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[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

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콩🫘이 숨을 쉬어요!! 콩(soybean)에서 이산화탄소가 나온다?!😮ㅣ별별실험실x국립과천과학관

우리가 흔히 식탁에서 마주하는 콩은 단순한 식재료 이상의 생명력을 품고 있습니다. 콩의 아랫부분에서 작은 뿌리가 돋아나는 과정을 '발아'라고 부르는데, 이는 식물이 성장을 시작하는 경이로운 순간입니다. 뿌리는 땅속에서 영양분을 흡수하는 중요한 역할을 담당하며, 싹이 트면서 색깔이 변하는 모습도 관찰할 수 있습니다. 처음에는 노르스름하던 콩이 지상으로 올라와 햇빛을 받으면 엽록소가 생성되어 초록색으로 변하며 광합성을 준비하게 됩니다. 만약 콩이 햇빛을 전혀 보지 못한 채 자라게 된다면 어떤 모습이 될까요? 빛이 차단된 환경에서는 광합성이 일어나지 않아 잎이 초록색으로 변하지 못하고 계속 노란색을 유지하게 됩니다. 대신 수분을 지속적으로 공급받으면 뿌리만 길게 자라나는데, 이것이 바로 우리가 즐겨 먹는 콩나물의 원리입니다. 식물은 환경에 따라 자신의 성장 방식을 조절하며, 빛의 유무는 식물의 형태와 색상을 결정짓는 결정적인 요인으로 작용합니다. 식물도 사람처럼 숨을 쉬며 생명을 유지한다는 사실은 매우 흥미롭습니다. 호흡이란 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내뱉는 과정을 말하는데, 발아 중인 콩은 일반 콩에 비해 훨씬 많은 양의 이산화탄소를 배출합니다. 이는 생명체가 성장을 위해 내부 에너지를 생성하고 있다는 증거이며, 눈에 보이지 않는 생명 활동이 콩 내부에서 역동적으로 진행되고 있음을 시사합니다. 식물의 호흡은 우리가 미처 인지하지 못하는 순간에도 끊임없이 이어지는 생존을 위한 필수적인 투쟁입니다. 이산화탄소 측정 센서를 활용하면 콩의 호흡량을 시각적인 그래프로 확인할 수 있습니다. 실험 결과, 싹이 트지 않은 일반 콩은 이산화탄소 배출량에 큰 변화가 없지만, 발아 중인 콩은 그래프가 가파르게 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 식물이 단순히 멈춰 있는 존재가 아니라 끊임없이 주변 환경과 기체를 교환하며 살아 움직이고 있음을 증명합니다. 첨단 장비를 통해 확인한 식물의 호흡은 자연의 신비로움을 직접 체감하게 해주는 흥미로운 지표가 됩니다. 생콩즙에는 '유레이스'라는 특별한 효소가 들어 있어 화학적 변화를 일으키기도 합니다. 이 효소는 요소를 분해하여 암모니아를 만들어내는데, 이 과정을 통해 식물은 성장에 필요한 질소를 얻습니다. BTB 용액을 활용한 실험에서 산성을 띠던 생콩즙이 요소를 분해하며 염기성인 파란색으로 변하는 모습은 매우 인상적입니다. 이러한 효소 활동은 식물이 척박한 환경에서도 스스로 영양분을 확보하고 생존해 나가는 위대한 생명력을 보여주는 사례라고 할 수 있습니다.

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화학
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[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

