대전 유성구 대학로 291, KAIST 내 기초과학연구원 카이스트캠퍼스
042) 350-8149
촉매 반응이나 생물학적 반응과 같은 화학 반응을 이해하기 위하여 연구자들은 지금까지 주로 실험을 통한 직접적인 반응 경로의 관찰보다는 이론 계산이나 생성물 분석 등의 간접적인 방법에 의존 하여 왔다. 첨단 반응동역학 연구단(Center for Advanced Reaction Dynamics)은 정확한 실험적인 관찰을 통해 화학 반응의 메커니즘을 직접적으로 이해할 수 있는 기법을 정립하여, 화학 반응의 조건을 합리적으로 개선할 뿐만 아니라 화학 반응을 원하는 대로 제어할 수 있는 근본 원리를 제공하고자 한다.
우리 연구단은 물리화학 분야에서 주로 연구되어 온 가역적인 광반응 뿐만 아니라 일반적인 화학 및 생물학적 반응에 적용할 수 있는 실험적인 기법을 확립하여 반응 메커니즘을 이해하기 위한 강력한 기반을 제공할 것이다. 극초단 엑스선 펄스 및 전자 펄스를 활용한 시간분해 실험 및 시간분해 분광학 실험, 그리고 이론계산 및 전산모사와 같은 다양한 첨단 기법을 다방면으로 활용하여 반응 동역학, 특히 반응의 초고속 구조동역학을 이해하고자 하며 이를 위한 새로운 시간분해 실험기법과 데이터 분석기법 개발에도 매진하고 있다.
Project 1. 초고속 엑스선 용액산란을 이용한 구조 동역학 연구
우리 연구단은 엑스선 산란이나 전자 회절 등 을 이용하여 펨토초 단위의 구조 및 파동 다발의 움직임을 직접 관찰할 수 있는 도구를 개발하여 왔다. 대표적으로 초고속 엑스선 액체구조학 (time-resolved X-ray liquidography, TRXL)을 기반으로 금 시안화물([Au(CN)2]3-)의 금 원자들 사이에 화학 결합이 만들어질 때 금 원자의 변위를 수십 펨토초 간격으로 추적하여 다차원 포텐 셜 에너지 표면에서 파동 다발(wavepacket)의 동역학을 관찰[Nature 2020, 582, 520]하였다[그림 1]. 또한 용액 상에서 삼아이오딘화 이온(I -)이 광 여기할 때 일어나는 구조 변화와 이온 내의 전하 분포 변화를 관찰하고, 나아가 두 변화의 상관관계까지 밝혀냈으며, 분자의 배향을 명확히 관찰할 수 있는 새로운 분석 기법을 제시[Nat. Commun. 2022, 13, 522]하였다는 점에서 큰 주목을 받았다 [그림 2].
나아가 파동 다발의 다차원 공간상에서의 위치와 궤적뿐만 아니라, 시간에 따른 섬세한 모양의 변화까지도 포착하는 것이 다음 목표이다. 이를 위해서는 이방성 신호의 분리 및 분석을 통하여 화학 반응 중에 일어나는 원자의 위치 및 배향의 변화를 관찰하여 파동 다발의 위치 동역학, 파동 다발의 모양 정보, 그리고 궁극적으로 파동 다발의 경로를 결정짓는 포텐셜 에너지 표면의 모양 정보까지 실험적, 정량적으로 규명하는 것이 필요하다. 또한 산란단면적이 작지만 많은 화학 반응에 관여하는 가벼운 원자의 반응 동역학을 관찰하기 위하여 신호대 잡음비를 개선하고, 측정 결과에서 실제 분자의 반응 동역학 관련 신호만 추출하는 대수학적 분석 기법을 개발하는 등 시간분해 엑스선 산란의 측정 및 분석 기법을 발전시켜서 더욱 다양한 분자의 화학 반응을 관찰할 계획이다.
Project 2. 생체고분자의 구조 동역학 연구
거대 분자를 대상으로 하는 구조 동역학 연구의 대표적인 성과로 TRXL을 이용하여 파이토크롬이 광여기 될 때 중앙 나선의 구조가 변화하고, 파이토크롬의 종에 따라 단백질의 구조 변화가 달라진다는 관찰하여 단백질의 구조 동역학을 규명[Sci. Adv. 2022, 8, eabm6278]한 연구가 있다[그림 3]. 또한 금 나노입자를 표지하여 작은 단백질의 형태 변화를 직접 정량화할 수 있는 새로운 방법을 개발하고, 이를 통해 칼슘 이온이 결 합하는 단백질인 칼모듈린(calmodulin)에 신경독성 단백질인 아밀로이드베타(amyloid beta)25-35가 부착 되었을 때의 구조 변화를 관찰[Nano Lett. 2023, 23, 3334]하였다.
단백질과 같은 대부분의 생체분자 반응은 비가역적 특성을 가지거나, 반응을 개시하는 레이저에 의해 활성 화되지 않는 경우가 빈번한데, 이 때는 시료의 재사용이 어렵다. 이와 같이 TRXL에서 다량의 시료가 필요한 점을 극복하기 위하여 효율적인 시료 전달 시스템인 시간 분해 연속 결정법(time-resolved serial femtosecond X-ray crystallography, TR-SFX) 방법이 사용되고 있다. 또한 실제 반응이 일어나는 정확한 메커니즘을 원자 수준의 해상도로 규명하기 위하여 목표단백질에 이형단백질을 결합시켜 결정 상태에서 목표단백질의 분자 배치를 용액상과 같이 자유롭게 움직일 수 있는 방법론을 개발 중이다. 이 방법론을 TR-SFX와 접목시켜 수백 마이크로그램 정도의 적은 양의 시료에서 다양한 생체분자의 반응 메커니즘을 규명하고자 한다.
