초고속 물리학을 구조 생물학에 적용하면 분자 "일관성"의 복잡한 춤이 전례 없이 명확하게 드러납니다. 예를 들어 광합성 과정에서 분자가 빛과 같은 자극에 반응하는 방식을 이해하는 것은 생물학의 기본입니다. 과학자들은 이러한 변화가 여러 영역에서 어떻게 작동하는지 밝히기 위해 노력해 왔으며, 이 두 영역을 결합함으로써 연구자들은 생명에 중요한 단백질의 분자 반응을 이해하는 새로운 시대를 열어가고 있습니다.
Imperial College London의 생명과학과 Jasper van Thor 교수가 이끄는 대규모 국제 연구팀은 최근 Nature Chemistry 저널에 연구 결과를 보고했습니다.
결정학은 분자가 어떻게 배열되는지에 대한 "스냅샷"을 찍는 구조 생물학의 강력한 기술입니다. 몇 차례의 대규모 실험과 수년간의 이론 연구 끝에 새로운 연구 팀은 이 기술을 분광학으로 알려진 분자의 전자 및 핵 구성의 진동을 매핑하는 또 다른 기술과 결합했습니다.
전 세계의 강력한 X선 레이저 시설에서 새로운 기술을 시연한 연구팀은 연구한 단백질의 분자가 광학적으로 여기될 때 초기 움직임이 "일관성"의 결과라는 것을 보여주었습니다. 이는 이것이 생물학적 반응의 기능적 부분의 후속 이동이 아닌 진동 효과임을 시사합니다.
처음으로 실험적으로 나타난 이 중요한 차이점은 스펙트럼 물리학이 어떻게 구조 생물학의 고전적인 결정학 방법에 새로운 빛을 비출 수 있는지를 강조합니다.
Van Tol 교수는 "생명을 유지하는 모든 과정은 단백질에 의해 수행되지만 이러한 복잡한 분자가 어떻게 작동하는지 이해하려면 원자의 배열과 반응 중에 이 구조가 어떻게 변하는지 이해하는 것이 필요합니다. 분광학 방법을 사용하면 이제 결정 구조를 해결하여 이미지 형태로 직접 볼 수 있습니다. "이제 우리는 원자 분해능에 접근하는 매우 빠른 시간 규모에서 분자 역학을 이해하고 심지어 제어할 수 있는 도구를 갖게 되었습니다. 우리는 이 새로운 기술의 방법론적 세부 사항을 공유함으로써 초고속 레이저 분광학뿐만 아니라 시간 분해 구조 생물학 분야의 연구자들이 응집성 프로세스의 결정 구조를 탐구하도록 장려할 수 있기를 바랍니다."
기술의 결합
이러한 기술을 결합하려면 미국의 LCLS(Linac Coherent Light Source), 일본의 SPring-8 Angstrom SACLA(Compact Free Electron Laser), 한국의 PAL-XFEL, 가장 최근에는 함부르크의 유럽 XFEL을 포함한 XFEL(X선 자유 전자 레이저) 시설을 사용해야 합니다.
팀원들은 2009년부터 XFEL에서 일하면서 펨토초 화학으로 알려진 펨토초(10억분의 1초) 시간 규모에서 반응성 단백질의 움직임을 활용하고 이해해 왔습니다. 레이저 펄스로 자극한 후 X선을 사용하여 구조의 "스냅샷"을 찍습니다.
2016년에 이 기술은 빛에 의해 유도된 생물학적 단백질에서 발생하는 변화를 자세히 설명하면서 초기 성공을 거두었습니다. 그러나 연구자들은 여전히 중요한 질문을 해결해야 합니다. 펨토초 단위의 작은 분자 "움직임"은 첫 번째 레이저 광 펄스 직후 어디에서 발생합니까? 이전 연구에서는 모든 움직임이 생물학적 반응, 즉 기능적 움직임에 대응한다고 가정했습니다. 그러나 새로운 방법을 사용하여 연구팀은 실험을 통해 이것이 사실이 아니라는 것을 발견했습니다.
일관된 제어
이 결론에 도달하기 위해 그들은 예측 가능한 방식으로 단백질의 움직임을 제어하기 위해 레이저 빛을 형성하는 "일관성 제어"를 만들었습니다. 2018년 스탠포드 LCLS에서 초기 성공을 거둔 후 접근 방식을 확인하고 검증하기 위해 전 세계 XFEL 시설에서 총 6번의 실험을 수행했으며, 매번 대규모 팀을 구성하고 국제 협력을 형성했습니다. 그런 다음 그들은 이러한 실험 데이터를 액적 화학에서 수정된 이론적 방법과 결합하여 분광학 데이터가 아닌 X선 결정학 데이터에 적용할 수 있었습니다.
결론은 피코미터와 펨토초 시간 단위로 정확하게 측정된 초고속 운동은 생물학적 반응에 속하지 않고 나머지 바닥 상태의 진동 일관성에 속한다는 것입니다. 이는 펨토초 레이저 펄스 이후 "남은" 분자가 이후에 측정된 모션을 지배하지만 소위 진동 일관성 시간 내에서만 가능하다는 것을 의미합니다.
Van Thor 교수는 다음과 같이 말했습니다. "우리는 실험에서 일관성 제어를 포함하지 않더라도 기존의 시간 분해 측정이 실제로 빛에 의해 유도된 생물학적 반응과 관련이 없는 어두운 '반응물' 바닥 상태의 움직임에 의해 지배된다는 결론을 내렸습니다. 대신 이러한 움직임은 기존 진동 분광법으로 측정된 움직임과 반대됩니다."