[질문Q] 우리는 대체 언제쯤 노벨상을 받을 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

효소는 단백질로 이루어진 복잡한 생체 고분자로, 화학 반응에서 촉매 역할을 수행하며 생명 현상을 유지하는 핵심적인 존재입니다. 인공적으로 이러한 효소의 기능을 완벽히 구현하는 것은 매우 어려운 과제이지만, 현대 과학은 기존 효소의 구조를 개질하여 필요한 반응을 유도하는 '유도 진화(Directed Evolution)'라는 혁신적인 방법을 찾아냈습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 재현하여 인류에게 유용한 촉매를 설계하는 학문으로, 기초 과학의 무한한 가능성을 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 기초 과학의 성과는 단순히 연구비 투입만으로 단기간에 이루어지는 것이 아니라, 과학적 사고가 사회 전반에 뿌리내린 오랜 전통 속에서 꽃을 피웁니다. 서구의 경우 대중과 과학이 소통해 온 역사가 수백 년에 달하지만, 우리나라는 세계적인 수준의 연구를 본격적으로 수행한 역사가 상대적으로 짧은 편입니다. 과학적 사고방식이 널리 퍼지고 기초 과학의 전통이 축적되는 과정은 절대적인 시간이 필요한 일이며, 이러한 문화적 토양이 마련될 때 비로소 지속 가능한 과학 발전의 기틀이 형성될 수 있습니다. 최근 우리나라의 정부 연구비는 비약적으로 증가하여 GDP 대비 세계적인 수준에 도달했습니다. 하지만 누적된 투자 규모를 선진국과 비교해 보면 여전히 큰 격차가 존재하는 것이 현실입니다. 과학 기술의 성과는 축적의 시간이 필요하기에, 지금의 집중적인 투자가 결실을 보기까지는 앞으로 10~15년 정도의 시간이 더 필요할 것으로 보입니다. 현재 최고의 교육을 받은 차세대 연구자들이 현장에서 활약하고 있는 만큼, 머지않은 미래에는 우리나라도 일본과 같이 안정적인 과학 강국으로 자리매김할 것입니다. 과학자의 성장은 그가 속한 사회의 진보 및 자유의 확대와 궤를 같이합니다. 좋은 과학적 토양은 무엇이든 질문할 수 있고 어떤 의견이든 자유롭게 나눌 수 있는 환경에서 만들어지기 때문입니다. 노벨상과 같은 성과는 단순히 탁월한 개인의 업적을 넘어, 우리 사회가 얼마나 합리적이고 자유로운 사고를 수용할 수 있는지를 보여주는 인증 마크와도 같습니다. 우리 사회가 더 진보하고 자유로워질 때, 그 구성원인 과학자 또한 더욱 창의적이고 발전된 사고를 할 수 있게 되며 이는 곧 국가의 경쟁력으로 이어집니다. 본래 과학자는 '자연 철학자'라 불렸으며, 과학은 참과 거짓을 판단하기 위해 실험과 재현이라는 기준을 도입한 철학의 한 줄기에서 시작되었습니다. 오늘날 과학은 인류의 사고 체계를 지배하는 거대한 철학적 틀로 자리 잡았으며, 이는 원소의 발견과 같은 기초 연구에서도 잘 드러납니다. 118개의 원소 너머를 탐구하는 과정은 물리적인 한계를 극복하려는 노력이자, 찰나의 순간만 존재하는 존재를 어떻게 정의할 것인가라는 철학적 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 과학은 결국 우리가 세상을 이해하는 가장 정교한 방식입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

