새로운 분석 기술은 생체 분자의 매우 빠른 역학에 대해 지금까지 도달할 수 없는 통찰력을 제공할 수 있다.
University of Wisconsin–Milwaukee의 Abbas Ourmazd와 DESY의 Robin Santra가 이끄는 개발자 팀은 과학 저널 Nature에서 양자 물리학과 분자 생물학 기술을 사용하여 광활성 황색 단백질(PYP)이 빛에 의해 여기된 후 1조분의 1초 이내에 구조 변화를 겪는 방식을 추적했다.
DESY의 수석 과학자이자 함부르크 대학의 물리학 교수 Santra는 “특정 박테리아의 광합성과 같은 자연의 생화학적 과정을 정확하게 이해하기 위해서는 사건의 상세한 순서를 아는 것이 중요하다”라며 “빛이 광활성 단백질에 부딪히면 공간 구조가 바뀌고 이 구조적 변화는 단백질이 자연에서 어떤 역할을 하는지 결정하다”고 말한다.
그러나 지금까지는 구조적 변화가 일어나는 정확한 순서를 추적하는 것이 거의 불가능했다. 반응 전후의 분자의 초기 상태와 최종 상태만이 이론적인 용어로 결정되고 해석될 수 있다.
분자의 에너지 상태는 분광법을 사용하여 매우 정확하게 결정할 수 있다. 예를 들어 X선 레이저의 밝은 X선을 사용하여 분자의 모양을 분석할 수 있다. 매우 짧은 파장의 X선은 분자 내 원자의 위치와 같은 매우 작은 공간 구조를 해결할 수 있음을 의미한다. 그러나 결과는 사진과 같은 이미지가 아니라 그것을 생성한 공간 구조를 추론하는 데 사용할 수 있는 특징적인 간섭 패턴이다.
분자 수준에서 움직임이 매우 빠르기 때문에 과학자들은 이미지가 흐려지는 것을 방지하기 위해 극히 짧은 X선 펄스를 사용해야 한다. X선 레이저의 출현으로 이러한 역학을 포착할 수 있을 만큼 충분히 밝고 짧은 X선 펄스를 생성할 수 있게 됐다. 그러나 분자 역학은 물리학 법칙이 일상적인 경험과 다른 양자 물리학의 영역에서 일어나기 때문에 양자 물리학 분석을 통해서만 측정을 해석할 수 있다.
광활성 단백질의 독특한 특징을 고려해야 한다. 입사광은 전자 껍질을 자극하여 더 높은 양자 상태로 들어가고, 이는 분자 모양의 초기 변화를 유발한다. 이러한 모양의 변화는 차례로 서로 겹치는 여기된 양자 상태와 바닥 양자 상태를 초래할 수 있다. 결과적인 양자 점프에서 여기 상태는 바닥 상태로 되돌아가서 분자의 모양이 처음에는 변경되지 않은 상태로 유지된다. 따라서 양자 상태 사이의 원추형 교차는 양자 역학 바닥 상태에서 단백질의 새로운 공간 구조에 대한 경로를 연다.
Santra와 Ourmazd가 이끄는 팀은 이제 이러한 원뿔형 교차점에서 광활성 단백질의 구조적 역학을 푸는 데 처음으로 성공했다. 역학에 대한 전체 설명은 실제로 관련된 모든 입자의 가능한 모든 움직임을 고려해야 하기 때문에 기계 학습을 사용하여 그렇게 했다. 이것은 빠르게 풀 수 없는 관리 불가능한 방정식으로 이어진다.
Santra는 “우리가 연구한 광활성 황색 단백질은 약 2000개의 원자로 구성되어 있다”며 “모든 원자는 기본적으로 3차원 공간 모두에서 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 총 6000개의 이동 옵션이 있다. 이는 오늘날 가장 강력한 컴퓨터도 풀 수 없는 6000차원 양자 역학 방정식으로 이어진다”고 말했다.
기계 학습 분석은 복잡한 분자에 있는 원자의 집합적 움직임 패턴을 식별할 수 있었다. 이 기술을 사용하여 컴퓨터는 약 6000개의 치수를 4개로 줄일 수 있었다. 이 새로운 방법을 시연함으로써 Santra의 팀은 수천 개의 원자로 구성된 복잡한 분자에서 양자 상태의 원추형 교차점을 처음으로 특성화할 수 있었다.
상세한 계산은 이 원뿔형 교차점이 4차원 공간에서 어떻게 형성되고 광활성 황색 단백질이 빛에 의해 여기된 후 이를 통해 어떻게 다시 초기 상태로 떨어지는지를 보여준다. 과학자들은 이제 이 과정을 수십 펨토초(1/400초) 단위로 설명할 수 있으므로 광활성 과정에 대한 이해를 높일 수 있다.
Santra는 “결과적으로 양자 물리학은 생물학적 시스템에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 생물학은 양자 역학 방법론에 대한 새로운 아이디어를 제공하고 있다”며 “이 과정에서 두 분야가 서로 교배되고 있다”고 말했다.
의료 및 보건, 생명공학 편집자.
Writing on Bio, Medical. M.D. Fellow Professor at SNUH.
