과학 포털 iKAOS

4 Contents

[명강리뷰] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강

화학은 흔히 무언가를 만드는 분자 공학으로 알려져 있지만, 본질적으로는 원자들이 모여 새로운 성질을 나타내는 공간을 탐구하는 학문입니다. 현재 화학 초록 서비스에 등록된 화학물질은 약 1억 4,300만 개에 달할 정도로 방대합니다. 이처럼 수많은 물질이 이미 존재함에도 불구하고 화학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계하고 만드는 이유는, 분자가 단순히 평면적인 존재가 아니라 입체적인 구조를 가진 공간의 산물이기 때문입니다. 따라서 화학은 만드는 학문을 넘어 공간을 이해하는 학문이라 할 수 있습니다. 입체화학의 핵심은 분자가 평평하지 않다는 사실에서 출발합니다. 탄소 주변에 네 개의 서로 다른 원소가 결합하면 거울에 비친 모습과 실제 모습이 서로 겹쳐지지 않는 비대칭성이 나타나는데, 이를 '키랄성'이라고 부릅니다. 마치 왼손과 오른손이 거울상이지만 서로 포개어질 수 없는 것과 같은 원리입니다. 이러한 미세한 구조적 차이는 물질의 성질을 완전히 바꾸어 놓으며, 생명 현상의 근간을 이루는 중요한 요소로 작용합니다. 화학자들은 이 보이지 않는 공간의 대칭성을 연구하며 물질의 본질에 다가갑니다. 키랄성의 차이는 실생활에서 맛이나 향, 심지어 약효의 차이로 극명하게 나타납니다. 인공감미료인 아스파탐의 한쪽 거울상 이성질체는 단맛을 내지만, 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내는 것이 대표적인 예입니다. 또한 겨드랑이 미생물이 만들어내는 특정 분자는 구조에 따라 양파 냄새나 자몽 냄새로 다르게 인식되기도 합니다. 약물의 경우 한쪽은 치유 효과가 있지만 다른 쪽은 독성을 가질 수도 있어, 원하는 거울상 이성질체만을 선택적으로 합성하는 기술은 현대 화학에서 매우 중요한 과제입니다. 최근 화학계는 일반적인 화학 결합을 넘어 분자들이 기계적으로 엮인 '분자 기계' 연구에 주목하고 있습니다. 두 개의 고리가 사슬처럼 연결된 카테네인과 같은 구조는 단순히 원자를 붙이는 것이 아니라, 금속 이온을 템플릿으로 활용해 분자를 특정 위치에 고정시킨 뒤 연결하는 정교한 설계가 필요합니다. 이러한 기계적 결합의 합성은 화학자의 설계 능력과 합성 기술이 결합된 정점으로, 분자 수준에서 움직임을 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열어주며 노벨 화학상의 영예를 안겨주기도 했습니다. 유기합성의 거장 R.B. 우드워드는 복잡한 비타민 B12를 합성하며 화학 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술'의 경지로 끌어올렸습니다. 100명이 넘는 연구자가 13년 동안 매달려 이룬 이 성과는 단순히 물질을 얻기 위함이 아니라, 그 과정에서 새로운 화학 법칙을 발견하고 학문의 지평을 넓히는 데 의의가 있었습니다. 화학 합성은 당면한 문제를 해결하는 도구이자 창의적인 사고를 훈련하는 길입니다. 원자와 원자를 잇는 정교한 작업을 통해 우리는 물질의 세계를 이해하고 새로운 가치를 창조해 나갑니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 비대칭 유기촉매반응, 촉매연구의 신대륙을 발견하다! by 송충의 ㅣ고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 4강

