과학기술에 대한 흥미유발과 궁금증을 해소시켜주는 ‘금요일의 과학터치’. 월간세라믹스에서는 한국과학재단의 협조로 매달 1~2편의 강연을 소개하고 있다. 이번호에는 지난 4월10일 부산 구포도서관에서 소개된 한국과학기술원(KAIST) 이효철 교수의‘움직이는 단백질 동영상 찍기’와 지난달 8일 대전 교육과학연구원에서 소개된 한국에너지기술연구원 주현규 박사의 ‘태양빛과 물 그리고 광촉매가 만드는 수소’를  게재한다.
 - 편집부 -

움직이는 단백질 동영상 찍기

한국과학기술원(KAIST) 이효철 교수

◈◈◈ 연구배경(기술과 관련 상식)
현재의 기술로는 대부분 화학반응에서의 반응물과 생성물의 구조만 알 수 있고, 화학반응이 이루어지는 단계인 중간체에 대한 직접적인 3차원구조 정보를 얻을 수 없다. 만약 지금까지는 관찰할 수 없었던 거대한 생체 분자의 반응과정을 동영상으로 찍어서 직접 눈으로 볼 수 있다면, 생명현상에 대한 우리의 이해가 크게 깊어지면서 물질을 다루는 우리의 능력도 한 단계 업그레이드 될 수 있을 것이다. 정지된 분자의 구조 뿐 아니라 단백질 분자와 약물 분자가 반응하면서 이들의 3차원 구조가 변화하는 세세한 과정을 시간적으로 분해하여 영상화할 수 있다면 약물이 신체에 작용하는 자세한 과정을 더 정확하게 이해할 수 있으므로 신약개발 성공 확률을 획기적으로 증가시킬 수 있을 것이다.  

◈◈◈ 강연 소개
연구단은 엑스선 결정법을 더욱 발전시킨 ‘시간분해 엑스선 회절법’이란 방식을 연구하였고, 분자의 움직임을 잡아내는데 성공하였다.
‘시간분해 엑스선 회절법’이란 레이저 펄스를 용액에 쪼인 후 일어나는 복잡한 분자들의 움직임을 회절현상을 일으킬 수 있는 엑스선 펄스(X-ray pulse)를 이용하여 시간에 따라 측정하는 방법이다. 100억분의 1초의 시간길이를 가진 아주 짧은 광원인 ‘엑스선 펄스’가 분자의 빠른 움직임을 찍어내는 ‘분자캠코더’의 역할을 해낸 것이다. 이 신기술로 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수도 있어 단백질의 작동기작을 밝히는 데에 중요한 도구가 될 것이며 앞으로 신약개발 및 BT, NT 분야발전에 큰 도움을 줄 것으로 보인다. 

◈◈◈ 연구팀 및 연구 소개
한국과학기술원(KAIST) 화학과의 이효철 교수 연구팀은 2007년 5월부터 과학기술부가 지원하는 창의적 연구진흥사업으로 “시간분해회절연구”를 수행하고 있다. 본 연구단의 전신은 KAIST 화학과의 나노바이오 구조동역학 연구실(Nano/Bio Structural Dynamics Laboratory)로써 2004~2007년 약 3년 반 동안 활동하였다.
2005년도에는 세계최초로 움직이는 분자구조를 실시간으로 규명하는데 성공하였으며, 이를 세계적인 과학저널인 사이언스지에 게재해 과학계를 놀라게 하였다. 이 논문은 Science지 온라인 판의 하이라이트 섹션에 실렸고, 인쇄판에서는 다른 과학자들의 특별 리뷰 및 Perspective 란에 게재되었으며, Chemical & Engineering News에서는 금주의 뉴스로 소개되었다. 이렇게 관련 분야에서 큰 관심을 끈 이유는 ‘액체상에서의 동적인 구조변화를 직접적으로 관찰하는 것은 불가능할 것’이라는 기존의 상식을 뒤집었기 때문이다.
이러한 연구 성과를 바탕으로 설립된 이효철 교수의 연구팀(시간분해회절연구단)은 향후 9년간 과학기술부의 집중적인 지원을 받아 시간분해회절법을 개발, 심화시키고, 실시간적 구조변화의 메커니즘을 규명하는 것을 목표로 하고 있다.