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생명과학

[인터뷰] 송충의_과학자는 질문으로 농사짓는 사람

화학의 세계에서 분자를 합성하는 과정은 우리 실생활 전반에 걸쳐 매우 중요한 역할을 수행합니다. 인류는 오랫동안 자연계의 원리를 모방하거나 특정 원소를 활용해 화학 반응을 조절해 왔지만, 최근에는 기존의 틀을 깨는 새로운 촉매 기술이 등장하여 학계의 주목을 받고 있습니다. 이 새로운 기술은 복잡한 실험 장치나 막대한 비용 없이도 효율적인 분자 합성을 가능하게 하여 기초 과학 연구의 패러다임을 바꾸고 있으며, 화학자들이 분자 구조를 더욱 자유롭게 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어주었습니다. 새로운 촉매의 발견은 단순히 실험 기법의 변화를 넘어, 우리가 원하는 성질의 분자를 만드는 제3의 고속도로를 건설한 것과 같습니다. 지금까지 인류는 특정 구조의 분자를 생성하기 위해 제한적인 방법론에 의존해 왔지만, 유기 촉매는 물리적, 화학적, 의학적 성질을 정밀하게 설계할 수 있는 새로운 선택지를 제공합니다. 이는 마치 목적지로 가는 기존의 두 갈래 길 외에 훨씬 빠르고 효율적인 새로운 경로를 발견한 것과 같으며, 화학자들이 분자 구조를 더욱 자유롭게 설계할 수 있는 토대가 됩니다. 한국의 과학 기술이 세계적인 수준으로 도약하기 위해서는 창의적인 발상과 이를 뒷받침하는 전폭적인 지원 시스템이 필수적입니다. 과거 콜럼버스가 신항로를 개척할 때 이사벨라 여왕의 지원이 있었기에 아메리카 대륙 발견이 가능했듯, 과학자의 무모해 보이는 도전에도 믿음을 주는 사회적 분위기가 필요합니다. 또한, 단순히 새로운 발견에 그치지 않고 많은 연구자가 그 길을 따라가며 연구의 즐거움을 공유할 때 비로소 노벨상과 같은 세계적인 성과가 탄생할 수 있습니다. 현재 학계에서는 '카이랄 분자'의 자기 복제와 진화에 관한 심도 있는 연구가 진행되고 있습니다. 분자가 스스로를 복제하며 진화하는 과정을 탐구하는 것은 지구가 탄생한 초기 단계에서 생명체가 어떻게 태동했는지에 대한 시나리오를 그리는 작업입니다. 아직 명확하게 밝혀지지 않은 생명 탄생의 초기 단계를 과학적 가설로 증명해 나가는 과정은 매우 도전적인 과제입니다. 이러한 연구는 분자 수준에서의 진화를 이해함으로써 생명의 근원에 한 발짝 더 다가가는 중요한 이정표가 될 것입니다. 과학자의 본질적인 역할은 단순히 지식을 습득하는 것이 아니라, 인류를 위한 '질문'을 심고 가꾸는 농부가 되는 것입니다. 농부가 씨앗을 뿌려 가을에 풍성한 수확을 거두어 사람들을 배부르게 하듯, 과학자는 엉뚱해 보일지라도 가치 있는 질문을 던짐으로써 인류의 발전에 기여해야 합니다. 좋은 질문은 그 자체로 새로운 연구의 씨앗이 되며, 이를 통해 얻은 해답은 세상을 변화시키는 힘을 가집니다. 끊임없이 질문을 농사짓는 자세야말로 미래의 과학자들이 지향해야 할 진정한 모습입니다.

송충의

카오스재단석학인터뷰

화학

[인터뷰] 명경재_손상된 DNA를 치료하는 기술은 어떤 수준인가요?

