물이 어떤 표면을 둘러싸는 것 (hydration)은 자연계에서 흔히 일어나는 현상이다. 예를 들면, 생체내 단백질도 물로 둘러싸여 있다. 그런데, 이 수화물을 정확하게 이해하는 것은 아직까지도 어려우며, 특히 실험적인 방법은 매우 제한적이다. 서울대 물리천문학부의 제원호/신동하 교수(현재 배제대)와 서호영 학생 연구팀은 혼합 자가 조립 단분자막 (mixed self-assembled monolayer)을 통해 소수성/친수성을 제어하고, 특히 단분자막의 상대적인 높이를 원자단위로 조절하여 그것을 둘러싼 수화물의 특성을 분석하는 실험적인 모델을 고안하였다. 이 시스템을 표면 증강 라만 분광법을 이용하여 정량/정성적으로 수화물의 특성을 분석하였다. 흥미롭게도, 원자 스케일에서 단층화된 표면에서는, 소수성 (hydrophobic) 특성을 갖는 분자를 통해서도 그것의 섞임 정도에 따라, 수화물의 특성이 친수성에서 소수성으로 변화한다는 사실을 밝혀냈다. 이러한 결과는 물이 단순한 분자개별로 이루어진 것이 아니라, 수소결합을 통해 이루어진 복잡한 네트워크 구조로 되어있다는 것에 기인한다. 또한, 이 결과는 생체내에서 단백질을 이루는 전체 20가지의 아미노산 중에서 특히 아스파트산과 글루탐산처럼 화학적 기능기는 동일하지만, 메칠 그룹 하나의 차이만을 갖는 종류가 왜 존재하는지에 대해 그것이 단백질을 둘러싼 수화물의 특성변화와 연관될 수 있다는 실험적인 증거를 제시했다는 점에서 의의가 있다.

공저자: 신동하, 서호영, 제원호(서울대)

Hydration is ubiquitous in any kind of water–substance interaction such as in various interfacial and biological processes. Despite substantial progress made to date, however, still less explored is the hydration behavior on complex heterogeneous surfaces, such as the water surrounding the protein, which requires a platform that enables systematic investigation at the atomic scale. Here, we realized a heterogeneous self-assembled monolayer system that allows both controllable mixing with hydrophobic or hydrophilic groups and precise distance control of the functional carboxyl groups from the surface by methylene spacer groups. Using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), we first demonstrated the hydrophobic (or hydrophilic) mixing ratio-dependent pK_a variation of the carboxyl group. Interestingly, we observed a counterintuitive, non-monotonic behavior that a fractionally mixed hydrophobic group can induce significant enhancement of dielectric strength of the interfacial water. In particular, such a fractional mixing substantially decreases the amide coupling efficiency at the surface, as manifested by the corresponding pK_a decrease. The SERS-based platform we demonstrated can be widely applied for atomically precise control and molecular-level characterization of hydration water on various heterogeneous surfaces of biological and industrial importance.

Authors: Dongha Shin, Hoyoung Seo & Wonho Jhe (Seoul National University)

 (ACS Central Science 논문)

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.0c01009