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- 세포와 조직이 고에너지 방사선에 노출되면 세포 내부의 분자가 방사선 에너지에 의해 들뜨고 일부는 전자를 잃고 이온화된다.
- 종종 유전 분자 DNA 가닥에서 결합 끊어지게 하고, 세포 퇴화로 이어져 암 유발
- 극단의 경우 전체 염색체 분해돼

방사선은 "분자 폭발"을 유발한다.
폭발적인 쿨롱 붕괴는 유전 물질 DNA도 손상시킬 수 있다.

치명적인 연쇄 반응:
DNA와 같은 생체 분자가 강한 방사선에 노출되면 예상보다 더 광범위한 손상이 발생할 수 있다. 방사선에 의해 유도된 이온화는 이웃 분자로 전달되고 쿨롱 붕괴(Coulomb Decay)로 알려진 폭발적 반발 작용을 유발하기 때문이다. DNA와 같은 생체 분자의 경우 이러한 폭발적인 연쇄 반응은 점점 더 이중 가닥 절단으로 이어질 수 있다. 

▲ 방사선에 의해 방출된 전자가 벤젠 쌍에 부딪히면 충돌한 분자도 이웃을 이온화하고 둘 다 쿨롱 붕괴에서 분리된다. © MPI für Kernphysik (출처: 관련논문 Ultrafast energy transfer between π-stacked aromatic rings upon inner-valence ionization / nature chemistry)

세포와 조직이 고에너지 방사선에 노출되면 세포 내부의 분자가 방사선 에너지에 의해 들뜨고 일부는 전자를 잃고 이온화된다. 예를 들어 이것은 종종 유전 분자 DNA 가닥의 경우 결합이 끊어지게 한다. 세포가 이 손상을 복구하지 못하면 세포의 퇴화로 이어져 암을 유발할 수 있다. 극단의 경우 전체 염색체가 분해될 수도 있다.

폭발 전달

어떻게 그러한 폭발적인 붕괴가 일어날 수 있을까?
하이델베르그에 있는 막스 플랑크 핵물리학 연구소의 Xueguang Ren이 이끄는 연구원들은 최근 이에 대한 가능한 원인을 조사했다. 초점은 소위 쿨롱 붕괴라고 불리는 1997년에 발견된 복사 효과에 있었다. 예를 들어 고리 모양의 유기 화합물과 같이 상호 작용하는 이중 결합이 있는 분자에 주로 영향을 미친다.

그러한 시스템이 이온화 방사선에 의해 타격을 받으면 충격을 받은 분자에서 전자를 떨어뜨릴 뿐만 아니라 과도한 에너지를 생성한다. 이것은 상호 작용하는 이중 결합을 통해 이웃 분자로 전달되고 거기에서 전자를 녹아웃 시킬 수도 있다. 그 결과 이온화에 의해 양전하를 띤 두 분자 또는 분자의 일부가 갑자기 나란히 놓여 서로 밀어낸다.

결과:
분자 복합체가 떨어져 나간다.
"이 분자 간 쿨롱 붕괴는 펨토초 내에 발생하며 상대적으로 멀리 떨어져 있는 시스템에서도 효과적이다"고 Ren과 그의 동료들은 설명했다.

DNA 염기에 대한 모델로서의 벤젠 쌍

그러나 지금까지 이 폭발적인 붕괴가 우리 세포의 생체 분자, 특히 유전 분자 DNA에서도 일어날 수 있는지 분명하지 않다. 지금까지는 전리방사선이 주변의 물 분자를 이온화시켜 간접적으로 이러한 생체분자를 손상시키는 것으로 가정했다. 그러나 분자와 DNA 또는 단백질의 분자 부분 사이의 약한 비공유 결합은 영향을 받지 않는다. 적어도 가정은 그렇다.

과학자들은 모델 분자를 예로 들어 이것이 사실인지 확인했다. 

"자유 핵 염기를 이용한 실험이 어렵기 때문에 우리는 처음에 모델 시스템으로 벤젠 분자 쌍을 조사했다"고 MPI for Nuclear Physics의 Alexander Dorn이 설명했다. 이 고리 모양의 탄화수소는 DNA의 염기와 유사한 방식으로 서로 연결되어 있다. 실험을 위해 연구원들은 일반적으로 이온화 방사선에 의해 생성되는 전자로 벤젠 쌍을 공격했다.

DNA에서 쿨롱 붕괴도 가능

실제로:
이온화 충격으로 인해 벤젠 고리 중 첫 번째 고리가 이온화돼 에너지가 전달되고 두 번째 고리가 이온화되었다. "따라서 벤젠 쌍은 각 분자에 대해 하나의 전하로 이중으로 양전하를 띠고 있다"며 "전형적인 후속 반응은 동일한 운동량으로 반대 방향으로 날아가는 두 양이온의 쿨롱 폭발이다"고 연구팀이 보고했다.

따라서 이 실험은 비공유 결합 분자가 쿨롱 붕괴의 영향을 받을 수 있음을 확인시켜 주며, 따라서 생물학적으로나 의학적으로 중요한 분자 전체에 영향을 미칠 수 있다. "비공유 결합 방향족 시스템은 어디에나 있으며 다양한 유기 물질의 물리 화학적 특성을 형성한다"고 연구진은 말했다.

유전 분자 DNA에도 의미

우리의 DNA는 또한 방사선이 이 폭발적인 붕괴를 유발할 수 있는 분자 중 하나다.
과학자들은 이미 DNA 염기 쌍인 아데닌-티민과 구아닌-시토신이 쿨롱 붕괴에 민감한 이온화 에너지를 가지고 있다고 결정했다. 따라서 이온화 방사선은 이전에 가정한 것보다 그러한 폭발적 붕괴를 통해 DNA에 더 직접적인 손상을 일으킬 수 있다.

이유는 DNA 밧줄 사다리의 한 가닥이 부러져도 세포는 여전히 그것을 잘 고칠 수 있기 때문이다. 그러나 관찰된 쿨롱 붕괴는 이온화 연쇄 반응을 통해 유전 분자의 두 가닥을 모두 파괴할 수도 있다. 이것은 퇴화의 위험을 증가시킨다. 반대로, 새로운 발견은 의학에도 도움이 될 수 있다. 암에 대한 방사선 요법을 더 효과적으로 만드는 데 도움이 될 수 있기 때문이다.
(Nature Chemistry, 21021; doi: 10.1038/s41557-021-00838-4)
출처: Max-Planck-Institut für Kernphysik / 막스 플랑크 핵물리 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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