분자 세계를 바라보는 다양한 시선 다차원 분광학

인간의 눈은 빛을 통해 세상을 본다. 사물에 부딪혀 반사된 빛이 망막에 맺히면 뇌가 그 형태와 색깔을 인지하는 것이다. 화학자들도 마찬가지로 눈에 보이지 않는 아주 작은 분자의 세계를 들여다보기 위해 '빛'을 사용한다. 특정 파장의 빛을 분자에 쏘았을 때 분자가 어떤 빛을 흡수하고 어떤 빛을 토해내는지 그 흔적(스펙트럼)을 분석하여 분자의 구조를 유추하는 학문을 '분광학(Spectroscopy)'이라고 한다. 초기의 분광학은 마치 흑백 사진기처럼 분자가 가만히 정지해 있을 때의 평균적인 모양만을 흐릿하게 찍어냈다. 하지만 현대 화학이 알고 싶은 것은 죽어있는 박제가 아니라, 살아서 역동적으로 춤추는 분자들의 움직임이다. 광합성을 할 때 빛 에너지가 어떻게 엽록소 사이를 이동하는지, 단백질이 어떻게 순식간에 복잡한 3차원 구조로 접히는지를 알아야 생명 현상의 비밀을 풀 수 있기 때문이다. 이를 위해 화학자들은 1000조 분의 1초(펨토초) 단위로 번쩍이는 레이저 플래시를 연달아 터뜨려 분자들의 에너지 전달 궤적을 3차원 영화처럼 실시간으로 촬영해 내는 궁극의 관측 기술을 개발해 냈다. 분자 세계의 매트릭스를 들여다보는 '다차원 분광학(Multidimensional Spectroscopy)'의 눈부신 세계를 들여다보자.

분자는 춤추고 진동한다

분자는 가만히 정지해 있는 단단한 구슬들의 집합이 아니다. 원자와 원자를 이어주는 화학 결합은 마치 스프링처럼 유연해서, 쉴 새 없이 늘어났다 줄어들고(신축 진동), 양옆으로 굽어지며(굽힘 진동) 미친 듯이 춤을 추고 있다. 화학자들은 이 스프링에 적외선(IR)이나 가시광선 빛을 쏘아 분자의 춤사위를 관찰한다. 분자를 이루는 각각의 결합(예: C=O 결합, N-H 결합)은 저마다 좋아하는 고유의 빛 파장(진동수)이 있어서, 정확히 그 파장의 빛이 날아오면 덥석 흡수하여 더욱 격렬하게 진동하기 시작한다. 전통적인 1차원 분광학은 단순히 빛을 쭉 쪼여본 뒤 어떤 파장의 빛이 사라졌는지만(흡수 스펙트럼) 그래프로 나타냈다. 이 방식은 분자 안에 어떤 종류의 결합이 들어있는지는 알아낼 수 있지만, 그 결합들이 3차원 공간에서 서로 얼마나 가까이 붙어있는지, 한쪽 결합이 흔들릴 때 옆에 있는 결합이 어떤 영향을 받는지(결합 간의 상호작용)는 도무지 알 길이 없는 한계가 있었다. 여러 악기가 동시에 연주하는 교향곡을 듣고 전체 음량만 측정할 뿐, 바이올린과 피아노가 서로 어떻게 화음을 맞추고 있는지는 구분하지 못하는 셈이었다.

레이저 펄스, 분자 세계의 스트로보스코프

이 한계를 극복하기 위해 화학자들은 아주 짧은 시간 동안만 번쩍이는 '초고속 레이저 펄스'를 여러 개 쏘아 분자를 교란시키는 다차원 분광학을 고안해 냈다. 1000조 분의 1초인 '펨토초(Femtosecond)' 단위로 레이저를 발사하면, 분자가 춤을 추는 그 찰나의 순간을 얼음 땡 하듯 정지 화면으로 포착할 수 있다(이 기술로 아메드 즈와일이 1999년 노벨 화학상을 받았다). 다차원 분광학(예: 2D IR 분광학)의 기본 원리는 메아리와 비슷하다. 먼저 첫 번째 레이저 펄스(펌프 펄스)를 쏘아 분자의 특정 결합(A)을 자극하여 진동하게 만든다. 아주 짧은 지연 시간(Time delay)이 지난 후, 두 번째 레이저 펄스(탐침 펄스)를 쏘아 전체 분자의 상태를 측정한다. 만약 결합 A와 다른 결합 B가 서로 공간적으로 가깝게 붙어 있거나 화학적으로 강하게 연결되어 있다면, A가 받은 에너지가 그 짧은 시간 동안 B로 찌릿하고 전달되어 B의 진동 상태가 변해 있을 것이다. 화학자들은 펄스와 펄스 사이의 지연 시간을 조금씩 늘려가며 이 과정을 수천 번 반복 촬영한다.

등고선 지도로 그려내는 에너지의 궤적

이렇게 얻어낸 방대한 데이터는 컴퓨터 처리를 거쳐 가로축과 세로축이 모두 빛의 파장(진동수)으로 이루어진 화려한 2차원(2D) 등고선 지도 스펙트럼으로 나타난다. 지도의 대각선 위에 나타나는 점들은 각각의 결합이 독립적으로 진동하는 모습을 보여준다. 그런데 다차원 분광학의 진가는 대각선 바깥에 덩그러니 나타나는 '교차 피크(Cross Peak)'들에 있다. 이 교차 피크는 첫 번째 펄스가 결합 A를 때렸는데 엉뚱하게도 결합 B에서 신호가 튀어나왔음을 의미한다. 즉, 두 결합이 3차원 공간에서 매우 가깝게 붙어 있어 서로 에너지를 주고받으며 소통하고 있다는 결정적인 증거다. 교차 피크의 세기를 분석하면 두 원자 사이의 물리적인 거리를 0.1나노미터 수준의 엄청난 정밀도로 계산해 낼 수 있다. 다차원 분광학은 마치 첩보 영화에서 건물에 레이저 도청기를 쏘아 안에서 누가 누구와 대화하고 있는지를 엿듣는 것처럼, 분자 내부의 은밀한 에너지 네트워크를 낱낱이 파헤치는 최첨단 화학 도청 장치다.

광합성과 단백질 접힘의 비밀을 풀다

다차원 분광학은 현대 생물 물리 화학에서 가장 강력한 무기로 활약하고 있다.