포스텍 송창용 교수팀, 4세대 방사광가속기 AI로 나노입자 입체 구조 영상화

코로나19 등 바이러스 구조 파악에 도움

포항 4세대 방사광 가속기 전경. 포스텍 제공

포항 4세대 방사광가속기가 인공지능을 만나 나노입자의 입체 구조를 영상화하는데 성공했다. 코로나19 등 바이러스 구조를 정확하고 신속하게 파악해 낼 수 있다는 점에서 학계의 관심이 크다.

4세대 방사광 가속기는 태양광보다 100경배 밝은 빛으로 1000조 분의 1초 단위를 잡아내 '찰나의 빛'으로 불린다.

포스텍(포항공대·총장 김무환)물리학과 송창용 교수·통합과정 조도형씨 연구팀은 싱가포르국립대와 KAIST, GIST, IBS와 공동 연구를 통해 엑스선 자유전자 레이저(XFEL·포항 4세대 방사광가속기)와 인공지능의 한 분야인 머신러닝을 이용해 나노입자가 가지는 3차원 구조의 불균일성을 분석해냈다. 연구성과는 국제학술지 'ACS 나노'에 최근 게재 됐다.

나노입자는 자연적인 입자들에서 나타나지 않는 특이한 성질을 갖고 있으며, 3차원 구조의 설계와 내부 구성물질에 따라 입자의 물리·화학적 성질을 조절할 수 있는 특징이 있다.

나노입자와 바이러스의 공통점은 주기적으로 배열된 결정이 아닌 나노미터(nm) 수준의 독립적인 입자의 형태로 존재하고, 구조가 완벽히 같지 않다는 것이다. 하나의 나노입자를 정확하게 이해하려면 개별 입자의 구조는 물론 수천~수십만 개의 입자가 가진 구조의 분포를 통계적으로 분석할 수 있어야 한다.

공동연구팀은 4세대 가속기와 머신러닝을 활용해 수천 개의 나노입자가 가지는 3차원 구조의 통계적 분포를 나노미터 수준에서 관측했다. 그 결과 300나노미터 크기의 나노입자의 3차원 구조를 20 나노미터의 해상도로 구현했다.

특히 다중모형을 새롭게 도입하면서 3차원 구조를 복원했다는 점에서 성과가 크다.

연구팀은 나노입자를 크게 4가지 모양으로 분류해냈고, 그 가운데 약 40% 입자들이 유사한 구조로 돼 있음을 확인했다. 아울러 나노입자가 가지는 특징적인 24면체 구조와 내부에서 나타나는 밀도 분포로부터 내부의 탄성 변형의 양상도 확인했다.

송창용 교수는 "이번 연구를 바탕으로 비결정 바이러스 개체의 3차원 구조도 관측할 수 있게 됐다"며 "여기에 머신러닝이 더해지면서 살아 있는 생체의 거대분자나 바이러스의 구조에 대한 연구도 적용가능할 것으로 보인다"고 했다.