생체분자의 구조를 고해상도로 파악하는 새로운 자유전자레이저(FEL) X-선 기술을 이용하면, 맞춤형 약물을 설계하는데 이용될 수 있는 구조적 자료를 얻을 수 있다.

생체분자의 구조를 이해는 것이 의학과 생물학에서 중요한 이유는 생체분자의 형태가 종종 그분자의 기능을 결정하기 때문이다. 일반적으로 이러한 구조들은 X-선 결정학에 의해서 측정되지만, 이 과정은 종종 어렵고 느리며 실패 비율이 높다. 그런데 이번에 막스플랑크고등연구팀(Max Planck Advanced Study Group)과 막스플랑크의학연구소(Max Planck Institute for Medical Research)의 과학자들이 캘리포니아에 있는 LCLS(Linac Coherent Light Source)를 이용하여 소형 단백질인 리소자임의 구조를 0.19 nm의 분해능으로 측정했다. 리소자임은 일찍이 그 구조가 밝혀진 최초의 효소이다.

연구진은 1천분의 1밀리미터에 불과한 결정으로부터 얻어진 1만 장의 사진들을 대조했다. 이 데이터는 100배나 더 큰 리소자임으로부터 전통적인 방식으로 얻은 데이터와 대등했다. 복사 손상의 징후는 전혀 발견되지 않았다. “복사 손상이 일어날 기회가 생기기 전에 원자 분해능의 정보를 수집할 수 있다는 것을 우리는 입증할 수 있었다. 그 열쇠는 초단 펄스다. 우리는 어떠한 손상 효과도 보지 못했고, 그전에 X-선 펄스는 이미 지나갔다.”라고 이번 연구의 공동저자인 DESY의 안톤 바르티(Anton Barty)는 말했다.

“측정 결과는 잘 부합하였으며, 이 방식은 매우 작은 결정만이 생성되는 시스템에 유용한 도구가 될 수 있다.”라고 막스플랑크의학연구소의 일름 슐칭(Ilme Schlichting)은 말했다. LCLS를 이용하면 과학자들이 이전에는 다루기 힘들었던 분자구조도 연구할 수 있다. 그 이유는 레이저에서 나오는 X-선 섬광이 대단히 밝아서 최소 결정만으로도 구조를 분석할 수 있기 때문이다. 이번 연구에 쓰인 미세결정은 강력한 X-선 빛에 노출되자마자 거의 기화되었다.

“FEL이 제공하는 대단히 강력한 X-선 펄스는 결정화시키기가 어렵거나 거의 불가능한 세포막의 단백질처럼 완전히 새로운 종류의 생체분자들을 분석할 수 있는 기회를 제공한다. 이러한 펄스를 이용하면 구조생물학에 있어서 미지의 영역들을 탐험할 수 있게 될 것이다.”라고 독일 가속기 센터 DESY의 헨리 샤프만(Henry Chapman)은 말했다. 이번 연구는 ‘Science’에 발표되었다.

* 그림1 : 리낵 결맞음 광원의 결맞음 X-선 영상화 장치 최종단의 실험구성도. 수많은 아주 작은 결정들이 얇은 액체 제트 형태로 자유전자 레이저 빔 속으로 주입된다. 결정이 자유전자 X-선 섬광을 가로지르면 패턴이 발생되고 그림 왼쪽에 있는 검출기에 의해 촬영된다.
* 그림2 : 리소자임 단백질의 구조. 129개의 아미노산들의 공간 배치가 나선과 화살표 형태로 묘사되었다.