[펌글] 광합성의 양자생물학

출처 : http://news.dongascience.com/PHP/NewsView.php?kisaid=20130424200002400315&classcode=01 광합성의 양자생물학 [강석기의 과학카페 123] 양자 효과 보이는 분자 합성 성공 2013년 04월 24일

영국의 작가 이언 매큐언이 2010년 발표한 소설 ‘Solar’는 광합성의 양자 결맞음 현상에서 아이디어를 얻었다. 아직 번역되지 않았다. “잎이 에너지를 한 분자계에서 다른 분자계로 옮기는 과정은 기적이라고 볼 수 있습니다. 알다시피 양자 결맞음이 모든 에너지 경로에서 단번에 길을 찾게 하는 높은 효율의 열쇠니까요. 나노기술이 지향하는 방식으로, 우리는 알맞은 재료를 써서 이 방식을 모방할 수 있을 것입니다.” - 이언 매큐언, ‘Solar’ 오늘날 영어권 최고의 소설가 중 한 명으로 꼽히는 이언 매큐언은 정말 독특한 사람이다. 그의 소설 소재들은 과학이어서, 주인공들도 과학자가 많이 등장한다. 뉴욕 타임스 ‘올해의 책’에 선정된 1997년 작 ‘이런 사랑’의 경우는 과학자의 미련을 버리지 못한 과학저널리스트가 주인공이기까지 하다(책을 읽으며 필자가 얼마나 공감했는지!). 매큐언이 2010년 발표한 소설 ‘Solar(태양에너지)’는 50대의 물리학자 마이클 비어드가 주인공이다. ‘비어드-아인슈타인 융합 이론’으로 노벨물리학상을 받은(물론 이런 이론은 없다) 저명한 물리학자인 그는 성격에 결함이 있는지 네 번이나 이혼을 하고 다섯 번째 아내와 살고 있다. 비어드는 독일 훔볼트대의 수학자와 바람을 피우다 걸렸는데, 34살 미모의 아내는 젊은 건축업자 타르핀과 맞바람을 피우며 복수하는데, 뒤늦게 아내의 소중함을 느낀 비어드는 괴로워한다. 사실 비어드가 과학자로서 본격 연구를 접은 지는 20년이 돼 간다. 젊은 시절 업적으로 노벨상을 타고 유명인사가 된 대가다. 그는 국립재생에너지연구소의 소장을 맡고 있는데 관심도 없는 풍력에너지 프로젝트를 진행하고 있다. 그런데 연구소에 탐 알두스라는 입자물리학자가 들어온다. 탐은 인류의 에너지 위기를 해결할 유일한 방안을 양자역학을 도입한 인공광합성 연구라고 비어드를 끈질기게 설득한다. 비어드는 수 주간 출장을 갔다가 항공편을 당겨 오전에 도착해 현관문을 열었는데 뜻밖에 자기 잠옷을 입고 소파에 앉아있는 알두스를 발견한다. 폭력을 휘두르는 타르핀을 힘들어하던 아내가 예전에 집에 온 적이 있는 젊은 물리학도를 유혹해 새 애인으로 삼은 것이다. 비어드는 노발대발했지만 알두스의 변명을 듣다 지쳐 꺼지라며 자리를 피하고, 선처해 달라며 그를 쫓아가던 알두스는 그만 미끄러져 머리를 크게 다쳐 죽는다. 갑작스런 사고에 당황한 비어드는 신고할 타이밍을 놓치고, 결국 타르핀이 질투에 눈이 멀어 살인한 것처럼 상황을 꾸민다. 위의 인용구는 알두스가 불륜을 변명을 하는 과정에서 비어드의 융합 이론을 인공광합성에 적용할 경우 놀라운 결과를 얻을 수 있을 것이라고 설명하는 장면이다. 