황을 맞게 됐다.

연구팀은 이번 연구에 또 다른 영국과 독일 과학자들의 도움이 있었다고 밝혔다. 전자 빔 기술과 탐지기, 기타 소프트웨어 기술을 지원받아 가장 미세한 수준의 원자를 관찰할 수 있었다는 것.

관계자들은 현재 단백질 분석에 머물고 있는 초저온현미경 연구가 다른 분야로 관심을 돌려 또 다른 성취를 이룰 수 있기를 기대하고 있다.

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