지식더하기 세상에서 가장 작은 모터

우리가 숨을 쉬고, 심장을 뛰게 하고, 눈꺼풀을 깜빡이는 모든 행동에는 '에너지'가 필요하다. 이 에너지는 우리가 먹은 밥(포도당)에서 나오는데, 놀랍게도 우리 몸의 세포 안에는 이 포도당을 태워서 생명의 배터리(ATP)를 찍어내는 수백만 개의 '진짜 기계 모터'가 미친 듯이 돌아가고 있다. 비유나 상징이 아니다. 현미경으로 들여다본 세포 속 미토콘드리아의 벽에는, 실제로 고정축(Stator)이 있고 한가운데에 회전축(Rotor)이 박혀있어서 1초에 수백 바퀴씩 빙글빙글 돌아가는 10나노미터짜리 톱니바퀴 모터가 존재한다. 진화가 만들어낸 자연계에서 가장 완벽하고 기괴한 기계 공학의 산물, 'ATP 합성 효소(ATP Synthase)'라는 분자 모터의 작동 원리를 뜯어보자.

수력 발전소의 댐을 닮은 구조

세포 속의 발전소인 미토콘드리아 안에는 아주 얇은 막(Membrane)이 쳐져 있고, 이 막에 'ATP 합성 효소'라는 단백질 덩어리가 콱 박혀있다. 이 녀석의 구조는 댐에 설치된 '수력 발전기(터빈)'와 너무나도 똑같이 생겼다. 우리가 밥을 먹고 숨을 쉬면, 미토콘드리아는 얇은 막 바깥쪽으로 수소 이온(양성자, H+)들을 댐에 물을 가두듯이 꽉꽉 채워 넣는다. 수소 이온들이 막 바깥에 너무 빽빽하게 쌓여서 막 안쪽으로 밀고 들어오려고 미친 듯이 아우성을 치는 상태, 이 강력한 수압(농도 기울기)이 바로 모터를 돌리는 핵심 연료가 된다.

양성자의 폭포수, 모터가 돌아가다

막 바깥에서 터질 듯이 쌓여있던 수소 이온(양성자)들이 마침내 'ATP 합성 효소'라는 유일한 통로(파이프)를 찾아내어 물밀듯이 쏟아져 내려오기 시작한다. 댐의 수문이 열린 것이다! 수소 이온들이 모터의 밑동(F0 부분)을 휩쓸고 지나가면, 그 물리적인 힘 때문에 모터의 중앙에 꽂혀있는 회전축 톱니바퀴가 덜컹, 덜컹 하면서 물리적으로 빙글빙글 회전하기 시작한다. 마치 물레방아에 물을 부으면 바퀴가 돌아가는 것과 완벽하게 똑같은 열역학적 기적이다.

회전의 마법, 생명의 배터리(ATP)를 찍어내다

밑동의 회전축이 빙글빙글 돌아가면, 그 축의 위쪽에 달려있는 3개의 커다란 단백질 덩어리(F1 부분)가 맷돌처럼 돌아가며 모양을 찌그러뜨린다. 이 맷돌 틈새로 다 쓴 빈 배터리(ADP)와 인산(P)이 쏙 들어가면, 맷돌이 120도 회전하며 이 둘을 강력한 기계적 힘으로 꽉 짓눌러버린다. 짓눌린 둘은 화학 결합을 하며 우리가 몸을 움직일 때 쓰는 완충된 생명 배터리인 'ATP'로 툭 튀어나온다. 이 모터는 1초에 130바퀴를 돌며 미친 듯이 ATP를 찍어내는데, 만약 당신 몸속에 있는 이 모터들이 단 1분이라도 회전을 멈춘다면 당신은 그 즉시 질식하여 사망하게 된다.

열역학적 혼돈을 뚫는 래칫(Ratchet)

이 10나노미터짜리 극미세 세계는 물 분자들이 미친 듯이 날뛰며 부딪히는 지옥 같은 폭풍우(브라운 운동)의 세계다. 이 혼돈 속에서 모터가 거꾸로 돌지 않고 일정한 방향으로만 돌 수 있는 이유는 '브라운 래칫(Brownian ratchet)'이라는 기막힌 구조 덕분이다. 우연히 바른 방향으로 회전할 때마다 화학적인 쐐기(걸쇠)가 철컥하고 걸려서 절대 뒤로 밀리지 않게 막아주는 것이다. 분자 모터는 혼돈의 에너지를 훔쳐서 질서를 만들어내는 우주의 반역자다.

남은 과제

과학자들은 자연이 만든 이 완벽한 모터를 모방하여, 혈관 속을 헤엄치며 암세포에 직접 약을 쏘거나 막힌 혈관을 뚫어주는 인공 '나노 로봇(Nanobot)'을 100% 화학적으로 합성해 내는 꿈에 도전하고 있다.