과학 포털 iKAOS

33 Contents

유기화합물에도 MBTI가 있다고?

처음 만나는 사람과 MBTI를 공유하며 서로의 성향을 파악하듯, 유기 화합물의 세계에도 이와 유사한 개념이 존재합니다. 바로 유기 화합물의 화학적 성격을 결정짓는 '작용기'입니다. 작용기는 화합물 내에서 특정한 화학 반응을 일으키는 원자 그룹이나 치환기를 의미하며, 분자의 크기나 전체적인 골격 구조와 관계없이 해당 물질에 고유한 성질을 부여합니다. 같은 작용기를 가진 화합물들은 서로 유사한 화학적 반응을 보이기에, 작용기는 유기 화학에서 분자를 분류하고 이해하는 가장 핵심적인 기준이 됩니다. 작용기는 화합물의 반응성뿐만 아니라 용해도나 극성, 녹는점과 끓는점 같은 물리적 특성에도 결정적인 영향을 미칩니다. 예를 들어 하이드록시기를 포함하는 화합물은 분자 간 수소 결합을 형성할 수 있어 상대적으로 높은 끓는점을 나타냅니다. 또한 작용기 간의 상호작용을 통해 새로운 물질이 탄생하기도 합니다. 카복실기를 가진 화합물이 하이드록시기와 반응하여 향기로운 에스터 분자를 합성하는 과정이 대표적입니다. 이처럼 작용기의 특성을 파악하는 것은 유기 화학의 복잡한 메커니즘을 이해하는 첫걸음입니다. 우리 주변의 일상적인 물질들 속에서도 다양한 작용기를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 손 세정제나 주류에 포함된 에탄올은 하이드록시기를 가진 알코올류의 대표적인 예시입니다. 생선의 비린내를 유발하는 트라이메틸아민은 아미노기를 포함하고 있으며, 시나몬의 독특한 향을 내는 신남알데하이드는 카보닐기를 가진 알데하이드 물질로 분류됩니다. 또한 식초의 신맛을 내는 아세트산은 카복실기를 작용기로 가지며, 우리가 즐겨 먹는 과일들의 달콤한 향기는 에스터기를 가진 유기 화합물에서 비롯되는 현상입니다. 하나의 유기 화합물이 반드시 하나의 작용기만 가지는 것은 아닙니다. 운동 후 근육통을 유발하는 젖산은 카복실기와 하이드록시기를 동시에 가지고 있으며, 생명의 기본 단위인 단백질을 구성하는 아미노산 역시 아미노기와 카복실기를 모두 포함합니다. 이러한 복합적인 구조는 우리 몸이라는 거대한 화학 공장에서 정교한 대사 반응이 일어나도록 돕습니다. 예를 들어 간에서 에탄올이 아세트알데하이드를 거쳐 아세트산으로 변하는 과정은 작용기의 변화를 통해 독성을 조절하고 에너지를 처리하는 생체 반응의 단면을 보여줍니다. 화학자들은 이러한 작용기의 고유한 성질을 이용해 원하는 화학 반응을 유도하거나 반응 경로를 정교하게 예측합니다. 전자가 부족한 카보닐기와 전자가 풍부한 아미노기의 반응을 예측하여 신약을 합성하거나, 합성 섬유와 세제 같은 생활용품을 만들어내는 것이 모두 작용기 원리를 응용한 결과입니다. 결국 작용기를 이해하는 것은 단순히 화학 지식을 습득하는 것을 넘어, 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첨단 산업과 신약 개발의 기초를 다지는 일입니다. 작용기는 유기 화학의 세계를 탐험하는 가장 강력한 나침반이라 할 수 있습니다.

과학플랫폼 SOAKKAOS + AI = SOAK

화학

우리가 맛을 느끼는 데 오감은 얼마나 중요할까? 눈코👀👃를 막고 사과와 무, 구분 가능?? l 심심할 땐 과학

우리가 음식을 맛볼 때 혀의 감각에만 의존한다고 생각하기 쉽지만, 사실 맛의 비밀은 뇌에 있습니다. 시각, 후각, 미각 등 오감이 조화를 이룰 때 비로소 우리는 '맛있다'는 감정을 느낍니다. 특히 시각은 우리가 받아들이는 정보의 80% 이상을 차지할 정도로 강력하여, 눈으로 보는 즐거움이 맛의 기대를 결정하기도 합니다. 실험을 통해 코를 막고 눈을 가리면 사과와 무조차 구분하기 힘들다는 사실은, 후각과 시각이 미각을 완성하는 데 얼마나 결정적인 역할을 하는지 잘 보여줍니다. 감각 기관들이 뇌와 긴밀하게 연결되어 있기에 우리는 결국 뇌로 음식을 먹는 셈입니다. 인류의 진화 과정에서 요리는 뇌의 성장을 폭발시킨 핵심적인 계기였습니다. 약 78만 년 전부터 음식을 익혀 먹기 시작하면서 영양 흡수 효율이 높아졌고, 이는 곧 지능의 발달로 이어졌습니다. 이 과정에서 생존에 유리한 영양소를 찾기 위해 미각도 정교해졌는데, 그중 '제5의 맛(감칠맛)'은 단백질 섭취를 알리는 중요한 신호로 자리 잡았습니다. 아미노산의 일종인 글루탐산에서 비롯되는 이 맛은 우리 몸이 에너지를 얻고 세포를 구성하는 데 필요한 성분을 본능적으로 찾게 만듭니다. 요리의 시작은 인간을 인간답게 만든 진화의 출발점이었습니다. 흔히 인공 조미료로 알려진 글루탐산나트륨(MSG)에 대해 부정적인 인식이 많지만, 과학적 관점에서 보면 이는 자연 재료에서 추출한 성분과 화학적으로 동일한 구조를 가집니다. 다시마나 토마토에 풍부한 글루탐산 성분을 효율적으로 농축한 것이 바로 글루탐산나트륨(MSG)이며, 이는 많은 가축의 희생을 줄이면서도 대중에게 풍부한 맛을 선사하는 경제적인 발명품입니다. 우리가 먹는 과일이나 채소 역시 수많은 화합물로 이루어져 있다는 점을 고려할 때, 특정 성분에 대한 막연한 혐오보다는 성분의 본질과 적절한 섭취량에 집중하는 태도가 필요합니다. 화학은 결코 자연과 대척점에 있는 것이 아니라 자연의 맛을 더 효율적으로 전달하는 도구입니다. 요리의 즐거움은 서로 다른 재료가 만나 맛을 증폭시키는 '상승 효과'에서 극대화됩니다. 글루탐산이 풍부한 채소와 핵산 성분이 많은 육류나 해산물을 함께 조리하면 감칠맛은 단독으로 쓰일 때보다 수 배 이상 강력해집니다. 불고기에 채소를 곁들이거나 스테이크를 구울 때 가니시를 함께 내는 것은 경험적으로 이러한 과학적 원리를 활용해온 사례입니다. 심지어 국물 요리에 김가루를 뿌리는 사소한 습관조차도 김에 들어있는 풍부한 감칠맛 성분을 이용해 맛의 깊이를 더하려는 본능적인 선택이라 할 수 있습니다. 이러한 맛의 조화는 요리를 하나의 예술이자 과학으로 만듭니다. 제5의 맛(감칠맛)은 단순한 미각적 즐거움을 넘어 생명 유지의 신호탄과 같습니다. 갓 태어난 아기가 먹는 모유에도 감칠맛 성분이 풍부하다는 사실은 인간이 태어날 때부터 이 맛을 갈구하도록 설계되었음을 시사합니다. 반면 육식을 멈추고 대나무만 먹게 된 판다처럼 환경에 따라 특정 미각이 퇴화하기도 합니다. 결국 우리가 맛을 탐구하는 과정은 인류가 어떻게 생존해 왔으며, 자연과 과학이 어떻게 조화를 이루어 우리의 삶을 풍요롭게 만드는지를 이해하는 과정과도 같습니다. 뇌가 기억하는 맛의 즐거움은 우리가 건강하게 살아가는 데 필요한 가장 강력한 동기부여 중 하나입니다.

국립과천과학관과학예능😆

화학
생명과학
뇌인지과학

나야😳 단백질, 근데 이제 AI를 곁들인... 2024 노벨 화학상(with 한국화학연구원 최경민 선임연구원) | 요즘과학

2024년 노벨 화학상은 인공지능과 생명과학의 결합이 인류에게 어떤 혁신을 가져올 수 있는지를 잘 보여주었습니다. 수상자로 선정된 구글 딥마인드의 데미스 허사비스와 존 점퍼, 그리고 워싱턴 대학교의 데이비드 베이커 교수는 단백질 구조 예측과 설계라는 난제를 해결한 공로를 인정받았습니다. 단백질은 우리 몸의 세포를 구성하고 생명 활동을 조절하는 핵심 요소로, 그 구조를 파악하는 것은 질병 치료와 신약 개발의 기초가 됩니다. 이번 수상은 인공지능 기술이 순수 과학의 영역에서 거둔 기념비적인 성과로 평가받고 있습니다. 단백질은 20종의 아미노산이 사슬처럼 연결된 후 복잡하게 접히며 3차원 구조를 형성합니다. 이 독특한 형태가 결정되어야 비로소 인슐린이나 헤모글로빈처럼 특정한 기능을 수행하는 '생체 로봇'으로서 역할을 할 수 있습니다. 따라서 아미노산 서열이 어떻게 3차원 구조를 만드는지 이해하는 것은 생명 현상의 비밀을 푸는 열쇠와 같습니다. 하지만 단백질 구조를 실험적으로 밝히는 데는 막대한 시간과 비용이 소요되어, 지난 수십 년간 인류가 알아낸 구조는 전체의 극히 일부에 불과했습니다. 딥마인드가 개발한 '알파폴드'는 이러한 한계를 인공지능의 패턴 인식 능력으로 돌파했습니다. 기존의 방식이 단순히 아미노산 서열 정보를 학습했다면, 알파폴드는 진화 과정에서 나타나는 단백질의 유사성과 아미노산 서열 패턴에 주목했습니다. 이를 통해 수억 개의 단백질 구조를 90% 이상의 높은 정확도로 예측하는 데 성공하며, 과학계의 50년 묵은 난제를 해결했습니다. 현재 전 세계 수백만 명의 연구자가 이 기술을 활용해 질병의 원인을 분석하고 있으며, 이는 생물학 연구의 속도를 비약적으로 높이는 계기가 되었습니다. 단백질 구조 예측이 기존의 것을 알아내는 과정이라면, 데이비드 베이커 교수가 주도한 단백질 설계 연구는 세상에 없던 새로운 단백질을 창조하는 영역입니다. 원하는 기능을 먼저 설정하고 그에 맞는 3차원 구조와 아미노산 서열을 역으로 계산해 내는 방식입니다. 이 기술을 활용하면 플라스틱을 분해하는 효소나 특정 암세포만을 공격하는 항체 등을 인위적으로 설계할 수 있습니다. 자연계의 한계를 넘어 인류가 직면한 환경 문제나 난치병을 해결할 수 있는 새로운 도구를 손에 넣게 된 셈입니다. 이러한 기술적 진보는 실제 신약 개발 현장에서 강력한 힘을 발휘하고 있습니다. 연구자들은 알파폴드를 이용해 질병과 관련된 단백질의 구조를 미리 파악하고, 여기에 결합할 유기 화합물 분자를 정밀하게 설계합니다. 자물쇠에 꼭 맞는 열쇠를 찾듯, 단백질의 특정 부위에 결합해 기능을 조절하는 약물을 컴퓨터 시뮬레이션으로 먼저 검증할 수 있게 된 것입니다. 이는 실험의 시행착오를 획기적으로 줄여주며, 암이나 치매와 같은 난치성 질환을 정복하기 위한 인류의 여정에 든든한 길잡이가 되어주고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

화학
생명과학
융합

[강연] 인공지능과 단백질: 구조 예측에서 맞춤형 설계까지_by 백민경 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 2강

2024년 노벨 화학상은 인류의 생명 현상을 이해하는 핵심 열쇠인 단백질의 구조를 예측하고 설계하는 데 기여한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 데이비드 베이커 교수와 구글 딥마인드의 데미스 허사비스, 존 점퍼가 그 주인공입니다. 이들은 인공지능 기술을 생물학의 난제에 접목하여, 수십 년간 해결되지 않았던 단백질 구조 예측 문제를 획기적으로 해결했습니다. 이는 단순히 화학적 발견을 넘어 인류가 질병에 맞서고 새로운 물질을 창조하는 방식에 거대한 변화를 예고하는 역사적인 사건으로 평가받고 있습니다. 단백질은 우리 몸의 세포를 구성하는 기본 요소일 뿐만 아니라, 생명 유지에 필요한 거의 모든 화학 반응을 주도하는 일꾼입니다. 외부 병원체에 맞서 싸우는 항체, 영양소를 운반하는 택배원, 그리고 에너지를 생성하는 효소에 이르기까지 그 역할은 실로 무궁무진합니다. 이러한 단백질은 20가지 아미노산이 수천 개 이상 연결된 고분자 화합물로, 아미노산 서열이 어떻게 배열되느냐에 따라 독특한 3차원 구조를 형성합니다. 결국 단백질의 구조를 이해하는 것은 곧 생명의 작동 원리를 파악하는 것과 같습니다. 단백질 구조를 파악하는 것이 중요한 이유는 질병의 기전을 이해하고 치료제를 개발하는 데 결정적인 단서를 제공하기 때문입니다. 대표적인 예로 코로나19 바이러스의 돌기 단백질인 스파이크 단백질을 들 수 있습니다. 이 단백질이 인체 세포의 수용체와 결합하는 구조를 정확히 알게 되면, 그 결합을 방해하는 약물을 설계하거나 효과적인 백신을 만드는 것이 가능해집니다. 이처럼 단백질의 입체적인 형태를 알아내는 작업은 인류가 바이러스와 같은 위협에 맞서 싸울 수 있는 강력한 무기를 얻는 과정이라 할 수 있습니다. 과거에는 단백질 구조를 밝히기 위해 X선 결정법이나 극저온 전자 현미경 같은 실험 기법을 사용했지만, 이는 막대한 비용과 수년의 시간이 소요되는 고된 작업이었습니다. 하지만 구글 딥마인드가 개발한 알파폴드는 인공지능을 통해 단 몇 분 만에 높은 정확도의 구조를 예측해내며 패러다임을 바꿨습니다. 알파폴드는 진화 과정에서 보존된 아미노산 서열의 패턴을 학습하여, 실험 데이터가 부족한 상황에서도 단백질의 3차원 형태를 놀라운 정밀도로 재현해냈습니다. 이는 생물학 연구의 속도를 비약적으로 높인 혁명적인 성과입니다. 단백질 구조 예측이 서열로부터 구조를 찾아가는 과정이라면, 데이비드 베이커 교수가 주도한 단백질 디자인은 그 반대 방향의 도전입니다. 즉, 우리가 원하는 특정 기능을 수행할 수 있는 새로운 단백질 구조를 먼저 상상하고, 이를 구현할 수 있는 아미노산 서열을 설계하는 것입니다. 베이커 교수는 자연계에 존재하지 않는 완전한 인공 단백질인 'Top7'을 성공적으로 설계하며 그 가능성을 증명했습니다. 이는 인류가 자연의 진화에만 의존하지 않고, 목적에 맞는 생체 분자를 직접 창조할 수 있는 시대를 열었음을 의미합니다. 최근에는 생성형 인공지능 기술이 단백질 설계 분야에 도입되면서 연구 속도가 더욱 가속화되고 있습니다. 'RFdiffusion'과 같은 확산 모델 기반의 인공지능은 우리가 원하는 기능을 수행할 최적의 구조를 생성하고, 'ProteinMPNN'은 그 구조를 안정적으로 유지할 서열을 찾아냅니다. 이러한 기술적 진보 덕분에 과거 1% 미만이었던 단백질 설계 성공 확률이 비약적으로 상승했습니다. 이제는 전문적인 지식이 부족하더라도 인공지능을 활용해 누구나 목적에 맞는 단백질을 설계할 수 있을 정도로 기술적 장벽이 낮아지고 있습니다. 인공지능 기반의 단백질 설계 기술은 의료 분야를 넘어 환경 문제 해결에도 큰 기대를 모으고 있습니다. 플라스틱을 분해하는 강력한 효소를 설계하거나, 생분해성이 뛰어난 신소재를 개발함으로써 지구 환경을 보호하는 데 기여할 수 있기 때문입니다. 물론 단백질의 동적인 움직임을 완벽히 예측하거나 부족한 데이터를 보완해야 하는 과제가 남아있지만, 인류의 지식과 인공지능의 학습 능력이 결합한다면 불가능해 보였던 난제들도 하나씩 해결될 것입니다. 단백질 연구의 진화는 곧 인류의 더 나은 미래를 향한 여정입니다.

