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Research Res. Areas In English		연구 분야 전산화학연구실 (이하 '우리 연구실')에서는 계산 및 이론 화학 방법들을 이용하여 생체계 등 다양한 계에서 일어나는 물리, 화학적 과정들의 메커니즘에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 우리 연구실에서 사용하는 계산 및 이론 화학 방법들은 통계역학에 기반을 두고 있으며, 컴퓨터를 이용한 모의실험 (computer simulation)이 주된 연구 방법의 하나입니다. 우리 연구실의 주된 연구분야는 다음과 같습니다. 세포막에서 cyclic peptide nanotube의 구조와 기능에 대한 연구 이온채널은 세포막에 존재하는 막단백질의 한 종류입니다. 이온채널은 이온들의 세포막 통과에 관여하면서 신경과 근육의 자극, 감각신호 전달에 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 미국 Scripps 연구소의 Ghadiri 교수와 연구진에 의해 합성된 cyclic peptide nanotube는 이온채널과 같은 기능을 하는 합성 단백질의 한 종류로서, Ghadiri 교수와 연구진의 최근 연구결과에 따르면 cyclic peptide nanotube가 항생제나 이온센서로 사용될 수 있다고 합니다. cyclic peptide nanotube는 곁사슬 (side chain)이 친수성 또는 소수성을 띠는지에 따라 크게 두 종류로 나눌 수 있으며 그 구조는 다음과 같습니다. (Hwang et al., J. Phys. Chem. A xxx, XXXX (2009)) 우리 연구실에서는 분자동역학 모의실험 (molecular dynamics simulation)과 몬테카를로 모의실험 (Monte Carlo simulation) 등을 이용하여 cyclic peptide nanotube가 선택적으로 양이온만을 통과시키는 원인과 cyclic peptide nanotube와 세포막의 상호작용이 이온 이동에 미치는 영향 등에 대한 연구를 진행하고 있습니다. (Hwang et al., J. Phys. Chem. B 110, 26448 (2006)) 세포막에서 단백질 삽입과 결합에 대한 연구 단백질 분자들이 세포막에 삽입되면서 단백질끼리 결합하는 메커니즘을 정확하게 이해하는 것은 생물학 및 생명공학 분야에서 매우 중요합니다. 예를 들면, 박테리아에 의해 감염이 될 경우 체내에서 만들어지는 항균 펩타이드는 박테리아 세포막을 통과하여 박테리아 세포내로 침투해 그 세포를 죽이는 항균작용을 합니다. 이 때, 항균 펩타이드와 박테리아 세포막과의 상호작용, 그리고 세포막 내에서 펩타이드 분자들 사이의 결합이 항균 펩타이드의 기능에 중요한 역할을 한다는 것은 밝혀졌지만, 그 구체적인 메커니즘은 아직 알려져 있지 않습니다. 생물계의 크고 복잡한 규모와 그 안에서 일어나는 변화과정들의 느린 반응속도를 고려할 때, 기존의 전원자 분자동역학 모의실험 (all-atom molecular dynamics simulation)은 장시간의 모의실험 시간을 필요로 하는 등 여러 단점을 가지고 있습니다. 그 대안으로 일단의 원자들을 하나의 입자로 대체하여 나타내는 방법인 coarse-grained 분자동역학 모의실험은 전체 계에 존재하는 입자의 개수를 줄여 계산 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있습니다. 우리 연구실에서는 coarse-grained 분자동역학 모의실험 방법을 이용하여 단백질이 세포막에 삽입되면서 단백질끼리 결합하는 메커니즘에 대한 연구를 진행하고 있습니다. (Hwang et al., J. Phys. Chem. A xxx, XXXX (2009)) DNA translocation DNA translocation이란 단일사슬 (single-stranded) 혹은 이중사슬 (double-stranded) DNA 분자가 세포막에 형성된 구멍 (pore)이나 이온채널을 통하여 세포막의 한 편에서 다른 편으로 이동하는 현상입니다. DNA translocation에 관한 최근의 연구 결과는 이온 전류가 흐르고 있는 이온채널에 DNA 분자가 이동하는 경우에 DNA 분자가 이온 전류의 흐름을 방해하여 이온 전류의 세기가 감소하고, 이 이온 전류 세기의 감소는 DNA 분자의 염기 크기와 연관되어 있습니다는 것을 보였습니다. 그리고 이 결과로부터 DNA translocation을 이용한 새로운 DNA 염기서열 분석 (DNA sequencing) 방법이 제안되었습니다. 우리 연구실에서는 Brownian 동역학 모의실험 (Brownian dynamics simulation)과 우리 연구실에서 개발한 kinetic lattice grand canonical Monte Carlo (KLGCMC) 모의실험을 결합하여 세포막에 의한 반응장 (reaction field)이 DNA translocation에 미치는 영향과 DNA 분자의 염기와 이온 전류의 이온들의 상호작용이 DNA translocation에 미치는 영향에 대해 연구하고 있습니다. 아르곤 기체에서 진행하는 충격파의 물리적 성질 연구 충격파 (shock wave)란 강렬한 폭발이나 초음속으로 움직이는 물체에 의해 발생하는 진행성 교란 (propagating disturbance)의 한 종류입니다. 충격파는 충격파 전선 (shock front) 전후면에서 밀도, 온도, 압력, 그리고 연관된 물리적 성질들의 급격한 변화에 의해 특징지어집니다. 우리 연구실에서는 아르곤 기체에서 충격파가 진행할 때 나타나는 여러 물리적 성질, 예를 들면 아르곤 분자의 운동에너지 분포 등에 관심을 가지고 있으며, 이를 위해 비평형 분자동역학 모의실험을 개발하여 이용하고 있습니다.
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