유전체 정보의 분석 기술은 현대 사회에서 범죄 수사와 질병 예방 등 다양한 분야에 혁신을 가져왔습니다. 개인마다 조금씩 다른 염기서열을 활용해 범인을 특정하거나 미래의 질병을 예측하는 일은 이미 현실이 되었습니다. 하지만 이러한 기술의 발전은 유전적 특징으로 인간의 가치를 판단하는 우생학적 위험이나 개인 정보 침해와 같은 윤리적 고민을 동반합니다. 영화 '가타카'에서 묘사된 것처럼 유전자가 직업과 신분을 결정짓는 사회가 되지 않도록, 기술의 혜택과 잠재적 부작용 사이의 균형을 맞추는 지혜가 필요합니다. 유전체 연구의 핵심 중 하나인 DNA 복구는 생명체가 생존을 위해 필수적으로 수행하는 자연적인 과정입니다. 현재 과학계는 이러한 복구 과정에 관여하는 다양한 효소들의 작용 원리를 깊이 있게 연구하고 있으나, 이를 실제 질병 치료에 응용하는 단계는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 특정 효소가 필요한 시점에 정확한 손상 부위로 이동하도록 정밀하게 제어하는 기술적 과제가 남아있기 때문입니다. 한국의 유전체 기술력은 이미 세계적 수준에 도달해 있으며, 이제는 단순한 기술 습득을 넘어 창의적인 아이디어로 무장한 연구자들의 역할이 더욱 중요해진 시점입니다. 기초과학연구원(IBS)은 연구자들이 창의적인 연구에 몰입할 수 있는 환경을 제공하며, 기술 사업화와 특허 출원을 적극적으로 장려하고 있습니다. 특히 미국 국립보건원(NIH)과 같은 해외 선진 연구 기관에서의 경험을 바탕으로, 더 큰 규모의 연구단을 구성하여 시너지를 내는 구조는 한국 기초과학의 경쟁력을 높이는 핵심 동력이 됩니다. 연구 단장으로서 연구의 질을 높이는 동시에, 연구원들이 독립적인 창업을 통해 기술을 사회에 환원할 수 있도록 돕는 체계적인 시스템은 과학 기술의 선순환 구조를 만드는 데 기여하고 있습니다. 새로운 과학적 발견은 때로 기존 학계의 강력한 편견과 부딪히며 시련을 겪기도 합니다. 포유류에게는 존재하지 않는다고 믿어왔던 DNA 복구 기작을 새롭게 발견했을 때, 권위 있는 학자들로부터 부정적인 평가를 받으며 논문 게재에 어려움을 겪었던 사례가 대표적입니다. 하지만 진실을 향한 끈기 있는 연구는 결국 시간이 흐른 뒤 수많은 인용과 후속 연구로 그 가치를 증명받게 됩니다. 이러한 과정은 신진 연구자가 독립적인 연구자로 성장하는 과정에서 겪는 가장 힘든 고비이자, 과학적 자부심을 형성하는 소중한 자산이 됩니다. 생명과학자와 임상 의사 사이의 원활한 소통은 기초 연구가 실제 의료 현장에 적용되기 위해 반드시 넘어야 할 산입니다. 서로 다른 전문 용어와 관점을 가진 두 집단이 협력하기 위해서는 잦은 만남과 대화를 통해 서로의 영역을 이해하려는 노력이 필수적입니다. 각자가 잘하는 분야에 집중하되 공동 연구라는 틀 안에서 서로의 부족한 점을 보완할 때, 비로소 과학적 발견이 질병 치료라는 실질적인 성과로 이어질 수 있습니다. 소통의 장을 넓히고 협력의 가치를 존중하는 문화야말로 미래 과학 기술 발전을 이끄는 진정한 힘입니다.

명경재

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[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] 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

[강연] 제28회 2021 서울대 자연과학 공개강연_'불확실한 세계, 그래서 과학'