백민경

카오스재단카오스크로스

화학
생명과학

[토크] 우주에서 마주친 뜻밖의 00 ?!_과학자들의 방과 후 수다_1편 | 1편

와인을 잔에 따르고 가볍게 흔들면 벽면을 타고 액체가 맺혀 흘러내리는 '와인의 눈물' 현상을 관찰할 수 있습니다. 이는 물과 에탄올의 증발 속도 차이로 인해 발생하는 밀도 변화 때문인데, 물리학에서는 이를 '마랑고니 효과'라고 부릅니다. 에탄올 함량이 높은 와인일수록 이 현상이 더욱 뚜렷하게 나타나며, 이는 단순한 시각적 즐거움을 넘어 액체의 물리적 특성을 잘 보여주는 사례입니다. 와인을 즐기는 과정에서 행하는 스월링은 향을 풍부하게 만드는 동시에 이러한 과학적 원리를 직접 확인하는 과정이기도 합니다. 생물학 연구 현장에서는 새로 발견한 유전자에 와인 품종의 이름을 붙이는 흥미로운 전통이 존재하기도 합니다. 유전자의 기능을 연구하기 위해 돌연변이를 만드는 과정에서 독특한 표현형이 발견되면, 연구자들은 그날 마신 와인의 이름을 따서 샤도네이나 피노누아 같은 명칭을 부여합니다. 이는 딱딱한 과학 연구에 인간적인 서사와 풍류를 더하는 행위입니다. 비록 유전자의 실제 기능과 와인 이름 사이에 직접적인 연관성은 없지만, 과학자들의 열정과 발견의 순간을 기억하는 특별한 방식이 되어 연구의 역사를 기록합니다. 놀랍게도 알코올은 지구뿐만 아니라 광활한 우주 공간에서도 발견됩니다. 천문학자들은 전파망원경을 통해 별이 형성되는 영역에서 에탄올과 메탄올 같은 유기 분자의 존재를 확인했습니다. 이는 초신성 폭발이나 별의 소멸 과정에서 방출된 중원소들이 우주 먼지와 결합하여 복잡한 화학 반응을 일으킨 결과입니다. 우주 먼지 표면에서 수소와 일산화탄소가 반응하여 물과 유기물이 만들어지는 과정은, 지구가 탄생하기 훨씬 전부터 우주가 생명의 재료를 준비하고 있었음을 시사하며 우주 화학의 신비를 보여줍니다. 우주 공간의 낮은 온도와 압력 환경에서 유기 분자들은 '성간 얼음'의 형태로 존재합니다. 이 얼음 덩어리들이 중력에 의해 뭉치면 혜성이 되는데, 혜성 내부에는 에탄올뿐만 아니라 아미노산의 일종인 글리신과 RNA의 구성 성분인 당 분자까지 포함되어 있습니다. 이러한 유기 물질들이 소행성이나 혜성을 통해 지구로 전달되었다는 가설은 오늘날 생명 기원 연구의 중요한 축을 담당합니다. 즉, 우리 몸을 구성하는 기본 단위들이 사실은 머나먼 우주 공간의 화학 공장에서 만들어져 전달된 셈이라는 점에서 인류의 근원을 다시 생각하게 합니다. 하지만 유기 물질의 존재만으로 생명의 탄생을 모두 설명할 수는 없습니다. RNA나 아미노산 같은 재료들이 우연히 모여 세포막이라는 경계를 형성하고, 지속적인 대사 활동을 이어가는 생명체로 진화하는 과정은 여전히 거대한 확률의 벽을 넘어야 하는 영역입니다. 생물학자들은 생명체를 구성 요소로 분해하여 분석할 수는 있지만, 그 요소들을 다시 합친다고 해서 생명의 박동이 다시 시작되지는 않습니다. 무생물에서 생물로 도약하는 그 찰나의 순간과 생명 현상의 연속성은 과학이 풀어야 할 가장 깊고도 매혹적인 숙제로 남아 있습니다.

신예리, 윤성철, 이현숙, 정하웅

카오스재단과학자들의 방과 후 수다

물리학
생명과학
천문학

[강연] 인공지능으로 풀어낸 단백질의 비밀 _ by백민경｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연 | 4강

과학의 진정한 묘미는 서로 다른 기술과 사람이 만나 새로운 발전을 만들어내는 '연결'에 있습니다. 우리 몸을 구성하는 아주 작은 분자인 단백질 연구 역시 이러한 연결을 통해 혁신을 맞이했습니다. 단백질은 우리 몸 안의 거의 모든 생명현상에 관여하는 핵심 물질로, 산소를 운반하거나 화학 반응을 촉진하는 효소 역할을 하며 외부 침입에 맞서는 면역체계를 유지하는 등 생존에 필수적인 기능을 수행합니다. 세포 내부를 들여다보면 물과 지방을 제외한 대부분이 단백질로 이루어져 있을 만큼 그 중요성은 절대적입니다. 화학을 전공하며 인류를 구원할 신약개발을 꿈꿨던 연구자는 실험실에서 시약을 섞는 대신 컴퓨터를 활용하는 계산화학의 길을 선택했습니다. 복잡한 수식과 논리로 단백질의 구조를 예측하는 이 분야는 손에 물을 묻히지 않고도 생명과학의 난제를 풀 수 있는 가능성을 제시했습니다. 특히 알파고와 이세돌의 대국은 인공지능이 과학 연구의 패러다임을 바꿀 수 있다는 강력한 희망을 심어주었으며, 이는 곧 컴퓨터 기술과 생명과학이 결합하여 새로운 지평을 여는 계기가 되었습니다. 2021년 발표된 '로제타폴드'는 인공지능 기반의 단백질 구조 예측 기술로, 바이오 분야의 획기적인 혁신으로 평가받습니다. 기존의 실험 방식은 단백질 구조 하나를 밝히는 데 수년의 시간과 수백억 원의 비용이 소요되었지만, 인공지능은 이를 단 몇 시간 만에 해결할 수 있게 했습니다. 사이언스지가 올해의 연구 성과로 선정하기도 한 이 기술은 단순히 속도의 문제를 넘어 인류가 겪는 수많은 질병의 치료제를 찾는 속도를 비약적으로 높여 신약개발의 새로운 시대를 열었습니다. 단백질은 아미노산이라는 작은 분자들이 사슬처럼 연결된 생체 고분자 물질입니다. 이 사슬이 어떤 순서로 배열되고 어떤 3차원 모양으로 접히느냐에 따라 단백질의 고유한 기능이 결정됩니다. 예를 들어 코로나바이러스가 인체 세포와 어떻게 결합하여 감염을 일으키는지 이해하려면 그 표면 단백질의 입체 구조를 정확히 알아야 합니다. 이러한 구조 정보를 바탕으로 우리는 바이러스의 결합을 방해하는 치료제를 만들거나 바이오센서로 활용할 수 있는 정밀한 백신을 설계할 수 있게 됩니다. 하지만 단백질이 가질 수 있는 구조의 경우의 수는 10의 300승 개에 달할 정도로 방대하여, 물리학적 원리만으로는 이를 예측하는 데 우주의 나이보다 긴 시간이 걸립니다. 연구자들은 이 난제를 해결하기 위해 단백질 진화의 역사에 주목했습니다. 수억 년의 진화 과정에서 생존에 성공한 단백질들은 구조와 기능을 유지하는 특정한 패턴을 서열 안에 간직하고 있습니다. 인공지능은 바로 이 방대한 서열 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 찾아내는 데 탁월한 능력을 발휘하며 불가능해 보였던 예측을 현실로 만들었습니다. 인공지능은 단백질 서열이라는 '글'을 읽고 구조라는 '그림'을 그려내는 과정을 반복하며 정답에 가까운 구조를 찾아냅니다. 이제 기술은 단일 단백질의 구조 예측을 넘어, 단백질 간의 상호작용과 결합 구조까지 예측하는 단계로 진화했습니다. 이를 통해 암세포가 면역세포의 공격을 피하는 기제를 차단하는 새로운 항암제 후보물질을 설계하는 등 맞춤형 단백질 신약개발의 문이 활짝 열렸습니다. 이는 질병의 원인을 정확히 타격하는 정밀 의료의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 과학적 성취의 이면에는 서로 다른 분야를 잇는 '브리징 피플(Bridging People)'의 역할이 결정적이었습니다. 인공지능 전문가와 생물학자가 서로의 언어를 이해하고 협업할 때 비로소 거대한 혁신이 일어납니다. 새로운 것을 배우는 데 두려움 없이 다양한 분야 사이의 연결고리를 찾는 연습은 단백질이라는 작은 세계를 넘어 인류의 건강한 미래를 설계하는 가장 강력한 동력이 될 것입니다. 서로 다른 학문의 경계를 허무는 소통의 능력이야말로 현대 과학이 요구하는 가장 중요한 자질입니다.

백민경

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[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

[질문과 토론의 과학 #27] 🕵️‍♀️몸속 촉매의 활약

화학 반응에서 자신은 변하지 않으면서 반응 속도를 조절하는 물질을 촉매라고 합니다. 일반적으로 우리는 반응을 빠르게 하는 촉매에 주목하는데, 이는 촉매가 반응물을 붙잡아 반응이 원활하게 일어나도록 돕기 때문입니다. 모든 화학 반응에는 '활성화 에너지'라는 일종의 고개가 존재합니다. 만약 이 에너지가 없다면 종이나 나무는 불을 붙이지 않아도 공기 중의 산소와 반응해 즉시 타버릴 것입니다. 촉매는 바로 이 활성화 에너지를 낮추어, 평소라면 일어나기 힘든 반응이 낮은 에너지 상태에서도 쉽게 시작될 수 있도록 돕는 마중물 역할을 수행합니다. 촉매의 위력은 인류 역사에서도 증명되었습니다. 대표적인 사례가 공기 중의 질소를 고정해 비료를 만드는 '하버-보슈법'입니다. 과거 인류는 식량 부족 문제로 큰 어려움을 겪었으나, 프리츠 하버와 칼 보슈가 개발한 촉매 공정 덕분에 대량의 질소 비료 생산이 가능해졌습니다. 이 공법은 수십억 인구의 생존을 책임지는 결정적인 역할을 했으며, 그 공로로 개발자들은 노벨 화학상을 받았습니다. 이처럼 촉매는 단순히 실험실 안의 화학 물질에 그치지 않고, 불가능해 보이던 자원 생산을 가능케 함으로써 인류 문명의 비약적인 발전을 이끌어낸 핵심적인 요소입니다. 우리 몸속에서도 촉매는 쉼 없이 활동하고 있으며, 이를 특별히 '효소'라고 부릅니다. 효소는 주로 단백질로 구성되어 있으며 생명 유지에 필수적인 다양한 화학 반응에 관여합니다. 예를 들어 세포 내에서 DNA를 복제하거나 유전 정보를 읽어 새로운 단백질을 합성하는 과정 모두가 효소의 촉매 작용 덕분에 가능합니다. 만약 우리 몸에 효소가 없다면 생명 활동에 필요한 복잡한 반응들이 제때 일어나지 못해 생존 자체가 불가능해질 것입니다. 즉, 효소는 우리 몸이라는 정교한 화학 공장이 멈추지 않고 돌아가게 만드는 생물학적 엔진과도 같은 존재입니다. 효소의 작용은 일상적인 신체 변화에서도 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 술을 마셨을 때 알코올이 아세트알데하이드를 거쳐 산으로 분해되는 과정에는 두 가지 효소가 단계적으로 관여합니다. 특히 동양인은 이 효소들의 활성 차이로 인해 숙취를 유발하는 아세트알데하이드가 몸에 오래 머물기도 하는데, 이는 역설적으로 알코올 의존증을 예방하는 역할을 하기도 합니다. 또한 우리가 섭취한 고기 속 단백질을 아미노산으로 잘게 쪼개어 흡수하는 소화 과정 역시 효소의 부지런한 활동 결과입니다. 효소는 거대한 분자 결합을 끊어내는 데 필요한 에너지를 낮추어 영양분 흡수를 돕습니다. 효소가 발휘하는 반응 속도의 차이는 실로 경이로운 수준입니다. 효소의 종류에 따라 다르지만, 어떤 효소는 화학 반응 속도를 무려 10의 20제곱 배까지 끌어올리기도 합니다. 이는 자연 상태에서 그대로 내버려 두었을 때 수만 년이 걸릴 수도 있는 반응을 눈 깜짝할 새에 완료할 수 있다는 의미입니다. 이처럼 찰나의 순간에 생명 활동이 이루어지는 것은 모두 효소가 활성화 에너지를 극적으로 낮춰주기 때문입니다. 인체라는 경이로운 시스템 속에서 효소가 보여주는 활약은 화학이 생명과 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 다시금 깨닫게 해줍니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[강연] 인공지능으로 단백질 이해하기 by 백민경 ㅣ 대학과 함께하는 2022 UN 세계기초과학의 해 한국 선포식 특별강연

단백질은 흔히 필수 영양소로만 알려져 있지만, 실제로는 우리 몸의 거의 모든 생명 현상을 주도하는 핵심 생체 분자입니다. 헤모글로빈처럼 산소를 운반하거나 효소로서 물질을 분해하고 합성하며, 외부 바이러스에 맞서는 항체 역할까지 수행합니다. 약 2만 가지의 단백질은 20종의 아미노산이 사슬처럼 연결된 구조를 가지며, 이들의 배열 순서인 서열에 따라 고유한 3차원 구조를 형성합니다. 이러한 구조는 단백질의 기능을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용하며 생명의 신비를 푸는 열쇠가 됩니다. 단백질의 구조를 파악하는 것은 생명 현상을 이해하고 질병의 기전을 밝히는 데 필수적입니다. 예를 들어 코로나바이러스의 스파이크 단백질 구조를 정확히 알면 감염 경로를 차단하는 치료제나 백신을 더욱 효과적으로 설계할 수 있습니다. 하지만 현재 우리가 알고 있는 단백질 서열은 3억 개에 달하는 반면, 실험적으로 밝혀진 구조는 16만 개에 불과합니다. 엑스레이 결정학이나 극저온 전자현미경 같은 실험 방식은 정확하지만, 하나의 구조를 밝히는 데 수개월에서 수년의 시간과 막대한 비용이 소요된다는 한계가 있습니다. 물리화학적 원리에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션은 탐색해야 할 구조의 가짓수가 너무 많아 우주의 나이만큼의 시간이 걸릴 정도로 복잡합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 자연의 진화 데이터에 주목했습니다. 단백질이 기능을 유지하며 진화하는 과정에서, 서로 상호작용하는 아미노산들은 함께 변이하는 '공진화' 패턴을 보입니다. 인공지능은 이러한 방대한 서열 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 학습하여, 아미노산 간의 접촉 지점을 찾아내고 단백질의 3차원 구조를 놀라운 속도로 예측해내는 혁신을 이루었습니다. 최근 등장한 알파폴드2와 로제타폴드는 인공지능 기반 단백질 구조 예측의 새로운 지평을 열었습니다. 이 모델들은 과거 수년이 걸리던 작업을 단 몇 분 만에 실험 결과와 거의 일치하는 정확도로 수행합니다. 더 나아가 단일 단백질을 넘어 두 단백질이 결합하는 복합체 구조까지 예측할 수 있게 되었습니다. 이는 세포 내에서 일어나는 유전 정보의 전사나 번역, DNA 수리 등 복잡한 생체 반응들을 데이터에 기초하여 깊이 있게 이해할 수 있는 강력한 도구가 되어 생명공학 연구의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 인공지능 기술은 이제 구조 예측을 넘어 새로운 단백질을 디자인하는 단계로 진화하고 있습니다. 암세포의 증식을 억제하기 위해 특정 단백질 간의 결합을 방해하는 새로운 단백질 치료제를 설계하는 것이 대표적인 사례입니다. 이러한 혁신은 양자역학에서 시작된 컴퓨터 기술이 생명과학과 만나 탄생한 결과입니다. 기초과학 연구는 당장의 성과를 넘어 인류의 삶을 풍요롭게 할 무궁무진한 잠재력을 지니고 있으며, 앞으로도 다양한 질병 치료와 생명 현상 규명에 있어 가장 강력한 토대가 될 것입니다.

