초록 ▼

DNA 같은 생체고분자는 다양한 요동(fluctuation)이 일어나는 수용액과 같은 유동적(flow) 환경에 놓여있다. 이러한 환경 속에서 고분자는 그 특유의 유연성(flexibility)으로 인하여 부단히 형태를 바꾸고, 주어진 환경에 대하여 자기조직화(self-organization)를 통해 적응한다. 본 연구에서는 생체 고분자가 열적/외부적요동과 외력하에 있을 때 자유도를 조작함으로써 어떻게 변형되고 운동하는지에 대한 물리적 연구를 수행하였다.이러한 문제에 대한 기존의 접근방법은 주로 거시적이고 경험적이어서 그 현상의 기본적

DNA 같은 생체고분자는 다양한 요동(fluctuation)이 일어나는 수용액과 같은 유동적(flow) 환경에 놓여있다. 이러한 환경 속에서 고분자는 그 특유의 유연성(flexibility)으로 인하여 부단히 형태를 바꾸고, 주어진 환경에 대하여 자기조직화(self-organization)를 통해 적응한다. 본 연구에서는 생체 고분자가 열적/외부적요동과 외력하에 있을 때 자유도를 조작함으로써 어떻게 변형되고 운동하는지에 대한 물리적 연구를 수행하였다.이러한 문제에 대한 기존의 접근방법은 주로 거시적이고 경험적이어서 그 현상의 기본적인 기작에 바탕을 둔 체계적이고, 물리학적인 연구는 전 세계적으로 드물다고 볼 수 있다. 이에 본 연구진은 생체계에 대한 지금까지의 통계물리학적인 연구경험을 바탕으로 생체고분자 자기조직에 대한 근본원리를 찾고, 새로운 현상을 예측하며 그 결과의 실제적인 응용가능성을 찾고자 하였다.
A)생체고분자 동역학에 있어 요동의 새로운 효과: 선형응답과 확률공명( Stochastic Resonance) 본 연구에서는 전하를 띄고 있는 생체고분자의 동역학이 열적요동, 구조적 유연성, 있는 이온용액속에서 갖는 전자기적 그리고 유체역학적 상호작용에 의해 어떻게 조절하는지 연구하였다. 최초로 본 연구는 진동하는 외력에 반응하여 고분자가 어떤 최적화된 조건에서 확률공명을 보이는지 조사하였다. 주어진 외력에 따르는 mobility와 이와 관련된 확률공명을 생체고분자의 운동을 지배하는 자기조직 현상과 관련 연구하였다.DNA, RNA, F-actin, microtubules 등의 생체고분자들은 유연하며 경우에 따라 전하를 띠고 있다. 이들은 생리적 온도에서 부단히 공간적, 시간적으로 요동하며 모양을 바꾸면서 주변의 다른 생체물질과 전해질 유체와 전기적, 유체역학적 상호작용을 한다. 본 연구에서는 이러한 생체의 유연성, 전자기 상호작용과 유체역학적 상호작용, 그리고 열적 요동이라는 중요한 물리적 특성에 주목하여, 요동이 존재하는 계에서 나타나는 현상인 확률적 공명(SR)이 생체계에서 어떻게 일어나며 어떤 최적화 조건을 갖는지 해석적, 정량적 방법으로 연구하였다. 첫째, 생체고분자에 역학적, 전기적인 외부 자극을 가하였을 때, 이에 대한 동적인 반응을 계산함으로써 확률적 공명이 일어나는 조건을 찾았다. 둘째, 확률적 공명이 계의 온도, 생체고분자 특성(전하, 지속길이(persistence length), 전체길이 등) 그리고 유체와의 상호작용에 어떻게 의존하며 최적화 조건을 갖는지 찾았다. 이러한 결과는 2012년 Journal of Chemical Physics (JCP)에 발표되었다.또한 이러한 개념을 적용하여 외부에 걸린 장력하에 RNA가 열적요동에 의해 나타내는 Stochastic Resonance역시 연구하였으며 KIAS 현창봉교수와 공동으로 simulation을 수행하였으며 이 또한 2012년에 PNAS에 발표되였다.
(B)생체고분자 동역학에 있어 요동의 새로운 효과: 장벽통과와 공명활성화 (Resonant Activation) 생체 고분자는 연결성으로 비롯된 특유의 협동성과 유연성에 의해 단일 입자와 다른 특이한 수송현상을 보인다. 유연하거나 경직적인 고분자가 퍼텐샬 장벽을 통과하는 비율을 계산하는 Hyperdynamics라고 부르는 새로운 방법을 개발하였다( 2010년 JCP에 발표), 이 방법을 사용하여 특성시간을 가지고 변하는 dichotomic noise가 장벽통과를 극대화하는 공명활성화를 연구하였고 이를 DNA의 looping문제에 적용하여 길이에 따른 비평형요동의 효과가 주는 생체자기조직의 가능성을 모색하였다. 연구결과는 2012년 JCP에 발표하였다. 최종적으로 Brownian Dynamics Simulation을 통해 폴리머가 막의 동공을 통하여 이 세포안쪽으로 이탈하는 polymer translocation 동역학적 과정을 연구하였다. 막을 통과하기 전의 polymer 상에는 장력이 전파하는 기작에 의해 이송시간의 길이에 대한의존도가 정확하게 주어짐을 우리와 공동연구하는 Finland의 Ala-Nissila Tapio교수와 함께 발견하였고 이는 2012년 Physical Review에 발표되었다. 또한 dichotomic한 noise하에서 translocation의 특성이 어떻게 변하는 지, 특히 공명활성화 현사에 대해 연구하여 Journal of Chemical Physics에 2012년에 발표되었다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• I. 연구결과 요약문 ... 4
• II. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 9
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 9
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 9
• III. 연구성과 ... 10