살아있는 분자구조를 볼 수 있는 방사광 가속기

살아있는 분자구조를 볼 수 있는 방사광 가속기 : 실제로 2009년 유행했던 신종플루 치료제인 ‘타미플루’는 미국의 ‘스탠퍼드 방사광가속기(SSRL)’를 이용해 인플루엔자 바이러스의 단백질 구조를 분석한 덕분에 탄생할 수 있었습니다. 발기부전 치료제 ‘비아그라’도 방사광가속기의 도움으로 개발된 것입니다. 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)의 ‘국립방사광가속기(NSLS-Ⅱ)’와 영국의 ‘다이아몬드 방사광가속기(DLS)’ 등에서도 현재 코로나19 관련 실험을 진행 중입니다. 방사광가속기로 얻는 연구 성과는 산업 판도에도 큰 영향을 미치고 있습니다. 지난해 일본이 수출 규제 품목으로 지정해 삼성전자 등 국내 반도체 업계에 타격을 준 ‘극자외선(EUV) 포토레지스트’가 대표적입니다. 감광액인 포토레지스트는 반도체 제조 공정의 필수 소재입니다. 일본은 방사광가속기로 생성한 EUV를 이용해 지속해서 포토레지스트 품질을 높여 세계적인 기술경쟁력을 확보했습니다. 한 과학기술계 인사는 “일본의 수출 규제 사태로 새로운 방사광가속기 도입이 급물살을 타게 된 것”이라고 말했습니다. 방사광가속기는 자동차 배기가스 저감 촉매 개발, 지진 연구, 우주 미세먼지 분석, 원자 분광학 등에도 활용될 수 있습니다.

국내 가동 중인 경북 포항의 3, 4세대 방사광 가속기

현재 국내에는 포항가속기연구소에 ‘3세대 원형 방사광가속기(PLS-Ⅱ)’와 ‘4세대 선형 X선 방사광가속기(PAL-XFEL)’가 있지만 갈수록 늘어나는 수요를 충족시키기에는 역부족입니다. 과학기술정보통신부에 따르면 최근 5년간 국내 방사광가속기의 수요 대비 지원(공급)율은 지속적으로 하락해 지난해 74%에 그쳤습니다. 특히 기업들은 전체 수요 시간의 절반에 못 미치는 47.6%밖에 사용하지 못했습니다.

방사광 가속기는 매우 강력한 X-선을 생성하여 물질의 원자 및 분자 수준에서의 구조를 밝혀내는 장치입니다. 이 기술은 화학, 물리학, 생물학 등 다양한 과학 분야에서 사용됩니다.

방사광 가속기의 핵심은 전자를 거의 광속에 가깝게 가속하는 것입니다. 이 전자들이 자기장을 통과할 때, 그들은 매우 강한 X-선을 방출합니다. 이 X-선은 물질을 투과하여 그 물질의 구조를 상세하게 드러내는 데 사용됩니다. 이 방법으로 과학자들은 분자의 정확한 위치와 화학적 결합을 볼 수 있으며, 이는 새로운 약물 개발, 나노기술, 신소재 개발 등에 중요한 정보를 제공합니다.

방사광 가속기는 살아있는 세포 내 mRNA 전사 과정을 볼 수 있다

살아있는 세포나 화학 분자의 경우, 방사광 가속기는 이들의 구조와 동작을 실시간으로 관찰할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 단백질이나 DNA와 같은 생물학적 분자의 3차원 구조를 파악할 수 있어, 생명 과학의 이해를 깊게 하고 새로운 치료법 개발에 기여할 수 있습니다.

또한, 방사광 가속기를 이용하면 매우 작은 결정이나 난해한 구조의 물질도 분석할 수 있습니다. 이는 전통적인 X-선 결정학에서는 어려운 일입니다. 방사광 가속기는 매우 높은 해상도와 감도를 가지고 있어, 매우 작은 샘플에서도 상세한 정보를 얻을 수 있습니다.

이러한 기술은 환경 과학, 재료 과학, 에너지 연구 등에서도 사용됩니다. 예를 들어, 공기나 물 속의 오염 물질을 파악하거나, 고성능 배터리나 태양전지의 효율적인 재료를 개발하는 데 중요한 역할을 합니다.

방사광 가속기의 발전은 계속되고 있으며, 더 고성능이고 효율적인 설계로 발전하고 있습니다. 이를 통해 과학자들은 더욱 미세한 구조와 더욱 복잡한 화학 반응을 이해하고, 새로운 기술과 응용 분야를 개발할 수 있는 가능성을 열어가고 있습니다.

충북 오창에 방사광가속기가 2027년 시운전을 거쳐 2028년 본격 가동된다.

종합하면, 방사광 가속기는 과학과 기술의 다양한 분야에서 근본적인 이해와 혁신을 이끄는 중요한 도구입니다. 이는 우리가 물질의 근본적인 구조와 성질을 이해하고, 이를 바탕으로 새로운 기술과 설루션을 개발하는 데 필수적인 역할을 합니다.