백민경

카오스재단카오스크로스

생명과학

[인터뷰] 최희정_ 구조세포생물학을 하고 싶어요! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학은 끊임없이 미지의 영역에 대한 화두를 던지며 탐구의 가치를 증명하는 매력적인 분야입니다. 명확한 답을 주는 수학과 화학에 매료되었던 어린 시절의 열정은 고등학교 시절 화학 선생님의 영향으로 더욱 깊어졌습니다. 이러한 화학적 원리원칙에 대한 이해는 훗날 생물학적 현상을 탐구하는 든든한 밑바탕이 되었으며, 결국 단백질의 생김새와 기능을 연구하는 구조생물학자의 길로 이끌었습니다. 자신이 진정으로 즐길 수 있는 일을 찾는 것이야말로 과학자로서의 길을 꾸준히 걷게 하는 가장 큰 원동력이 됩니다. 구조생물학의 핵심은 '구조가 기능을 설명한다'는 원리에 있습니다. 이는 마치 나사를 조이는 드라이버와 볼트를 돌리는 스패너의 모양이 서로 다른 이유와 같습니다. 단백질 역시 특정한 3차원 구조를 형성함으로써 생체 내에서 고유한 역할을 수행합니다. 단백질을 구성하는 아미노산들은 화학 물질이기에, 이들 사이의 상호작용을 이해하는 데 있어 화학적 지식은 필수적입니다. 세포막 단백질이 외부 신호를 어떻게 받아들여 내부로 전달하는지 그 작용 기전을 밝히는 것은 생명 현상을 이해하는 첫걸음이 됩니다. 최근 구조생물학 분야는 인공지능 기술의 도입으로 획기적인 변화를 맞이하고 있습니다. 과거에는 단백질 구조 하나를 규명하는 데 막대한 시간과 노력이 필요했지만, 이제는 알파폴드2와 같은 프로그램을 통해 아미노산 서열만으로도 상당히 정확한 구조 예측이 가능해졌습니다. 하지만 거대 복합체의 형태나 미세한 화학 분자와의 결합을 예측하는 데는 여전히 한계가 존재합니다. 따라서 예측 프로그램은 연구를 대체하는 것이 아니라, 오히려 구조 정보를 효율적으로 활용하여 단백질의 기능을 더욱 깊이 있게 연구할 수 있도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 생명이란 무엇인가에 대한 정의는 관점에 따라 다양하게 해석될 수 있습니다. 물리학자 슈뢰딩거는 무질서 속에서 질서를 찾아가는 엔트로피 감소의 과정을 생명으로 보았으나, 생물학적으로는 유전 물질을 통한 증식과 대사 활동, 환경에 반응하며 진화하는 능력을 중시합니다. 이러한 기준에서 볼 때, 스스로 생존하지 못하고 숙주에 기생하는 바이러스는 생명체와 생명 물질 사이의 경계에 놓여 있습니다. 하지만 최근 거대 바이러스의 발견처럼 새로운 과학적 사실들이 밝혀짐에 따라 생명에 대한 우리의 정의와 기준도 끊임없이 변화하고 확장될 것입니다. 앞으로의 연구는 개별 단백질의 구조를 넘어, 복잡한 세포 시스템 안에서 일어나는 역동적인 상호작용을 직접 관찰하는 방향으로 나아가고 있습니다. 이를 '인사이투(In situ) 구조생물학'이라 부르는데, 이는 조각조각 떨어진 정보들을 세포라는 전체 맥락 속에서 하나로 짜 맞추는 작업입니다. 바이러스가 수용체와 결합하여 세포 내부로 침투하는 과정이나 단백질 간의 결합 시간을 실시간으로 확인하는 기술은 생명 현상을 더욱 입체적으로 이해하게 해줄 것입니다. 이러한 도전은 우리가 세포 안에서 일어나는 일들을 더욱 빠르고 정확하게 파악하는 시대를 열어줄 것입니다.

최희정

카오스재단카오스강연

생명과학

[질문Q] 우리 몸을 구성하는 물질은 크게 어떻게 나눌 수 있을까?ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 4강ㅣ단백질 : 3차원의 마술사

인간 게놈 프로젝트는 인류의 생로병사를 이해하려는 거대한 도전이었습니다. 초기 과학자들은 인간의 복잡성을 고려할 때 약 10만 개의 유전자가 존재할 것이라 예측했으나, 실제 결과는 2만여 개에 불과했습니다. 이 숫자는 단백질을 생성하는 협의의 유전자를 기준으로 하며, 연구에 따라 2만 1천 개에서 2만 3천 개 사이로 정의되기도 합니다. 유전자의 정확한 숫자를 확정 짓는 것보다 중요한 것은 생명체가 가진 유연성과 그 복잡한 설계도를 이해하려는 끊임없는 탐구 정신입니다. 유전자의 수와 실제 우리 몸에서 활동하는 단백질의 수 사이에는 거대한 간극이 존재합니다. 약 2만 개의 유전자가 어떻게 100만 가지 이상의 단백질을 만들어내는지에 대한 해답은 단백질의 역동성에 있습니다. 단백질은 생성된 이후에도 절단되거나 인산화, 아세틸화와 같은 다양한 변형 과정을 거치며 수많은 형태로 진화합니다. 이러한 현상을 'N-패러독스'라고 부르며, 이는 유전자가 단순히 호출하는 단계를 넘어 생명 현상이 얼마나 다채롭고 정교하게 조절되는지를 잘 보여줍니다. 생명체를 구성하는 본질적인 요소는 네 가지 거대한 고분자 화합물로 요약됩니다. 유전 정보를 담은 핵산인 DNA와 RNA, 생체 기능을 수행하는 단백질, 에너지원인 탄수화물, 그리고 세포막을 형성하는 지방이 그 주인공입니다. 이 네 가지 물질은 생명의 근간을 이루며, 우주에서 생명체의 흔적을 찾을 때 생물학자들이 가장 먼저 확인하는 지표가 되기도 합니다. 물질에서 생명으로 이어지는 신비로운 과정은 결국 이 고분자들이 상호작용하며 만들어내는 정교한 조화의 결과물이라 할 수 있습니다. 단백질의 분해 과정은 우리에게 유익한 발효와 해로운 부패라는 두 갈래 길로 나뉩니다. 두 현상은 종이 한 장 차이로 결정되는데, 부패의 경우 단백질이 아미노산을 넘어 질소나 유황 성분까지 완전히 분해되면서 불쾌한 냄새를 풍기게 됩니다. 자연은 우리 몸에 해로운 물질에서 역한 냄새가 나도록 설계하여 스스로를 보호하게 만들었습니다. 반면 적절히 분해된 아미노산은 우리 몸에 필요한 영양소가 되어 맛의 풍미를 더해줍니다. 이는 생명 현상이 생존을 위해 얼마나 효율적으로 진화했는지 보여주는 사례입니다. 프리온 단백질은 정상적인 구조가 변형되어 질병을 유발하는 특이한 사례로, 변형된 구조가 정상 단백질까지 오염시키는 특징을 가집니다. 단백질에 강한 열을 가하면 '변성'이라는 과정을 통해 고유의 입체 구조가 파괴되는데, 완전히 분해된 단백질이 다시 원래의 프리온 구조로 돌아가는 것은 불가능에 가깝습니다. 우리가 음식을 끓여 먹는 행위는 병원균을 사멸시키고 단백질을 아미노산 단위로 분해하여 안전하게 섭취하기 위한 과학적인 생존 전략입니다. 극한의 환경에서도 생명은 원자 단계의 분해와 재조합을 통해 순환합니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 단백질 : 3차원의 마술사 by 김성훈ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 4강

많은 이들이 단백질을 단순히 영양소나 먹거리로만 생각하는 경향이 있습니다. 하지만 생명과학의 관점에서 단백질은 유전자라는 2차원 설계도를 현실의 생명체로 형상화하는 핵심적인 존재입니다. DNA가 생명의 정보를 담고 있다면, 그 정보를 바탕으로 우리 몸의 구체적인 형태와 기능을 만들어내는 실체는 바로 단백질입니다. 유전자가 우리가 어떻게 살아갈 것인지를 말해주는 지침서라면, 단백질은 그 지침을 바탕으로 생명을 구체적으로 나타나게 하는 실질적인 주인공인 셈입니다. 생명체 내에서 단백질이 만들어지는 과정은 정교한 공장 시스템과 같습니다. DNA의 정보가 메신저 RNA를 통해 전달되면, 이른바 '단백질 공장'에서 암호가 해독되어 아미노산들이 결합하고 아름다운 3차원 구조를 형성합니다. 흥미로운 점은 전 세계 70억 인구 중 동일한 존재가 단 한 명도 없다는 사실입니다. 이는 우리 몸을 구성하는 약 100만 개의 단백질이 저마다 다른 조합과 모양을 갖추며 각자의 고유한 정체성을 형성하기 때문입니다. 단백질의 3차원 구조는 그 기능을 결정하는 결정적인 요소입니다. 만약 이 구조가 변성되면 광우병이나 퇴행성 신경 질환 같은 심각한 질병이 발생하며, 한 번 변성된 단백질을 정상으로 돌리는 것은 현대 과학으로도 매우 어려운 과제입니다. 반대로 단백질의 구조를 정확히 파악하면 질병의 원인을 찾아내어 글리벡과 같은 혁신적인 신약을 개발할 수 있습니다. 최근에는 화합물 대신 인슐린이나 항체와 같은 단백질 자체를 치료제로 활용하는 비중이 점차 커지고 있습니다. 우리가 섭취하는 단백질이 몸에 흡수되는 과정에는 흔한 오해가 존재합니다. 특정 부위에 좋다는 음식을 먹는다고 해서 그 성분이 그대로 우리 몸의 해당 기관으로 이동하는 것은 아닙니다. 고가의 단백질 치료제나 보양식을 먹더라도 소화 과정을 거치며 아미노산으로 쪼개진 후, 인체에 필요한 형태로 재구성됩니다. 결국 단백질 섭취의 본질은 신체를 구성하는 기초 재료를 공급받는 과정이며, 이를 통해 생명체는 끊임없이 자신을 유지해 나갑니다. 유전자가 생명의 악보라면 단백질은 그 악보를 연주하는 현실의 음악과 같습니다. 일란성 쌍둥이라도 생활 습관에 따라 외모와 건강 상태가 달라지는 것은 유전자가 같아도 단백질의 발현이 달라질 수 있음을 보여줍니다. 부모님께 물려받은 유전자는 바꿀 수 없지만, 우리가 어떻게 살아가느냐에 따라 우리 몸의 단백질과 인생의 모습은 충분히 변화할 수 있습니다. 즉, 단백질은 결정된 운명을 넘어 자신의 노력으로 삶을 가꾸어 나갈 수 있는 생물학적 근거가 되어줍니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 큰 분자 작은 우주, 효소의 세계 by송윤주｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 4강

효소는 우리 몸과 자연계에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 촉진하는 생체 촉매입니다. 단순히 소화를 돕는 물질을 넘어, 식물의 광합성부터 바이러스 진단, 신재생에너지 전환, 그리고 환경 문제 해결에 이르기까지 그 역할이 매우 방대합니다. 효소는 거대한 단백질 분자이지만, 그 내부에는 정교한 화학 반응의 원리가 숨어 있어 '작은 우주'라고 불리기도 합니다. 불확실한 세계 속에서 과학이 제시하는 명확한 해답 중 하나가 바로 이 효소의 메커니즘을 이해하고 활용하는 것입니다. 효소의 가장 놀라운 특징은 화학 반응의 속도를 비약적으로 높인다는 점입니다. 예를 들어, 우리가 먹은 음식물을 소화하는 데 효소가 없다면 약 500년이라는 긴 시간이 걸리겠지만, 효소 덕분에 단 몇 시간 만에 소화가 가능해집니다. 이는 효소가 기존의 어려운 경로 대신 새로운 반응 경로를 찾아내어 반응 속도를 수십억 배 이상 가속하기 때문입니다. 상온과 상압이라는 온화한 조건에서도 메탄을 메탄올로 바꾸는 것과 같은 고난도의 화학 반응을 효율적으로 수행하는 효소의 능력은 현대 과학이 추구하는 이상적인 촉매의 모습입니다. 효소는 20가지 아미노산이 특정 순서로 배열된 단백질로 구성됩니다. 만약 100개의 아미노산으로 이루어진 효소가 있다면, 그 조합의 수는 우주의 원자 수보다 많은 천문학적인 숫자가 됩니다. 이러한 복잡성 때문에 아미노산 서열이 어떻게 3차원 구조를 형성하고 특정 기능을 수행하는지에 대한 인과관계는 여전히 과학계의 거대한 난제로 남아 있습니다. 단 하나의 아미노산만 바뀌어도 헤모글로빈처럼 구조와 기능이 완전히 변할 수 있다는 사실은 효소 연구가 얼마나 정밀하고 어려운 영역인지를 잘 보여줍니다. 과학자들은 효소의 비밀을 풀기 위해 X선 결정법이나 초저온 전자현미경 등을 활용해 구조를 분석하고, 최근에는 인공지능을 도입해 구조 예측의 정확도를 높이지고 있습니다. 특히 프랜시스 아놀드 교수가 개척한 '유도 진화' 기술은 효소 연구의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 가속화하여 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 인위적으로 만들어내는 방법입니다. 서열과 기능 사이의 완벽한 법칙을 다 이해하지 못하더라도, 반복적인 변형과 선택을 통해 최적의 효소를 찾아내는 혁신적인 접근법입니다. 효소 연구의 실질적인 성과는 환경 오염 문제 해결에서도 빛을 발하고 있습니다. 과학자들은 페트병 재활용 공장 인근의 토양에서 플라스틱을 분해하는 미생물과 효소를 발견해냈습니다. 초기에는 분해 속도가 매우 느려 실용화에 한계가 있었지만, 유도 진화 기술을 적용해 효소의 구조를 개량한 결과 분해 시간을 획기적으로 단축하는 데 성공했습니다. 이처럼 무궁무진한 가능성을 지닌 효소의 세계를 탐구하는 것은 인류가 직면한 여러 난제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

송윤주

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[석학인터뷰] 송윤주_ 효소의 무궁한 가능성과 난제 | 2021 서울대 자연과학대 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학'

