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POSTECH·UNIST 공동연구팀, 세계 최초로 상온에서 1나노미터 단일분자 자세 변화 관측 성공

박영재 기자 | 기사입력 2022/08/17 [15:18]

POSTECH·UNIST 공동연구팀, 세계 최초로 상온에서 1나노미터 단일분자 자세 변화 관측 성공

박영재 기자 | 입력 : 2022/08/17 [15:18]

【브레이크뉴스 】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨 연구팀은 UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 화학과 서영덕 교수와의 공동연구를 통해 상온에서 나타나는 단일분자의 자세 변화를 세계 최초로 시각화하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

  

▲ (좌) 탐침증강 나노현미경을 이용해 금과 산화알루미늄 층 사이에 갇힌 분자를 관찰하는 것을 묘사한 그림.(우) 분자의 배향에 따라 분자의 진동모드가 변하는 것을 시각화한 그림.  © 포스텍


인간을 포함한 모든 물질의 기본단위인 분자 하나의 자세를 상세히 들여다볼 수 있게 된 것이다.

  

공기에 노출된 분자는 주변 환경과 수시로 화학적 반응을 일으키고 끊임없이 움직인다. 이 때문에 ‘분자 지문’이라고 불리는 라만 산란1)신호를 검출하기 매우 어렵고, 분자를 영하 200℃ 이하로 얼려 가까스로 신호를 검출하더라도 단일분자 고유의 특성을 규명하는 데 한계가 있다.

  

연구팀은 금 박막을 입힌 기판 위에 단일분자를 올리고, 매우 얇은 산화알루미늄(Al2O3)층을 그 위에 이불처럼 덮어 ‘꽁꽁’ 묶었다. 금과 산화알루미늄 사이에 갇힌 분자는 주변 환경과 분리돼 화학반응을 일으키지 않는 데다가 움직임 또한 억제됐다.

  

이렇게 고정된 분자는 연구팀이 개발한 초고감도 탐침증강 나노현미경을 통해 관측됐다. 개발된 나노현미경을 이용하면 날카로운 금속 탐침의 광학 안테나 효과2) 덕택에 단일분자의 미세한 광신호도 정확히 검출할 수 있고, 이를 통해 일반적인 광학현미경의 해상도 한계(약 500nm)를 훨씬 뛰어넘어 1nm 크기의 단일분자가 누워있는지 서 있는지의 자세 변화를 명확하게 구분할 수 있다.

  

POSTECH 강민구 씨는 “제임스웹 망원경이 가장 먼 곳을 관측하여 우주의 기원을 밝힌다면, 본 연구팀의 단일분자 현미경은 가장 작은 것을 관측하여 생명의 기원을 밝힐 수 있다”라고 기대했다.

  

이 연구성과는 난치병의 원인 파악과 치료법 개발의 실마리가 될 연구로 학계의 주목을 받는다. 질병의 원인이 되는 단백질이나 DNA의 분자 배향(Conformation)을 나노미터 수준까지 샅샅이 살펴볼 수 있어서다. 이뿐만 아니라 시료 위에 얇은 층을 덮는 방식이 매우 간단한 데다가 상온 또는 고온에서도 적용할 수 있어 그 응용 가능성이 무궁무진하다.

 

한편, 본 연구는 UNIST 이근식 교수·엘함 올라이키(Elham Oleiki)·주희태 연구원, 한국화학연구원 김현우·엄태영 박사, POSTECH 물리학과 통합과정 구연정·이형우 씨 등이 참여했다. 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다. 

 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 

The POSTECH-UNIST joint research team succeeded in observing the change of posture of a single molecule by 1 nanometer at room temperature for the first time in the world

 

 POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-Hwan) Physics Department Professor Kyung-Duk Park and Integrated Course Min-Goo Kang's research team collaborated with Professor Young-Duk Seo of the Department of Chemistry at UNIST (Ulsan Institute of Science and Technology, President Yong-Hoon Lee) to visualize the world's first change in the posture of a single molecule at room temperature. It was announced on the 17th that it was successful.

 

It is now possible to take a closer look at the posture of a single molecule, the basic unit of all matter, including humans.

 

  Molecules exposed to air frequently undergo chemical reactions with their surroundings and are constantly in motion. For this reason, it is very difficult to detect the Raman scattering1) signal, which is called a ‘molecular fingerprint’, and even if the signal is barely detected by freezing the molecule at −200°C or lower, there is a limit in identifying the unique characteristics of a single molecule.

 

  The research team placed a single molecule on a substrate coated with a thin film of gold, and covered it with a very thin layer of aluminum oxide (Al2O3) like a blanket and tied it up. Molecules trapped between gold and aluminum oxide are separated from the surrounding environment and do not cause a chemical reaction, and their movement is also suppressed.

 

  These immobilized molecules were observed through the ultra-sensitive probe-enhanced nanomicroscope developed by the research team. Using the developed nanomicroscope, thanks to the optical antenna effect of the sharp metal probe2), even minute optical signals of single molecules can be accurately detected. It is possible to clearly distinguish a change in the posture of a single molecule whether it is lying or standing.

 

  POSTECH Kang Min-koo expected, "If the James Webb telescope observes the farthest point and reveals the origin of the universe, our single-molecule microscope can observe the smallest and reveal the origin of life."

 

  This research achievement is drawing attention from the academic community as a research that will lead to the identification of the causes of incurable diseases and the development of treatments. This is because the molecular conformation of proteins or DNA that causes disease can be thoroughly examined down to the nanometer level. In addition to this, the method of covering the sample with a thin layer is very simple, and it can be applied at room temperature or high temperature, so its application possibilities are endless.

 

  On the other hand, this study was participated by Professor Geun-Sik Lee, Professor Elham Oleiki, Researcher Hee-Tae Joo from UNIST, Dr. Hyeon-Woo Kim and Tae-Young Um from the Korea Research Institute of Chemical Technology, and Yeon-Jeong Koo and Hyung-Woo Lee from the Physics Department at POSTECH. This study, recently published in the international academic journal Nature Communications, was supported by the National Research Foundation of Korea.

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