그는 비어드를 위해 자신의 아이디어를 담은 파일을 남겨뒀는데 비어드는 이를 읽고 인공광합성 연구에 뛰어든다.  ● 2007년 광합성 분자에서 양자 현상 첫 발견 엽록체 막에는 엽록소가 깔때기처럼 배열돼 있어 흡수한 빛에너지를 가운데 반응중심으로 모아 광합성 다음 단계를 진행한다. 한 엽록소에서 빛에너지를 흡수한 전자가 단계적으로 이동해 반응중심에 도달한다는 기존 메커니즘은 높은 효율을 설명하지 못한다(1). 2007년 실험결과는 빛에너지를 흡수한 전자가 양자 결맞음에 따라 파동처럼 전체 깔때기에 퍼져 순식간에 반응중심으로 흘러들어가는 새로운 메커니즘을 제안했다(2). 이언 매큐언은 이 소설을 쓰기 위해 영국 케임브리지대의 물리학자 그레엄 미치슨 교수의 도움을 많이 받았다고 하는데, 사실 매큐언이 소설을 구상하게 된 계기는 미국 버클리 캘리포니아대 화학과 글레이엄 플레밍 교수팀이 2007년 과학저널 ‘네이처’에 발표한 논문이다. 논문의 제목은 ‘광합성계에서 양자 결맞음을 통한 파동 같은 에너지 이동의 증거’로 벌써부터 머리가 아프다. 광합성이 어떻게 일어나는가는 오래 전부터 화학자들의 관심사였다. 복잡한 생체분자복합체에서 일어나는 현상인 광합성을 생물학자들은 사실 건드려볼 엄두를 내기 어려운 영역이다. 노벨화학상도 세 차례나 나왔다. 1915년 독일의 리하르트 빌슈테터는 엽록소를 분리․정제해 그 특성을 규명한 공로로 수상했고, 1961년 미국의 화학자 멜빈 캘빈은 엽록소가 빛 에너지로 물과 이산화탄소를 유기물로 바꾸는 광합성 과정을 밝힌 공로로 수상했다. 1988년에는 독일의 요한 다이젠호퍼와 로베르트 후버, 하르트무트 미헬이 광합성반응센터의 3차원구조를 규명한 공로로 수상했다. 이렇게 100년에 걸쳐 많은 사실이 밝혀졌음에도 불구하고 과학자들은 전통적인 화학의 해석만으로는 광합성이라는 현상을 완전히 이해할 수 없다는 사실을 알고 있다. 엽록체가 빛에너지를 모아 전기에너지로 전환하는 효율은 95%가 넘는데, 이는 화학의 관점으로는 설명할 수 없는 현상이기 때문이다.  엽록체에는 엽록소 분자들이 모여 깔때기 같은 구조를 이루고 있는데 마치 빗물을 받듯이 깔때기에 배열한 엽록소에 도달한 빛에너지가 전자를 높은 에너지 상태로 만들고 이 고에너지 전자가 엽록소 분자 사이를 통통 튀어 깔때기 중심으로 모여 광합성의 다음 단계로 넘어간다는 게 기존의 설명인데, 이런 식이면 중간에 에너지 손실이 꽤 커 결코 95%의 효율을 낼 수 없기 때문이다. 2007년 그레이엄 플레밍 교수팀은 광합성 박테리아의 광합성계 분자복합체를 분리해 저온에서 양자 결맞음 현상이 일어남을 처음 관찰했다. 빛을 받은 분자에서 나온 전자가 파동으로 퍼져나가는 장면을 도식화했다. 제공 미국 버클리대 따라서 1930년대 이미 일부 과학자들은 광합성의 과정에서 양자역학적 현상이 일어날 것이라고 예측했지만 이를 증명할 수는 없었다. 그런데 2007년 플레밍 교수팀이 마침내 광합성에서 ‘양자 결맞음’이라는 현상이 일어날 것이라는 강력한 증거를 내놓은 것이다. 