화학은 환경 오염의 원인이 되기도 하지만, 동시에 이를 해결할 열쇠를 쥐고 있습니다. 그 중심에는 생명체의 촉매인 효소가 있습니다. 효소는 20가지 아미노산의 조합으로 이루어진 단백질로, 다양한 화학 반응을 촉진하는 역할을 합니다. 최근에는 알파폴드 2와 같은 인공지능 기술이 도입되면서 효소 설계에 혁신이 일어나고 있습니다. 다만 효소는 정적인 구조에 머물지 않고 동적인 변화를 통해 반응을 이끌어내기에, 이를 완벽히 구현하기 위한 인공지능 연구가 더욱 활발히 진행되고 있습니다. 효소는 자연계에 존재하는 거의 모든 화학 반응에 관여한다고 해도 과언이 아닙니다. 우리가 숨을 쉴 때 필요한 산소가 식물 내 효소에 의해 합성되는 과정부터, 대기 중의 질소를 고정하는 반응까지 모두 효소의 손길을 거칩니다. 이처럼 효소는 모든 생명체가 생존하고 활동하는 데 필수적인 화학적 기반을 제공합니다. 생명 현상의 정교함은 곧 효소가 가진 탁월한 촉매 기능에서 비롯되며, 이는 현대 과학이 풀어내야 할 거대한 난제이자 무한한 가능성의 영역이기도 합니다. 오늘날 심각한 환경 문제로 대두된 플라스틱 오염 역시 효소를 통해 해결의 실마리를 찾을 수 있습니다. 플라스틱은 매우 안정적인 고분자 구조를 가지고 있어 자연 분해가 어렵지만, 효소 중에는 이러한 고분자의 단단한 결합을 끊어낼 수 있는 것들이 존재합니다. 마치 소화 효소가 음식물을 분해하는 것과 유사한 원리입니다. 최근 과학계에서는 플라스틱을 인식하고 분해하는 특정 효소를 발굴하거나 새롭게 합성하려는 연구가 이어지고 있으며, 이는 지속 가능한 지구를 위한 중요한 전환점이 될 것입니다. 하지만 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 설계하는 일은 결코 쉽지 않습니다. 20가지 아미노산으로 만들 수 있는 조합의 수는 우주 전체의 원자 수보다도 많을 정도로 천문학적이기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 제약 산업에서는 이미 인공 효소를 활용해 신약 개발의 효율을 높이고 있습니다. 기존의 독성 강한 화학 물질 대신 효소를 사용하면 정제 과정이 간소화되고 반응의 선택성도 높아집니다. 이러한 기술적 진보는 인류의 건강을 증진하는 동시에 화학 공정의 안전성을 확보하는 데 기여하고 있습니다. 결국 화학과 효소는 인류에게 이로움을 주는 동시에 예기치 못한 문제를 일으킬 수도 있는 양날의 검과 같습니다. 효소가 생명을 유지하기도 하지만 때로는 질병을 유발하듯, 화학 기술 역시 환경 오염이라는 부작용을 낳기도 했습니다. 그러나 플라스틱을 만들어낸 것이 인간의 화학 기술이듯, 그 문제를 해결할 수 있는 힘 또한 화학에 있습니다. 기술을 어떻게 활용하느냐는 결국 인간의 선택과 책임에 달려 있습니다. 화학의 힘을 빌려 오염을 해결하려는 노력은 우리가 마땅히 나아가야 할 길입니다.

송윤주

카오스재단석학인터뷰

화학

[그림으로 보는 과학뉴스] 소행성 탐사 part2

인류는 태양계의 기원을 밝히기 위해 소행성과 혜성 샘플 채취에 오랜 공을 들여왔습니다. 초기 탐사인 하야부사 1호가 소행성 이토카와를 목표로 했다면, 하야부사 2호는 탄소질 소행성인 류구를 탐사 대상으로 삼았습니다. 탄소질 소행성은 유기 화합물이 풍부할 것으로 예상되어 우주 생물학 연구에서 매우 중요한 가치를 지닙니다. 과학자들은 이곳의 샘플을 통해 생명의 근간이 되는 물질들이 우주에서 어떻게 형성되고 전달되었는지 확인하고자 합니다. 지구에 존재하는 물의 기원을 찾는 과정에서 과학자들은 처음에 혜성에 주목했습니다. 혜성은 흔히 '더러운 눈덩이'라 불릴 만큼 많은 양의 얼음과 물을 포함하고 있기 때문입니다. 스타더스트 탐사선과 같은 탐사선들은 혜성의 꼬리 부분에서 물질을 포집하여 지구로 보냈습니다. 하지만 분석 결과 혜성의 물은 지구의 물과 성분이 다르다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 과학적 가설을 검증하고 새로운 방향을 모색하게 하는 중요한 전환점이 되었습니다. 2014년 로제타 탐사선은 67P/추류모프-게라시멘코 혜성에 착륙선 필레를 내려보내는 역사적인 시도를 했습니다. 비록 낮은 중력 때문에 착륙선이 튕겨 나가 그늘진 곳에 박히는 우여곡절을 겪었지만, 6개월 만에 깨어나 귀중한 데이터를 전송했습니다. 이 탐사를 통해 측정된 혜성의 수소 동위원소 비 역시 지구와는 차이가 있음이 재확인되었습니다. 이는 혜성이 지구 물의 유일한 기원이 아닐 수 있다는 중요한 과학적 근거를 제시했습니다. 지구는 끊임없는 지각 변동과 마그마 활동으로 인해 초기 역사가 많이 훼손되었지만, 우주의 작은 천체들은 환경이 다릅니다. 특히 유기 화합물이나 아미노산 같은 생명의 기초 재료가 소행성에서 발견된다면, 이는 지구가 어떻게 생명체가 살 수 있는 행성이 되었는지를 설명하는 결정적인 열쇠가 될 것입니다. 천문학자들이 이 작은 바위 덩어리들에 집착하는 이유는 바로 그 속에 숨겨진 생명의 기원을 추적할 수 있는 단서가 포함되어 있기 때문입니다. 하야부사 2호는 류구의 표면뿐만 아니라 내부 물질을 채취하기 위해 인공 크레이터를 만드는 고난도 임무를 수행했습니다. 탐사 전에는 지형을 전혀 알 수 없었기에, 현장에서 실시간으로 지도를 만들고 안전한 착륙 지점을 선정하는 치밀한 과정이 필요했습니다. 이러한 노력은 단순히 기술적 한계에 도전하는 것을 넘어, 우리가 어디에서 왔는지에 대한 근원적인 질문에 답하기 위한 여정입니다. 소행성 탐사는 태양계의 잃어버린 시간을 되찾아주는 소중한 기록입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학
지구환경과학
천문학

[그림으로 보는 과학뉴스] 알파폴드 part 1

과거 이세돌 9단과의 바둑 대결로 전 세계를 놀라게 했던 구글 딥마인드가 이번에는 생물학의 거대한 난제를 해결하며 다시금 주목받고 있습니다. 바로 '알파폴드'라는 인공지능 프로그램을 통해 단백질 구조 예측 분야에서 혁신적인 성과를 거둔 것입니다. 이는 지난 50여 년간 수많은 과학자가 매달려온 생물학적 과제를 인공지능이 해결했다는 점에서 과학계에 엄청난 충격을 안겨주었습니다. 단백질 구조 연구는 생명 현상을 이해하는 핵심 열쇠로 평가받으며, 이번 성과는 컴퓨터 과학이 노벨상 수준의 기여를 할 수 있음을 보여주는 사례로 거론되고 있습니다. 생명의 설계도라 불리는 DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합을 통해 아미노산 서열을 결정합니다. 총 64가지의 조합 중 실제로 우리 몸을 구성하는 아미노산은 약 20가지 종류에 불과합니다. 이 아미노산들이 사슬처럼 길게 연결되어 하나의 단백질을 형성하게 되는데, 이것이 단순히 일렬로 늘어서 있는 상태는 에너지가 매우 높아 불안정합니다. 따라서 단백질은 자연스럽게 에너지가 가장 낮은 안정된 상태를 찾아 복잡한 단백질 접힘 과정을 거치게 됩니다. 이러한 물리적 변화가 우리가 흔히 말하는 생명 활동의 기초가 됩니다. 단백질이 어떤 모양으로 접히느냐는 그 단백질이 수행할 기능을 결정하는 결정적인 요소입니다. 예를 들어 우리 몸의 손톱이 딱딱한 성질을 유지하거나 면역 체계에서 항체가 특정 바이러스를 인식하는 기능은 모두 단백질의 3차원 구조에서 비롯됩니다. 즉, 단백질의 3차원 구조를 정확히 파악하는 것은 곧 생명체가 어떻게 작동하는지, 그리고 특정 질병이 왜 발생하는지를 이해하는 근본적인 토대가 됩니다. 구조가 곧 기능을 정의한다는 점은 생물학의 대원칙 중 하나이며, 이를 규명하는 것은 인류가 생명의 신비를 푸는 과정에서 반드시 넘어야 할 산이었습니다. 단백질 구조 연구는 생물학의 영역을 넘어 물리학과 컴퓨터 과학의 융합이 필수적인 분야입니다. 아미노산 서열이 3차원 구조로 변하는 과정은 원자와 분자 사이의 물리적인 힘과 에너지 최적화 원리에 기반하기 때문입니다. 물리학자들은 이러한 미시적인 관점에서 생명체를 구성하는 물질들이 어떻게 안정된 구조를 형성하는지 탐구해 왔습니다. 이는 생명 현상이 단순히 화학적인 반응을 넘어 정교한 물리적 메커니즘에 의해 통제되고 있음을 시사합니다. 학문 간의 경계를 허무는 이러한 다학제적 접근은 복잡한 생명 현상을 시뮬레이션하고 예측하는 데 있어 핵심적인 역할을 수행합니다. 과거에는 단백질의 구조를 밝히기 위해 막대한 시간과 비용이 드는 실험적 방법이 동원되었습니다. 하지만 인공지능을 활용한 시뮬레이션 기술의 발전으로 이제는 컴퓨터가 원자 간의 힘을 계산하여 단백질의 모습을 정밀하게 구현해낼 수 있게 되었습니다. 실험 데이터와 인공지능의 예측치가 일치할 때 연구자들은 생명의 신비를 한 꺼풀 더 벗겨냈다는 희열을 느낍니다. 이러한 기술적 진보는 향후 신약 개발이나 질병 치료 등 인류의 삶을 개선하는 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 이끌어낼 것으로 기대됩니다. 인공지능은 이제 단순한 도구를 넘어 과학적 발견의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
생명과학
융합

[SC과학탐구생활] 과식 : 마이야르 반응

우리가 고기를 구울 때 나타나는 가장 눈에 띄는 변화는 선홍빛 살코기가 먹음직스러운 갈색으로 변하는 현상입니다. 이를 과학적으로는 '갈변 반응'의 일환으로 설명할 수 있는데, 단순히 색이 변하는 것을 넘어 고기 특유의 풍미와 향을 결정짓는 핵심적인 과정입니다. 많은 이들이 고기가 익어가는 과정을 당연하게 여기지만, 그 이면에는 수많은 화학적 결합과 분해가 숨어 있습니다. 갈색으로 변한 고기 표면은 시각적인 즐거움뿐만 아니라 미각을 자극하는 복합적인 화합물을 포함하고 있어 요리의 완성도를 높여줍니다. 갈변 반응은 크게 효소적 반응과 비효소적 반응으로 나뉩니다. 사과를 깎아 두었을 때 색이 변하는 것이 대표적인 효소적 반응인 반면, 고기를 구울 때 일어나는 현상은 '마이야르 반응'이라 불리는 비효소적 반응입니다. 이는 열에 의해 식재료 내부의 성분들이 서로 결합하며 복잡한 변화를 일으키는 과정입니다. 양파를 오래 볶아 풍미를 끌어올리는 캐러멜화 역시 이와 유사한 원리로 작용하며, 식재료가 가진 본연의 잠재력을 극대화하는 과학적 원리라 할 수 있습니다. 성공적인 마이야르 반응을 이끌어내기 위해서는 적절한 온도 조절이 필수적입니다. 보통 130도에서 200도 사이의 고온에서 반응이 활발하게 일어나는데, 이때 가장 큰 방해 요소는 고기 표면의 수분입니다. 수분이 남아 있으면 열에너지가 물을 증발시키는 데 먼저 소모되어 온도가 충분히 올라가지 못하기 때문입니다. 따라서 고기를 굽기 전 표면의 물기를 제거하고 180도 정도의 높은 온도를 유지하는 것이 중요합니다. 수분이 증발한 자리에 열이 직접 전달될 때 비로소 우리가 원하는 깊고 진한 고기의 풍미가 형성되기 시작합니다. 간혹 고기 표면이 짙게 변하는 것을 보고 고기가 탔다고 오해하는 경우가 있습니다. 하지만 이는 조리 과정에서 자연스럽게 발생하는 현상으로, 적절한 수준의 변화는 요리의 깊이를 더해줍니다. 여기서 온도가 더 높아지거나 조리 시간이 길어지면 '탄화' 과정이 진행되어 고기가 검게 변하게 됩니다. 탄화는 유기물이 열분해되어 탄소만 남는 현상으로, 이 단계에 이르면 고소한 맛 대신 쓴맛이 나고 건강에도 해로운 성분이 발생할 수 있습니다. 따라서 맛있는 고기를 위해서는 적절한 조리 시점을 파악하여 탄화가 시작되기 전에 불을 조절하는 안목이 필요합니다. 요리는 단순히 재료를 익히는 행위를 넘어 정교한 과학적 원리가 적용되는 과정입니다. 마이야르 반응을 이해하고 이를 조리에 활용한다면 평범한 고기 한 점도 예술적인 요리로 탈바꿈할 수 있습니다. 적절한 온도와 수분 관리, 그리고 갈변 반응의 정도를 파악하는 안목이 더해질 때 비로소 최상의 맛을 구현할 수 있는 것입니다. 과학은 실험실에만 존재하는 것이 아니라 우리가 매일 마주하는 식탁 위에서도 끊임없이 일어나고 있습니다. 오늘 저녁, 고기를 구우며 일어나는 갈색의 변화 속에 담긴 과학의 신비를 직접 경험해 보시길 바랍니다.

국립과천과학관과학실험교실🧪

화학

[COVID-19_talk_10] COVID-19 therapeutics, things are due to atoms_Chaok Seok Professor | 10강

세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질, 핵산, 지질과 같은 분자들의 집합체입니다. 이러한 생명 현상의 핵심은 원자 간의 상호작용, 특히 물과 친한 친수성과 물을 멀리하는 소수성 상호작용에 있습니다. 바이러스 단백질은 소수성 원자들을 안으로 숨기고 친수성 원자들을 겉으로 드러내어 물속에서 특정한 입체 구조를 유지합니다. 이 때문에 바이러스는 비말이나 에어로졸 같은 물방울 형태에서만 안정적으로 존재할 수 있으며, 습도가 높아져 물방울이 무거워지면 지면으로 떨어져 전파력이 낮아지기도 합니다. 치료제의 원리는 바이러스의 특정 단백질에 약물 분자가 강하게 결합하여 그 기능을 마비시키는 데 있습니다. 독감 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질 구멍에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막습니다. 하지만 코로나19 바이러스에는 이와 유사한 단백질이 없기 때문에 타미플루는 효과가 없습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라 역시 코로나19의 프로테아제 단백질과 구조적으로 맞지 않아 기대만큼의 효과를 거두지 못했습니다. 결국 치료제 개발의 핵심은 바이러스 단백질의 정밀한 입체 구조를 파악하는 것입니다. 현재 사용되는 렘데시비르는 바이러스의 RNA 복제 과정을 방해하는 전략을 취합니다. 이 약물은 RNA를 구성하는 분자와 매우 흡사한 모양을 하고 있어, 바이러스의 RNA 중합효소를 속이고 RNA 사슬에 끼어들어 합성을 중단시킵니다. 한편, 많은 연구자가 주목하는 스파이크 단백질은 인간 세포의 수용체와 결합하여 침투의 관문을 여는 역할을 합니다. 이 단백질은 세 개의 동일한 부분이 모여 정삼각형 구조를 이루며, 특정 부분이 위로 올라가는 '업(Up)' 상태가 되었을 때만 인간 세포와 결합할 수 있는 독특한 메커니즘을 가지고 있습니다. 코로나19 바이러스가 사스보다 위협적인 이유는 변이를 통해 결합력과 면역 회피 능력을 동시에 강화했기 때문입니다. 사스와 비교했을 때 코로나19는 스파이크 단백질의 특정 아미노산이 변이되어 인간 수용체인 ACE2와 훨씬 더 강하게 결합합니다. 흥미로운 점은 결합 부위가 노출되는 빈도를 낮추어 인체의 면역 공격을 교묘히 피하면서도, 한 번 결합할 때는 매우 강력하게 달라붙는 전략을 사용한다는 것입니다. 이러한 정밀한 변이는 바이러스가 인간 사회에서 더욱 치명적이고 광범위하게 전파될 수 있는 원동력이 되었습니다. 계산 화학은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 복잡한 단백질 구조와 약물 간의 상호작용을 예측하는 학문입니다. 비록 현재의 예측 정확도가 완벽하지는 않지만, 수백만 개의 후보 물질 중 유망한 것들을 골라내어 실험 비용과 시간을 획기적으로 줄여줍니다. 특히 바이러스는 끊임없이 변이를 일으키므로, 이에 신속하게 대응하기 위해서는 인공지능과 머신러닝을 활용한 계산 화학의 역할이 필수적입니다. 앞으로 계산 화학이 발전한다면 기존 약물의 재창출은 물론, 변종 바이러스에 대비한 차세대 치료제와 백신 설계에 결정적인 기여를 할 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[코로나TALK-10] 코로나시대 빌게이츠가 주목한 분야, 앞으로 노벨상이 유력한 분야_석차옥 교수 | 10강

