양자 터널링이라고 하면 거대한 실험실이나 양자컴퓨터부터 떠올리기 쉽습니다. 그런데 놀랍게도 우리 몸을 비롯한 생명체 내부에서도 양자역학적 현상이 화학반응에 영향을 줄 수 있습니다.
대표적인 연구 대상이 바로 효소입니다.
효소는 생명체 안에서 화학반응의 속도를 높여주는 단백질입니다. 그런데 일부 효소의 반응을 고전적인 화학 이론만으로 설명하려고 하면 예상과 다른 현상이 나타납니다.
그 원인 가운데 하나로 연구되는 것이 양자 터널링입니다.
양자 터널링이란 무엇일까?
공 하나가 언덕 반대편으로 가려면 보통 언덕 꼭대기까지 올라갈 에너지가 필요합니다.
그런데 양자역학의 세계에서는 입자가 충분한 에너지를 갖지 못했는데도 마치 언덕에 터널을 뚫은 것처럼 반대편에서 나타날 확률이 존재합니다.
이것이 양자 터널링입니다.
특히 수소처럼 질량이 매우 작은 입자에서는 이러한 현상이 중요해질 수 있습니다.
효소는 어떻게 양자 터널링과 관련될까?
일부 효소 반응에서는 수소 원자, 양성자 또는 수소화물이 한 위치에서 다른 위치로 이동해야 합니다.
연구자들은 이런 수소 전달 반응 가운데 일부에서 입자가 에너지 장벽을 단순히 넘어가는 것만이 아니라 양자 터널링을 통해 반응에 기여한다는 증거를 발견했습니다.
대표적으로 콩의 리폭시게네이스와 여러 산화환원효소 등이 연구되어 왔습니다.
과학자들은 터널링을 어떻게 알아냈을까?
수소를 더 무거운 동위원소인 중수소로 교체해 반응속도가 얼마나 달라지는지를 측정하는 방법이 많이 사용됩니다.
이를 ‘동위원소 효과’라고 합니다.
입자의 질량이 무거워지면 터널링 확률도 달라지기 때문에 수소와 중수소의 반응속도 차이를 조사하면 양자효과가 관여했는지를 추적할 수 있습니다.
다만 동위원소 효과 하나만으로 모든 경우의 터널링을 직접 증명할 수 있는 것은 아니어서 온도 변화 실험과 계산화학 연구도 함께 사용됩니다.
그렇다면 효소가 터널링을 일부러 이용하는 걸까?
여기서는 표현을 조심해야 합니다.
현재 연구로는 일부 효소 촉매의 수소 전달 반응에서 양자 터널링이 중요한 역할을 한다는 것은 상당한 근거가 있습니다. 하지만 효소가 진화 과정에서 ‘양자 터널링을 적극적으로 활용하도록 설계됐다’고 단정할 정도로 결론이 난 것은 아닙니다. 이 부분은 여전히 연구와 논쟁이 이어지고 있습니다.
따라서 “효소가 양자 터널링을 이용한다”기보다 정확하게는 이렇게 말하는 편이 좋습니다.
일부 효소 반응에서는 수소 전달 과정에 양자 터널링이 상당한 기여를 한다.
눈에 보이지 않을 정도로 작은 양자역학의 법칙이 생명체의 화학반응에도 영향을 미친다는 점 때문에 효소의 양자 터널링은 양자생물학에서 가장 흥미로운 연구 분야 가운데 하나입니다.