Kim, Yung-Sam

Kim, Yung-Sam

Kim, Yung-Sam 김영삼
Assistant Professor
RESEARCH AREA
Physical Chemistry
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Research Summary
Understanding the structural evolution of complex biological molecules such as proteins, because of their direct relevance to the lives of living creatures, has been a tremendously important issue to chemists, biologists, and physicists. The spatial and temporal scales involved in the processes vary in the range of a few to tens of thousands of atoms and sub-picoseconds to milliseconds.Hence, to completely understand the processes, we inevitably need molecular-scale descriptions of the processes in both structural and dynamical aspects. X-ray diffraction and NMR spectroscopyhave performed astonishing works in determining structures of proteins. The knowledge of the three-dimensional structures of involved biomolecules, obtained from the two experimental methods, has played crucial roles in understanding biological processes. Especially, 2D NMR revolutionized structural biology by spreading complex spectra into multi-dimension. Regarding dynamic features of biological processes, however, the time resolution of both X-ray diffraction and NMR spectroscopy was not enough to provide us with information on the fast dynamics, such as rapid structural fluctuations, isomerization, energy transfer, and chemical exchange. Two-dimensional infrared spectroscopy (2D IR), which is an analog of 2D NMR but many orders different in the time scale of probing dynamics, is expected to enable us to investigate the phenomena with picoseconds time resolution.

Research Topics

- Quantitative investigation of solute−solvent interaction mainly mediated by by H-bond dynamics to understand the properties of biological molecules.
- Study of fast dynamics in protein active sites
- Developing advanced 2D IR techniques that are applicable to studying the structure and dynamics of molecular systems of various types (e.g. materials-based molecular complexes).



단백질과 같은 복잡한 생체 분자들에서 일어나는구조 변화는 이 분자들이 생명 현상과 직접적인 관계를 가짐으로 인하여 화학자, 생물학자, 물리학자들에게는 오랜 기간 동안 아주 중요한 연구 대상이었다. 그 구조 변화는 공간적으로는 몇 개의 원자에서 몇 천개의 원자가 관련되어 있고 시간적으로는 천분의 몇 초에서부터 일조분의 일초 (1 피코초) 보다도 짧은 시간에 일어난다. 그러므로 우리가 생명 현상을 올바로 이해하기 위해서는 분자 수준에서 이러한 현상들을 기술하는 것이 반드시 필요하다. X선 회절 방법과 핵자기공명 분석법(NMR)은단백질의 구조를 분석하는데 결정적인 역할을 함으로써 우리가 생물학적인 현상을 이해하는데 매우 큰 도움을 주었다. 그러나 그 생물학적인 현상들의 시간적인 측면을 고려할 때, 위의 두 방법은 빠른 구조적인 요동, 이성질체화, 에너지 전이, 화학적 교환 현상 등과 같은 아주 짧은 시간 동안에 일어나는 동역학에 대해서는 전혀 정보를 주지 못 하였다. 이차원적외선분광학 (two-dimensional infrared spectroscopy, 2D IR)은 이차원 핵자기공명 분석법(2D-NMR)과 원리적인 측면에서 매우 비슷하지만, 그 시간적인 분해능은 약 10억 배 이상이므로 피코초 수준의 시간에서 일어나는 생체 분자의 구조적인 변화에 대한 정보를 충분히 줄 수 있다. 그러므로 생명 현상을 분자 혹은 원자 수준에서 이해하기 위해서는 이차원 적외선 분광법이라는 방법적인 접근이 꼭 필요하다.

본 이차원 적외선 분광학 연구실의구체적인 연구 주제

- 생체 분자들의 동역학과 구조 변화 및 이와 연관된 성질들을 이해하기 위하여, 주로 수소결합을 매개로 하여 일어나는 용질과 용매 사이의 상호 작용에 대한 정성적인 연구
- 단백질의 활성 자리에서 일어나는 빠른 동역학 이해
- 복잡하고 다양한 형태의 분자 시스템(예를 들어,재료에 기반한 분자 집합체)에 대하여도, 거기에서 일어나는 동역학 및 이에 수반된 구조 변화를 알 수 있는, 보다 발전된 이차원 적외선 분광법 개발

Representative Publications
S. M. Kashid, G. Y. Jin, S. Bagchi*, and Y. S. Kim*
“CosolventEffects on Solute-Solvent Hydrogen-Bond Dynamics: Ultrafast 2D IR Investigations”
Journal of Physical Chemistry B, 117, ASAP (2015)

Y. S. Kim, L. Liu, P.H. Axelsen*, and R. M. Hochstrasser*,
“2D IR provides evidence for mobile water molecules in β-amyloid fibrils”
Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America, 106,17751−17756 (2009).

Y.S. Kim and R. M. Hochstrasser*
“Applications of 2D IR Spectroscopy to Peptides, Proteins, and Hydrogen-Bond Dynamics,”
Journal of Physical Chemistry B, 113, 8231−8251 (2009).

Y. S.Kim, L. Liu, P. H. Axelsen*, and R. M. Hochstrasser*,
“Two-Dimensional Infrared Spectra of Isotopically Diluted Amyloid Fibrils from Aβ40”
Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America, 105, 7720−7725 (2008).

Y. S. Kim and R. M.Hochstrasser*,
““Chemical Exchange 2D IR of Hydrogen-Bond Making and Breaking,”
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,102, 11185−11190 (2005).