현대 사회는 거대하고 복잡한 불확실성으로 가득 차 있습니다. 기후 변화부터 감염병의 확산까지, 우리가 마주하는 현실은 한 개인이 온전히 이해하기에는 너무나 방대합니다. 이러한 혼돈 속에서 과학은 단순한 지식의 나열을 넘어, 세상을 투명하게 바라보게 하는 나침반 역할을 수행합니다. 과학자들은 보편적 원리를 탐구함으로써 복잡한 현상 이면에 숨겨진 불변의 법칙을 찾아내고, 이를 통해 미래를 예측하며 인류가 나아갈 방향을 제시합니다. 불확실한 세계일수록 과학적 사고는 더욱 빛을 발하며 우리 삶의 근간을 지탱하는 강력한 도구가 됩니다. 수학은 불확실성 속에서 질서를 찾아내는 가장 강력한 언어입니다. 주사위를 던지는 사소한 행위부터 바이러스의 확산 경로를 예측하는 일까지, 수학은 '큰 수의 법칙'이나 '감염 재생산 지수'와 같은 개념을 통해 복잡한 데이터를 유의미한 정보로 변환합니다. 특히 확률적 모델을 통해 집단 면역의 임계점을 계산하거나 상전이를 이해하는 과정은 수학이 현실 세계와 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 잘 보여줍니다. 수학적 소양을 기르는 것은 단순히 공식을 외우는 것이 아니라, 세상의 겉모습에 현혹되지 않고 그 중심에 흐르는 보편적 원리를 꿰뚫어 보는 통찰력을 갖추는 과정입니다. 지구 표면의 대부분을 차지하는 바다는 여전히 인류에게 미지의 영역으로 남아 있습니다. 전 세계 바다의 80% 이상이 아직 탐사되지 않았으며, 심해의 지형은 달의 표면보다도 덜 알려져 있습니다. 하지만 아르고 플로트와 같은 첨단 무인 관측 장비와 인공위성을 활용한 현대 해양학은 바다의 운동과 기후 변화의 상관관계를 정밀하게 추적하고 있습니다. 바다는 지구에 축적된 열에너지의 90%를 흡수하며 기후 조절자 역할을 수행합니다. 해류의 흐름과 수온 변화를 이해하는 것은 엘니뇨와 같은 기상 이변에 대비하고, 해양 생태계와 인류의 공존을 도모하는 데 필수적인 과제입니다. 우리 몸의 설계도인 DNA는 G, A, T, C라는 네 종류의 염기로 기록된 방대한 정보의 집합체입니다. 31억 자에 달하는 인간 유전체를 해독하기 위한 '인간 게놈 프로젝트'는 생명과학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 유전체 지도를 확보함으로써 인류는 희귀 질환의 원인을 규명하고 환자 맞춤형 정밀 의료를 실현할 수 있는 기반을 마련했습니다. 특히 최근의 시퀀싱 기술 발전은 코로나19 바이러스의 정체를 신속히 파악하고 백신을 단기간에 설계하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 유전 정보의 해독은 생명의 신비를 밝히는 것을 넘어 인류의 건강과 생존을 지키는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 효소는 생명체 내에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 관장하는 정교한 촉매제입니다. 수백 년이 걸릴 수 있는 소화 과정을 단 몇 시간으로 단축하는 효소의 능력은 현대 과학 기술로도 완벽히 모사하기 어려울 만큼 경이롭습니다. 과학자들은 '유도 진화'와 같은 혁신적인 기법을 통해 자연계에 존재하는 효소의 기능을 개량하거나, 플라스틱을 분해하는 새로운 효소를 설계하는 등 환경 문제 해결에 도전하고 있습니다. 아미노산 서열의 미묘한 변화가 거대한 구조적 차이를 만들어내는 효소의 세계는 마치 작은 우주와 같습니다. 이러한 거대 분자에 대한 연구는 지속 가능한 미래를 위한 화학적 해답을 제시합니다. 현대 과학의 성과는 수학, 해양학, 생명과학, 화학 등 서로 다른 분야의 지식이 융합될 때 더욱 극대화됩니다. 수학적 모델링은 감염병 방역 정책의 근거가 되고, 해양 관측 데이터는 기후 위기 대응의 기초가 되며, 유전체 분석과 효소 공학은 신약 개발의 핵심이 됩니다. 과학자들은 각자의 영역에서 미지의 세계를 탐구하지만, 결국 그들의 목적지는 인류가 직면한 불확실성을 해소하고 더 나은 세상을 만드는 것이라는 점에서 일치합니다. 학문 간의 경계를 허무는 협력과 소통은 복잡해지는 지구촌 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 전략이며, 과학이 가진 진정한 힘은 바로 이러한 연결에서 나옵니다. 과학의 출발점은 주변 현상에 대한 사소한 호기심이며, 그 결실을 맺게 하는 동력은 포기하지 않는 끈기입니다. 보이지 않는 심해를 탐사하고, 보이지 않는 유전자를 읽어내며, 보이지 않는 분자의 세계를 설계하는 과정은 끊임없는 도전의 연속입니다. 불확실한 세계는 우리에게 두려움을 주기도 하지만, 동시에 과학이라는 도구를 통해 탐험할 수 있는 무한한 기회를 제공합니다. 질문을 멈추지 않고 진리를 찾아 나가는 과학적 태도는 미래 세대가 갖추어야 할 가장 소중한 가치입니다. 호기심을 잃지 않고 학문에 정진할 때, 우리는 비로소 불확실성을 확신으로 바꾸며 새로운 시대를 열어갈 수 있을 것입니다.

