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Just Because..../Science·Math

2017 노벨 화학상은 저온 전자현미경으로 분자의 구조를 밝힌 쟈크 듀보쉐, 요아킴 프랑크, 리차드 헨더슨 박사

by Helen of Troy 2017. 10. 5.




2017 노벨 화학상을 공동수상한 세 과학자들:

왼쪽부터 쟈크 듀보쉐(Jacques Dubochet), 요아킴 프랑크(Joachim Frank)

 and 리차드 헨더슨(Richard Henderson)

 Photograph: NobelPrize.org 




2017년 노벨화학상은 획기적인 새로운 방법으로 생체내의 아주 미세한 분자의

3차원의 정확한 이미지를 담는데 성공한 쟈크 듀보쉐, 요아킴 프랑크와

리차드 헨더슨 박사들에게 수여되었다고 노벨상 위원회가 10월 4일에 발표했다.


세 과학자들은 극저온 전자현미경(크라이오-EM: Cryo-electron microscopy)테크닉을

사용해서 최초로 아주 미세한 분자들을 자연적인 상태로 볼 수 있게 해서

"생화학계의 혁명" 을 일으켜서 화학작용이 진행되는 것을 영화처럼 관찰할 수 있는 점을

높이 사서 노벨상을 수상했다고 노벨 위원회가 밝혔다.


저온 전자 현미경 테크닉은 생체 분자들을 빠른 속도로 냉동을 시켜서

자연상태의 형태와 구조를 손상시키지않고 분자의 상태를 현미경에 담을 수 있는 방법이다.

한 예로 바이러스의 구조를 파악하면, 어떻게 그 바이러스가

세포 안으로 침투를 하는지 밝힐 수 있듯이

단백질의 모양과 구조를 파악을 해야만 단백질의 기능과 역할을 알 수 있다.


과거 오랫동안 단백질의 구조를 파악하는데는

X -레이 결정법(X-ray crystallization)테크닉을 사용해 왔다.

이 테크닉은 단백질 샘플을 다수 복사해서 겹겹히 쌓은 후에 결정체(crystal)로 만들어서

X 레이를 쏘아서, 반사되는 X 레이의 패턴을 분석해서

샘플의 단백질의 모양과 구조를 예측하는 방법이다.

하지만 이 테크닉은 다수의 단백질의 세포막 바깥에 박힌 단백질은

결정체가 조성이 되지 않아서 정확한 단백질 구조를 알 수 없었다.



리차드 헨더슨 박사는 영국 출신으로 케임브릿지 대학교의 MRC Laboratory of Molecular Biology

연구소에서 X-레이 결정법으로 분자 구조의 이미지를 담는 일로 그의 연구 커리어를 시작했다.

하지만 X-레이 결정 방식에 한계에 부닥친 그는 전자 현미경을 사용하기 시작했다.


전자 현미경(Electron microscopes)은 1931년에 발명되었는데,

진공상태에서 극세의 전자를 빠른 속도로 샘플을 포격하듯이 내리쳐서

이미지를 만들기 때문에 자연 상태의 생체의 단백질이나 다른 분자를 분석하기에는 적합치 않다.


아울러 샘플을 말린 후에 방사선까지 쪼여야 해서 정확한 구조의 모양이나 분석은 불가능했다.

헨더슨 박사와 그의 연구팀은 광합성 식물의 세포막에 박힌 단백질 물질에 촛점을 두고,

단백질 물질이 마르지 않도록 포도당 용액으로 보호해 주고,

폭격하는 전자의 강도를 낮추어서 샘플의 단백질을 분석하는 방법을 택해서

드디어 1975년에 SEM(Scattering Electron Microscope) 전자 현미경을 사용해서

단백질의 구조와 모양을 밝히는데 성공했다.


대부분의 단백질은 실제로 세포막에 규칙적인 패턴과

같은 방향으로 박혀 있지 않아서 헨던스 박사의 방법으로는

다양한 단백질의 모양을 밝히는데는 여전히 문제가 많았다.



