X선 결정학

분광학적 기술은 화학 분야에서 매우 중요하다. 거의 대부분의 분자 구조를 결정할 수 있을 정도로 정밀하게 조율되어 있다. 우리 주변에 존재하는 사물의 형태를 3차원적으로 결정하는 것은 단지 관찰만 할 수 있다면 알 수 있는 쉬운 일이다. 

눈을 사물로부터 반사되는 빛에 초점을 맞추면 여러분의 머리가 데이터를 정리하고 형태를 인식하게 한다.

만약 사물이 작으면 현미경을 이용하여 렌즈를 가시광선에 대고 초점을 맞춰주면 된다. 불행하게도 현존하는 가장 우수한 광학 현미경을 사용할지라도 우리가 볼 수 있는 것에 대해서는 한계가 존재한다. 회절 한계라고도 불리는 것은 관찰에 사용하는 빛의 파장보다 작은 것은 볼 수 없다는 것이다. 가시광선은 수백 나노미터의 파장을 가지지만 분자 내의 원자는 0.1nm의 크기를 가진다. 따라서 분자를 보기 위해서는 0.1nm 이내의 파장이 필요한데, 이것이 바로 X선에 해당된다.

효소나 혹은 다른 생물학적 분자의 구조와 형태를 규명해본다면, 여기서 필요한 기술에는 X선 결정학이다.

먼저 분자는 결정화되어야하는데, 결정화 과정은 전체 과정에서 가장 어렵고 시간이 많이 소요되는 작업이다.

그 결정은 0.4nm~0.5nm 크기로 작으면서 결정의 가장 긴 축을 유리 섬유의 끝에 붙어야 한다. 섬유와 접합된 결정은 X선 회절 분석기라고 하는 기기에 장착된다. 이 기기는 광원과 시료의 위치와 방향을 어떤 방향으로든지 회전할 수 있도록 조정할 수 있는 장치와 검출기, 제어용 컴퓨터로 이루어져 있다. 일단 X선 회절분석기에 장착된 결정은 0.154nm의 파장을 가진 CuKa 방사선이라고 하는 X선으로 조사된다. X선이 효소 결정에 부딪치면 분자 내 전자들과 상호작용을 하여 회절 방식으로 산란된다. 산란된 X선은 검출되고 나서 시각화되어 신호가 없는 바탕에 비하여 일련의 강한 점들로 나타난다. 회절 패턴으로부터 3차원 분자 자료를 얻어내는 조직은 복잡한 과정이지만 결과적으로 분자의 전자 밀도 지도가 얻어진다. 전자들이 원자 주위에 주로 편재화되어 있기 때문에 각각의 결합 거리 내에 나타나는 두 개의 전자 밀도의 중심을 결합된 원자들이라고 가정함으로써, 결국 화학 구조를 알 수 있다. 생화학에서는 이러한 생체분자 구조에 대한 정보는 아주 중요하며 100,000개 이상의 생체 분자들에 대한 정보가 온라인 데이터베이스에 만들어져 있다. 미국국립과학재단에 의해 설립되고, Rutgers대학교에 의해서 운영되는 protein data base(PDB)는 생물학적 거대분자의 3차원 구조에 대한 데이터를 체계적으로 처리하고 제공하는 전 세계적인 자료 저장소이다.