Structure of a molecule is the key for understanding the molecule. It is known that the structure of molecule is not static, but continuously changing over time. Accordingly, not only the static feature of the molecule, but also the dynamic fluctuation of structure is also the important feature which affects the chemi-cal and physical properties of the molecule. Despite the importance the structural fluctuation has not been intensively studied due to the limitations of the existing structure-probing methods. A new method, single ob-ject scattering sampling (SOSS) which is based on single-shot single-molecule X-ray scattering, is free from the limitations, and is proposed as a tool for probing the structural fluctuation of molecule. This work is mainly concern on the feasibility of SOSS method. Using simulation studies, it is demonstrated that structural fluctuation of various molecules can be studied using SOSS, ranging from small diatomic molecules to large biomolecules.
First, SOSS method is applied to a simple diatomic molecule, iodine, and it is shown that structural fluctuation of iodine molecule can be retrieved using SOSS. Stretching vibration is the only structural fluctua-tion of the diatomic molecule. Due to the vibration, the bond length of iodine molecule is changed from mo-ment to moment. To unveil the vibrational fluctuation of the molecule, it is necessary to capture the instanta-neous bond length of iodine molecule. A preliminary simulation is performed to scan the suitable experi-mental condition to capture the instant structure of iodine. As a result, it is revealed that the instantaneous structure can be captured by using an intense and extremely short X-ray pulse having 1 femtosecond tem-poral duration. Under the condition entire course of SOSS is simulated. It is shown that all the possible bond distance of molecular iodine can be sampled from series of single-shot single-molecule scattering patterns. From the sampling, the population density of each bond length is obtained. Since the population density is the absolute square of vibrational wave function, the population density can be easily converted to vibra-tional wave function. This means that the vibrational wave function of molecular iodine can be imaged using SOSS method.
There is no limitation on the target molecule of SOSS. Not only the small molecule like iodine, but also the large biomolecules can be studied using SOSS. However, in case of large molecules, it is impossible to extract all the structural information of the molecule from a single-shot single-molecule scattering image. In-stead, the structural information should be simplified: specific information such as a distance between two specific residues is focused and others are discarded. In this regard, the site-specific labeling of nanoparticle is the best choice for simplifying the information. It is expected that, by labeling two nanoparticles on a mole-cule, the information of the distance between the two labeled sites of the molecule is amplified in the resulting scattering pattern. If the distance between the two labeled sites can be exactly retrieved from a single-shot single-molecule scattering pattern, it is clear that the SOSS method can be applied to study the structural fluc-tuation of biomolecules because the labeled complex can be considered as an analog of diatomic molecule.
Single-shot single-molecule scattering pattern is simulated for a complex of cytochrome c and gold nanoparticles. From the pattern, it is demonstrated that the distance between two nanoparticles can be exact-ly retrieved. The distance was exacted extracted even in the case of small nanoparticles having 1 nm size. From the result, it can be concluded that the structural fluctuation of proteins can also be unveiled by using SOSS method.
분자의 구조는 분자의 화학적 성질을 결정하는데 있어 핵심적인 역할을 한다. 분자의 구조는 정적으로 유지되지 않고, 시간의 흐름에 따라 끊임없이 변화하며 변동을 일으키는 것으로 알려져 있다. 이러한 구조적 변화는 결합의 진동, 회전, 생성, 그리고 분해를 포함하며 모두 분자의 성질을 이해함에 있어 빠트릴 수 없는 중요한 요소들이다. 하지만 그 중요성에 비해 분자의 구조적 변동에 관한 연구는 여태까지 구체적으로 진행이 되지 못하였는데 이는 기존의 분자의 구조를 연구하기 위해서 제시된 방법론들이 지니는 한계로 인한 것이다. 이 논문에서 다루는 내용은 여태까지 제시된 방법론들의 한계를 극복하고 분자의 구조적인 변동을 연구하기 위한 새로운 방법으로서 단일 대상 산란 샘플링이라는 기법을 사용할 수 있음을 실연해 보이며, 그 연구 대상이 특정한 분자에 국한되지 않고 작은 분자로부터 거대한 생체 분자에 걸쳐 다양하게 적용될 수 있음을 보이는 연구이다.