저온 전자현미경으로 담은 이미지들

a) 24-시간 주기를 조절하는 프로틴

b) 청각을 위한 압력 센서

c) 지카 바이러스





두번째 노벨 화학상 수상자인

요아킴 프랑크 박사는 독일 태생으로 뉴욕주의 컬럼비아 대학 교수로 재직중이며,

분자 구조를 다양하게 응용할 수 있는 수학적 알고리듬을 개발해서

이 문제를 해결하기 위해서 새로운 방법을 시도했다.


그는 다수의 단백질 샘플의 구조를 임의로 위치와 방향을 바꾸어서

한꺼번에 이미지를 컴퓨터에 저장해 두었다가

컴퓨터가 비슷한 위치와 방향에 놓인 단백질들을 분리해서 모은 후에

재구성을 하는 방법을 사용했다.

이 방법으로 만들어진 이미지는 이전보다 정교하고,

3차원으로 모양을 볼 수 있어서 실제의 단백질 모양에 근접하게 되었다.

 





왼쪽 이미지는 2013년 전에 담은 지카 바이러스 이미지와

오른쪽은 현재의 저온 전자현미경 테크놀로지로 담은

훨씬 자세한 디테일을 보여주는 이미지이다.

 Photograph: NobelPrize.org 

 




스위스의 로잔 대학의 듀보쉐 박사는 위의 두 과학자의 방법을 더 발전시켰다.

그는 전자현미경을 사용하는데 불가피한 진공상태에서 단백질을 보호하기 위해서

단백질 샘플을 빠른 속도로 냉동시키는 방법을 도입했다.


초반에는 얼음을 사용했는데, 물 분자가 이미 결정체 구조이며

이미지에 필요한 반사된 전자들이 단백질 샘플 대신에

이 물 분자 결정체에 반사되어서 쓸모없는 이미지가 초래되었다.


이 문제를 해결하기 위해서 그는 샘플을 섭씨 영하 196도의 액체 질소에 담구었는데,

이런 냉각법은 단백질의 구조와 형태가 자연 그대로 보존이 될 뿐 아니라,

물 분자가 아주 빠른 속도에 고체 얼음으로 변하면서

물의 결정체(crystals)로 조성될 시간이 없이 유리구조처럼

랜덤(불규칙한) 구조의 고체로 변하게 된다.

이 새로운 방법을 사용한 결과,  얼음의 구조의 이미지 없이

전자 현미경으로 드디어 생물의 세포막에 박힌 다양한 단백질의 구조와 모양

그리고 활동상태를 선명하파악할 수 있게 되었다.


스웨덴의 룬드 대학의 화학교수이자 노벨 화학상 위원회장인 사라 스노게룹 린제 교수는

생명체의 단백질 분자를 육안으로 볼 수 있게 해서,

이제는 생체내의 모든 세포내의 복잡하고 델리케트한 분자들을 자세히 볼 수 있게 되어서.

생화학계의 획기적이고 폭발적인 발전을 가져다 주었다고 그들의 공헌을 치하했다.


프랑크 박사는 이 연구의 결과를 실제로 응용하는데는 앞으로 수년이 걸리겠지만,

다양한 분야에, 특히 신약개발에 큰 발전을 가져다 줄 것이라고 밝혔다.

 



최신의 저온 전자 현미경 테크닉(cryo-electron microscopy)으로 담은 지카 바이러스

Richard Kuhn, Purdue University / Purdue University

 


하지만 이미 작년에 저온 전자현미경 방법으로 세계를 떠들썩하게 했던

기형아를 초래하는 지카 바이러스의 구조를 밝혀내고

더 나아가서 개발된 항생제가 지카 바이러스 세포막에 내성이 생기는 것도 알아냈다.

그리고 치매환자들에서 발견되는 효소를 저온 전자현미경을 사용해서

3차원적인 구조와 형태를 파악해서 치매의 원인과 치료에 한발작 더 다가갔다.

이제는 실제로 발생하는 생체내의 다양한 프로세스들을 컴퓨터로 짜집기를 해서

실시간으로 볼 수 있는 단계까지 왔다.