고베대 연구팀, 크립토크롬 키랄 스핀 선택성이 자기장 감지 비등방도 5배 이상 강화 예측

자기감각과 라디칼 쌍 메커니즘

철새를 비롯한 여러 생물이 지구 자기장을 방향 정보로 활용한다는 가설의 중심에는 크립토크롬이라는 청색광 감응 단백질이 있다. 이 단백질에 포함된 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(FAD)가 빛을 흡수하면 트립토판 잔기로부터 연속적인 전자 이동이 발생해 전하 분리 라디칼 쌍이 형성된다. 이 라디칼 쌍의 두 전자 스핀이 보이는 단일항-삼중항 전환 거동이 외부 자기장에 따라 달라진다는 점이 생물 자기감각 이론의 핵심 근거다. 다만 단백질 내부의 분자 운동이 이 메커니즘을 실질적으로 증폭할 수 있는지는 그간 충분히 탐구되지 않았다.

CISS 기여의 분광학적 규명

고베대 고보리 야스히로 교수가 이끄는 연구팀은 도호대·사이타마대·나고야공업대·독일 프라이부르크대와 공동으로 아프리카발톱개구리(Xenopus laevis) 유래 크립토크롬-DASH를 대상으로 시간분해 전자 스핀 공명(EPR) 분광법을 적용했다. 실험은 영하 153°C에서 영하 33°C에 이르는 폭넓은 온도 범위에서 진행됐으며, CISS·교환 결합·쌍극 결합·초미세 상호작용을 아우르는 양자역학 시뮬레이션과 병행했다.

분석 결과, 두 번째 전하 분리 상태인 FAD•−···WB(H)•+에서 산화된 트립토판 잔기 WB(H)•+의 키랄 회전이 전자 스핀 편극에 기여하는 것으로 확인됐으며, 그 기여율은 약 8%로 추산됐다. 더 먼 거리의 FAD•−···WC(H)•+ 상태에서는 최대 6%의 CISS 기여가 추론됐다. 또한 초기 전하 분리 단계에서 생성된 스핀 결맞음이 최종 라디칼 쌍으로 전달되는 경로도 확인됐다.

비등방도 향상 예측과 모델의 함의

연구팀이 구성한 이론 모델에서 CISS를 배제했을 때 신호 생성 반응의 정규화 비등방도는 약 0.3%에 머물렀다. 반면 6% CISS 기여를 반영한 모델에서는 332.5 mT 자기장 조건 하에서 같은 수치가 1.6%로 높아졌다. 아울러 모델은 자기장 방향이 반전될 때 스핀 편극 신호가 비대칭적으로 달라지는 반응도 예측했다. 이는 단백질 내 미세한 키랄 구조 운동이 라디칼 쌍 역학과 결합돼 방향 감지 능력을 증폭시킬 수 있음을 이론적으로 뒷받침한다.

한계와 향후 연구 방향

연구진은 이번 결과가 분광학적 분석에 기반한 이론적 예측임을 명시했으며, 살아 있는 동물의 자기 항법을 직접 실증한 것이 아님을 강조했다. 후속 연구에서는 스핀 편극 신호 반전 예측을 실험적으로 검증하고, 분자 역학이 신호 수율에 미치는 영향을 직접 측정하는 작업이 예정돼 있다. 연구팀은 이번 연구 결과가 생체 분자 기반 자기 센서 설계와 생물 자기감각 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있다고 밝혔다. 논문은 The Journal of Physical Chemistry Letters에 게재됐다(DOI: 10.1021/acs.jpclett.6c02747).