2021년 노벨 화학상은 유기 합성 화학 분야의 두 거장, 벤야민 리스트와 데이비드 맥밀런에게 돌아갔습니다. 유기 합성 화학은 마치 레고 블록을 조립하듯 원자들을 연결하여 세상에 없던 새로운 분자를 만들어내는 학문입니다. 이들은 탄소, 수소, 산소, 질소와 같은 흔한 원소들만으로 구성된 '유기 촉매'를 이용해 복잡한 분자를 정교하게 합성할 수 있는 길을 열었습니다. 이는 기존의 금속 촉매나 효소에 의존하던 화학계에 커다란 혁신을 불러일으켰으며, 인류가 필요한 화합물을 더욱 효율적이고 친환경적으로 생산할 수 있는 토대를 마련했습니다. 화학에서 가장 중요한 개념 중 하나는 '키랄성'입니다. 이는 오른손과 왼손이 서로 거울에 비친 모습과 같지만 결코 완전히 겹쳐질 수 없는 성질을 의미합니다. 분자 세계에서도 구성 원소와 결합 순서는 같지만 공간적 배향이 다른 '거울상 이성질체'가 존재합니다. 우리 몸을 구성하는 아미노산이나 당분은 단 한 종류의 키랄성만을 가지고 있기 때문에, 몸속에 들어오는 분자의 방향성에 따라 전혀 다른 생물학적 반응을 보입니다. 따라서 의약품을 만들 때 우리가 원하는 특정 방향의 분자만을 선택적으로 합성하는 기술은 생명과 직결된 매우 중요한 과제입니다. 과거 화학계에는 촉매가 반드시 금속을 포함하거나 복잡한 효소 형태여야 한다는 일종의 고정관념이 존재했습니다. 1912년 금속 촉매 연구로 노벨상이 수여된 이후, 수많은 과학자는 더 좋은 금속 촉매를 개발하는 데 매진해 왔습니다. 하지만 2000년 벤야민 리스트와 맥밀런은 아주 단순한 아미노산인 프롤린이나 작은 유기 분자만으로도 금속 없이 비대칭 촉매 반응이 가능하다는 것을 증명했습니다. 이는 마치 콜럼버스가 신대륙을 발견한 것과 같이, 이미 존재하고 있었으나 누구도 주목하지 않았던 유기 촉매라는 거대한 영역을 과학의 중심으로 끌어올린 사건이었습니다. 유기 촉매는 기존의 금속 촉매나 효소가 가진 단점들을 보완할 수 있는 훌륭한 대안입니다. 효소는 반응성이 뛰어나지만 특정 기질에만 작용하고 다루기 까다로운 반면, 유기 촉매는 구조가 단순하면서도 다양한 반응에 적용할 수 있습니다. 또한 고가의 희귀 금속을 사용하지 않아 경제적이며, 금속 오염의 걱정이 없어 의약품이나 전자 재료 생산에 매우 유리합니다. 초기에는 유기 촉매의 반응성이 낮고 많은 양을 사용해야 한다는 한계가 지적되기도 했으나, 최근 연구를 통해 아주 적은 양으로도 수백만 배의 생성물을 얻을 수 있는 기술적 진보가 이루어졌습니다. 비대칭 유기 촉매 기술의 진가는 제약 산업에서 극명하게 드러납니다. 과거 '탈리도마이드' 사건은 거울상 이성질체 중 하나는 약이지만 다른 하나는 치명적인 독이 될 수 있음을 보여준 비극적인 사례였습니다. 오늘날에는 모든 의약품 허가 시 특정 이성질체만을 순수하게 분리하거나 합성해야 합니다. 여성 항암제인 탁솔이나 고지혈증 치료제 리피토와 같은 블록버스터급 의약품들은 모두 이러한 비대칭 합성 기술을 통해 생산됩니다. 유기 촉매는 이처럼 복잡한 구조의 약물을 저렴하고 안전하게 대량 생산할 수 있게 함으로써 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 최근 전 세계를 위협한 코로나19의 치료제 개발 과정에서도 비대칭 합성 기술은 핵심적인 역할을 수행했습니다. 먹는 코로나 치료제로 알려진 팍스로비드와 같은 약물은 수십 개의 거울상 이성질체가 존재할 수 있는 복잡한 구조를 가집니다. 만약 이들이 뒤섞인 채로 체내에 들어간다면 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있습니다. 합성 화학자들은 비대칭 촉매를 활용해 수많은 가능성 중 치료 효과가 있는 단 하나의 분자만을 정교하게 골라내어 합성합니다. 이는 단순한 화학 실험을 넘어, 질병과의 싸움에서 인류가 승리할 수 있게 돕는 강력한 무기가 됩니다. 유기 촉매의 발견은 화학 연구의 지평을 넓혔을 뿐만 아니라 젊은 과학자들에게 새로운 영감을 주었습니다. 벤야민 리스트와 맥밀런이 서른 초반의 젊은 나이에 혁신적인 논문을 발표하고 이를 전폭적으로 지원받아 연구를 이어간 사례는 과학계의 중요한 귀감이 됩니다. 이제 화학자들은 금속과 효소라는 기존의 경로 외에 '유기 촉매'라는 제3의 고속도로를 갖게 되었습니다. 앞으로 빛을 이용한 광촉매 반응 등 더욱 진보된 기술들이 결합한다면, 인류는 자연이 분자를 만드는 방식을 더욱 완벽하게 모방하고 통제하며 지속 가능한 미래를 설계해 나갈 수 있을 것입니다.