먼저 가장 간단한 구조의 분자 중 하나인 요오드 분자에 대해서 단일 대상 산란 샘플링 기법을 사용해 그 구조적 변동을 관찰할 수 있음을 밝혔다. 요오드 분자가 가질 수 있는 구조적 변동은 단 한 종류의 진동에 해당하는 구조적 변동뿐이며, 따라서 이 진동을 주제로 시뮬레이션을 진행하였다. 분자의 진동으로 인해 요오드 분자의 결합 길이는 시시각각 변화하게 되며, 이 변화하는 도중의 순간적인 결합 길이를 측정해낼 수 있다면 요오드 분자의 구조적 변동에 관한 정보를 얻어낼 수 있게 된다. 본 시뮬레이션에 앞서 실제 실험을 진행할 경우 어떠한 실험 조건에서 실험을 진행해야 요오드 분자의 순간적인 결합 길이 정보를 성공적으로 측정해낼 수 있을지 탐색해 보았다. 그 결과, 1 펨토초 에 해당하는 짧은 길이를 가지는 강렬한 엑스선 펄스를 사용하여 실험을 할 경우, 요오드 분자의 순간적인 결합 길이를 측정해낼 수 있음을 보였다.
이 시뮬레이션 결과를 기반으로, 동일 실험 조건에서 진동하고 있는 요오드 분자에 대해 단일 대상 산란 샘플링 기법을 적용하는 과정을 시뮬레이션 해 보았다. 그 결과, 시간에 따라 변화하는 요오드 분자의 가능한 모든 결합 길이를 단일 대상 산란 샘플링 기법을 통해 포착해낼 수 있음을 보였다. 또한 포착된 각각의 결합 길이의 빈도 정보를 통해서 결합 길이의 확률 밀도 함수를 얻어낼 수 있었는데, 이 확률 밀도 함수는 곧 요오드 분자의 진동을 묘사하는 파동 함수에 밀접히 관련되어 있다. 즉, 단일 대상 산란 샘플링 기법을 요오드 분자에 적용함으로써 요오드 분자의 진동에 해당하는 파동 함수를 형상화 할 수 있음을 보인 것이다.
단일 대상 산란 샘플링 기법의 적용 대상에는 제약이 없으며, 위의 요오드 분자와 같은 매우 간단한 작은 분자뿐 만 아니라 거대한 생체 분자의 경우에도 적용될 수 있다. 대신, 거대한 분자의 경우에는 그 구조를 구성하는 다양한 구조적 요소들을 모두 분석해 낼 수는 없으며, 구조적 정보를 간략화 하여 특정 구조적 요소에 국한된 정보를 집중적으로 얻어내는 전략을 취한다. 이와 같은 전략에 가장 부합되는 방법이 바로 나노입자를 사용한 표지 기법이며, 한 개의 생체 분자 내에 정해진 두 곳의 위치를 나노 입자로 표지 함으로써 그 두 위치 사이의 거리에 관한 정보를 증폭하여 얻어낼 수 있다.
두 개의 나노 입자로 표지한 단백질에 대해서 단일 대상 산란 샘플링 기법이 성공적으로 적용될 수 있음을 밝히기 위해서 시뮬레이션을 진행하였다. 약 1 나노미터 크기의 작은 나노 입자를 사이토크롬 씨 단백질에 표지한 경우에 대해서 시뮬레이션을 진행한 결과, 단일 노출 단일 분자 회절 패턴으로부터 두 나노 입자 사이의 거리가 정확하게 얻어질 수 있음을 밝혔다. 이는 이 나노입자-단백질 복합체에 대해서 단일 대상 산란 샘플링 기법이 성공적으로 적용될 수 있음을 의미하는 것이다.
