약효를 조절하거나 원하는 형태로 변형시킬 수 있는 빛에 반응하는 분자 ‘아조벤젠’은 과학계에서 오랜 관심을 받고 있는 대상이다. 그러나 이 분자가 실제로 어떻게 구조 변화를 겪는지에 대한 질문은 50년 가까운 시간 동안 수수께끼였습니다. 그러나 KAIST 화학과 이효철 교수 연구팀과 기초과학연구원(IBS)의 협력 덕분에 이 난제가 해결되었습니다.

아조벤젠은 두 개의 벤젠 고리가 질소 원자로 연결된 구조를 가진 분자로, 빛을 받으면 이들 고리가 상대적인 위치를 바꾸는 특성이 있습니다. 이러한 광반응은 ‘광약리학’에서 약물 활성 조절에 활용되기도 하며, 스마트 소재와 초소형 분자기계의 핵심 구성 요소로 연구되고 있습니다. 문제는 이 광반응이 얼마나 빠르게 일어나는지였습니다. 실시간으로 관찰하기에 너무 빨라서, 50년 동안 여러 가설들이 제기되었습니다.

이 연구팀은 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자레이저를 활용해 이 광반응 과정을 초고속으로 추적하였습니다. 메탄올에 녹인 아조벤젠 샘플에 엑스선 자유전자레이저를 사용하여 반응을 일으켜, 시간에 따른 구조 변화를 측정하였습니다. 이 과정에서 주변 용액의 강한 신호 속에서 아조벤젠의 미세한 신호를 성공적으로 분리해내, 순간순간 측정한 데이터로 ‘분자 동영상’을 재구성했습니다.

결과는 기대와 달랐습니다. 양쪽 벤젠 고리가 한꺼번에 크게 회전하는 것이 아니라, 탄소와 질소 연결부분이 먼저 비틀렸다가 그 후 자전거 페달처럼 맞물려 움직임으로 전체 분자의 모양이 변화한다는 것을 밝혔습니다. 이러한 발견은 주변 용액의 점성에 관계없이 아조벤젠의 반응 속도가 크게 달라지지 않는 이유를 설명할 수 있습니다.

이 연구결과는 아조벤젠 기반 약물이나 소재의 성능을 즉각적으로 개선시키는 것은 아니지만, 분자가 어떤 경로를 거쳐 변화하는지 구조 수준에서 이해한 점에서 중요합니다. 향후 광응답 소재나 분자기계의 설계와 검증에 많은 도움이 될 것입니다.

또한 연구는 무거운 원자가 없는 용액 속 유기분자도 X선을 사용해 초고속 구조 변화를 추적할 수 있음을 보여줬습니다. 이후에 연구팀은 다양한 조건에서 다른 유기분자의 ‘분자 동영상’을 확보하려는 계획입니다.

이효철 교수는 “아조벤젠이 빛을 받은 후 구조 변화 경로를 밝혀낸 성과”라며, “다양한 광반응 분자의 작동 원리 이해에 기여할 것으로 기대한다”고 말했습니다. 이 연구결과는 국제적인 학술지 ‘네이처’에 게재되어 과학계에서 큰 관심을 끌었습니다.