세상은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질과 핵산 같은 분자들의 집합체입니다. 계산화학자는 실험 가운 대신 컴퓨터를 이용해 이러한 원자 간의 상호작용을 분석합니다. 특히 물 분자와의 관계인 친수성·소수성 상호작용은 바이러스의 형태를 유지하는 핵심적인 힘입니다. 바이러스가 비말이나 에어로졸 상태에서만 생존할 수 있는 이유도 물이 없으면 그 정교한 구조가 무너지기 때문입니다. 이러한 원자 수준의 이해는 치료제 개발의 가장 기초적인 토대가 됩니다. 효과적인 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막는 원리로 작동합니다. 하지만 코로나19에는 타미플루가 효과가 없는데, 이는 유전체 구조상 해당 표적 단백질이 존재하지 않기 때문입니다. 단백질은 아미노산 서열이 3차원 구조로 접히면서 고유한 기능을 갖게 되는데, 약물은 이 구조의 틈새에 정확히 들어맞아야 합니다. 따라서 바이러스마다 다른 단백질 구조를 정확히 파악하는 것이 치료제 설계의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라가 코로나19에 큰 효과를 보지 못한 이유도 단백질 구조의 차이에 있습니다. 두 바이러스 모두 프로테아제를 가지고 있지만, 그 입체적인 모양이 너무나 달라 약물이 제대로 결합하지 못했습니다. 반면 렘데시비르는 RNA 복제 과정을 방해하는 방식으로 어느 정도 성과를 거두었습니다. 바이러스의 RNA 중합효소를 속여 가짜 부품을 끼워 넣음으로써 유전체 합성을 중단시키는 전략입니다. 이처럼 치료제 개발은 원자 단위에서 벌어지는 정교한 속임수와 결합의 싸움입니다. 코로나19 바이러스의 표면에 돋아난 스파이크 단백질은 인간 세포 침투의 첫 관문입니다. 이 단백질의 핵심인 RBD는 평소에는 아래로 향해 면역 체계의 공격을 피하다가, 결합 시에만 위로 올라오는 영리한 전략을 사용합니다. 사스 바이러스와 비교했을 때 코로나19는 RBD의 아미노산 변이를 통해 인간 수용체와 훨씬 더 강하게 결합하도록 진화했습니다. 이러한 구조적 변화와 변이를 원자 수준에서 시뮬레이션하고 예측하는 작업은 변종 바이러스에 대응하기 위한 필수적인 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 현재 컴퓨터를 이용한 구조 예측 기술은 실험적 한계를 보완하며 신약 개발의 속도를 획기적으로 높이고 있습니다. 비록 현재의 정확도가 완벽한 수준은 아니지만, 수백만 개의 후보 물질 중 가능성 있는 것들을 추려냄으로써 막대한 시간과 비용을 절감해 줍니다. 인공지능과 머신러닝 기술의 도입은 이러한 계산화학의 지평을 더욱 넓히고 있습니다. 앞으로 계산화학은 바이러스의 변이를 실시간으로 예측하고, 그에 최적화된 진단제와 치료제를 설계하는 데 있어 인류의 가장 강력한 무기가 될 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[코로나 인터뷰] 석차옥 _단백질 구조 연구가 중요한 이유

단백질은 생명체를 구성하는 핵심적인 분자로, 우리 몸이라는 거대한 기계를 이루는 부품과 같습니다. 기계의 부품이 각기 다른 모양을 지녀야 제 기능을 하듯, 단백질 역시 고유한 단백질 구조를 형성해야만 생명 현상을 유지하는 역할을 수행할 수 있습니다. 따라서 단백질 구조를 명확히 파악하는 일은 생명 현상의 본질을 이해하는 첫걸음이자, 각종 질병의 치료제를 개발하는 데 있어 매우 중요한 토대가 됩니다. 하지만 인간의 직관만으로는 이 복잡한 단백질 구조를 예측하는 것이 거의 불가능에 가깝습니다. 단백질 구조를 예측하는 일은 수십 년간 과학계의 난제로 남아 있습니다. 최근 인공지능 기술인 알파폴드가 등장하며 큰 진전을 이루었지만, 여전히 한계는 존재합니다. 알파폴드는 기존에 축적된 아미노산 서열이 풍부한 경우에만 높은 정확도를 보이기 때문입니다. 아미노산 서열이 부족한 신종 바이러스 단백질의 경우, 인공지능이 제시하는 단백질 구조 중 상당수가 실제와 다를 가능성이 있어 여전히 인간의 정밀한 검토와 연구가 필요합니다. 인공지능은 어디까지나 연구를 돕는 도구로서 그 가치를 지닙니다. 실제 연구 현장에서는 초저온 전자현미경을 활용해 단백질 구조를 직접 관찰하기도 하지만, 이 과정에는 막대한 비용과 시간이 소요됩니다. 또한 이렇게 얻은 구조 정보조차 전체의 80~90% 수준에 그치는 불완전한 경우가 많습니다. 현재 진행 중인 연구는 이러한 불완전한 구조 정보의 빈틈을 메워 100%의 완성된 모델을 만드는 데 집중하고 있습니다. 이는 단백질이 실제로 어떻게 움직이고 상호작용하는지 정밀하게 분석하기 위한 필수적인 기초 작업이며, 계산과학이 실험의 한계를 보완하는 지점이기도 합니다. 과학자로서의 삶은 끊임없는 고민과 슬럼프의 연속이기도 합니다. 학문적 성취에 대한 압박이나 진로에 대한 불안감은 누구에게나 찾아올 수 있는 시련입니다. 하지만 생명의 탄생을 직접 경험하며 삶의 가치를 새롭게 발견하거나, 직책이라는 외적인 조건보다 과학 그 자체를 즐기려는 마음가짐을 가질 때 비로소 어려움을 극복할 수 있습니다. 내가 지금 과학을 하고 있다는 사실 그 자체에 집중하며 마음을 비우는 태도는 연구자로서 긴 여정을 지속하게 하는 가장 큰 원동력이 됩니다. 연구에 몰입하다 보면 신체적인 건강을 소홀히 하기 쉽지만, 건강한 몸은 곧 건강한 연구의 밑바탕이 됩니다. 척추 건강을 위해 시작한 달리기나 한국무용은 단순한 운동을 넘어 정신 수양의 도구가 되기도 합니다. 특히 한국무용은 자신의 몸을 깊이 들여다보게 하며 예술적 욕구까지 충족시켜 주는 훌륭한 활동입니다. 연구실 환경을 좌식으로 꾸미고 틈틈이 몸을 돌보는 등의 노력은 지속 가능한 연구를 위해 반드시 필요합니다. 몸과 마음의 균형을 찾는 과정은 결국 더 나은 연구 결과로 이어지기 마련입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[강연] 생명의 기원, 그리고 세포내 공생을 통한 식물의 진화 _ by윤환수｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 6강 | 6강

생명의 기원을 밝히려는 노력은 무기물에서 유기물이 합성되는 '화학 진화' 단계에서 시작됩니다. 오파린의 가설을 바탕으로 밀러와 유리는 원시 지구 환경을 재현한 실험을 통해 아미노산이 생성될 수 있음을 증명했습니다. 단백질의 기본 단위인 아미노산뿐만 아니라 유전 정보를 저장하는 RNA의 핵산 역시 특정 조건에서 고분자로 변환될 수 있다는 사실이 확인되었습니다. 이러한 유기물들이 지질막으로 둘러싸여 외부와 구별되는 독립된 계를 형성하면서, 비로소 생명으로 나아가는 첫걸음이 시작되었습니다. 최초의 생명체인 '루카(LUCA)'는 뜨겁고 산소가 없는 극한의 환경에서 탄생했을 것으로 추정됩니다. 특히 심해의 알칼리 열수구는 수소 이온 농도 차이를 이용해 에너지를 생성할 수 있는 최적의 장소로 꼽힙니다. 이곳에서 초기 생명체는 태양광 없이도 황이나 수소 같은 무기물을 이용해 스스로 유기물을 합성하는 독립 영양 생물로 살아가기 시작했습니다. 약 35억 년 전의 화석 기록은 이미 정교한 세포 구조를 가진 생명체가 존재했음을 보여주며, 이는 생명의 역사가 지구 형성 초기부터 매우 역동적으로 전개되었음을 시사합니다. 지구의 환경을 근본적으로 바꾼 사건은 약 24억 년 전 남세균의 출현과 함께 시작된 산소 농도의 급증입니다. 광합성을 통해 산소를 배출하는 남세균은 당시 혐기성 생물들에게는 치명적인 독성 환경을 조성했습니다. 하지만 이 격변의 시기는 오히려 생명 진화의 새로운 기회가 되었습니다. 산소 농도가 높아지면서 철광석 지층이 형성되었고, 생명체들은 활성산소의 위협에 대응하거나 이를 이용해 더 높은 에너지를 얻는 방식으로 진화해야 했습니다. 이러한 환경적 압박은 서로 다른 성질을 가진 세포들이 결합하는 공생의 발판이 되었습니다. 진핵생물의 탄생은 고세균과 세균의 운명적인 만남에서 비롯되었습니다. 최근 발견된 '로키 고세균'은 진핵생물과 유사한 유전자를 가지고 있어, 이들이 세균을 세포 내로 받아들여 미토콘드리아로 변화시킨 주역임을 암시합니다. 세포 내 공생을 통해 에너지를 전담하는 기관을 갖게 된 진핵세포는 더 큰 몸집과 복잡한 구조를 유지할 수 있는 동력을 얻었습니다. 이는 단순히 개별 세포의 진화를 넘어, 서로 다른 생명체가 하나로 합쳐져 완전히 새로운 형태의 생명으로 거듭난 진화사적 대사건이라 할 수 있습니다. 식물의 기원은 광합성을 하던 남세균이 진핵세포 안으로 들어가 엽록체가 되면서 시작되었습니다. 약 16억 년 전 발생한 이 '1차 세포 내 공생' 사건을 통해 홍조식물, 녹색식물, 회색식물이라는 세 갈래의 식물 그룹이 형성되었습니다. 남세균의 유전자는 숙주 세포의 핵으로 이동하여 효율적으로 통제되었고, 이를 통해 안정적인 광합성 시스템이 구축되었습니다. 이 과정은 지구상에 산소를 공급하고 유기물을 생산하는 거대한 생태계의 기초를 닦았으며, 훗날 육상 식물이 출현하여 동물이 살 수 있는 환경을 만드는 결정적인 계기가 되었습니다. 진화의 신비는 여기서 멈추지 않고, 이미 엽록체를 가진 세포가 다시 다른 세포의 먹이가 되어 공생하는 '2차 세포 내 공생'으로 이어졌습니다. 미역이나 다시마 같은 갈조류와 적조를 일으키는 와편모조류 등이 바로 이러한 복잡한 과정을 거쳐 탄생한 생명체들입니다. 이들의 엽록체는 3개 이상의 막으로 둘러싸여 있으며, 때로는 원래 세포의 핵 흔적인 '뉴클레오모프'를 간직하고 있기도 합니다. 이러한 다중 공생 구조는 마치 러시아 인형인 마트료시카처럼 생명 안에 또 다른 생명이 겹겹이 쌓여 있는 진화의 역사를 고스란히 보여줍니다. 오늘날에도 '폴리넬라'와 같은 생물은 남세균을 획득하여 식물로 진화하는 과정을 실시간으로 보여주는 살아있는 실험실 역할을 합니다. 16억 년 전의 거대한 사건이 현대에도 반복될 수 있음을 보여주는 이 사례는 세포 내 공생이 생물 다양성을 폭발시키는 강력한 촉매제임을 증명합니다. 무기물에서 시작된 작은 움직임이 공생과 연합을 거쳐 오늘날의 복잡한 생태계를 이룬 과정은 경이롭기까지 합니다. 결국 생명의 역사는 각자도생이 아닌, 서로를 받아들이고 함께 생존하는 방식을 찾아온 끊임없는 협력의 여정이라 할 수 있습니다.

윤환수

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 분자세계 게임의 법칙을 찾아서 _ by석차옥｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 9강 | 9강 ①

단백질은 생명 현상을 유지하는 핵심적인 분자로, 20가지 아미노산이 특정 순서로 연결되어 고유한 입체 구조를 형성합니다. 이 과정에서 물을 좋아하는 친수성 아미노산은 표면으로, 물을 싫어하는 소수성 아미노산은 안쪽으로 모이려는 성질이 작용합니다. 아미노산 서열에 담긴 정보가 복잡한 물리적 상호작용을 거쳐 하나의 안정한 구조로 접히는 현상을 단백질 폴딩이라 부르며, 이는 생명체의 기능을 결정하는 가장 기초적인 설계도와 같습니다. 이러한 구조적 안정성은 생명체가 환경에 적응하고 고유의 생리적 기능을 수행하는 데 필수적인 토대가 됩니다. 단백질의 구조를 이해하는 것은 생명 과학과 의학의 발전에 필수적입니다. 산소를 운반하는 마이오글로빈이나 에너지를 합성하는 단백질의 기작은 모두 그 형태에서 비롯됩니다. 특히 암 치료제인 글리벡이나 독감 치료제 타미플루처럼 특정 단백질의 기능을 조절하는 의약품 개발은 정밀한 구조 정보가 뒷받침되어야 가능합니다. 세포 밖의 신호를 내부로 전달하는 단백질군인 GPCR 연구가 수많은 노벨상을 배출한 이유도 바로 이러한 구조적 중요성 때문입니다. 구조를 아는 것은 곧 생명의 작동 원리를 파악하는 것과 같습니다. 전통적으로 단백질 구조는 X선 결정학이나 극저온 전자현미경과 같은 실험적 방법으로 밝혀왔습니다. 하지만 하나의 구조를 결정하는 데는 막대한 시간과 비용이 소요되며, 실험이 까다로운 경우도 많습니다. 반면 차세대 염기서열 해독 기술의 발달로 단백질의 아미노산 서열 정보는 기하급수적으로 늘어나고 있습니다. 이러한 실험적 구조 결정과 서열 정보 사이의 거대한 격차를 메우기 위해 컴퓨터를 이용한 단백질 구조 예측 기술이 현대 과학의 중요한 과제로 떠올랐습니다. 이는 실험의 한계를 극복하고 생명 정보의 활용도를 높이는 핵심 기술입니다. 단백질 구조 예측의 정확성을 겨루는 올림픽이라 불리는 CASP 대회는 2년마다 블라인드 테스트 방식으로 열립니다. 예측의 기본 원리는 열역학적으로 가장 안정한 상태를 찾는 것입니다. 아미노산 서열이 주어졌을 때 자유 에너지가 최소가 되는 지점을 찾아내는 과정은 바둑의 경우의 수보다 훨씬 복잡한 탐색을 요구합니다. 자연 법칙이라는 정답을 찾아가는 이 과정은 수많은 국소 최솟값들 사이에서 전역 최솟값을 발견해야 하는 고도의 계산 과학적 도전입니다. 정확한 에너지 함수를 정의하고 이를 효율적으로 탐색하는 것이 이 분야의 핵심적인 목표입니다. 최근 인공지능 기술의 도입은 단백질 구조 예측 분야에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 방대한 서열 데이터에서 진화적으로 연관된 정보를 추출하고, 딥러닝을 통해 아미노산 사이의 거리를 정밀하게 예측하며 압도적인 성과를 거두었습니다. 이는 단순히 기존의 물리 법칙을 계산하는 것을 넘어, 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 학습하여 정답에 접근하는 새로운 길을 제시한 것입니다. 인공지능은 이제 화학자가 자연의 비밀을 푸는 강력한 도구가 되었으며, 기존의 이론적 접근 방식과 결합하여 시너지를 내고 있습니다. 구조 예측을 넘어 새로운 기능을 가진 단백질을 직접 설계하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 자연계에 존재하지 않는 서열을 조합하여 특정 구조를 유도함으로써 난치병 치료나 신소재 개발에 활용하려는 시도입니다. 또한 일반인들이 게임을 통해 단백질 구조를 찾는 '폴딧' 프로젝트처럼, 집단 지성과 컴퓨터 계산을 결합한 형태의 연구도 성과를 내고 있습니다. 이러한 노력은 단백질이 단순한 관찰의 대상이 아니라 인류가 목적에 맞게 설계하고 제어할 수 있는 영역임을 보여줍니다. 이는 생명 공학의 패러다임을 바꾸는 획기적인 변화의 시작입니다. 미래의 화학은 인공지능과 로봇 기술이 결합하여 실험과 계산이 유기적으로 연결되는 모습으로 진화할 것입니다. 인공지능이 반복적이고 방대한 계산 업무를 수행하면, 과학자는 더 창의적이고 근원적인 질문에 집중할 수 있는 환경이 조성됩니다. 화학은 이제 물리, 생물, 컴퓨터 공학 등 다양한 학문이 융합되는 중심지 역할을 하며 인류의 난제를 해결하는 데 기여할 것입니다. 다양한 분야의 지식을 멋지게 융합할 때 비로소 우리는 자연의 미스터리를 풀고 새로운 가치를 창출할 수 있습니다. 융합적 사고는 미래 과학을 이끄는 가장 강력한 힘이 될 것입니다.