나한나, 서인석, 송윤주, 장혜식

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학
생명과학
지구환경과학
수학

[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

[강연] 생명의 음표, RNA _김빛내리｜2019 서울대 자연과학대학 공개강연 '과학 선율' | 4강

과학자가 되는 과정은 거창한 계기보다 배움과 깨달음의 즐거움을 느끼는 찰나의 순간에서 시작되곤 합니다. 어린 시절 우연히 접한 과학사 책을 통해 자연의 원리를 궁금해하던 고대 학자들의 열정에 감동하며 과학자의 꿈을 키울 수 있었습니다. 생명과학은 수많은 암기 사항이 존재하는 복잡한 학문처럼 보이지만, 그 이면에는 모든 생명체를 관통하는 단순하고도 아름다운 원리가 숨어 있습니다. 이러한 근원적인 질문에 답을 찾아가는 과정은 과학자에게 가장 큰 매력으로 다가오며, 이는 곧 평생의 탐구로 이어지는 원동력이 됩니다. 생물학의 세계는 겉보기에 매우 다양하고 복잡하지만, 태초의 공통 조상으로부터 시작된 생명의 역사는 일관된 법칙을 공유합니다. 특히 유전 정보를 담고 있는 DNA는 생명의 설계도 역할을 하며 우리 몸의 모든 형질을 결정하는 핵심 물질입니다. 하지만 21세기의 생명과학은 단순히 정보를 읽어내는 단계를 넘어, 그 정보가 어떻게 해석되고 작동하는지를 이해하는 방향으로 나아가고 있습니다. 복잡한 생명 현상 속에서 단순한 원리를 찾아내는 일은 지적 희열을 선사하며, 인간을 포함한 모든 생명체를 지배하는 근원적인 원리를 이해하게 해줍니다. DNA가 유전 정보를 안정적으로 보관하는 창고라면, RNA는 그 정보를 실질적으로 구현하는 역동적인 매개체입니다. RNA는 DNA와 달리 단일 가닥으로 존재하며, 스스로 꼬이거나 다른 물질과 결합하여 매우 복잡한 구조를 형성할 수 있는 유연함을 지니고 있습니다. 이러한 화학적 특성 덕분에 RNA는 정보 전달자뿐만 아니라 효소로서의 촉매 작용을 하거나 유전 물질 그 자체로 기능하기도 합니다. 생명의 음표라고 불리는 RNA의 다양한 변주는 생명체가 환경에 적응하고 생존하는 데 필수적인 역할을 수행하며 생명의 하모니를 완성합니다. 오랫동안 과학자들은 크기가 작은 RNA들을 실험 과정에서 버려지는 불필요한 물질로 여겨왔습니다. 그러나 마이크로RNA의 발견은 유전자 조절의 새로운 지평을 열었습니다. 이 작은 분자들은 특정 유전자의 발현을 억제하거나 단백질 합성을 조절함으로써 세포의 운명을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 우리 몸의 모든 세포는 동일한 DNA를 가지고 있음에도 불구하고, 어떤 RNA가 얼마나 만들어지느냐에 따라 신경 세포나 혈액 세포처럼 서로 다른 기능을 수행하게 됩니다. 이는 생명의 신비로움을 보여주는 가장 핵심적인 기제 중 하나입니다. RNA 연구는 현대 의학에서 진단과 치료의 패러다임을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 바이러스의 염기서열을 분석하여 질병을 조기에 정확하게 진단하는 것은 물론, 환자 맞춤형 핵산 치료제를 통해 희귀 유전 질환을 극복할 길을 열어주고 있습니다. RNA 치료제는 기존의 화합물 의약품보다 개발 기간이 짧고 특정 유전자를 정밀하게 제어할 수 있다는 강력한 장점이 있습니다. 특히 백신 개발이나 유전자 편집 기술인 크리스퍼(CRISPR)에서도 RNA는 핵심적인 도구로 활용되며 인류의 건강한 미래를 견인하는 중추적인 역할을 담당하고 있습니다. 하나의 과학적 발견이 실제 치료제로 이어지기까지는 수십 년에 걸친 기초 연구와 수많은 실패의 과정이 필요합니다. 꼬마선충이나 초파리와 같은 모델 동물을 이용한 호기심 기반의 연구가 결국 인류를 구하는 기술의 토대가 됩니다. 과학자에게 실패는 단순한 좌절이 아니라 가설을 수정하고 새로운 사실을 배우는 소중한 과정입니다. 따라서 과학자가 되기 위해서는 눈앞의 성과에 일희일비하지 않고, 미지의 영역을 탐구하는 과정 자체를 즐길 수 있는 낙관적인 태도와 끈기가 무엇보다 중요합니다. 이러한 인내의 시간이 모여 인류의 지식은 진보합니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 이들에게는 과학 지식뿐만 아니라 인문학적 소양을 포함한 폭넓은 시야가 요구됩니다. 현상을 보이는 그대로 해석하지 않고 그 이면의 원리를 통찰하기 위해서는 다양한 분야의 경험을 쌓고 사고의 유연성을 기르는 것이 큰 도움이 됩니다. 생명은 DNA, RNA, 단백질 등 수많은 요소가 조화를 이루어 연주하는 거대한 교향곡과 같습니다. 이 아름다운 하모니를 이해하려는 열정과 건강한 신체를 바탕으로 끊임없이 질문을 던질 때, 우리는 생명의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있으며 새로운 과학적 발견의 주인공이 될 수 있습니다.

