(A holographic image of a single protein: The image of the protein albumin (centre) is calculated from the hologram (left). In principle, it is as if one traced the waves generated by a stone thrown into water in order to reconstruct the shape of the stone. As a comparison with a simulation of electron density shows, the holographic representation reproduces the global structure of the protein very accurately. Credit: Jean-Nicolas Longchamp / University of Zurich)
(Diagram showing the electron holography of single proteins: A metal tip whose end tapers to just a few atoms emits a beam of relatively slow, i.e., low-energy electrons. Part of the beam is scattered by the protein on a graphene carrier. The scattered part of the beam then generates an interference pattern with the non-scattered part − the hologram – which is recorded. Credit: Tatiana Latychevskaia /University of Zurich)
과학자들이 단백질 분자 한 개를 입체적 이미지를 홀로그램으로 촬영하는데 성공했습니다. (Hans-Werner Fink, professor at the University of Zurich) 취리히 대학의 한스 베르너 핀크 교수와 막스 플랑크 연구소의 과학자들은 사이토크롬 C, 헤모글리빈, 알부민 처럼 그 구조가 잘 알려져 있는 단백질 한 개의 구조를 홀로그램으로 촬영해 새로운 기술이 단백질 개별 분자의 모습을 입체적으로 촬영할 수 있다는 것을 입증했습니다.
과거 과학자들은 다양한 방법과 이미징 기술을 이용해서 단백질의 입체적인 구조를 밝혀왔씁니다. 하지만 상당한 시간과 노력을 필요로 했습니다. 새로운 방법은 사진을 찍듯이 개별 단백질 분자의 모습을 촬영할 수 있어 앞으로 단백질의 구조 및 그 기능을 알아내는 데 훨씬 시간을 단축시킬 뿐 아니라 더 많은 것을 알아내는 데 도움을 줄 것으로 기대됩니다.
단백질 분자는 고해상도 이미지를 얻기 위해 강력한 전자빔을 쏘면 파괴되거나 구조가 변할 수 있습니다. 따라서 연구팀은 단백질 분자 하나를 섬세하게 다뤄야 했습니다. 우선 이 단백질 분자의 구조를 확인하되 파괴나 변형을 시키지 않을 정도의 느린 전자빔을 특수한 미세 금속 침 (그 끝은 단지 원자 몇 개 두께임)을 이용해서 발사합니다.
다음으로 중요한 것은 단백질을 올려놓을 물질입니다. 단백질 분자를 올려놓을 가장 이상적인 물질은 그래핀 막입니다. 전자빔이 투과할 수 있으면서 단백질 분자을 손상시키지 않을 수 있기 때문입니다.
연구팀은 홀로그램의 개발로 1971년 노벨상을 수상한 데니스 가보르 (Dennis Gábor)의 아이디어가 이제 현실화되었다고 자축했습니다. 데니스 가보르는 헝가리 태생의 영국 물리학자로 본래 그가 생각했던 홀로그램 기술의 목적은 이렇게 작은 분자의 이미지를 촬영하는 것이었습니다. 물론 이는 원리적으로는 가능했지만, 당시 제반 기술의 미숙으로 실제 단백질 분자의 홀로그램 이미지를 찍는데 반 세기의 시간이 필요했던 셈입니다.
앞으로 이 기술은 신약 개발 및 신물질 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 기대됩니다. 물론 단일 단백질 분자의 모습을 전자 홀로그램으로 촬영할 수 있다는 것 자체로도 현대 과학의 기적이라도 해도 과언이 아닐 것입니다.
참고
Jean-Nicolas Longchamp et al. Imaging proteins at the single-molecule level, Proceedings of the National Academy of Sciences (2017). DOI: 10.1073/pnas.1614519114
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