생물물리화학

1. 개요

생물물리화학은 물리학 및 화학 지식을 활용하여 생물학적 시스템의 구조와 기능을 연구하는 학문 분야이다. 20세기 초 독일에서 시작되어, 핵자기 공명 분광법, X선 회절, 극저온 전자 현미경 등 다양한 기술을 사용하여 단백질 구조, 세포막, 효소 반응, 항암제 개발 등 다양한 생물학적 문제를 연구한다. 열역학, 통계역학, 분석화학, 구조생물학 등의 방법론을 기반으로 하며, 리보솜 연구를 통해 2009년 노벨 화학상을 수상하는 등 생명 현상 이해에 기여하고 있다.

2. 역사

20세기에 여러 나라에서 생물물리화학이라는 개념이 나타나기 시작했다. 독일에서는 카를 프리드리히 본회퍼가 전류가 신경 흥분에 미치는 영향을 연구하면서 생물물리화학의 초기 개념이 나타났고, 만프레트 아이겐이 괴팅겐에서 이를 발전시켰다. 네덜란드에서는 허먼 베렌드슨이 흐로닝언 대학교에서 NMR을 이용해 생물학적 시스템에서 물과 단백질을 관찰하는 연구를 진행했다. 현대 생물물리학은 이온 채널, 프로모터, 줄기 세포, 생체 분자의 감지 및 분석 연구 등을 포함한다.

2.1. 20세기

20세기에는 여러 나라에서 생물물리화학이라는 개념이 나타나기 시작했다.

2.1.1. 독일

독일에서 생물물리화학의 가장 오래된 개념은 물리학 및 화학 지식을 바탕으로 생물학적 및 생리학적 문제를 해결하고자 했던 물리학자 카를 프리드리히 본회퍼의 호기심에서 시작되었다. 카를 프리드리히 본회퍼는 전류가 신경 흥분에 미치는 영향을 연구하여 이를 모방하는 연구를 진행했다. 괴팅겐에서 기초적인 생물물리화학이 확립된 후, 독일의 노벨상 수상자인 만프레트 아이겐이 이를 더욱 발전시켰다. 1971년, 만프레트 아이겐은 물리 화학 및 분광학의 두 연구소를 통합하여 연구의 초점을 개선했다. 오늘날, 괴팅겐의 생물물리화학 연구는 과학의 결합된 지식을 사용하여 생명 과정을 발견하는 것을 목표로 한다.

2.1.2. 네덜란드

유명한 과학자 허먼 베렌드슨은 흐로닝언 대학교에서 NMR을 사용하여 생물학적 시스템에서 물과 단백질을 관찰하는 연구 그룹을 시작했다. 이 연구는 물 결합에 대한 구조적 이해를 넓혀 많은 현상을 설명했다.

2.2. 현대

현대의 생물물리 연구는 이온 채널, 프로모터, 줄기 세포, 생체 분자의 감지 및 분석 연구 등을 포함한다.

3. 기술

생물물리화학자들은 생물학적 시스템의 구조를 탐구하기 위해 물리화학에서 사용되는 다양한 기술을 활용한다. 이러한 기술에는 핵자기 공명 분광법(NMR), X선 회절, 극저온 전자 현미경 등이 있다.

3.1. 주요 연구 분야

생물물리화학자들은 생물학적 시스템의 구조를 조사하기 위해 물리화학에서 사용되는 다양한 기술을 사용한다. 이러한 기술에는 핵 자기 공명(NMR)과 같은 분광 방법과 X선 회절 및 극저온 전자 현미경과 같은 기타 기술이 포함된다. 생물물리화학 연구의 예로는 2009년 노벨 화학상을 수상한 연구가 있다. 이 상은 mRNA를 폴리펩티드로 번역하는 분자 기계로서의 생물학적 기능의 물리적 기반을 밝히는 데 도움을 준 리보솜에 대한 X선 결정학 연구를 기반으로 한다. 생물물리화학자들이 관여하는 다른 영역은 단백질 구조와 세포막의 기능적 구조이다. 예를 들어, 효소 작용은 기질 분자의 모양과 일치하는 단백질 분자의 포켓 모양 또는 금속 이온 결합으로 인한 변형으로 설명할 수 있다. ATP 합성 효소와 같은 많은 대형 단백질 어셈블리의 구조도 기질에 작용할 때 기계와 같은 역학을 나타낸다. 이와 유사하게, 생체막의 구조 및 기능은 상이한 조성 및 크기의 리포좀 또는 인지질 소포로서 모델 초분자 구조의 연구를 통해 이해될 수 있다.

생물물리화학의 방법론적 기반은 열역학과 통계역학에 따른다. 이 외에도 분석화학이나 구조생물학 등의 방법이 사용된다. 생체 분자의 생체막에서의 거동을 다루는 단분자 세포생물학도 이 분야에 포함된다고 할 수 있다.

구체적인 연구로는 단백질의 구조 분석, 효소의 반응 속도론, 적외선 등 분광학적 방법을 이용한 분석 등 매우 다양하다.