석차옥, 이주용

카오스재단카오스강연

화학

[카오스 술술과학] 거울아 거울아, 세상에서 제일 예쁜 분자가 뭐니?

생명체를 구성하는 거대 분자인 고분자 중에서도 DNA는 유전 정보를 전달하는 핵심적인 역할을 수행합니다. DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합으로 모든 생명의 설계도를 그려냅니다. 흥미로운 점은 이들 분자가 화학적으로는 매우 흔한 퓨린이나 피리미딘 계열의 사촌들과 닮았음에도 불구하고, 오직 이 네 가지만이 선택되었다는 사실입니다. 수많은 유사 분자들 사이에서 왜 하필 이들이 생명의 언어로 낙점되었는지에 대한 의문은 분자 수준의 정교한 선택 과정을 암시합니다. 자연이 특정 염기만을 선택한 기준은 바로 분자의 안정성에 있습니다. 모든 분자는 빛이나 열 에너지를 받으면 에너지가 높아지는 '들뜬 상태'가 될 수 있는데, 이때 분자는 구조가 변하거나 다른 물질로 바뀌기 쉽습니다. 아데닌과 그 쌍둥이 형제 분자를 비교해 보면, 아데닌은 에너지를 받아도 쉽게 들뜨지 않는 반면 형제 분자는 매우 민감하게 반응합니다. 유전 정보라는 막중한 임무를 수행하기 위해서는 외부 자극에도 변치 않는 충실함이 필수적이었기에, 자연은 가장 안정적인 분자들을 선택하여 생명의 연속성을 보장한 것입니다. 단백질을 구성하는 기본 단위인 아미노산에서도 자연의 기묘한 선택은 계속됩니다. 화학적으로는 두 형태가 동등한 지위를 가져야 마땅하지만, 놀랍게도 지구상의 모든 생명체 내 단백질은 오직 한쪽 방향의 분자로만 이루어져 있습니다. 이러한 불균형 현상은 생태계를 지배하는 독특한 특징이며, 이는 생명 탄생의 신비를 푸는 중요한 열쇠로 여겨집니다. 과학자들은 이를 통해 생명 시스템이 어떻게 정교하게 구축되었는지 연구하고 있으며, 이는 현대 과학이 당면한 가장 어려운 난제 중 하나로 손꼽힙니다. 왜 자연이 왼손잡이 아미노산만을 선택했는지에 대해서는 현대 과학에서도 여전히 명확한 해답을 내놓지 못하고 있습니다. 초기 우주 형성 과정에서 미세하게 더 많았던 특정 방향의 분자가 진화를 거치며 증폭되었다는 가설이 존재하지만, 이를 뒷받침할 결정적인 근거는 아직 부족한 실정입니다. 거울 속의 세상처럼 완벽히 대칭적인 두 가능성 중 하나가 선택된 이 사건은, 단순한 화학적 우연을 넘어 생명 시스템이 구축되는 과정에서 발생한 가장 극적이고도 신비로운 현상 중 하나로 평가받습니다. 결국 분자의 세계에서 시작된 이 질문은 우주의 기원과 생명의 탄생을 잇는 거대한 징검다리가 됩니다. 우주가 팽창하고 냉각되는 과정에서 물질들이 형태를 갖추고, 작은 분자들이 결합하여 DNA와 아미노산이라는 생명의 근원에 도달하기까지의 여정은 유기적으로 연결되어 있습니다. 호모카이랄리티라는 현상은 우리가 단순히 지구라는 환경을 넘어, 우주 전체의 질서 속에서 생명이 어떻게 정의되고 형성되었는지를 다시금 성찰하게 만듭니다. 분자 하나에 담긴 선택의 흔적이 곧 우주의 역사인 셈입니다.

카오스재단술술과학

화학

[강연] DNA : 생명체 번식과 다양성의 열쇠 (1) _ 조윤제 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 2강 | 2강 ①

DNA는 데옥시리보핵산이라 불리는 생명체의 근본 물질로, 우리 몸의 설계도와 같은 역할을 수행합니다. 1869년 스위스의 화학자 미셰르는 백혈구에서 인 성분이 풍부한 새로운 물질을 발견하고 이를 '뉴클레인'이라 명명했습니다. 비록 당시에는 큰 주목을 받지 못했지만, 이는 생명 과학의 역사를 바꾼 위대한 발견의 시작이었습니다. DNA는 단순한 화학 물질을 넘어 인류의 기원을 추적하고 범죄 현장의 실마리를 찾는 등 현대 사회의 다양한 분야에서 생명의 다양성을 증명하는 핵심적인 지표로 활용되고 있습니다. 이후 러시아의 화학자 레빈은 DNA가 염기, 5탄당, 인산이라는 세 가지 요소가 결합한 뉴클레오티드로 구성되어 있음을 밝혀냈습니다. 염기는 아데닌, 구아닌, 사이토신, 티민의 네 종류로 나뉘며, 이들의 정교한 조합이 생명의 다양성을 결정합니다. 1950년대 샤가프는 종마다 염기 구성이 다르다는 사실과 함께, 특정 염기들의 양적 비율이 일정하다는 법칙을 발견했습니다. 이러한 화학적 기초는 훗날 DNA의 입체 구조를 규명하는 데 결정적인 단서가 되었으며, 생명 정보가 어떻게 저장되고 유지되는지 이해하는 중요한 토대가 되었습니다. 1953년 왓슨과 크릭은 DNA가 이중나선 구조로 이루어져 있다는 혁신적인 모델을 제시하며 생물학의 새로운 장을 열었습니다. 이 과정에서 로잘린드 프랭클린이 촬영한 X선 회절 사진은 DNA의 구조적 증거를 확보하는 데 핵심적인 역할을 했습니다. 이중나선 구조의 발견이 중요한 이유는 유전 정보가 어떻게 다음 세대로 복제되고 전달되는지를 명확하게 설명할 수 있기 때문입니다. 두 가닥의 나선이 분리되면서 각각을 틀로 삼아 새로운 가닥이 합성되는 방식은 생명이 영속성을 유지하는 근본적인 메커니즘을 과학적으로 증명해 주었습니다. DNA에 담긴 유전 정보는 전사와 번역이라는 복잡한 과정을 거쳐 단백질로 발현됩니다. 먼저 세포 핵 안에서 DNA의 정보가 RNA로 복사되는 전사가 일어나고, 이 RNA가 핵 밖으로 나와 아미노산을 연결하며 단백질을 만드는 번역 단계가 진행됩니다. 네 개의 염기가 세 개씩 짝을 이루는 '코돈'이라는 유전 암호는 20가지 아미노산을 지정하며 생명 활동에 필요한 다양한 단백질을 생성합니다. 근육을 움직이는 마이오신이나 산소를 운반하는 헤모글로빈 등 우리 몸의 모든 기능은 결국 이 정교한 유전 암호 체계로부터 시작되는 것입니다. 세포 내의 DNA는 매우 길기 때문에 히스톤 단백질을 실타래처럼 감아 염색체라는 형태로 빽빽하게 압축되어 존재합니다. 인간은 총 23쌍의 염색체를 가지고 있으며, 이는 생명체의 모든 형질을 결정하는 소중한 유전적 자산입니다. 하지만 유전 정보가 복제되거나 단백질을 만들어야 할 때는 이 단단하게 뭉친 구조가 일시적으로 풀어져야만 합니다. 효소가 염기 서열을 읽고 반응할 수 있는 물리적인 공간이 확보되어야 하기 때문입니다. 이처럼 DNA는 정교한 보관과 역동적인 활용이라는 두 가지 상태를 오가며 생명의 신비를 이어가고 있습니다.

조윤제

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 생명체의 탄생 (2) _ 노정혜 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강 | 1강 ②

지구상의 모든 생명체는 공통의 조상인 루카(LUCA)로부터 시작되었습니다. 약 38억 년 전보다 더 이전에 존재했을 것으로 추정되는 루카는 세균과 고균의 분기점에 위치합니다. 현대 과학자들은 현존하는 수백만 개의 유전체 데이터를 분석하여 루카가 가졌을 법한 355개의 공통 유전자를 찾아냈습니다. 이를 통해 루카가 산소 없이 수소와 이산화탄소를 활용해 에너지를 얻고 질소를 고정하며 뜨거운 환경에서 생존했던 독립영양체였음을 유추할 수 있습니다. 생명의 탄생 과정을 설명하는 화학적 진화 가설은 무기물에서 유기물이 합성되는 과정을 다룹니다. 오파린과 홀데인은 원시 지구의 환원성 대기에서 복잡한 분자가 형성되었을 것이라 주장했습니다. 이를 증명하기 위해 밀러와 유리는 실험실에서 원시 지구 환경을 재현하여 아미노산을 포함한 다양한 유기물이 자연적으로 생성될 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 실험적 근거는 생명이 단순한 화학 반응의 축적을 통해 출현했을 가능성을 강력하게 뒷받침합니다. 유전 물질의 기원에 대해서는 DNA보다 RNA가 먼저 출현했다는 'RNA 세계' 가설이 지배적입니다. RNA는 유전 정보를 저장할 뿐만 아니라 스스로 화학 반응을 촉매하는 효소 기능까지 갖추고 있기 때문입니다. RNA는 스스로를 복제하거나 아미노산을 결합시켜 단백질을 만드는 초기 역할을 수행했을 것으로 보입니다. 이후 유전 정보가 더 안정적인 DNA로 옮겨가고 단백질이 복잡한 기능을 담당하면서 현대적인 생명 시스템의 기틀이 마련되었습니다. 생명체가 독립적인 개체로 기능하기 위해서는 외부와 구분되는 구획인 세포막이 필수적입니다. 물과 섞이지 않는 지질 분자들은 스스로 뭉쳐 이중층 구조의 주머니인 베지클을 형성하며, 이것이 원시 세포인 프로토셀의 모태가 되었습니다. 이 작은 주머니 안에 유전 물질과 촉매 역할을 하는 금속 성분들이 갇히면서 효율적인 화학 반응이 일어날 수 있는 환경이 조성되었습니다. 이러한 구획화는 생명 현상이 외부 환경의 간섭 없이 지속될 수 있게 한 결정적인 단계였습니다. 해저 열수구는 생명 탄생의 유력한 후보지로 꼽힙니다. 뜨거운 물이 솟구치는 이곳의 다공성 암석은 미세한 칸막이 역할을 하여 물질을 농축시키고 반응을 촉진했습니다. 특히 열수구 주변의 황화철과 황화니켈은 강력한 촉매 작용을 하며, 알칼리성 열수와 산성 바닷물 사이의 수소 이온 농도 차이는 생체 에너지 생성의 원천이 되었습니다. 이러한 자연적인 에너지 기울기는 초기 생명체가 복잡한 대사 과정을 시작할 수 있는 동력을 제공했습니다. 초기 지구는 산소가 없는 환경이었으나, 광합성 세균인 시아노박테리아의 출현으로 거대한 변화가 시작되었습니다. 이들은 빛 에너지를 이용해 물을 분해하고 산소를 배출하며 유기물을 합성했습니다. 대기 중 산소 농도가 높아지자 이를 활용해 효율적으로 에너지를 만드는 산소 호흡 생물들이 등장했습니다. 산소의 등장은 생명체의 에너지 효율을 극적으로 높였으며, 이는 더 복잡하고 거대한 생명체로 진화할 수 있는 생물학적 토대가 되었습니다. 원핵세포에서 진핵세포로의 진화는 '세포 내 공생'이라는 획기적인 사건을 통해 이루어졌습니다. 약 20억 년 전, 산소 호흡을 하는 세균이 다른 세포 안으로 들어가 공생을 시작하면서 미토콘드리아가 되었고, 이는 진핵생물의 기원이 되었습니다. 식물의 경우 광합성을 하는 시아노박테리아가 추가로 유입되어 엽록체가 형성되었습니다. 이러한 합작품인 진핵세포는 복잡한 막 구조와 핵을 갖추게 되었으며, 오늘날 지구상에 존재하는 다양한 다세포 생물로 진화하는 출발점이 되었습니다.

노정혜

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 과거 : 지구와 생명의 대화 | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 1부 | 1부 ①

약 46억 년 전 탄생한 초기 지구는 오늘날과는 전혀 다른 모습이었습니다. 수많은 운석과 혜성이 충돌하며 질소, 이산화탄소, 수증기 같은 기체들이 대기에 공급되었고, 활발한 화산 활동을 통해 지구 내부의 가스들이 끊임없이 분출되었습니다. 시간이 흐르며 지구가 점차 식어감에 따라 대기 중의 수증기가 응결하여 바다가 형성되었는데, 이는 생명체가 탄생할 수 있는 결정적인 환경적 토대가 되었습니다. 이러한 물리적, 화학적 변화는 단순한 행성이었던 지구를 생명의 요람으로 탈바꿈시키는 위대한 첫걸음이었습니다. 원시 지구의 가혹한 환경 속에서 생명의 기본 부품인 아미노산이 만들어졌고, 이는 자기 복제와 대사 작용을 수행하는 최초의 생명체로 진화했습니다. 심해 열수구와 같은 특수한 환경은 에너지를 얻고 물질을 조립하기에 적합한 장소를 제공했으며, 이곳에서 RNA와 DNA, 그리고 지질 막을 갖춘 단위 생명체가 출현했습니다. 과학자들은 이를 모든 생명체의 공통 조상인 '루카(LUCA)'라고 부릅니다. 루카의 탄생은 지구 역사 24시간 중 새벽 5시경에 해당하며, 이후 수십억 년에 걸친 위대한 진화의 서막을 알리는 사건이었습니다. 약 35억 년 전 출현한 남세균은 광합성을 통해 지구 환경을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이들은 태양 에너지를 이용해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하며 대기 성분을 재편했습니다. 약 22억 년 전 발생한 산소 농도의 급격한 상승은 지질학적 기록인 호상철광층과 붉은 지층을 통해 확인할 수 있습니다. 산소의 증가는 지구의 온실 효과를 조절하여 생명체가 번성하기 적합한 온도를 유지하게 했으며, 이는 단순한 유기물 수준을 넘어 더 복잡한 생명체로 나아갈 수 있는 에너지 기반을 마련해 주었습니다. 풍부해진 에너지를 바탕으로 생명체는 구조적 혁신을 단행했습니다. 초기 원핵세포는 별도의 구획 없이 생존에 필요한 요소들을 배치했으나, 진핵세포는 유전 정보를 핵 안에 보호하고 특정 기능을 수행하는 소기관들을 갖추기 시작했습니다. 특히 다른 세균을 세포 안으로 받아들여 에너지 공장인 미토콘드리아와 엽록체로 변화시킨 세포 내 공생은 진화의 결정적 순간이었습니다. 이러한 변화는 마치 단칸방에서 살던 생명체가 가전제품과 가구를 갖춘 현대적인 집으로 이사한 것과 같으며, 더 높은 수준의 생명 활동을 가능하게 했습니다. 진핵세포의 등장은 필연적으로 다세포 생물로의 진화로 이어졌습니다. 볼복스와 같은 녹조류 연구를 통해 알 수 있듯이, 단세포에서 다세포로의 전환은 생각보다 복잡한 유전적 장벽을 요구하지 않았습니다. 세포 분열을 조절하는 소수의 유전자 변화만으로도 세포들은 군집을 이루고 각자의 역할을 분담하며 하나의 유기체로서 기능을 수행하게 되었습니다. 이러한 다세포화는 생명체가 더 큰 체구와 복잡한 신경계를 갖추는 기반이 되었으며, 마침내 지구상에 지능과 의식을 가진 존재가 출현할 수 있는 통로를 열어주었습니다.