방사광 가속기의 또 다른 중요한 응용 분야는 약물 개발입니다. 새로운 약물을 개발할 때, 분자 수준에서의 정확한 이해가 필수적입니다. 방사광 가속기는 단백질이나 다른 생물학적 대상 분자와 약물 간의 상호 작용을 분자 수준에서 관찰할 수 있게 해줍니다. 이 정보는 약물의 효능과 부작용을 이해하고, 더 효과적이고 안전한 약물을 개발하는 데 매우 중요합니다.

이 기술은 또한 질병의 원인을 밝히는 데도 사용됩니다. 예를 들어, 암이나 신경 질환과 같은 복잡한 질병의 경우, 방사광 가속기를 사용하여 질병과 관련된 단백질이나 다른 생물학적 구조물의 3D 구조를 정확하게 파악할 수 있습니다. 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 이해하고, 더 효과적인 치료법을 개발할 수 있습니다.

이뿐만 아니라, 방사광 가속기는 미래의 기술 혁신에도 중요한 기여를 하고 있습니다. 예를 들어, 나노기술의 발전은 방사광 가속기를 통해 얻은 분자 및 원자 수준에서의 이해에 크게 의존하고 있습니다. 미세한 구조의 물질을 조작하고 이해함으로써, 과학자들은 더 작고, 더 빠르며, 더 효율적인 기기와 재료를 개발할 수 있습니다.

결론적으로, 방사광 가속기는 과학의 여러 분야에 걸쳐 깊이 있는 이해와 혁신을 가능하게 하는 중요한 도구입니다. 이를 통해 인류는 물질의 세계를 더 잘 이해하고, 이 지식을 바탕으로 새로운 기술과 치료법을 개발하여 우리의 삶을 향상할 수 있습니다.

이러한 고급 기술의 발전은 교육과 연구 환경에도 큰 영향을 미칩니다. 대학과 연구 기관에서는 방사광 가속기를 활용한 실험과 연구를 통해 학생들과 연구원들에게 실질적인 경험과 지식을 제공합니다. 이러한 경험은 차세대 과학자와 엔지니어들에게 중요한 기술적 능력과 이론적 이해를 심어줍니다.

영국의 방사광가속기 ‘다이아몬드(Diamond)’ 전경. 다이아몬드 제공

영국 내 최대 규모의 기초과학 시설인 방사광가속기 ‘다이아몬드(Diamond)’가 지금까지 창출한 경제적 효과가 18억 파운드(약 2조 8775억 원)에 이른다는 조사가 나왔다. 글로벌 과학기술정책 컨설팅 기업인 테크노폴리스그룹은 다이아몬드와 공동으로 26일(현지 시각) 이 같은 보고서를 발표하고 “다이아몬드 구축에 투입된 12억 파운드(약 1조 8900억 원)를 상회했다”고 밝혔다.

2007년 문을 연 다이아몬드는 옥스퍼드대 인근 하웰 지역에 위치한 국립 과학연구단지인 하웰과학혁신캠퍼스에 자리 잡고 있다. 다이아몬드는 도넛 모양의 원형 방사광가속기로 둘레가 562m에 이른다. 이 링을 따라 전자를 3GeV(기가전자볼트·1GeV는 1억eV)의 에너지로 가속해 빛의 속도에 가깝게 돌게 하면서 태양광보다 100억 배 밝은 X선을 만들어낸다. 빔 라인 7개로 시작해 지금은 32개가 운영되고 있다.

보고서에 따르면 지금까지 다이아몬드를 이용해 발표된 연구 논문은 9,600편이며, 이 가운데 19%는 분야별 상위 10% 국제학술지에 발표됐다. 이를 토대로 생산된 산출물을 경제적 가치로 환산하면 6억 7700만 파운드(약 1조 676억 원)다.

국제 협력의 측면에서도 방사광 가속기는 중요한 역할을 합니다. 세계 각국의 연구 기관들은 이러한 고급 장비를 공유하며, 서로의 연구 결과와 전문 지식을 교환합니다. 이는 과학 기술의 발전을 촉진하고, 글로벌 차원의 문제 해결을 위한 협력을 강화합니다.

환경 보호와 지속 가능한 발전에서도 방사광 가속기의 역할은 무시할 수 없습니다. 이 장비를 통해 환경 오염 물질의 구조를 분석하고, 오염의 원인과 영향을 이해하는 데 중요한 기여를 합니다. 또한, 청정에너지와 친환경 재료 개발에 필요한 기초 연구에서도 중요한 역할을 합니다.

충북 오창 다목적방사광가속기가 설계를 완료하고 2027년 완공 시운전을 거쳐 2028년 본격 가동된다.

방사광 가속기를 통한 연구는 미래 사회의 다양한 문제 해결에 필수적인 역할을 합니다. 건강, 환경, 에너지, 기술의 발전에 이르기까지, 이 장비는 인류가 직면한 도전을 극복하고 지속 가능한 발전을 이루는 데 중요한 기여를 하고 있습니다. 과학 기술의 진보와 인류의 미래를 위해 방사광 가속기의 연구와 개발은 계속해서 중요한 분야로 남을 것입니다.

살아있는 분자구조를 볼 수 있는 방사광 가속기