Project 3. 시간분해 연속 결정법을 통한 분자 구조동역학 연구
앞서 기술한대로 시간분해 연속 결정법(TR-SFX)은 단백질의 구조 동역학을 시각화하는 데 강력한 도구로
잘 알려져 있다. 우리 연구단은 Fe-포르피린과 Zr6노드로 구성된 금속-유기 프레임워크(metal-organic framework, MOF)에 TR-SFX 기술을 접목시켜 구조 역학을 규명[Nat. Chem., accepted]하였다[그림 4]. 시간 경과에 따른 전자 밀도의 변화로부터 1) Zr과 Fe 원자의 일관된 진동 운동, 2) Fe-포르피린과 Zr6노드가 각각 도밍(doming) 및 무질서 운동을 겪는 과도 구조, 3) 높은 진동 에너지의 등방성 구조 변화 등 세 가지 구조 경로가 존재함을 밝혔다. 이 연구를 통해 TR-SFX 측정법이 화학 시스템에까지 적용 가능함을 실증하였다.
Project 4. 기체상 시간분해 전자회절을 통한 분자 구조동역학 연구
초고속 전자 회절(ultrafast electron diffraction, UED)은 물질을 구성하는 원자나 분자의 운동을 극초단 전자빔의 회절 패턴을 측정하여 분석하는 도구이다. 우리 연구단에서는 MeV-UED을 이용하여 할로늄 이온의 하나인 1,3-다이브로모프로판(dibromopropane, DBP)에서 파생된 양이온의 형성과 구조 동역학을 면밀히 모니터링[Nature, accepted]하였다[그림 5]. 공명 강화 다중 광자 이온화를 통해 생성된 DBP+ 양이온은 바닥 상태와 구조적으로 구별할 수 없는 상태, 즉 “암흑 상태(dark state)”로 상당한 시간(3.6 피코초)동안 유지되는 흥미로운 현상을 발견하였다. 이후 DBP+ 양이온은 붕괴되어 브롬 원자가 느슨하게 결합된 중간체인 iso-DBP+를 형성한 뒤, 브롬 원자는 해리되어 브로모늄 이온을 생성함을 확인하였다. 이 연구는 시간 분해 산란에 적합한 이온을 생성하고 이온화된 종의 산란 패 턴을 분석하는 프로토콜을 도입 함으로써, 기체상에서 이온 종의 초고속 구조 동역학을 이해하는데 중요한 진전을 이루었다는 데 그 의의가 있다.
Project 5. 시간분해 분광학 기반의 반응 동역학 연구
시간분해 분광학(time-resolved spectroscopy) 기법을 사용하여 이리듐 화합물에서 일어나는 양성자 결합 전자 전달(proton-coupled electron transfer, PCET) 과정에서 비양성자성(aprotic) 용매에서는 분자 내 양성자의 전달(excited-state intramole- cular proton transfer, ESIPT)이 전자의 이동(charge transfer, CT)보다 먼저 일어나는 반면, 양성자성(protic) 용매에서는 이와 다르게 CT가 ESIPT보다 먼저 일어 난다는 것을 규명하였고, 양성자성 용매보다 비양성자성 용매에서 금속으로부터 리간드로의 전하 전달이 더 빠르게 일어나는 현상의 원인을 밝혀[Chem. Sci. 2022, 13, 3809]내었다[그림 6]. 또한 공유결합으로 연결된 이합체 분자의 시간분해 분광 분석을 통해 이러한 이합체의 분자 구성이 단일항 분열(singlet fission)의 동역학에서 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다[Commun. Chem. 2023, 6, 16]. 이처럼 화합물의 양성자 및 전자 전달 과정의 근원적인 이해를 통해, 광촉매 등의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
기초과학연구원(IBS)
첨단 반응동역학 연구단(Center for Advanced Reaction Dynamics, CARD)
이효철 단장
KAIST 화학과 교수
이효철 KAIST 교수는 한국과학기술원(KAIST)에서 학사(1994)를 졸업하고, 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)에서 박사(2001) 학위를 취득하였다. 캘리포니아 공과대학교와 시카고대학교에서 박사 후 연구를 거쳐, KAIST 화학과 임용(2003) 후, 창의적연구진흥사업(National Creative Research Initiatives by MOST/KOSEF)의 연구단장(2007-2012)을 역임하였다. 이후 기초과 학연구원(Institute for Basic Science)에서 그룹 리더(2012-2015), 부단장(2015-2021)을 역임하였으며, 2021년부터 현재까지 기초과학연구원(IBS) 첨단 반응동역학 연구단의 단장으로 재직 중이다.
KAIST 부임 이후 작은 유기 분자부터 큰 생체분자까지 다양한 분자에 대한 구조와 동역학을 탐구하며 화학 반응의 기본 원리를 밝혀내고 있다. 2005년에는 “용액상 엑스선 구조 동역학(TRXL)”분야를 개척하여 기존 한계를 극복하였으며, 2015년에는“화학결합 형성 과정”을 실시간으로 관측하는 연구로 국제적 주목을 받았다. 2020년 에는 반응의 경과에 따른 분자 내 모든 원자들의 시간공간적 궤적을 실험적으로 완벽하게 측정하는데 성공하는 연구 성과를 발표하며 화학 분야의 숙원 과제를 하나씩 해결하였다. 이러한 연구 성과를 인정 받아 ‘동아일보 한국을 빛낼 100인’에 선정되었으며,‘3.1 문화상’, ‘경암 학술상’등을 수상하였다.
