X선 스냅샷: 빛이 활성 물질을 어떻게 구부리는가

많은 생물학적으로 중요한 분자는 자외선에 의해 자극을 받으면 모양이 변합니다. 이 특성은 일부 약물에서도 발견될 수 있지만 아직 잘 이해되지 않았습니다. 혁신적인 기술을 사용하여 프랑크푸르트 괴테 대학교, 셰네펠트의 유럽 XFEL, 함부르크의 Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY의 연구자들이 포함된 국제 팀은 이 초고속 프로세스를 밝혀내고 X선의 도움으로 슬로우 모션으로 볼 수 있게 했습니다. 이 방법은 다른 많은 분자를 분석하는 흥미로운 새로운 방법을 열어줍니다.

"우리는 특정 DNA 구성 요소인 핵염기를 기반으로 하는 약학적으로 활성인 물질 그룹에 속하는 분자 2-티오우라실을 조사했습니다."라고 연구의 마지막 저자이자 DESY의 자유 전자 레이저 FLASH 책임자이자 함부르크 대학교 화학과 교수인 마르쿠스 귀어가 말했습니다. 2-티오우라실과 화학적으로 관련된 활성 물질에는 유황 원자가 있어 분자에 특이하고 의학적으로 관련성 있는 특성을 부여합니다.

"또 다른 특징은 이러한 분자가 자외선에 노출되면 위험할 정도로 반응성이 높아진다는 것입니다." 연구에 따르면 이러한 효과로 인해 피부암 위험이 증가합니다.

이러한 과정에서 무슨 일이 일어나는지 더 잘 이해하기 위해 연구팀은 이미 잘 확립된 방법을 사용하여 오늘날 이용 가능한 기술적 가능성을 적용하여 새로운 수준으로 끌어올렸습니다. 괴테 대학교의 실험 원자 및 분자 물리학 교수이자 이 연구의 첫 번째 저자인 틸 얀케는 "쿨롱 폭발 이미징은 분자에 강렬한 X선 펄스를 조사하여 전자를 녹아웃하는 것을 포함합니다."라고 설명합니다.

"그러면 분자가 양전하를 띠고 불안정해져서 몇 분의 1초 이내에 찢어집니다." 분자의 여러 조각(원자)이 날아가는 방향을 추적하면 분자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

지금까지 쿨롱 폭발 이미징은 매우 단순한 분자에 대해서만 유용한 결과를 냈습니다. 연구팀은 괴테 대학에서 특별히 개발한 실험적 설정을 사용하여 이 기술을 세계에서 가장 강력한 X선 레이저인 유럽 XFEL과 결합하여 SQS("Small Quantum Systems") 과학 기구인 EuXFEL을 사용했습니다.

"이 실험은 여러 면에서 기술적 혁신이며 SQS 기구에서 사용 가능한 실험 가능성을 크게 확장한 것입니다. 이제 이러한 이미징 기술을 생물학적, 의학적으로 관련 있는 분자에 사용할 수 있게 된 것은 이번이 처음이며, 기본적인 물리학 연구에만 사용할 수 있는 것은 아닙니다." SQS 기구 책임자인 마이클 마이어가 성공적인 실험에 대해 말했습니다.

유럽 ​​XFEL의 엄청나게 강력한 X선 펄스는 이 분자를 조각내고, 그로 인해 그 구조를 분석할 수 있게 했습니다. 연구자들은 미세 가스 노즐을 사용하여 분자를 X선 레이저 빔으로 보냈습니다. 즉, 한 번에 하나의 고립된 분자만 조사됩니다. X선 펄스 직전에 조사된 추가 UV 펄스를 사용하여 분자를 여기시켰습니다.

"두 펄스 사이의 시간 간격을 변화시키면, 100~1000펨토초, 즉 100만분의 1초보다 짧은 시간 내에 놀라운 속도로 진행되는 이러한 과정의 슬로우 모션 영화와 같은 것을 얻을 수 있습니다." 얀케는 설명합니다. 과정이 끝나면 정교한 검출기가 2-티오우라실의 다양한 원자의 충격 지점과 시간을 기록했습니다.

실험은 두 가지 중요한 발견을 밝혀냈는데, 그 중 첫 번째는 2-티오우라실과 관련이 있습니다. 자외선은 원래는 평평한 이 분자를 구부러지게 하고, 이로 인해 유황 원자가 돌출됩니다. 이 상태는 비교적 오랫동안 안정적입니다. 분자가 매우 반응성이 강해지고 예를 들어 피부암을 일으킬 수 있습니다.

"이것은 또한 구조적으로 매우 유사하지만 유황 원자가 없는 일반적인 핵염기와의 상당한 차이입니다."라고 Gühr는 말합니다. "대신, 그들은 자외선을 처리하고 궁극적으로 다양한 여기 및 진동 상태를 통해 무해한 열로 변환하는 메커니즘을 가지고 있습니다." 2-티오우라실의 경우 유황 원자가 이러한 변환을 방지합니다.

"두 번째 발견은 실험 기법 자체와 관련이 있습니다." Jahnke가 말했습니다. "우리가 보았듯이, 우리는 분자와 그 구조적 변화를 재구성하기 위해 검출기로 모든 원자를 추적할 필요가 없습니다. 이 경우에 필요한 것은 황과 산소 원자와 네 개의 수소 핵을 측정하는 것뿐이었고, 여섯 개의 탄소 원자는 무시할 수 있었습니다."

이 발견은 훨씬 더 복잡한 분자에 대한 향후 연구에서 측정을 상당히 단순화할 것이며, 이 혁신적인 방법의 광대한 가능성을 분명히 보여줍니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250310131838.htm