송충의

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

화학

[강연] 2021 '노벨상 해설강연' by 오석배, 국종성, 여준현, 송충의 l 고등과학원&카오스재단

기초과학은 인류 문명의 근간을 이루는 지식의 보고입니다. 2021년 노벨상은 생리의학, 물리학, 화학 분야에서 인류의 이해를 한 단계 도약시킨 혁신적인 성과들에 수여되었습니다. 이번 성과들은 우리가 세상을 느끼는 방식부터 복잡한 기후 시스템의 변화, 그리고 분자를 합성하는 새로운 방법론에 이르기까지 폭넓은 영역을 아우릅니다. 이러한 연구들은 단순한 학문적 성취를 넘어 인류가 직면한 위기를 극복하고 더 나은 미래를 설계하는 데 필수적인 토대를 제공합니다. 생리의학상 분야에서는 우리가 온도와 촉각을 어떻게 인지하는지에 대한 비밀이 밝혀졌습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신을 활용해 열을 감지하는 수용체인 TRPV1을 발견했습니다. 이는 특정 온도가 넘어설 때 이온 통로가 열리며 전기 신호를 발생시키는 원리를 규명한 것입니다. 또한 박하의 시원함을 느끼게 하는 TRPM8 수용체의 발견은 우리가 차가움을 인지하는 메커니즘을 이해하는 결정적인 계기가 되었습니다. 아뎀 파타푸티언 교수는 기계적 자극을 전기 신호로 변환하는 피에조 수용체를 발견하여 촉각의 신비를 풀었습니다. 이 수용체는 피부의 촉감뿐만 아니라 혈압 조절, 호흡, 방광의 팽창 감지 등 우리 몸의 다양한 생리 현상에 관여합니다. 특히 몸의 위치와 움직임을 파악하는 고유 수용성 감각에도 핵심적인 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 발견은 통증 치료와 감각 이상 질환을 해결하기 위한 새로운 의학적 가능성을 제시하고 있습니다. 물리학상 중 복잡계 분야를 수상한 조르조 파리시 교수는 무질서한 시스템 속에서 숨겨진 패턴을 찾아내는 혁신적인 이론을 정립했습니다. 그는 스핀 유리라는 복잡한 자성체 모델을 통해 '복제 대칭성 깨짐'이라는 수학적 해법을 제시했습니다. 이는 단순히 물리적 현상을 넘어 신경망 이론, 단백질 접힘, 최적화 문제 등 다양한 학문 분야에 응용될 수 있는 보편적인 틀을 마련했습니다. 무질서해 보이는 자연 현상 이면의 질서를 이해하려는 그의 노력은 현대 과학의 지평을 넓혔습니다. 기후 변화 분야의 수상자인 슈쿠로 마나베와 클라우스 하셀만 교수는 지구 온난화를 물리적으로 모델링하여 예측의 신뢰성을 높였습니다. 마나베 교수는 대기와 해양의 상호작용을 고려한 3차원 모델을 최초로 개발하여 이산화탄소 증가가 지표 온도를 높인다는 사실을 입증했습니다. 하셀만 교수는 무작위적인 날씨 변화 속에서도 장기적인 기후 변동을 정량화하는 방법을 고안하여 인간 활동이 기후에 미치는 영향을 과학적으로 증명했습니다. 이는 현재 우리가 직면한 기후 위기에 대응하는 가장 강력한 근거가 됩니다. 화학상 분야에서는 금속이나 효소 없이도 효율적으로 분자를 합성할 수 있는 비대칭 유기 촉매 반응이 주목받았습니다. 벤자민 리스트와 데이비드 맥밀런 교수는 탄소, 수소, 질소 등 단순한 원소로 구성된 유기 분자가 정교한 촉매 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 특히 거울상 이성질체 중 원하는 한쪽만을 선택적으로 합성하는 기술은 의약품 제조 공정을 획기적으로 개선했습니다. 이는 환경 친화적이면서도 경제적인 화학 합성의 새로운 시대를 열었다는 평가를 받습니다. 2021년 노벨상 수상작들은 공통적으로 보이지 않는 세계의 원리를 규명하여 인류의 삶에 실질적인 변화를 가져왔습니다. 감각 수용체의 발견은 고통 없는 삶을 향한 희망을 주었고, 복잡계와 기후 모델링은 지구의 미래를 예측하는 지혜를 선사했습니다. 또한 유기 촉매 기술은 더 안전하고 효율적인 약물 개발을 가능하게 했습니다. 과학은 이처럼 끊임없는 질문과 탐구를 통해 인류의 한계를 극복하며, 우리가 사는 세상을 더욱 깊이 이해하게 만드는 가장 강력한 도구입니다.

