생물학의 역사를 바꾼 X선 분광기술 100년

2014.02.02 18:00
네이처 제공
네이처 제공

  2014년은 DNA구조를 밝히는 데 결정적 역할을 했던 X선 분광기술을 개발한 독일 물리학자 막스 폰 라우에가 노벨물리학상을 수상한 지 100주년이 되는 해다.

 

  이에 ‘네이처는 이번 주 표지로 X선 분광기술을 통해 단백질의 구조를 살피는 모습을 담아, X선 분광기술로 바뀐 지난 100년을 조명했다.

 

  네이처는 1912년 막스 폰 라우에가 알프스에서 스키를 타고 내려오면서 X선을 이용해 결정구조를 밝히는 아이디어를 떠올린 순간으로 이번 특집의 서문을 열었다. 함께 스키를 타던 동료들의 비웃음에도, 라우에는 자신의 아이디어를 실현시켰고 그 결과 1914년 노벨물리학상을 수상했다.

 

  X선 분광결정학의 핵심은 X선이 결정을 투과하며 일어나는 간섭무늬를 해석하는 것이다. 이를 통해 1913년 다이아몬드, 1925년 수정의 결정 구조가 밝혀졌다. 이후 점점 해상도가 높아져 1952년에는 DNA가 이중나선 구조라는 사실이 밝혀냄으로써 생물학의 전환점을 만드는데 결정적인 기여를 하기도 했다.

 

  2011년 노벨화학상을 받은 준결정 구조는 1984 X선 분광결정학을 통해 발견됐으며, 2009년에는 X선 자유전자레이저 기술의 개발로 해상도와 정밀도가 한층 더 향상됐다.

  

  점점 고출력이 요구되는 환경 때문에 이 기술의 미래가 핑크빛은 아니다. 더 작은 것을 더 선명하게 보기 위해선 고출력 레이저가 필수인데, 이를 위해선 거대 시설이 필요하고 이런 시설을 이용할 수 있는 학자들의 수는 제한되는 것이 문제라는 것이다.

 

X선 분광기술의 해상도가 크게 향상됐다. - 네이처 제공
X선 분광기술의 해상도가 크게 향상됐다. - 네이처 제공

 

 

사이언스 제공
사이언스 제공

  육각형 모양의 장치 주변으로 연결된 3개의 관이 다양한 색깔로 표시돼 있다. 음파들이 관을 따라 중앙 장치에 모였다가 인접한 관으로 다시 빠져나가는 모습을 형상화한 것이다.

 

  이번 주 ‘사이언스’는 통신장비나 레이더 등에 사용되는 서큘레이터(circulator)의 원리를 소리(sound)에 적용해 음파를 한 방향으로만 전송할 수 있는 ‘음향 서큘레이터’를 만드는데 성공한 미국 오스틴 텍사스주립대 전기컴퓨터공학과 안드레아 알루 교수팀의 연구 결과를 표지에 실었다.

 

  ‘서큘레이터’는 일반적으로 3개의 포트를 갖고 있으며, 한 포트에서 그 다음 포트로 순차적인 방향으로 마이크로파나 라디오 시그널을 전송한다. 비가역적인 특징 때문에 한번 전송된 신호는 되돌아오지 않는다.

 

  연구팀은 이 원리를 음파에 적용할 경우 소리를 효과적으로 분해해, 듣고 싶은 사람만 선택적으로 듣게 할 수 있을 것이라고 생각했던 것. 이를 위해 특정 속도로 공기를 순환시키는 작은 환풍구와 소리를 인식하는 마이크로폰이 장착된 3개의 포트, 그리고 이 포트와 연결된 둥근 공진 구멍이 갖춰진 서큘레이터를 제작했다.

 

  연구팀은 환풍구가 작동하지 않을 때는 포트 1로 유입된 소리 신호가 포트 2와 3에 대칭적으로 전달되지만, 환풍구를 작동시켜 공진 구멍에 특정 속도의 공기가 흐르게 하면 전파 대칭이 깨지게 돼 소리 신호가 포트 2로만 전달된다는 사실을 확인했다.

 

  마찬가지로 포트 2로 유입된 소리 신호는 포트 1을 배제한 채 포트 3으로만 전달됐고, 포트 3으로 유입된 신호는 포트 1로만 향했다.

 

  알루 교수는 “오른쪽으로 회전하던 공기가 공진 구멍의 강력한 울림을 만난 것이 한쪽 방향으로만 소리 신호를 전달하게 된 원리”라며 “이번에 개발한 기술은 다양한 종류의 단방향 통신기기 개발에 이용할 수 있을 것”이라고 말했다.

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