안진호

카오스재단카오스콘서트

지구환경과학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (4) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ④

우리 몸은 수십 조 개의 세포로 이루어진 거대한 유기체입니다. 이 세포들을 구성하고 기능을 수행하게 만드는 핵심 물질은 바로 단백질입니다. 인체의 약 40%를 차지하는 단백질은 생명 현상을 실질적으로 이끌어가는 주역이라 할 수 있습니다. 물리학자가 숫자의 정밀함에 집중한다면, 생물학자는 생명이 가진 유연성과 조화에 주목합니다. 이러한 관점에서 단백질은 우리 몸의 구조를 형성할 뿐만 아니라, 끊임없이 변화하며 생명 활동을 이어가는 역동적인 기초가 됩니다. 생명체 내의 세포는 끊임없이 재생되지만, 모든 부위가 같은 방식으로 회복되는 것은 아닙니다. 혈액 세포처럼 활발하게 다시 만들어지는 부분이 있는 반면, 신경세포처럼 한 번 손상되면 재생이 어려운 조직도 존재합니다. 이러한 재생의 한계를 극복하기 위해 현대 과학은 줄기세포 연구에 매진하고 있습니다. 특히 척수 마비와 같은 신경 손상을 회복시키려는 노력은 생명의 연속성을 확보하려는 인류의 의지를 보여줍니다. 재생 가능한 영역과 그렇지 못한 영역을 이해하는 것은 우리 몸을 보호하는 첫걸음입니다. 인간 게놈 프로젝트를 통해 밝혀진 유전자의 수는 약 2만 개에서 2만 5천 개 사이입니다. 하지만 우리 몸에서 실제로 활동하는 단백질의 종류는 100만 가지가 넘습니다. 유전자 수와 단백질 수 사이의 이 거대한 차이를 'N-패러독스'라고 부릅니다. 이는 설계도인 DNA의 정보보다 실제 현장에서 일어나는 변화가 훨씬 더 복잡하고 다양함을 의미합니다. 생명은 단순히 고정된 정보를 복제하는 과정이 아니라, 주어진 정보를 바탕으로 무수히 많은 가능성을 창조해 나가는 예술적인 과정이라 할 수 있습니다. 단백질의 다양성은 유전자가 결정된 이후에 일어나는 역동적인 변화에서 기인합니다. 하나의 유전자에서 만들어진 단백질이라도 인산화, 아세틸화, 메틸화와 같은 다양한 단백질 변형 과정을 거치며 수백 가지의 다른 형태와 기능을 갖게 됩니다. 이러한 단백질 변형은 유전자가 직접 조절하지 않는 영역으로, 생명체가 환경에 적응하고 복잡한 기능을 수행할 수 있게 하는 핵심 기작입니다. 아미노산 서열이라는 기본 틀 위에 덧입혀지는 이러한 변화들이 모여 생명의 경이로운 복잡성을 완성하게 됩니다. 생명체를 구성하는 거대 고분자에는 네 가지 핵심 요소가 있습니다. 유전 정보를 담은 핵산, 기능을 수행하는 단백질, 에너지원이 되는 탄수화물, 그리고 세포의 경계를 만드는 지질이 그것입니다. 만약 우리가 외계에서 생명의 흔적을 찾는다면 가장 먼저 이 네 가지 물질의 존재 여부를 확인할 것입니다. 이들은 각각 독립적인 역할을 수행하면서도 서로 긴밀하게 상호작용하며 생명이라는 시스템을 유지합니다. 특히 단백질은 DNA를 복제하고 RNA를 전사하는 효소로서 다른 고분자들의 생성과 유지에도 깊이 관여합니다. 생명 현상의 중심 원리인 '센트럴 도그마' 과정에는 오류를 방지하기 위한 정교한 편집 기작들이 존재합니다. DNA 복제나 단백질 번역 과정에서 실수가 발생하면 세포는 이를 즉시 수정하거나, 잘못 만들어진 단백질을 빠르게 제거하여 시스템의 붕괴를 막습니다. 만약 치명적인 오류가 발생하여 수정이 불가능할 경우, 해당 세포는 스스로 사멸하는 방식을 택하기도 합니다. 이러한 다중 안전장치는 수십억 년 동안 생명이 멸종하지 않고 이어져 올 수 있었던 비결이며, 생명체가 가진 놀라운 정밀함을 대변합니다. 생명은 안정성과 유동성이라는 두 축 사이의 절묘한 균형 위에서 존재합니다. 정보를 보존하려는 DNA의 안정성과 기능을 수행하기 위해 변화를 수용하는 단백질의 역동성은 서로 대립하는 듯 보이지만 사실은 생존을 위한 최고의 파트너입니다. 이러한 생명의 원리는 우리 사회의 구조와도 닮아 있습니다. 다양성을 포용하고 변화에 유연하게 대응하면서도 핵심적인 가치를 지켜나가는 조화로움이야말로 생명이 우리에게 주는 가장 큰 가르침입니다. 우리는 단백질의 세계를 통해 생명의 신비와 삶의 지혜를 동시에 배울 수 있습니다.

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (3) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ③

단백질은 우리 몸을 구성하고 생명 현상을 유지하는 핵심 물질이지만, 때로는 질병을 일으키는 '하이드'와 같은 양면성을 지니고 있습니다. 정상적인 구조를 유지하던 단백질이 열이나 외부 요인에 의해 변성되면 서로 엉겨 붙어 침전물을 형성하게 됩니다. 이러한 현상은 신경세포를 손상시켜 치매나 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환의 원인이 되기도 합니다. 따라서 단백질의 구조적 안정성을 이해하는 것은 생명 유지뿐만 아니라 질병 치료를 위해서도 매우 중요한 과제입니다. 생명체 내에서 DNA가 유전 정보를 안정적으로 보존하는 역할을 한다면, 단백질은 역동적인 움직임을 통해 실질적인 기능을 수행합니다. 단백질은 고정된 형태에 머무르지 않고 유동적인 구조를 가짐으로써 환경 변화에 적응하고 다양한 생화학 반응에 참여합니다. 우리 몸은 단백질이 적절한 양과 올바른 구조를 유지하도록 단백질 항상성을 조절하는 정교한 시스템을 갖추고 있으며, 변성 과정에 있는 단백질을 다시 교정하는 보호 장치들을 통해 건강을 유지합니다. 단백질의 복잡성은 단순히 아미노산 서열에서 끝나는 것이 아니라, 합성 이후에 일어나는 '번역 후 변형' 과정을 통해 더욱 심화됩니다. 수천 가지 이상의 다양한 변화를 거치며 단백질은 비로소 고유의 기능을 완성하게 되는데, 이 조절 과정에 문제가 생기면 심각한 질환으로 이어질 수 있습니다. 하나의 유전자로부터 파생된 단백질이 여러 가지 형태와 기능을 가질 수 있다는 점은 생명 현상의 신비로움을 보여주는 동시에, 우리가 탐구해야 할 영역이 무궁무진함을 시사합니다. 최근 4차 산업혁명의 핵심 기술인 인공지능(AI)은 단백질 연구 분야에서도 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 방대한 데이터를 학습한 AI는 복잡한 단백질 구조를 예측하고, 자연계에 존재하지 않는 새로운 기능의 단백질을 설계하는 데 활용됩니다. 이는 마치 바둑의 기보를 학습한 알파고처럼, 아미노산의 조합을 통해 최적의 구조를 찾아내는 과정입니다. 이러한 기술적 진보는 고효율 인공 효소 개발이나 맞춤형 신약 설계의 가능성을 열어주고 있습니다. 결국 생명과학 연구의 궁극적인 지향점은 인류의 건강 증진과 질병 치료에 있습니다. 우리 몸에서 일어나는 대부분의 생리 현상과 질병의 원인이 단백질과 밀접하게 연관되어 있기에, 단백질은 가장 실질적이고 중요한 치료 표적이 됩니다. DNA나 RNA 연구가 생명의 설계도를 이해하는 과정이라면, 단백질 연구는 그 설계도를 바탕으로 지어진 건물을 유지하고 보수하는 실천적인 학문입니다. 앞으로도 단백질에 대한 깊이 있는 연구는 인류의 삶의 질을 높이는 핵심 동력이 될 것입니다.

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (2) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ②

단백질의 3차 구조를 밝혀내는 과정은 현대 생명과학에서 가장 도전적이고 중요한 과제 중 하나입니다. 단백질은 그 구조가 매우 복잡하여 비밀을 쉽게 내주지 않기에, 이를 연구하기 위해서는 방사광 가속기와 같은 수십억 원대의 거대 장비와 시설이 필수적입니다. 이러한 막대한 비용과 노력을 들여 구조를 분석하는 이유는 단백질의 구조를 아는 것이 곧 생명의 신비를 풀고 질병을 정복하는 열쇠가 되기 때문입니다. 기초 생명과학의 영역에서 단백질 구조 연구는 대체 불가능한 가치를 지닙니다. 과학자들의 꿈은 아미노산 서열만 보고도 그 단백질이 어떤 3차 구조를 형성할지 정확히 예측하는 것입니다. 만약 90% 이상의 정확도로 구조를 맞출 수 있다면 이는 노벨상에 버금가는 혁신적인 기술이 될 것입니다. 최근에는 전문가뿐만 아니라 일반인들이 참여하는 게임이나 집단지성을 활용하여 복잡한 단백질 구조를 예측하려는 시도도 이어지고 있습니다. 이는 컴퓨터 기술과 이론적 연구가 결합하여 수많은 장비와 비용 없이도 새로운 해법을 찾아가는 미래 지향적인 과정이라 할 수 있습니다. 단백질 구조를 파악하는 것은 신약 개발 분야에서 결정적인 역할을 합니다. 대표적인 백혈병 치료제인 글리벡이나 에이즈 치료제는 병을 일으키는 효소와 바이러스 단백질의 3차 구조를 정확히 분석했기에 탄생할 수 있었습니다. 적의 구조를 알면 그 핵심 부위에 딱 들어맞는 약물을 정밀하게 설계할 수 있기 때문입니다. 이처럼 기초 과학에서 시작된 구조 연구는 인류의 건강을 지키는 실질적인 치료제 개발로 이어지며, 우리가 질병의 핵심을 타격할 수 있는 '마법의 탄환'을 만들게 해줍니다. 단백질은 그 자체로 훌륭한 치료제가 되기도 하지만, 섭취 방식에는 한계가 있습니다. 인슐린이나 성장호르몬 같은 단백질 치료제를 주사로 맞는 이유는 단백질이 열이나 산에 의해 쉽게 변성되는 특성을 가졌기 때문입니다. 우리가 단백질을 먹으면 소화 효소에 의해 모두 아미노산으로 분해되어 버립니다. 따라서 고가의 단백질 치료제를 복용하는 것은 효율이 낮으며, 우리 몸은 섭취한 단백질을 다시 아미노산 단위로 해체하여 부족한 부분을 채우고 우리 몸을 구성하는 데 재조합하여 사용합니다. 우리가 흔히 느끼는 '감칠맛'의 비밀도 사실 단백질이 아닌 아미노산에 숨어 있습니다. 단백질 자체는 맛이 없지만, 숙성이나 발효 혹은 장시간 끓이는 과정을 통해 단백질이 아미노산으로 분해되면 비로소 풍부한 맛이 살아납니다. 생명체가 아미노산에 맛을 느끼도록 진화한 이유는 우리 몸에 꼭 필요한 영양소를 섭취하도록 유도하기 위함입니다. 이처럼 아미노산은 생명의 구성 성분일 뿐만 아니라 우리가 음식을 즐기는 동기가 되며, 단백질이라는 복잡한 블록을 구성하는 가장 기본적이고 고유한 단위입니다. 자연계에는 무한한 종류의 아미노산이 존재할 수 있지만, 지구상의 생명체는 단 20가지의 아미노산만을 선택해 사용합니다. 이는 생존을 위한 경제적 선택의 결과입니다. 아미노산 종류가 많아질수록 더 정교한 단백질을 만들 수 있겠지만, 이를 유지하고 관리하는 데 드는 에너지 비용이 기하급수적으로 늘어나기 때문입니다. 결국 20가지라는 숫자는 복잡성과 효율성 사이에서 생명체가 찾아낸 최적의 균형점입니다. 생명은 최소한의 재료로 최대한의 다양성을 만들어내는 놀라운 전략을 취하고 있습니다. 유전자가 생명의 설계도라면 단백질은 그 설계도를 바탕으로 구현된 현실입니다. 유전자의 암호 체계가 아미노산보다 훨씬 많은 조합을 가진 이유는 돌연변이로부터 생명을 보호하기 위한 안전장치입니다. 유전자는 바꿀 수 없지만, 어떤 환경에서 어떻게 노력하느냐에 따라 단백질의 발현은 매일 달라질 수 있습니다. 부모로부터 받은 유전자는 고정되어 있을지라도, 우리의 노력으로 단백질의 상태를 바꾸고 인생의 모습을 변화시킬 수 있다는 점이 생명이 가진 가장 절묘하고 희망적인 부분입니다.