양자 결맞음(quantum coherence)이란 어떤 입자가 존재할 수 있는 여러 공간이 서로 가까이 있을 때 그 입자가 동시에 전 공간에 퍼져 있을 수 있는 현상이다. 즉 입자의 파동성을 가정해야 성립되는 성질이다. 이를 광합성에 적용하면 빛(광자) 에너지를 흡수한 전자가 깔때기를 이루고 있는 엽록소에 동시에 공간적으로 퍼져 존재할 수 있게 되고 따라서 다음 반응으로 넘어가는 입구에 순식간에 도달할 수 있다는 말이다. 즉 콩이 깔때기 내벽에 통통 튀어 가운데 구멍으로 빠지는 게 아니라 호수에 돌을 던지면 물결이 사방으로 퍼지듯 전자 파동이 퍼져나가 순식간에 사라진다는 것이다. 다른 양자역학 현상들도 그렇듯이 직관적으로는 납득이 잘 되지 않지만, 어쨌든 측정 결과는 그렇게 일어난다고 해석할 수밖에 없다.  당시 플레밍 교수팀은 클로로비움 테피디움(Chlorobium tepidium)이라는 광합성 박테리아의 광합성계 분자복합체를 분리해 영하 196℃에서 양자 결맞음 현상을 관찰하는데 성공했다. 이처럼 낮은 온도 조건이 필요했던 건, 온도가 높을수록 분자가 불안정해져 양자 현상을 관찰할 수 없었기 때문이었다. 따라서 일부에서는 이 실험으로 실제 광합성이 일어나는 상온에서도 양자 결맞음이 일어난다고 볼 수는 없다고 주장했다.  그러나 몇 달 뒤 다른 광합성 박테리아에서 추출한 분자로 영하 93℃에서 양자 결맞음 현상을 관찰하는데 성공했고 2010년 마침내 상온에서도 성공했다. 이제 광합성의 양자 결맞음을 의심하는 사람은 거의 없고, 생물학에서 일어나는 현상을 양자역학으로 설명하는 ‘양자생물학(quantum biology)’이라는 용어도 자리를 잡았다. ● 작은 이합체 분자에서도 양자 결맞음 구현 미국 시카고대의 그레고리 엔겔 교수팀은 최근 양자 결맞음 현상을 보이는 분자를 합성하는데 성공했다고 ‘사이언스’에 발표했다. 이들이 발표한 분자의 구조다. 제공 사이언스 대략 27억 년 전에 시작된 것으로 보이는 광합성에서 어떤 과정을 거쳐 양자 결맞음이 진화했는지는 아직 모르지만, 광합성을 모방한 인공광합성 연구에 양자 결맞음을 도입한다면 에너지 변환 효율이 극적으로 높아질 것이다. 그럼에도 과학자들은 아직까지 그 실마리를 찾지 못했다. 생체의 광합성계가 너무 복잡하기 때문이다. 그런데 과학저널 ‘사이언스’ 4월 18일자 온라인판에 마침내 화학자들이 양자 결맞음 현상을 보이는 분자를 합성하는데 성공했다는 연구결과가 실렸다. 미국 시카고대 화학과 그레고리 엔겔 교수팀은 플루오레세인이라는 분자를 출발점으로 해서 몇 단계 반응을 거쳐 이합체(dimer) 분자를 만들었는데 여기서 양자 결맞음 현상이 관찰됐던 것. 참고로 엔겔 교수는 2007년 플레밍 교수팀의 박사후연구원으로 당시 논문의 제1저자였다.  실제 광합성계보다 훨씬 간단한 분자에서 양자 결맞음이 일어난다는 게 확인됨에 따라 앞으로 인공광합성 연구는 ‘양자도약(quantum jump)’를 할 수 있을 것으로 보인다. 매큐언의 소소설 속 비운의 물리학자 알두스의 꿈이 현실이 될 날도 머지않았다는 말이다. 강석기 과학칼럼니스트 kangsukki@gmail.com