그림 1. 실시간 X-선 기술로 규명된 메탄올 용액 내 CHI3 분자의 구조 동역학
그림 2. CBr4/MeOH에서의 광분해 반응
그림 3. 우리 몸의 혈관에서 산소 운반을 담당하는 헤모글로빈 단백질의 시간에 따른 구조변화
그림 4. 시간분해 회절의 응용으로 파급효과가 기대되는 분야의 사회경제적 가치

태양빛과 물 그리고 광촉매가 만드는 수소

한국에너지기술연구원 주현규

◈◈◈ 광화학적 물분해 수소 제조란?
수소를 제조함에 있어서, 수소와 산소가 결합되어 있는 물(H2O)을 빛과 광촉매를 이용하여 분해하여 제조하는 것을 말한다. 천혜의 자원인 태양광과 물을 이용하고 공정상, 활용상 유해 부산물이 발생하지 않기 때문에 친환경 기술이며, 궁극적인 미래기술로 언급되어진다.
다만 저급에너지(빛)에서 고급에너지(원료)로의 변환에 기인한 낮은 효율이 단점으로 지적되고 있어, 지속적인 연구를 통한 효율 향상을 도모해야 한다. 또한 캐소드로 쓰이는 귀금속의 경우 큰 규모로 보급될 시스템에서 엄청난 양이 소모되므로 대체될 필요성이 있다. 이러한 이유로 본 연구자는 자연적으로 존재하는 많은 미생물의 효소를 사용하여 수소 및 양성자를 활성화 시키는 광촉매/바이오촉매 융합 기술 연구를 하고 있다.

◈◈◈ 왜 수소이며, 이 방법이여야 하는가?
많은 사람들이 수소가 ‘지속가능’하고 ‘탄소제로’인 에너지 공급원의 중심으로 작용하는 미래의 사회를 구상한다. 즉, 낮에 태양에너지가 광화학적 매개체를 통하여 물을 분해하는데 사용되어 결국 수소와 산소의 화학에너지로 저장된 후 연료전지 등에 공급되어 유용하게 사용되는 사회를 말한다.
산업혁명 이후 화석연료의 사용은 이산화탄소를 비롯한 온실가스의 양을 늘려 (1970년 대비 70~80% 증가) 지구온난화 (1906년 대비 평균기온 0.74도 상승)를 유발함으로써 기후변화 (폭염, 허리케인, 홍수, 저지대,  침수) 등의 심각한 피해를 가져왔다. 기온 상승은 일시적 자연재해에 국한되는 것이 아니라 생물종의 멸종 (남극 펭귄, 북극 곰 등)이라는 극한 결과를 초래할 수도 있다고 한다 (1.5도~3.5도 상승의 경우 약 30~70% 멸종). 이러한 화석연료도 가채연수가 40여년(원유), 60여년(천연가스) 그리고 100년(석탄)이므로 대체 신재생에너지 개발이 필수적이다1). 이는 에너지안보 차원과 환경보호, 세계 정치/경제 일원으로의 동참 (교토의정서2), 발리로드맵3)/환경플랜트, 탄소시장, 그린카, 연료전지) 등의 차원에서 설명되어 진다.

◈◈◈ 이 연구에서 얻은 것들은 무엇인가?
1. 태양광 감응 에너지 재료 → ‘제로’ 에너지 소비형 시스템 구성 재료 (광화학셀, (염료)태양전지 등)
2. 태양광 감응 환경 재료 → 태양광 활용 유해 대기/수질 물질 저감 재료 (CO2 저감, 실내공기 정화, 극미량 유해 수용물질 제거 등)

◈◈◈ 연구결과 및 미래의 비전은?
본 연구결과
현재까지 본 연구를 통하여 아래와 같은 추이의 결과 발전을 이루었다. 기본 광어노드 면적(cm2)에서 시간당 약 240umol의 수소가 발생한다는 의미는 산술적으로 100m×100m의 면적이라면 태양빛이 존재하는 약 6.5시간 동안 3.5백만리터(약 310Kg)의 수소를 얻을 수 있어 500km 주행할 수 있는 자동차 53대 정도를 충전할 수 있는 양이다.

미래의 비전
앞서 언급한 현재 결과의 효율과 양이 기존 천연가스 개질기 등을 통한 수소제조의 그것보다 높거나 저렴하지 않다. 그러므로 꾸준히 효율을 높이고, 단가를 낮추는 연구를 계속 진행해 나가야 할 필요가 있는 것이다. 여기에는 태양광의 40% 이상을 차지하는 가시광 감응력이 우수하고 전해질에서 안정한 광어노드 개발과 캐소드용 귀금속 대체, 전해질 대체 등의 분야의 연구가 진행되어야 한다.
출처 : 금요일에 과학터치 (www.sciencetouch.net)