1초에 100만번 일어나는 생체효소 분자의 반응과정을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 포착했다.

12일 UNIST에 따르면 물리학과 김채운 교수팀은 탄산탈수효소Ⅱ(Carbonic Anhydrase Ⅱ)가 이산화탄소를 탄산으로 바꾸는 반응을 원자 수준에서 추적하는 데 성공했다.

탄산탈수효소 Ⅱ는 이산화탄소를 물에 잘 녹는 탄산 이온으로 바꾸는 단백질 촉매다.

이 촉매 분자의 활성자리에 이산화탄소가 붙었다가 탄산으로 바뀌어 떨어지는 반응이 일어나는데, 반응이 1초에 100만 번 이상 일어날 정도로 빨라 그 중간 과정을 들여다보는 것은 사실상 불가능하다고 여겨졌다.

연구진은 자체 설계한 '분자 영화 기술'을 활용해 반응 전 과정을 포착했다. 분자 영화 기술은 촬영 컷을 이어 만드는 영화처럼 효소 분자의 반응을 단계별로 얼려 X선으로 연속 촬영하고 이를 시간순으로 복원하는 기술이다.

이를 통해 효소 활성자리에서 물 분자가 자리를 바꾸고, 새 물이 유입되면서 탄산 이온이 빠르게 방출되는 모습을 관찰할 수 있었다.

물 분자의 재배열과 교체라는 중간 단계가 생성물의 방출 속도를 결정짓는 핵심 요소라는 것이다.

제1 저자인 김진균 박사는 "영하 113℃에서 영하 93℃ 구간에서만 나타나는 반응 중간 상태를 원자 수준에서 직접 관찰할 수 있었는데, 이처럼 빠르게 지나가는 효소 반응의 중간 단계를 구조적으로 포착한 것은 세계 최초"라고 설명했다.

김채운 교수는 "새롭게 밝혀진 원리는 단백질 공학과 신약 개발은 물론 물 분자를 정밀하게 제어하는 방식의 생체 모방 촉매 설계에도 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이런 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications)의 지난달 12일 자 온라인판에 게재됐다.