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Hint화학, 분자운동, 용해도

See hint to see the unseen


- Visualize 보면 알 수 있다
- Visualize the invisible, to See the unseen

오로지 마음의 눈으로 보아야 잘 보이는 것야. 가장 중요한 건 눈에는 보이지 않는단다
    - 아투안 드 생 텍쥐페리

Nano 분자의 세계는 보이지 않는다. 그러나 hint는 있다.

만물은 분자로 이루어졌고 분자의 이해로 부터의 출발이 진정한 지식의 출발이다
그러나 분자는 보이지 않는다. 분자를 보기 위해서는 Hint을 찾아야 한다
우리 주위에는 여러 Hint가 있다

아인쉬타인은 꽃가루의 운동으로 원자를 증명하였다

-  Hint for Taste
-  Hint for Food
-  Hint for Diet
-  Hint for Health
-  Hint for Toxin

Visualize the Invisible

우리가 직접 볼 수 있는 크기는 제한적이다
우리는 아주 먼 곳을 보지 못한다
우리는 아주 가까운 것도 보지 못한다

현미경을 통해 마이크로세계는 볼 수 있게 되었다
많은 미신이 사라졌다
나노의 세계는 보지 못한다
움직이는 세계를 보지 못한다
나노의 세계의 힌트는 마이크로 세계에 있다
마이크로 세계를 통해 나노의 세계를 이해 할 수 있다






분자역학
DNA에 담긴 단백질 구조 밝혀

노벨 과학상은 보통 과학 지식의 증진에 도움이 된 새로운 이론이나 실험에 주어진다. 그런데 올해 화학상은 뜻밖이었다. 복잡한 분자의 화학적 성질과 반응의 이해에 필요한 양자화학적 정보를 알려주는 소프트웨어(SW) `참(CHARMM)'을 개발하고, 새로운 응용 분야를 개척한 미국의 마틴 카플러스, 마이클 레비트, 아리 워셸이 선정된 것이다. SW의 개발도 새로운 이론이나 실험만큼이나 중요한 과학적 업적으로 인정받게 됐다는 뜻이다.

분자의 화학적 성질과 반응성은 분자를 구성하는 전자들의 분포 모양에 의해 결정된다. 세상을 구성하는 17종의 기본입자 중 하나인 전자가 원자핵 주위에 분포하는 모양을 설명해주는 이론이 바로 20세기초에 정립된 양자역학이다. 원칙적으로 전자의 분포 모양에 대한 정보를 파악하면 분자의 구조, 색깔, 반응성을 비롯한 물리화학적 성질을 모두 알아낼 수 있다.

전자의 분포 모양을 알아내려면 양전하를 가진 원자핵과 음전하를 가진 전자들 사이에 작용하는 전자기력이 포함된 슈뢰딩거 방정식이라는 복잡한 편미분 방정식을 풀어야 한다. 문제는 전자가 2개 이상인 경우에는 슈뢰딩거 방정식을 정확하게 푸는 일이 불가능해진다는 것이다.

물론 포기해야 하는 것은 아니다. 연산 속도가 빠른 대형 컴퓨터를 이용한 수치해석법이 대안이다. 비록 정확하지는 않지만 분자의 구조와 성질을 알아내기에 충분한 정도의 근사적인 해를 얻을 수 있다. 1998년 노벨 화학상을 받은 미국의 존 포플이 개발, 보급했던 가우시안이 바로 그런 계산을 가능하게 만들어주는 학술용 SW였다. 함께 노벨상을 받은 월터 콘은 구조 계산에 필요한 계산의 양을 획기적으로 줄여주는 새로운 방법을 개발했다.

컴퓨터의 연산속도가 빨라지고, 저장장치의 규모가 커지면서 양자화학 계산은 충분히 유용한 연구수단이 됐다. 그렇다고 문제가 완전히 해결된 것은 아니다. 여전히 계산이 문제였다. 분자를 구성하는 전자의 수가 늘어나면 계산의 양은 4제곱에 가까울 정도로 빠르게 늘어났다. 전자의 수가 10배 늘어나면 계산의 양은 1만 배 가까이 늘어나게 된다는 뜻이다. 단백질처럼 수만 개의 전자를 가진 분자의 양자역학적 계산은 아무도 엄두를 낼 수 없는 형편이었다.

1970년대 말 하버드의 마틴 카플러스는 단백질처럼 큰 분자의 성질을 연구하기 위해 분자역학(分子力學)이라는 다척도 계산 이론을 개발했다. 생리적으로 중요한 기능을 수행하는 활성자리에 대해서는 가우시안에서와 같은 정밀한 양자역학적 계산 방법을 적용한다. 그러나 활성자리에서 멀리 떨어진 분자의 나머지 부분에 대해서는 세밀한 양자역학적 정보를 무시해버리는 대신 고전역학적 방법을 동원해서 필요한 계산의 양을 줄여보자는 것이었다, 어차피 거리가 멀어지면 양자역학적 효과는 줄어든다는 일상적인 경험을 이용한 창의적 아이디어였다.

양자역학과 고전역학을 접합시킨 양자역학-분자역학(QM-MM) 방법은 놀라운 것이었다. 20종의 아미노산이 DNA의 유전정보에 담긴 순서에 따라 연결돼 만들어지는 단백질의 3차원 구조를 정확하게 알아낼 수 있게 됐다. CHARMM과 같은 SW에 아미노산 연결 순서만 알려주면 구조를 알아낼 수 있다. 단백질 구조의 상징처럼 알려진 리본 구조가 바로 CHARMM과 같은 분자역학적 방법을 통해 얻어진 것이다. 생명과학자들은 그런 3차원 구조를 통해 단백질의 독특한 생리 기능을 정확하게 이해하고 설명할 수 있게 됐다.

올해 노벨 과학상의 업적은 모두 40년 이상 숙성된 후에야 인정을 받았다. 노벨상을 받으려면 장수(長壽)해야 한다는 속설이 틀린 말이 아니었던 셈이다. 노벨위원회가 의도적으로 그렇게 하는 것이 아니라 과학적 업적의 평가가 그만큼 어렵고 힘들기 때문이다. 역사에 남을 훌륭한 업적을 가려내기 위해서라면 반세기 정도의 기다림은 어쩔 수 없는 것일 수도 있다는 뜻이다.

이덕환 서강대 교수, 탄소문화원 원장





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페이스북 올리기            방명록           수정 2013-10-28 / 등록 2010-03-13 / 조회수 : 20899 (218)



우리의 건강을 해치는 불량지식이 없는 아름다운 세상을 꿈꾸며 ...  2009.12  최낙언