포항가속기연구소(PAL)는 3세대 원형방사광 가속기(Pohang Light Source, PLS)로 2.5 GeV의 빔 에너지를 가지며, 1988년에 포항공과대학교의 부속 연구소로 설립되어 유저 서비스 업무를 시작한 이래 국내 유일의 방사광 연구 기관으로 성장하였다. 또한, 가속기 성능 향상 사업인 PLS-II(Pohang Light Source II)가 2009년부터 시작되어 2011년에 완공되어 운영 중이다. 4세대 선형방사광 가속기인 PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free-electron Laser)은 미국, 일본, 스위스에 이어 세계 4번째로 건설되었으며, 총 길이는 1.1 km이며, 10 GeV의 빔 에너지를 사용하여 초고속 시간 분해능과 매우 높은 밝기의 X-선을 생성하여 생명과학, 재료과학, 화학, 물리학 등 국내외 연구자들에게 고품질의 방사광을 제공하고 있다. 이러한 노력은 한국의 기초과학 발전에 기여하였으며, 끊임없는 노력 끝에 오늘날의 국제경쟁력을 확보하였다.

충북 오창에 건설 중인 다목적 방사광 가속기(Ochang Ad- vanced Synchrotron for Industry and Science, OASIS)는 세계 최고 성능의 4세대 원형 방사광 가속기로, 2028년에 완공될 예정이며, 기존의 3세대 가속기보다 크기는 1/50 이하로 줄이면서도 세기는 100~1000배 이상 밝은 방사광을 발생시키는 첨단 방사광 가속기이다. 이는 기존 3세대 가속기보다 100배 이상 높은 효율을 자랑하며 넓은 에너지 영역을 제공한다. 또한, 산업적 활용을 위해 특화된 산업체 전용 빔라인을 구축하고 있어, 전 세계에서 6번째 4세대 원형 방사광 가속기 보유국이 될 전망이다. 이러한 방사광 연구시설은 과학기술 발전을 위한 중요한 인프라로서, 기초과학분야뿐만 아니라 반도체, 이차전지 등 우리나라의 전략적 산업분야와 신약 개발분야에서도 높은 활용도를 보이며 기여하고 있다.

본인은 미국에서 학위를 취득한 후, 미국 에너지부 과학국 사용자 시설인 APS(Advanced Photon Source)의 구조 생물학 시설(MX)에서 경력을 쌓은 뒤 포항가속기연구소의 MX 빔라인 운영 및 PLS-II 성능 향상 사업에 참여하였다. PLS-II 프로젝트 동안에는 중국의 SSRF(상하이 방사광가속기), 일본의 SPring-8, Photon Factory(PF)에서 실험을 수행하였다. 현재에도 단백질의 구조와 기능 연구를 수행 중이다.

단백질의 구조와 기능 연구는 생명 현상의 근본적 이해와 신약 개발에 크게 기여하고 있다. 이를 위해 물리학, 화학, 생명 과학, 컴퓨터 공학 등의 다학제적 접근이 필수적이다. 이러한 단백질의 구조 연구에는 전통적인 X-선 결정학, 소각 X-선 산란(SAXS), 핵자기공명(NMR)법 외에도 최근 급격히 발전된 극저온 전자현미경(cryo-EM), AlphaFold와 같은 계산적 예측법이 도입되고 있다. 최근의 단백질 구조 분석 분야에서 X-선 결정학은 여전히 중요한 역할을 수행하고 있으며, Cryo-EM은 큰 복합체나 막단백질 연구에 유리하고, AlphaFold는 단백질 구조 예측의 정확도를 높이는 데 기여하고 있다. 방사광 시설(PLS-II, XFEL)을 이용한 단백질 구조 연구는 여전히 중요한 이유가 있으며, X-선 결정학은 초고해상도 구조 제공, 예측 모델 검증, 복잡한 화학적 상태 분석 등에서 중요한 도구로 자리 잡고 있다. 세 가지 기술은 상호보완적으로 활용될 수 있어 단백질 구조 연구의 정확성과 효율성을 높이는 데 기여하고 있다.

본인이 회장으로 재임하고 있는 한국단백질학회(KSPS)는 지난 6월, 일본 북해도 삿포로에서 제1회 2024년 한국단백질과학회 & 일본단백질과학회 공동학술대회를 개최하였다. 이 행사는 양국의 단백질 과학자 100여 명이 참석하여 최신 연구 성과를 공유하고 학문적 교류를 증진시키며, 양국의 과학자들이 협력하여 단백질 과학 분야에서 혁신적 연구를 촉진하고 학문적, 기술적 발전을 도모하는 데 중요한 역할을 하였다. 매년 이러한 공동학술대회를 통해 양국 과학자들이 협력하여 단백질 과학 분야에서의 새로운 발견과 기술 발전을 선도하는 중요한 플랫폼으로 자리 잡을 수 있기를 희망한다.

* 이 글은 한국물리학회에서 발간하는 웹진 ‘물리학과 첨단기술’로부터 제공받았습니다.

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