백과

'연성 레이저 이탈'(soft laser desorption/SLD) 기법을 개발해 생물학적 거대분자의 질량을 정확하게 측정할 수 있는 길을 열었다.

2002년 미국의 분석화학자 존 B. 펜, 스위스의 고분자생물리학자 쿠르트 뷔트리히와 더불어 노벨 화학상을 공동 수상했다.

평범한 가정에서 태어났으며, 1983년 도호쿠대학[東北大學]에서 공학 전공으로 학사학위를 받고 같은 해에 교토[京都]에 있는 시마즈제작소[島津製作所]에 입사했다. 유서 깊은 정밀기기업체(1875 설립)인 이 회사가 생명공학으로 사업 영역을 넓혀 유전자·단백질 분석기기의 개발에 박차를 가하고 있을 때였다.

그는 이 회사의 기술연구본부 중앙연구소에서 줄곧 분석계측기 연구 업무에 종사했다. 대학생 시절 다나카는 평범한 학생이었고 대학도 한 해 더 다녔다. 졸업 후 소니사 입사를 지원했으나 낙방하기도 했다. 그러나 그는 무엇보다도 낡은 가치관에 얽매이지 않는 정신의 소유자였다. 그가 승진이나 돈에 아랑곳하지 않고 연구에만 전념할 수 있었던 것도 이 때문이었다. 결국 그는 약관 28세(1987) 때의 연구로 2002년 노벨 화학상을 수상하면서 평범한 기업 연구원에서 일약 세계적인 과학자의 반열에 올랐다.

전후 세대 일본인이 노벨상을 수상하기도 이번이 처음이었고, 교수도 박사도 아닌 학사학위뿐인 사람이 노벨 화학상을 수상한 것도 그가 처음이었다.

그에게 노벨 화학상의 영예를 안겨 준 연구는 우연한 실수에서 시작되었다. 그는 레이저를 이용해 단백질의 질량을 측정하려고 애썼다. 그러나 레이저를 단백질에 직접 쏘면 단백질이 산산이 깨진다. 그래서 그는 쿠션용으로 매트릭스를 사용하기로 했다. 원래는 코발트와 글리세롤을 가각 매트릭스로 써 볼까 했는데 어쩌다가 이것들이 뒤섞이고 말았다.

그는 실수를 깨달았으나 시간을 아끼기 위해 섞인 것을 그냥 사용했다. 놀랍게도 단백질은 깨지지 않았고, 그는 마침내 단백질의 질량을 정확하게 측정할 수 있었다. 생명의 신비를 풀어내기 위해서는 유전자의 정보를 발현해 궁극적으로 세포의 생리를 활성화시키는 수많은 단백질의 3차원 구조와 질량을 분석해야 한다. 최근 유기체의 게놈(genome)이 발현하는 단백질 분자들의 집합체인 프로테옴(proteome)에 관한 연구 분야인 '프로테오믹스'(proteomics:'단백체학'이라고도 함)가 붐을 이루고 있는데, 이것은 수많은 단백질들의 질량과 구조 분석을 요구한다.

여기에 사용되는 2가지 화학적 기법이 질량분석법(mass spectrometry/MS)과 핵자기공명(nuclear magnetic resonance/NMR) 기법이다. 그런데 그 중 화학자들이 애용해 온 기존의 MS의 경우, 상대적으로 작은 분자의 질량은 얼마든지 분석할 수 있지만 단백질과 같은 생물학적 거대분자의 질량을 측정하기란 무리였다. 생물학적 거대분자를 질량분석계에 통과시키기 위해서는 이것을 먼저 이온화해야 하지만, 이 과정에서 거대분자가 변성되기 십상이기 때문이었다.

1987년 그는 저에너지 질소 레이저의 레이저파를 이용해 단백질을 표면으로부터 이온화하는 SLD 기법을 개발함으로써 이 문제를 해결했다.

레이저를 쏘아 분자를 이탈시켜 이온화할 수는 있지만, 거대분자가 쪼개지는 것을 막기란 대단히 어려운 일이었다. 그러나 그는 SLD 기법으로 이것을 해냈고, 마침내 키모트립신(25.7 kDa)·시토크롬 c(12.4 kDa)와 같은 순수 단백질의 MS 분석 결과를 내놓을 수 있었다. 그는 생물분자가 흡수되어 있는 매트릭스의 흡광도와 열전달 성질에 레이저의 에너지와 파장을 제대로 맞추는 것이 SLD 작업의 핵심임을 발견했다.

그는 저에너지 질소 레이저를 사용해서 매트릭스 이온들의 가스 구름이 거대분자의 이온들을 데려가도록 할 수 있음을 보여 주었다. 330nm(나노미터 : 1/109m) 질소 레이저파는 단백질에 들어 있는 향기가 나는 아미노산에 흡수되지 않으므로 단백질이 쪼개지는 것을 피할 수 있었다. 매트릭스로는 콜로이드 입자가 들어 있는 글리세롤을 사용했는데, 표면이 높은 실리콘과 같은 매트릭스들이 개발된 것은 아주 최근의 일이다.

그런데 프로테오믹스 연구자들 사이에 가장 널리 사용되고 그들의 입에 가장 많이 오르내리는 SLD 버전은 '매트릭스 지원 레이저 이탈 이온화 비행시간형 질량분석법'(matrix-assisted laser desorption ionization time-of-fleight mass spectrometry/MALDI-TOF MS)이다. 이 기법을 사용하면 순수한 생물학적 거대분자의 분자량을 정확하게 측정할 수 있고 오염에도 잘 대처할 수 있다.

이 때문에 MALDI-TOF 기법은 프로테오믹스의 기초로 여겨지고 있으며, 시마즈제작소를 비롯한 계측기 제조업체들은 생명공학 붐을 타고 관련 업계에 MALDI 장비를 공급하기에 바빴다. 다나카 자신도 TOF 분리점 앞에다 4극자 이온 트랩을 채용한, MALDI 분석기의 하이브리드 버전 개발에 관여했다. 이 점에서 일부 질량분석 전문가들은 MALDI 기법의 창안자인 뮌스터대학교의 프란츠 힐렌캄프 교수가 2002년 노벨 화학상 수상자로 선정되지 못한 데 아쉬움을 표하기도 했으나, MS를 거대분자로까지 확장시킨 혁명의 선구자는 다나카와 '전자 분사 이온화'(electrospray ionisation/ESI) 기법을 개발한 미국의 분자 빔 연구자 존 B. 펜이었다.

1989년 논문 〈고질량분자 이온의 검출을 가능하게 하는 레이저 이온화 비행시간형 질량분석법의 연구 高質量分子イオンの檢出を可能とするレ-ザ-イオン化飛行時間型質量分析法の硏究〉로 일본질량분석학회로부터 장려상을 받았다.