포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 박경덕 물리학과 교수·통합과정 강민구 씨 연구팀이 유니스트(UNIST·총장 이용훈) 서영덕 화학과 교수와 공동연구를 통해 상온에서 나타나는 단일분자의 자세 변화를 세계 최초로 시각화하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 인간을 포함한 모든 물질의 기본단위인 분자 하나의 자세를 상세히 들여다볼 수 있게 됐다.
공기에 노출된 분자는 주변 환경과 수시로 화학적 반응을 일으키고 끊임없이 움직인다. 이 때문에 '분자 지문'이라고 불리는 '라만 산란' 신호를 검출하기 매우 어렵고, 분자를 영하 200℃ 이하로 얼려 가까스로 신호를 검출하더라도 단일분자 고유 특성을 규명하는 데 한계가 있다.
연구팀은 금 박막을 입힌 기판 위에 단일분자를 올리고 매우 얇은 산화알루미늄(Al2O3)층을 그 위에 이불처럼 덮어 '꽁꽁' 묶었다. 금과 산화알루미늄 사이에 갇힌 분자는 주변 환경과 분리돼 화학반응을 일으키지 않는 데다가 움직임 또한 억제됐다.
이렇게 고정된 분자는 연구팀이 개발한 초고감도 탐침증강 나노 현미경을 통해 관측됐다. 개발된 나노 현미경을 이용하면 날카로운 금속 탐침의 광학 안테나 효과로 단일분자의 미세한 광신호도 정확히 검출할 수 있다. 이를 통해 일반적인 광학현미경 해상도 한계(약 500㎚)를 훨씬 뛰어넘어 1㎚ 크기 단일분자의 자세 변화를 명확하게 구분할 수 있다.
강민구 씨는 “제임스웹 망원경이 가장 먼 곳을 관측해 우주의 기원을 밝힌다면, 연구팀의 단일분자 현미경은 가장 작은 것을 관측해 생명의 기원을 밝힐 수 있다”고 말했다.
이 연구성과는 난치병의 원인 파악과 치료법 개발의 실마리가 될 연구로 학계의 주목을 받는다. 질병의 원인이 되는 단백질이나 DNA의 분자 배향을 나노미터 수준까지 샅샅이 살펴볼 수 있기 때문이다. 이뿐만 아니라 시료 위에 얇은 층을 덮는 방식이 매우 간단한 데다가 상온 또는 고온에서도 적용할 수 있어 응용 가능성도 크다.
이번 연구는 UNIST 이근식 교수·엘함 올라이키·주희태 연구원, 한국화학연구원 김현우·엄태영 박사, 포스텍 물리학과 통합과정 구연정·이형우 씨 등이 참여했다. 한국연구재단 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com