분자기계’ 발명가 3인방

장 피에르 소바주, J 프레이저 스토다트, 베르나르드 L 페린가

올해 노벨화학상 수상자들이 고안안 분자 기계는 원자를 하나씩 붙여 일상생활에서 볼 수 있는 간단한 기계 장치처럼 만든 것이다. 크기가 수 nm(나노미터)에 불과해 현미경을 써야만 볼 수 있는 '세상에서 가장 작은 기계'다. 노벨위원회는 "이들의 연구는 기계의 소형화에 기여했으며 화학분야의 새로운 지평을 열었다"고 평가했다.

자연계에서는 원자와 원자가 결합해 분자가 만들어진다. 이때 원자와 이웃 원자를 묶는 결합은 전자를 공유하는 '공유결합'으로 이뤄지는 경우가 많다.

올해 노벨화학상 수상자 장 피에르 소바주(72) 프랑스 스트라스부르대 교수, 프레이저 스토다트(74) 미국 노스웨스턴대 교수, 베르나르트 페링하(65) 네덜란드 흐로닝언대 교수 등 3명의 과학자는 이런 전통적인 화학적 결합으로는 만들어내지 못하는 '기계 결합'(mechanical bonding)을 현실 세계에 구현했다.

이전에도 매우 특수한 조건에서 기계 결합을 구현한 과학자들이 있었지만, 이번 노벨상 수상자들은 주변에서 흔히 볼 수 있는 물질을 소재로 이런 결합을 만들고 더 나아가 '분자 기계'를 조립했다.

이들은 탄소와 질소 등 원자를 구성단위로 삼아 형태를 설계했으며, 동시에 분자의 일부분이 일정한 방향으로 움직일 수 있도록 했다. 분자에 '기계적 특성'을 부여한 것이다.

소바주 교수는 1983년 이런 기계 결합으로 '카테네인'(catenane)이라는 분자 기계를 처음 만들었다. 이 기계는 반지 두 개가 얽혀있는 형태로, 한 개의 분자지만 각 부분은 어느 정도 움직일 수 있다.

스토다트 교수는 1991년 이보다 진화한 형태의 분자 기계를 만들었다. 길쭉한 분자 '축'에 마치 바퀴처럼 다른 분자를 '끼운' 형태다. 축 양쪽에 특정 조건을 줘 산화나 환원 반응을 일으키면 '바퀴 분자'는 '축 분자'를 따라 왔다 갔다 '피스톤 운동'을 할 수 있다. 이 분자 기계의 이름은 '로탁세인'(rotaxane)이다. 그는 로탁세인 제작 기술을 활용해 컴퓨터 칩을 만들기도 했다.

페링하 교수는 1999년 자외선을 쬐어 주면 실제 모터처럼 한쪽으로 돌아가는 '분자 모터'를 만들기에 이르렀다. 2011년 이 분자 기계는 나노 크기 자동차의 바퀴 부분에 적용됐다. 이 '나노카'는 실제로 4개의 '바퀴'로 표면을 천천히 이동할 수 있었다.

장 피에르 소바주, 프레이저 스토다트, 베르나르트 페링하가 분자기계를 개발하는 데 획기적으로 기여한 것은, 전 세계의 연구자들이 사용할 수 있는 화학구조 도구상자를 만들었다는 것이다. 전 세계의 연구자들은 이 도구상자를 이용해 분자기계를 더욱 더 발전시킬 수 있게 됐다.

도구상자 중에서 가장 주목할 만한 것 중 하나는 분자로봇(molecular robot)인데, 이것은 2013년에 로탁세인을 토대로 만든 것으로, 아미노산들을 들어 올려 연결할 수 있다.

다른 연구자들은 분자모터를 긴 폴리머에 연결해 복잡한 망(web)을 만들었다. 분자모터가 빛에 노출되면, 폴리머들을 감아올려 복잡한 뭉치를 만들어낸다. 이 방법을 이용하면 빛 에너지를 분자에 저장할 수 있는데, 나중에 이 에너지를 불러내는 기술을 찾아낸다면, 새로운 배터리가 개발될 수 있을 것이다. 모터가 폴리머를 휘감을 때 물질은 수축하게 되는데, 이것은 빛에 반응하는 광감지센서를 개발하는 데 응용될 수 있다.

2016 노벨화학상 수상자를 배출한 분자기계의 발달이 중요한 것은, 분자시스템을 균형(equilibrium)에서 벗어나게 했다는 것이다. 모든 화학시스템은 균형을 이루기 위해 노력하는데, 균형이란 저에너지 상태이며, 교착상태라는 측면도 있다.

우리의 삶을 예로 들면, 우리가 음식을 섭취하면 인체의 분자가 음식에서 에너지를 추출해 분자시스템으로 보낸다. 그러면 분자시스템은 균형에서 벗어나 고에너지 상태가 되고, 생체분자들은 에너지를 이용해 신체활동에 필요한 화학반응을 일으킨다. 만약 인체가 화학적 균형상태에 있다면, 우리는 죽은 목숨이다.

소바주, 스토다트, 페링하가 만든 인공분자시스템은 생체분자와 마찬가지로 '세심히 관리되는 임무'를 수행한다. 따라서 화학은 인공분자시스템을 통해 신세계를 향한 첫걸음을 내디뎠다고 할 수 있다.

이렇듯 이들 분자 기계는 먼 미래에 여러 가지로 쓰일 수 있는 가능성을 가지고 있다. 하지만 이들이 개발한 분자 기계는 아직 실험실을 벗어나지 못했다. 하지만 멀지 않은 미래에 환자의 몸속에서 암세포를 찾아가 파괴하는 초소형 로봇이나 초고집적 반도체를 만드는 데 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.