햇빛에 많이 쪼였을 때에 가장 분명하게 나타나는 영향은 피부의 주름과 거친 피부일 것이다. 그러나 피부의 훨씬 깊은 곳에서도 이들 외에 상당한 손상이 발생하게 된다. 햇빛에 포함된 자외선은 DNA를 손상시킬 수 있으며, 단백질을 보다 작은 분절인 펩타이드로 분해시킨다고 한다. 이 단백질 분해 펩타이드 중에서 특정 종류가 DNA에 손상을 유발시켜서 피부암이나 백내장 발생 위험을 높이게 된다. 따라서 자외선으로 인한 단백질 분해 경로에 대한 이해가 이에 대항하는 보호 기작 개발에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
스위스 로잔에 위치한 EPFL(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)의 과학자들은 자외선 하에서 분해된 특정 펩타이드가 3중 양자 상태를 거침으로써 이전 상태보다 큰 손상을 유발시킬 수 있는 활성 재배열이 나타나는 것을 확인했다. 이번 연구 결과는 이번 주 ‘The Journal of Chemical Physics’에 논문으로 발표되었다. 이번 결과는 자외선에 의한 단백질 분해 경로를 밝혀주는 동시에 자외선 보호 기작을 갖는 치료법 개발도 촉발시킬 것으로 기대되고 있다.
연구팀은 우리의 몸 전역에 존재하는 빛 흡수 아미노산인 타이로신(tyrosine) 또는 페닐알라닌(phenylalanine)을 함유하는 기체상(gas phase) 펩타이드를 선별하여 자외선에 피폭시켰다. 연구팀은 자외선의 피폭으로 장기적으로 펩타이드의 구조에 변화가 발생하는지를 확인하기 위하여 자외선-적외선 분광기를 이용하였으며, 일부 펩타이드들이 일정 기간 3중 상태를 형성하는 것을 확인했다. 정상적으로는 전자 스핀(electron spin)은 쌍을 이룬다. 전자가 2개 존재하면 스핀 하나는 한쪽 방향을, 다른 스핀은 반대 방향을 지향함으로써 쌍이 형성되게 된다. 그러나 특정 조건에서 전자 중 하나의 스핀이 튀어 올라가서 2개가 같은 방향을 가리키게 된다. 이러한 배열이 3중 상태로 알려져 있다.
전자 배치는 분자가 반응하는데 영향을 줄 수 있기 때문에 3중 상태를 어떻게 통과하는지를 이해하는 것이 이들 분자들에 의한 광 손상의 잠재적 결과를 이해하는데 도움이 될 수 있다고 한다. 연구를 주도한 Aleksandra Zabuga는 “3중 상태는 오래 유지되면서 위험한 화학반응에 관여할 수 있다”고 설명했다. 그가 이야기한 오래 유지되는 상태는 실제로는 마이크로 초에서 밀리 초 수준이어서 일반인들의 생각에는 찰나의 순간에 지나지 않겠지만, 생체 내 화학반응에 있어서는 엄청난 손상을 유발시킬 가능성이 충분한 시간이라고 한다.
Zabuga는 “이 시간 동안에 3중 상태의 펩타이드는 자신의 에너지를 주변의 산소에 전달하여 고활성화 일중항(singlet) 산소나 다른 프리 라디칼(free radical)을 생성시키게 된다. 이들 물질은 세포로 이동하여 DNA 손상을 유발시킬 수 있기 때문에 자외선으로 분해된 펩타이드 분획의 위험성은 매우 높은 것”이라고 설명했다.
다른 연구팀도 자외선에 피폭된 용액 내 단백질 분획에 대한 연구를 진행하고 있으며, 여기서도 3중 상태의 존재가 보고되고 있다. 그러나 이 조건에서 펩타이드는 분절되려고 하지 않고 주변의 물질들과 상호작용 및 대체 기작을 통한 불활성화로 손상 유발을 피할 수 있다고 하다. 더하여 우리 피부의 멜라닌(melanin)이나 눈의 키뉴레인(kynurenine)과 같은 색소들은 자외선이 세포까지 도달하는 것을 감소시킨다고 한다.
Zabuga는 “이들 보호기작들이 모두 펩타이드 외부에 있다는 사실도 매우 흥미롭다. 이런 점에서 펩타이드는 자신을 보호하는 효율적인 수단으로 보여지지는 않는다”고 밝혔다. 연구팀은 국소적 환경에서 자외선 유도 단백질 분절화의 영향을 시험하기를 희망하고 있다. 예를 들어서 주변의 물 분자나 같은 펩타이드 사슬의 다른 아미노산이 3중 상태와 상호작용하여 분절화 기작을 변경시킬 수도 있는지를 시험하는 것이다.
Journal Reference: Aleksandra V. Zabuga, Michael Z. Kamrath, Oleg V. Boyarkin, and Thomas R. Rizzo. Fragmentation mechanism of UV-excited peptides in the gas phase. The Journal of Chemical Physics, October 21, 2014 DOI: 10.1063/1.4897158