김성훈

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (1) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ①

현대 의학은 질병의 원인을 규명하고 이를 치료하기 위한 다양한 약물을 개발해 왔습니다. 하지만 아무리 뛰어난 효능을 가진 약물이라도 체내의 필요한 부위에 정확히 전달되지 않는다면 그 효과를 온전히 발휘하기 어렵습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 약학 분야에서는 단순한 신약 개발을 넘어, 약물 전달 시스템(DDS) 기술에 주목하고 있습니다. 이는 환자의 치료 경험을 개선하고 부작용을 최소화하는 핵심적인 역할을 합니다. 기존의 경구 투여나 주사 방식은 약물이 전신으로 퍼지면서 간이나 신장에 부담을 주거나, 정작 필요한 환부에는 충분한 농도가 도달하지 못하는 문제를 안고 있었습니다. 특히 암세포와 같이 특정 부위만을 정밀하게 타격해야 하는 질환의 경우, 약물의 선택적 전달은 생존율과 직결되는 매우 중요한 요소입니다. 따라서 과학자들은 약물이 체내의 가혹한 환경을 견디며 목표 지점까지 안전하게 이동할 수 있는 정교한 운반체를 설계하는 데 집중하고 있습니다. 약학과 공학, 그리고 기초 과학이 결합한 융합 기술은 이러한 난제들을 해결하는 새로운 돌파구가 되고 있습니다. 나노기술을 활용하여 분자 수준에서 약물을 설계하거나, 생체적합성이 뛰어난 신소재를 개발하여 약물의 안정성을 높이는 시도가 대표적입니다. 이러한 융합적 접근은 과거에는 불가능해 보였던 복합적인 치료 전략을 가능하게 하며, 의료 현장에서의 패러다임을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 기술의 경계가 허물어지며 혁신이 가속화되는 시점입니다. 특히 나노입자를 이용한 약물 전달 시스템은 현대 약학의 정수로 꼽힙니다. 머리카락 굵기의 수만분의 일에 불과한 미세한 입자 안에 약물을 봉입하여, 특정 효소나 산도 변화에 반응해 약물을 방출하도록 설계할 수 있습니다. 이는 약물이 건강한 세포를 공격하는 것을 방지하고 오직 병든 세포에만 집중적으로 작용하게 함으로써 치료의 정밀도를 극적으로 높여줍니다. 이러한 미세 제어 기술은 난치성 질환 치료의 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 바이오융합기술은 환자 개개인의 특성에 맞춘 정밀 의료의 실현을 앞당기고 있습니다. 유전체 정보와 생체 신호를 실시간으로 분석하여 최적의 약물 투여 시점과 용량을 결정하는 스마트 시스템이 개발되고 있기 때문입니다. 이는 일률적인 치료법에서 벗어나 정밀 의료를 제공함으로써 완치율을 높이고 의료 비용을 절감하는 효과를 가져옵니다. 생명 과학과 정보 기술의 결합은 인간의 건강 수명을 연장하는 데 결정적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 인공지능과 빅데이터의 도입은 신약 후보물질을 발굴하고 임상시험의 성공 확률을 예측하는 데 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 방대한 데이터를 학습한 알고리즘은 인간이 발견하기 어려운 분자 간의 상호작용을 분석하여 개발 기간을 획기적으로 단축합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 약물의 체내 거동을 미리 예측함으로써 시행착오를 줄이고 안전성을 확보할 수 있습니다. 디지털 기술과 약학의 만남은 이제 선택이 아닌 필수적인 흐름으로 자리 잡았습니다. 미래의 약학은 단순히 질병을 치료하는 도구를 만드는 것에 그치지 않고, 인간의 삶의 질을 총체적으로 향상시키는 방향으로 나아갈 것입니다. 융합기술대학원과 같은 다학제적 연구 기관에서의 끊임없는 도전은 이러한 미래를 현실로 만드는 밑거름이 됩니다. 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 만들어내는 혁신적인 솔루션들은 인류가 직면한 건강 문제를 해결하는 강력한 무기가 될 것입니다. 지속적인 연구와 투자가 뒷받침될 때 우리는 더욱 건강한 내일을 맞이할 수 있습니다.

김성훈

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 식물은 빛을 어떻게 인지할까? - 광합성과 빛 (3) _최길주 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 4강 | 4강 ③

파이토크롬은 식물이 빛을 감지하는 정교한 구조를 갖추고 있습니다. 이 단백질은 PAS, GAF, PHY라는 세 개의 도메인으로 구성되며, 그중 GAF 도메인에는 빛을 흡수하는 색소단이 결합되어 있습니다. 흥미로운 점은 PHY 도메인에서 뻗어 나온 헤어핀 형태의 구조가 색소단을 덮고 있다는 사실입니다. 적색광을 받으면 색소단이 회전하며 아미노산 간의 수소 결합이 끊어지고, 이로 인해 단백질 전체의 구조가 비틀리게 됩니다. 이러한 미세한 변화가 식물의 생화학적 반응을 이끌어내는 첫 단추가 됩니다. 파이토크롬은 빛의 파장에 따라 형태를 바꾸는 일종의 광 스위치 역할을 수행합니다. 적색광을 흡수하면 Pfr 형태로 변하여 식물의 성장을 촉진하고, 원적색광을 받으면 다시 Pr 형태로 돌아갑니다. 이러한 가역적인 전환은 식물이 주변 환경의 빛 조건을 실시간으로 파악할 수 있게 해줍니다. 활성화된 파이토크롬은 전사 조절 단백질로 작용하거나 다양한 경로를 통해 씨앗의 발아를 돕고 엽록체를 발달시키는 등 식물의 생애 주기 전반에 걸쳐 중요한 결정을 내립니다. 식물은 파이토크롬이라는 '눈'을 통해 단순히 빛의 유무만을 판단하는 것이 아니라, 주변에 경쟁자가 있는지도 감지합니다. 예를 들어 토마토를 홀로 키우면 옆으로 넓게 자라지만, 여러 개체를 밀집시켜 심으면 위로 길게 자라기 시작합니다. 이는 식물이 주변의 다른 식물 존재를 인식하고 그에 맞춰 성장 전략을 수정한다는 증거입니다. 숲속의 나무들이 가지를 넓게 펴기보다 하늘을 향해 높이 솟구치는 이유도 바로 이 때문입니다. 식물은 눈에 보이지 않는 빛의 신호를 통해 이웃과의 거리를 측정하고 생존을 도모합니다. 식물이 주변의 경쟁자를 인식하는 비결은 광합성 과정에서 발생하는 빛의 변화에 있습니다. 식물은 광합성을 위해 청색광과 적색광을 대부분 흡수하지만, 파장이 더 긴 원적색광은 그대로 통과시키거나 반사합니다. 따라서 잎이 무성한 나무 그늘 아래에는 일반적인 햇빛과 달리 적색광보다 원적색광의 비율이 압도적으로 높아지게 됩니다. 파이토크롬은 이러한 빛의 비율 변화를 예민하게 포착하여 자신이 현재 그늘에 있는지, 아니면 탁 트인 곳에 있는지를 정확하게 판단할 수 있는 생물학적 지표로 활용합니다. 그늘을 감지한 식물은 생존을 위해 '음지 회피 반응'을 보입니다. 옆에 있는 식물이 햇빛과 영양분을 독점하는 것을 막기 위해, 줄기를 빠르게 신장시켜 그늘에서 벗어나려 노력하는 것입니다. 실내에서 키우는 식물이 빛이 부족할 때 비정상적으로 길게 자라는 현상도 더 많은 빛을 찾으려는 본능적인 반응입니다. 결국 파이토크롬은 식물에게 주변 환경을 살피고 적절한 대응책을 마련하게 해주는 핵심적인 감각 기관입니다. 식물은 이 정교한 시스템을 통해 정적인 존재를 넘어 역동적으로 환경에 적응하며 살아갑니다.

최길주

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학

[강연] 물질의 기원 by김성근 | 2015 여름 카오스 콘서트 '기원 Origin' 2강 | 2강

우주의 기원을 탐구하다 보면 우리는 필연적으로 물질의 기원과 마주하게 됩니다. 138억 년 전 빅뱅의 순간, 현재 우리 몸을 구성하는 수소 원자핵들이 탄생했다는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 우리는 단순히 수십 년을 산 존재가 아니라, 우주의 시작과 함께 태어난 유구한 역사의 산물인 셈입니다. 이러한 관점은 인간을 포함한 모든 생명체가 우주라는 거대한 흐름 속에서 어떻게 형성되었는지 이해하는 중요한 출발점이 됩니다. 물질은 질량을 가지고 있으며 더 작은 입자들로 이루어진 다층적인 구조를 지닙니다. 마치 러시아 인형(마트료시카)처럼, 물질을 쪼개면 분자가 나오고, 이를 다시 나누면 원자와 원자핵, 그리고 궁극적으로는 소립자인 쿼크에 도달하게 됩니다. 과학자들은 이 보이지 않는 미시 세계의 구성 요소들이 어떻게 결합하여 우리 눈에 보이는 거시적인 세상을 만들어내는지 연구하며, 우주의 내용물을 채우는 물질의 본질을 파헤치고 있습니다. 우주에는 물질뿐만 아니라 그에 대응하는 반물질도 존재할 수 있다는 대칭성의 원리가 숨어 있습니다. 입자와 반입자가 만나면 서로 소멸하며 거대한 에너지를 빛의 형태로 방출하는데, 이는 아인슈타인의 상대성 이론인 질량-에너지 등가 원리로 설명됩니다. 우리가 관찰하는 우주는 대부분 일반적인 물질로 이루어져 있지만, 보이지 않는 우주 저편에는 반물질로 구성된 또 다른 세계가 존재할지도 모른다는 상상은 현대 물리학의 흥미로운 화두 중 하나입니다. 빅뱅 직후의 초기 우주는 상상을 초월할 정도로 뜨겁고 에너지가 응축된 상태였습니다. 하지만 우주가 팽창하면서 온도가 급격히 낮아졌고, 이 과정에서 에너지는 입자로 응축되기 시작했습니다. 수증기가 식어 물방울이 맺히듯, 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자가 되고, 다시 전자가 붙어 안정적인 원자가 형성되었습니다. 이러한 냉각과 응축의 과정은 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어, 생명으로 나아가는 물질적 토대를 마련한 결정적인 사건이었습니다. 원자들이 서로 결합하여 분자를 형성하는 과정은 마치 개인이 모여 가정을 이루는 것과 비슷합니다. 주기율표상의 100여 개 원소는 컴퓨터 키보드의 자판과 같아서, 이들을 어떻게 조합하느냐에 따라 수억 가지의 화학적 특성을 지닌 물질이 탄생합니다. 분자 상태가 되어서야 비로소 고유한 화학적 성질이 나타나며, 이러한 다양성은 우주가 단순한 원소의 집합을 넘어 복잡하고 정교한 화학적 진화의 단계로 진입했음을 의미합니다. 생명의 설계도인 DNA를 구성하는 염기들이 특정 종류로 제한된 이유는 분자의 안정성 때문입니다. 아데닌과 같은 염기는 빛 에너지를 받아 들뜬 상태가 되어도 금방 평정심을 되찾아 원래의 안정된 상태로 돌아오는 성질이 있습니다. 만약 쉽게 흥분하고 변하는 분자가 유전 정보를 담았다면, 생명은 외부 자극에 의해 끊임없이 훼손되었을 것입니다. 자연은 가장 냉철하고 안정적인 분자를 선택함으로써 수억 년 동안 생명의 정보를 안전하게 보존해 왔습니다. 단백질을 이루는 아미노산이 왜 모두 왼손잡이 형태인 'L-아미노산(왼손잡이형)'인지는 현대 과학의 거대한 수수께끼입니다. 실험실에서는 왼손과 오른손 형태가 똑같이 만들어지지만, 지구상의 모든 생명체는 오직 한쪽 방향만을 선택했습니다. 이는 초기 우주에서 발생한 아주 미세한 대칭성의 파괴가 진화 과정을 거치며 증폭된 결과일지도 모릅니다. 이처럼 물질의 기원에서 시작된 탐구는 생명의 독특한 비대칭성을 거쳐, 다시 우주의 근원적인 법칙으로 우리를 인도합니다.

김성근

카오스재단카오스콘서트

화학

[강연] 생명의 기원 by이기형 | 2015 여름 카오스 콘서트 '기원 Origin' 3강 | 3강

우주의 기원을 찾는 여정이 허블의 법칙에서 시작되었다면, 생명의 기원을 찾는 여정은 찰스 다윈의 진화론에서 출발합니다. 다윈의 이론은 지구상의 모든 생명체가 하나의 공통 조상에서 비롯되었음을 강력하게 시사합니다. 과학자들은 화석 기록과 DNA 분석을 통해 생명의 나무를 정교하게 그려왔으며, 그 뿌리 끝에는 오늘날의 박테리아와 유사한 단세포 생물이 자리하고 있음을 발견했습니다. 우리는 약 20만 년 전의 미토콘드리아 이브에서 시작해 600만 년 전 유인원(침팬지)과의 분기를 거쳐, 결국 단세포 생물이라는 기원에 도달하게 됩니다. 모든 생명체가 단세포 생물에서 기원했다는 증거는 우리 몸을 구성하는 세포 그 자체에 있습니다. 지구상의 모든 생명체는 예외 없이 세포로 이루어져 있으며, 하나의 수정란이 분열하여 개체를 형성하는 방식 또한 놀랍도록 일치합니다. 동물이든 식물이든 세포의 기본적인 기능과 구조는 매우 유사하며, 이는 우리가 모두 같은 친척임을 증명합니다. 결국 세포라는 공통된 단위를 통해 우리는 생명의 연속성을 확인하며, 단세포 생물이 우리 모두의 머나먼 조상이라는 사실을 과학적으로 인정하게 됩니다. 단세포 생물의 탄생 이전에는 무기물에서 유기물이 만들어지는 '화학적 진화'의 과정이 있었습니다. 약 40억 년 전 원시 지구의 척박한 환경 속에서 수소, 메탄, 암모니아와 같은 물질들이 지열과 번개 같은 에너지원을 만나 아미노산과 같은 유기물로 변모했습니다. 이는 1953년 밀러의 실험을 통해 과학적으로 입증되었으며, 이후 단순한 분자들이 사슬처럼 연결되어 단백질과 같은 복잡한 구조를 형성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 과정은 생명이 탄생하기 위한 기초적인 재료를 준비하는 필수적인 단계였습니다. 유기물이 준비된 후에는 이를 감싸 안을 지질막의 형성과 스스로를 복제할 수 있는 복제 물질의 등장이 중요해집니다. 과학자들은 화학적 과정을 통해 자연스럽게 지질막 구조가 형성되고, 이것이 융합과 분열을 반복하며 원시 세포(프로토셀)로 발전할 수 있음을 확인했습니다. 특히 RNA는 스스로 복제하는 능력뿐만 아니라 화학 반응을 돕는 효소의 역할까지 수행할 수 있어, 최초의 복제 물질로서 유력한 후보로 꼽힙니다. 이러한 원시적인 지질막들이 지구 곳곳을 떠다니며 생명으로 나아갈 준비를 마쳤던 것입니다. 원시 세포(프로토셀)가 진정한 생명체로 거듭나기 위해서는 '시간의 힘'과 '생물학적 진화'가 필요했습니다. 아주 낮은 확률의 사건이라도 수천만 년이라는 거대한 시간 속에서는 반드시 일어나는 필연이 됩니다. 원시 세포(프로토셀)들은 복제와 자연선택이라는 메커니즘을 통해 더 효율적으로 번식하는 방향으로 진화했습니다. 이 과정에서 복제 물질은 안정적인 DNA 구조를 갖추게 되었고, 생체 효소를 포섭하며 더욱 정교한 대사 시스템을 구축했습니다. 마침내 38억 년 전, 우리는 이를 비로소 생명이라 부를 수 있는 단세포 생물의 탄생으로 보게 됩니다. 생명 진화의 역사에서 가장 획기적인 전환점은 광합성과 산소 호흡의 등장입니다. 태양 에너지를 이용하는 광합성 생물의 출현은 지구 대기에 산소를 공급했고, 이는 에너지 효율을 극적으로 높이는 계기가 되었습니다. 산소 없이 얻을 수 있는 에너지가 극히 적었던 반면, 산소 호흡을 통해서는 수십 배에 달하는 에너지를 확보할 수 있게 된 것입니다. 이러한 에너지 혁명은 생명체가 단세포 생물의 한계를 벗어나 더 크고 복잡한 다세포 생물로 진화할 수 있는 원동력이 되었으며, 오늘날의 풍요로운 생태계를 만드는 밑거름이 되었습니다. 생명의 기원을 탐구하는 과정은 단순히 과거를 들여다보는 것을 넘어, 인간이 가진 호기심과 상상력의 위대함을 확인하는 일입니다. 과학은 현재의 생명체 속에서 수십억 년 전의 역사를 읽어내고, 보이지 않는 미시 세계에서 우주의 원리를 발견해냅니다. 아직 풀리지 않은 수많은 수수께끼가 남아있지만, 이는 미래 세대가 채워나갈 새로운 탐구의 영역이 될 것입니다. 과학에 대한 열정과 질문을 멈추지 않는 태도야말로 인류가 진화의 과정에서 얻은 가장 소중한 자산이며, 앞으로의 미래를 밝혀줄 등불이 될 것입니다.

이기형

카오스재단카오스콘서트

생명과학