불로장생의 꿈 자석이 이룬다?

차세대 자기공명의 장치를 이용한 단백질 분석 흐름도

단백질은 인체를 구성하는 핵심요소다. 단백질은 세포 내의 각종 화학반응의 촉매 역할을 담당하는 물질이며 항체를 형성해 면역기능을 담당한다. 따라서 단백질이 제대로 기능을 수행하지 못하거나 과하게 활동할 때 인간은 병에 걸리게 된다. 반대로 인체에 존재하는 단백질의 기능과 구조를 알고, 이를 조절할 수 있다면 진시황제가 그토록 원했던 불노장생(不老長生)도 불가능 한 일이 아니다. 인체에는 수만 종류의 단백질이 존재하지만 이 가운 데 현재까지 기능과 구조가 밝혀진 것은 10%도 채 안 된다. 단백질은 여러 분자가 결합된 고분자 형태로 존재하고 있다. 여러 분자가 뭉친 고분자를 정확히 분석하는 것 자체가 쉽지 않기 때문이다. 흥미로운 것은 단백질 등 고분자도 자석 앞에서는 자신의 실체를 드러낸다는 것이다. 이 원리를 이용해 만들어진 분석기기가 바로 ‘자기공명장치(NMR, Nuclear Magnetic Resonance)’다. 최근에는 일반 자석이 아닌 초전도 자석을 이용한 차세대자기공명 장치가 단백질 구조 분석에 일등공신 역할을 하고 있다. ◇단백질, 생명의 신비를 푸는 자석 = 남북 방향을 가리키는 자석. 이 자석은 생명의 신비를 푸는 열쇠이기도 하다. 심장, 뇌, 단백질 등 인체를 구성하는 요소들 모두 자성을 띠고 있기 때문이다. 전영호 한국기초과학지원연구원 자기공명팀장은 “지구 자석의 세기를 1이라고 하면 심장은 백만분의 1, 뇌는 1억분의 1의 자성을 갖는 것으로 파악되고 있다”며 “자석을 활용하면 인체의 모든 요소들의 변화를 관측할 수 있다”고 설명했다. 즉 고분자인 단백질 주 성분은 수소(H), 질소(N), 탄소(C) 등이며 이들 각각 원자의 핵은 양성 전기(+)를 띠고 있다. 따라서 단백질도 자석에 들어가면 약하게 자석화 됨으로써 구조를 관측할 수 있게 된다는 것이다. 자기공명장치는 이 원리를 이용한다. ◇차세대 자기공명장치 무한한 가능성 = 지구자석의 세기를 1 이라고 했을 때 초전도 자석의 자성은 수십만 배다. 만약 초전도 자석 안에 사람이 들어가면 체내 물 분자의 움직임을 관측할 수 있을 정도다. 단백질 시료를 차세대 자기공명장치에 넣으면 해당 단백질의 3차원 입체구조를 그려낼 수 있다. 단백질은 그 종류에 따라 생긴 모양이 천차만별. 아울러 모양과 성질에 따라서 단백질의 기능이 정해진다. 예를 들어 헤모글로빈이라는 단백질은 산소를 운반하기 좋은 모양을 가지고 있고, 트립신은 음식물을 분해하기 좋은 동물의 입 모양 구조를 가지고 있다. 이강봉 KIST 특성분석센터 박사는 “자기공명장치를 통해 단백질 구조만 밝혀 내도 그 단백질이 어떤 기능을 갖고 있을 지도 추정해 낼 수 있다”고 말했다. 아울러 단백질 구조의 규명은 신약개발 등 생명공학(BT)에서도 꼭 필요하다. 질병 치료를 위해서는 단백질 기능 조절해야 된다. 이를 위해서는 어떤 곳에 어떻게 기능을 억제하는 특정물질을 삽입해야 되는 가 라는 문제가 남으며 단백질 구조 파악은 바로 이것을 가능하게 하는 것이다. ◇900MHz 넘는 자기공명장치 등장= 차세대 자기공명장치의 경우 주파수가 높을수록 해상도와 정확도가 뛰어나다. 현재 900MHz가 상용화 된 단계.전세계에서 10기가 가동중이며 이 가운데 2기가 우리의 한국과학기술원(KIST)과 한국기초과학지원연구원(KBSI)에 있다. 이런 가운데 영국에서는 950MHz 설치를 준비중이다. 앞으로 더 뛰어난 기기가 속속 선보이게 되면 모든 단백질 구조 분석이 가능한 시대가 도래할 것이다. 단백질의 경우 분자량이 100만 이상 되는 것도 있다. 이들 단백질 분석은 현재로서도 어느정도 가능하지만 정확도가 떨어진다는 문제점을 안고 있다. 좀 더 나은 자기공명장치는 이 같은 문제를 해결해줄 것이다.