나노기술 및 정책 정보

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  도쿄대학(東京大學) 가야 모토시(茅元司) 조교와 히구치 히데오(木通口秀男) 교수(대학원 이학계연구과 물리학전공)는 근육의 수축을 담당하는 단백질 미오신(myosin) 1 분자의 탄성과 힘 발생 중의 운동 거리를 측정했다. 그 결과, 미오신은 에너지효율을 높이기 위한 환경 친화적인 분자특성인 '압축시키면 유연해지는 성질'을 갖고 있는 것이 규명되었다.
  이 구조에 의해, 근육은 대단히 높은 에너지 효율과 빠른 운동을 실현할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 근육(골격근)은 신체의 운동에 중요할 뿐만 아니라, 말을 하기 위해 입을 움직이고, 글씨를 쓰기 위해 손가락을 움직이며, 감정표현을 하고 물건을 보기 위해 눈을 움직이는 등 일상 커뮤니케이션을 하는데 있어서도 중요한 조직이다. 이 근육의 운동을 담당하고 있는 소자는 미오신이라 불리는 단백질로 그 크기는 수십나노미터이다.

  근육이 수축할 때 미오신은 액틴(actin)이라 불리는 단백질과 결합하여 액틴 섬유를 움직인다. 이 때, 미오신 분자에 내재된 탄력성 있는 구조 부위를 늘임으로써 힘을 발생한다(그림 1). 이 미오신 분자의 에너지 효율은 마이크로모터의 에너지 효율(1%)이나 자동차의 에너지 효율(15%)보다 훨씬 높은 약 50%이다. 일반적으로 크기가 작아지면 마찰에 의한 에너지 손실 비율이 커진다고 알려져 있는데, 미오신의 크기는 마이크로모터의 1000분의 1밖에 안 되는데도 불구하고 어떻게 이렇게 높은 효율을 낼 수 있는지가 의문이었다.
  이 고효율의 원리를 해명하기 위해 연구진은 미오신 1분자의 탄성과 힘 발생 중의 운동 거리(보폭)를 나노-피코 뉴턴의 정밀도로 측정했다. 그 결과, 미오신 분자를 늘이면 단단해지고 반대로 압축시키면 부드러워지는 것을 세계 최초로 밝혀냈다. 이 결과에 의하면 미오신은 힘을 발생할 때 신장되기 때문에 단단한 용수철을 늘였을 때처럼 큰 힘을 낼 수 있다. 한편, 힘을 다 발생한 후에는 마치 끈처럼 부드러워져서 다른 분자의 힘 발생에 방해되지 않음으로써 에너지 효율을 향상시킨다. 이렇게 미오신은 환경 보호적 구조를 갖고 있다는 사실을 처음으로 알았다.

  지금까지의 실험에서는 에너지원인 아데노신3인산(ATP, adenosine triphosphate)을 넣지 않고 탄성 성질을 조사했다. 그 다음 ATP를 넣자 미오신은 계단상의 변위와 힘을 발생했다. 변위 1단의 높이는 미오신의 보폭에 해당하며, 약 8 nm인 것을 처음으로 알게 되었다. 이상의 결과를 근거로 근육의 수축 모델을 고안했다(그림 2). 미오신분자는 액틴 섬유에 결합하여 이것을 8 nm 움직이게 한다. 이 때, 미오신 분자는 탄력성 있는 구조 부위가 단단한 용수철처럼 늘어나기 때문에 큰 힘을 발생할 수 있다(그림 2의 오른쪽 미오신). 미오신이 다시 힘을 발생하기 위해서는 액틴으로부터 벗어날 필요가 있다. 그러나 액틴으로부터 벗어나기 전에 다른 미오신이 액틴 섬유를 움직이기 때문에 이 미오신은 수축된다(그림 2의 왼쪽 미오신). 수축되었을 때 미오신의 끈모양 부위는 부드럽기 때문에 저항이 되지 않아 에너지 낭비가 적고 고에너지 효율이 가능해진다. 이 미오신의 고에너지 효율에 의해 근육은 보다 큰 힘을 내고 동시에 빠르게
움직일 수 있다.
  미오신 분자는 골격근 이외에 심근이나 평활근은 물론, 신경 등 모든 세포에 포함되어 있으며 세포운동에 없어서는 안 될 분자로 본 연구에서 얻어진 미오신의 고에너지 효율원리가 다른 세포에도 이용되고 있을 것으로 생각된다. 또 미오신에 머무르지 않고 미오신과 비슷한 구조를 갖는 분자가 세포분열을 일으킬 때에도‘압축되면 부드러워지는 성질’에 의해 고에너지 효율로 분열을 할 것으로 예상된다.
  또, 선천성의 심근비대증은 미오신의 끈모양 부위에 이상이 일어나는 것으로 알려져 있었다. 이번 결과를 기초로 할 때, 그 원인은 탄성특성의 이상으로 인한 힘의 저하 등이 원인일 것으로 예상된다. 현재의 마이크로 머신은 에너지 효율이 대단히 낮지만, 본 연구에서 얻은 고에너지 효율의 구조를 응용함으로써 효율을 올릴 수 있을 것으로 보인다.
  손상된 근육의 힘을 보충하기 위해서 고분자로 만들어진 인공근육의 개발이 진행되고 있으나, 현시점에서 에너지 효율이 대단히 낮은 것이 문제이다. 보다 효율을 향상시켜 발생력을 크게 하는 데 본 연구의 근육분자 구조가 참고가 될 것으로 기대 된다.

발표논문:

  Motoshi Kaya and Hideo Higuchi, “Non-linear elasticity and an 8 nm working stroke of single myosin molecules
in myofilaments.”, Science, 6 August 2010 329: 686-689 ⅠDOI: 10.1126/science.1191484