4. 응용

생물물리화학 지식은 인류에게 도움이 되는 여러 생물학적 및 의학적 응용 분야에 활용된다. 생물물리화학의 방법론적 기반은 열역학과 통계역학을 따르며, 이 외에도 분석화학이나 구조생물학 등의 방법이 사용된다.

구체적인 예시로는 하이드로겔 합성과 항암제 개발 등이 있다. 리보플라빈(비타민 B2)을 이용한 하이드로겔 합성은 약물 전달, 인공 근육, 조직 공학 등에 응용될 수 있다. DNA와 약물 간의 상호작용 연구는 효과적인 항암제 개발에 기여할 수 있다.

4.1. 세포막 연구

생물물리화학자들은 생물학적 시스템의 구조를 조사하기 위해 물리화학에서 사용되는 다양한 기술을 사용한다. 이러한 기술에는 핵 자기 공명(NMR)과 같은 분광 방법과 X선 회절 및 극저온 전자 현미경과 같은 기타 기술이 포함된다. 생물물리화학자들이 관여하는 다른 영역은 세포막의 기능적 구조이다. ATP 합성 효소와 같은 많은 대형 단백질 어셈블리의 구조는 기질에 작용할 때 기계와 같은 역학을 나타낸다. 이와 유사하게, 생체막의 구조 및 기능은 상이한 조성 및 크기의 리포좀 또는 인지질 소포로서 모델 초분자 구조의 연구를 통해 이해될 수 있다.

지질 이중층 막은 세포막의 구성을 설명하는 이름이다. 현재의 지식과 기기 발전을 통해 지질 이중층의 점도와 같은 특성을 연구하는 것이 가능하다. 단일 인지질 이중층이 리포솜을 구성하더라도, 막에 존재하는 서로 다른 수준의 점도를 감지할 수 있다는 것을 확인하기 위해 형광 분광법 기술이 연구에 적용되었다.

생체 분자의 생체막에서의 거동을 다루는 단분자 세포생물학도 이 분야에 포함된다.

4.2. 단백질 반응 연구

현대 과학자들은 생명 시스템 내 단백질 반응의 반응 속도 구성 요소를 식별하기 위해 여러 분광학적 방법을 사용한다. 또한, 레이저 방사선을 가하여 생물학적 반응을 조절하고 조작하는 것이 가능하다. 예를 들어, "레이저 포획"이라는 기술을 사용하여 단백질 결정화 과정을 유도할 수 있다.

구체적인 연구로는 단백질의 구조 분석, 효소의 반응 속도론, 적외선 등 분광학적 방법을 이용한 분석 등이 매우 다양하게 이루어지고 있다.

4.3. 하이드로겔 합성

리보플라빈(비타민 B2)은 빛과 산소가 있는 환경에서 다양한 반응을 할 수 있는 반응성 물질이 될 수 있다. 이와 관련된 중요한 반응은 하이드로겔의 합성이다. 하이드로겔은 형태를 유지하면서 많은 양의 물을 담을 수 있는 다공성 물질이다. 하이드로겔의 응용 분야로는 약물 전달, 인공 근육, 조직 공학 등이 있다.

4.4. 효소 개선

효소는 화학 반응을 촉진할 수 있는 물질이다. 그러나 효소의 실제 활용은 안정성, 적합성, 비용 등 많은 제약을 받는다. 생물물리화학의 개념을 활용하면 이러한 제약 조건을 개선하고 효소의 성능을 향상시킬 수 있다. 구체적인 연구로는 단백질 구조 분석, 효소의 반응 속도론, 적외선 등 분광학적 방법을 이용한 분석 등이 있다.

4.5. 항암제 개발

데옥시리보핵산(DNA)은 모든 생명체의 기반이 되는 분자이며, 항암제의 주요 표적이기도 하다. 약물과 DNA 간의 상호작용을 연구하면 연구자가 암을 효과적으로 치료할 수 있는 약물을 개발할 수 있다.

5. 연구 기관

괴팅겐에 위치한 막스 플랑크 생물물리화학 연구소는 생물물리화학 분야에서 가장 오래된 연구소로 알려져 있다.

6. 학술지

다음은 생물물리화학 분야의 학술지 목록이다.

* 생물물리 저널(Biophysical Journal)
* 생화학 및 생물물리 학회지(Archives of Biochemistry and Biophysics, 학술 출판사(Academic Press) 발행)
* 생화학 및 생물물리 연구 통신(Biochemical and Biophysical Research Communications, 학술 출판사 발행)
* 생화학 및 생물물리 학회지 A(Biochimica et Biophysica Acta, 엘스비어 사이언스(Elsevier Science) 발행)
* 생물물리 화학(Biophysical Chemistry)
* 생물학적 현상의 물리학 및 화학에 전념하는 국제 저널(Elsevier)
* 생화학 및 생물물리 방법 저널(Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 엘스비어 발행)
* 생화학, 생물학 및 생물물리 저널(Journal of Biochemistry, Biology and Biophysics, 테일러 & 프랜시스(Taylor & Francis) 발행)
* 화학 물리 저널(Journal de Chimie Physique)
* 생물-물리화학(Physico-Chimie Biologique, EDP 과학(EDP Sciences) 및 프랑스 화학회(Société chimique de France) 발행)