국종성, 송충의, 여준현, 오석배

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학
지구환경과학

[강연] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강 | 7강 ①

화학은 단순히 반응식의 양쪽 숫자를 맞추는 학문이 아닙니다. 원자들이 모여 새로운 성질을 갖는 분자를 만들어내는 '분자 공학'의 영역에 가깝습니다. 여기서 공학이란 단순히 무언가를 만드는 기술을 넘어, 공간(空間)에 대한 깊은 탐구와 이해를 바탕으로 합니다. 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 어떤 위치에 놓이고 어떻게 연결되는지를 설계하는 과정은 마치 정교한 건축물을 짓는 것과 같습니다. 이러한 관점에서 화학은 물질의 정체성을 규정하는 공간의 학문이라 할 수 있습니다. 복잡해 보이는 분자 구조 속에는 의외로 단순한 규칙과 패턴이 숨어 있습니다. 네덜란드의 예술가 에셔의 작품이나 알함브라 궁전의 테셀레이션처럼, 기본 단위의 반복과 대칭을 통해 무한한 공간을 채워나가는 원리가 화학 세계에도 적용됩니다. 1억 개가 넘는 방대한 화학 물질 데이터베이스 속에서도 과학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계할 수 있는 이유는 이러한 대칭의 미학을 이해하고 활용하기 때문입니다. 복잡함은 결국 패턴을 읽어내는 눈을 통해 질서 정연한 아름다움으로 변모합니다. 분자의 세계를 이해하기 위해서는 2차원 평면을 넘어 3차원 공간의 대칭성을 파악해야 합니다. 점, 선, 면을 기준으로 물체를 회전시키거나 반사했을 때 전후가 구별되지 않는 상태를 대칭적이라고 합니다. 눈 결정의 육각형 구조에서 볼 수 있듯이, 자연은 고도의 규칙성을 통해 안정과 미학을 동시에 달성합니다. 화학자들은 이러한 대칭 요소를 수학적으로 분석하여 분자가 공간에서 어떻게 살아 움직이는지, 그리고 어떤 방향성을 가지고 상호작용하는지를 정밀하게 예측하고 설계합니다. 거울에 비친 모습과 실제 모습이 겹쳐지지 않는 '카이랄성'은 화학에서 매우 중요한 개념입니다. 왼손과 오른손처럼 구조는 같아 보이지만 공간적 배열이 다른 이 분자들은 우리 몸속에서 전혀 다르게 작용합니다. 어떤 분자는 달콤한 맛을 내지만 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내기도 하며, 때로는 치명적인 부작용을 일으키는 약물이 되기도 합니다. 우리 몸을 구성하는 DNA와 아미노산이 특정한 방향성을 갖기 때문에 발생하는 이러한 현상은 생명의 신비와 화학적 정교함이 만나는 지점입니다. 최근 화학계는 원자와 원자가 전자를 공유하는 전통적인 결합을 넘어, 고리와 고리가 기계적으로 얽힌 '기계적 결합'에 주목하고 있습니다. 분자 매듭이나 카테네인처럼 서로 빠져나올 수 없게 연결된 구조는 외부 신호에 따라 움직이는 분자 기계의 기초가 됩니다. 이는 화학 결합의 개념을 확장한 사고의 전환이며, 전자의 움직임을 제어하여 분자 수준에서 회전이나 직선 운동을 구현하는 혁신적인 시도입니다. 이러한 기계적 결합은 분자가 단순한 물질을 넘어 기능을 수행하는 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 복잡한 분자를 합성하는 과정은 목적지를 향해 거꾸로 길을 찾아가는 '역합성 분석'에서 시작됩니다. 최종 생성물을 만들기 위해 어떤 중간 단계가 필요한지, 가장 효율적이고 창의적인 경로는 무엇인지를 고민하는 과정은 고도의 논리적 사고를 요구합니다. 최근에는 인공지능이 방대한 데이터를 바탕으로 합성 경로를 제안하기도 하지만, 예상치 못한 실패 속에서 새로운 반응을 발견하고 원리를 깨닫는 것은 여전히 인간 화학자의 몫입니다. 합성은 단순한 제조가 아니라 문제를 해결하는 철학적 훈련이기도 합니다. 합성 화학의 거장 우드워드는 분자 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술(Art)'의 경지로 끌어올렸습니다. 자연계에 존재하는 복잡한 비타민이나 엽록소를 실험실에서 재현하려는 노력은 물질이 부족해서가 아니라, 자연의 원리를 깊이 이해하고 인간의 창의성을 시험하기 위한 여정이었습니다. 화학자들은 보이지 않는 분자 세계의 건축가이자 예술가로서, 널리 인간을 이롭게 하고 생명의 신비를 밝히는 아름다운 구조물을 만들어갑니다. 결국 화학은 공간을 이해하고 생명을 따라 그리며 지식을 공유하는 학문입니다.

이동환, 이윤호

카오스재단카오스강연

화학