역동적 트라페조이드 입자를 이용한 가역적 다각형 껍질 자가조립 시뮬레이션

초록

분자동역학을 통해 60개의 트라페조이드 입자로 구성된 T=1 바이러스 캡시드와 유사한 다각형 껍질이 용매 속에서 가역적 결합을 통해 고수율로 자가조립되는 과정을 조사하였다. 중간 클러스터의 구조·수명과 성장 경로를 상세히 분석하고, 기존 삼각형 입자 기반 icosahedral 조립과의 차이점을 밝힌다.

상세 분석

본 연구는 원자 수준의 용매를 포함한 전통적인 분자동역학(MD) 프레임워크를 확장하여, 60개의 트라페조이드 형태 입자가 서로 결합해 T=1 바이러스 캡시드와 동일한 대칭성을 갖는 다각형 껍질을 형성하도록 설계하였다. 입자는 5개의 면을 가진 비대칭 입체로, 각 면에 위치한 결합점은 방향성 및 거리 제한을 갖는 Lennard‑Jones‑유사 포텐셜로 구현되었으며, 결합은 가역적이며 온도와 농도에 민감하게 조절된다. 시뮬레이션은 10⁶ fs 이상의 시간 스케일을 커버하며, 입자 농도와 온도를 단계적으로 변화시켜 최적 조립 조건을 탐색한다. 결과적으로, 특정 온도 구간(ε/k_BT≈0.50.7)에서 전체 입자 중 85 % 이상이 완전한 60‑입자 껍질을 형성했으며, 비정상적인 중간 클러스터는 대부분 재결합을 통해 소멸하였다. 클러스터 성장 단계별 평균 수명 분석은 초기 510개의 입자 결합 시점에 가장 긴 체류 시간을 보이며, 이는 최대 결합 수(각 입자당 4~5개의 결합) 확보가 에너지 장벽을 크게 낮추기 때문이다. 반면, 껍질이 45개 이상으로 성장할 때는 다양한 경로가 병행하며, 결합 순서와 입자 회전 자유도가 증가해 ‘부분적 결합’ 상태가 오래 지속된다. 이러한 현상은 삼각형 입자 기반 icosahedral 조립에서 관찰된 ‘전역적 최대 결합 선호’와는 달리, 트라페조이드 입자는 초기 성장 단계에서만 강한 결합 선호를 보이고, 후반부에서는 다중 경로가 공존한다는 점을 시사한다. 가역적 결합 메커니즘은 잘못된 결합을 빠르게 해체하고, 올바른 구조로 재조립하도록 유도함으로써, 열역학적 최소 에너지 상태인 완전 껍질을 높은 확률로 달성하게 한다. 또한, 용매 분자의 충돌은 입자 회전 및 재배열을 촉진해, 실험적 바이러스 캡시드 조립 과정에서 관찰되는 ‘동적 오류 교정’ 메커니즘을 모델링한다.