1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

생체 에너지 변환 과정에서 양성자(proton) 이동은 매우 중요한 역할을 하지만, 그 메커니즘은 매우 동적이어서 실험적으로 직접 관찰하기 어렵습니다. 이를 보완하기 위해 분자동역학(MD) 시뮬레이션이 활용되며, 특히 proton 이동처럼 결합 변화가 수반되는 과정은 MS-RMD (Multiscale Reactive Molecular Dynamics)와 같은 방법이 필요합니다.
최근에는 단순히 proton의 이동 경로를 찾는 것을 넘어, 어떤 조건에서 proton transport가 가능해지는지에 대한 연구가 중요해지고 있습니다. 특히 물의 존재 여부보다, 물 분자들이 얼마나 연속적으로 연결되어 있는지, 즉 hydration connectivity가 핵심 요소로 주목받고 있습니다.
저희는 이러한 관점에서 Respiratory Complex I의 E-channel에서 proton transport 메커니즘을 분석하였고, Proton 자체가 물 네트워크 연결을 촉진하고 물 네트워크가 연결될 때 proton 이동이 가능해지는 커플링이 존재하는 점을 확인했습니다.
연구 과정은 상당히 긴 시간이 필요했습니다. 단백질 규모가 커서 구조 평형에만 1년 가량이 걸렸고, 이후에도 결과를 얻기까지 시간이 많이 소요되었습니다. 진행 중에는 연구의 의미에 대해 고민하기도 했지만, BPS 학회에서 구두 발표를 통해 받은 피드백이 방향을 정리하는 데 큰 도움이 되었고, 결국 논문을 완성할 수 있었습니다.
앞으로는 구조 데이터와 동적 시뮬레이션을 결합하여, proton transport와 같은 생체 에너지 변환 과정을 보다 정량적으로 이해하는 연구가 더욱 중요해질 것으로 생각됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 University of Chicago 화학과의 Voth Group (PI: Gregory A. Voth)에서 연구를 수행하고 있습니다. 우리 그룹은 이론 및 계산화학을 바탕으로 생체분자, 액체 및 응축상, 재료, 양자계 등 매우 다양한 시스템을 연구하며, 복잡한 현상을 설명하고 예측할 수 있는 새로운 시뮬레이션 방법론을 개발하는 것이 큰 특징입니다.
연구실 내에서는 크게 coarse-grained(CG) 모델링을 중심으로 큰 길이·시간 규모의 현상을 다루는 흐름과, proton transfer 같은 화학 반응을 직접 다루는 reactive MD 흐름이 활발합니다. 실제로 바이러스 capsid self-assembly, 막단백질, actin과 integrin 같은 세포골격·막 관련 시스템부터 reactive coarse-grained MD, proton transport, antiporter와 channel 연구까지 폭넓게 이루어지고 있습니다. 최근에는 분자동역학 방법 개발에 machine learning을 접목한 연구도 많이 진행되고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

Complex I과 같이 큰 단백질 시스템을 다루는 시뮬레이션을 진행하면서 결과를 얻기까지 긴 시간이 필요했고, 하나의 시뮬레이션을 끝까지 완주하는 것 자체가 중요한 과정이라는 점을 느꼈습니다. 특히 이번 연구에서는 수개월에 걸쳐 데이터를 축적하고, 이를 바탕으로 일관된 메커니즘을 제시할 수 있었다는 점에서 큰 보람을 느꼈습니다.
또한 이러한 긴 연구 과정은 혼자만의 노력만으로 이어가기 어렵다는 점도 많이 느꼈습니다. 시간이 오래 걸리는 연구를 믿고 기다려 주신 지도교수님과, 항상 곁에서 힘이 되어 준 아내의 존재가 큰 버팀목이 되었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

이론 및 계산화학 분야는 한국에서도 활발히 연구되고 있지만, 특히 생물물리나 막단백질과 같이 큰 시스템을 다루는 연구는 연구비나 계산 자원 등의 이유로 국내에서 다소 제한이 있는 경우도 많이 있다고 생각합니다.
그럼에도 불구하고, 유학에 대한 부담감 때문에 처음부터 도전을 포기하는 경우도 있는 것 같습니다. 실제로는 다양한 경로와 기회가 열려 있는 만큼, 너무 미리 가능성을 제한하기보다는 관심이 있다면 한 번 도전해보는 것이 좋다고 생각합니다.
완벽한 준비가 되어 있어야만 시작할 수 있는 것은 아니기 때문에, 작은 계기라도 있다면 적극적으로 시도해보는 것이 이후의 선택지를 넓히는 데 도움이 될 수 있습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로는 막단백질에서의 proton transport 메커니즘을 다양한 시스템으로 확장해 이해하고자 합니다. 특히 EmrE와 같은 small multidrug transporter나 de novo로 설계된 채널 시스템을 통해, 서로 다른 환경에서의 proton 전달 특성을 비교·분석할 계획입니다.
더 나아가 이러한 접근은 ionic liquid와 같은 에너지 관련 물질 시스템에도 적용하여, proton transport와 관련된 보다 넓은 범위의 문제를 연구해보고자 합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

저의 미국에서의 연구 생활을 위해 본인의 일들을 잠시 내려두고 함께 와준 아내에게 감사의 마음을 전하고 싶습니다. 논문 리비전과 결혼 준비가 겹쳐 바쁜 시기를 보내는 동안에도 큰 힘이 되어 주었고, 제가 흔들릴 때마다 중심을 잡을 수 있도록 도와주었습니다. 이번 연구를 잘 마무리할 수 있었던 데에도 아내의 도움이 컸습니다. 또한 항상 뒤에서 묵묵히 응원해 주신 부모님께도 감사의 마음을 전하고 싶습니다. 가족과 주변의 많은 도움 덕분에 즐겁고 열심히 연구에 매진할 수 있었습니다.