김빛내리

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[강연] 물질에서 생명으로의 변신 by김상욱 | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기' 변신 (2) | 2부

우주의 탄생과 초신성의 폭발을 거쳐 만들어진 원소들은 주기율표라는 질서정연한 체계를 이룹니다. 이 원소들은 마치 레고 블록처럼 서로 결합하여 물이나 소금 같은 새로운 물질을 만들어내며, 더 나아가 생명이라는 정교한 작품을 탄생시킵니다. 물리학적 관점에서 생명은 결국 원자들의 변신과 조합으로 이루어진 결과물입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 아주 오래전 별의 내부에서 만들어져 지구로 온 것이기에, 우리는 모두 별에서 온 후예라고 할 수 있습니다. 물리학자가 생명을 이야기하는 것은 낯설게 느껴질 수 있지만, 양자물리학의 거장 슈뢰딩거는 이미 1944년에 '생명이란 무엇인가'라는 질문을 던졌습니다. 생명체 또한 원자로 구성되어 있기에 그 본질을 이해하려면 원자의 세계를 들여다보아야 합니다. 생명은 우주에서 가장 흔한 원소들인 수소, 탄소, 질소, 산소로 이루어져 있습니다. 이는 생명이 우주의 보편적인 질서 속에서 탄생했음을 의미하며, 물리학적 법칙을 통해 생명의 신비를 풀어낼 수 있는 근거가 됩니다. 우리 몸의 97%를 차지하는 네 가지 원소는 각기 독특한 역할을 수행합니다. 수소는 가장 단순하면서도 풍부한 원소로 에너지를 만드는 핵심 역할을 하며, 탄소는 네 개의 팔을 이용해 복잡한 유기물의 뼈대를 형성합니다. 질소는 생명 현상의 병목 구간을 담당하고, 산소는 전자를 강력하게 끌어당기는 성질을 통해 생명 활동에 필요한 에너지를 방출하게 합니다. 이러한 원소들의 화학적 결합과 상호작용이 모여 비로소 살아 움직이는 생명체의 기초가 마련되는 것입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주의 무질서도는 항상 증가하지만, 생명체는 에너지를 사용하여 자신의 질서를 유지합니다. 생명은 외부에서 에너지를 받아들여 끊임없이 자신을 보수하고 정돈하는 과정을 거칩니다. 우리가 숨을 쉬는 호흡 과정은 사실 세포 수준에서 일어나는 '천천히 타오르는 연소'와 같습니다. 산소가 전자를 가져오며 발생하는 에너지는 생명체가 무질서로 향하는 자연의 흐름을 거스르고 고유한 질서를 유지할 수 있게 해주는 원동력이 됩니다. 세포 내부에서 벌어지는 복잡한 화학 반응들은 누군가의 지시가 아닌, 분자들의 무작위적인 움직임과 충돌을 통해 일어납니다. 물속에서 엄청난 속도로 움직이는 분자들은 적절한 시기에 서로를 만나 반응을 일으키며 생명 활동을 이어갑니다. 이는 마치 수많은 망치가 공중에 날아다니다가 필요할 때 손에 잡히는 것과 같은 확률적인 과정입니다. 따라서 생명체는 영양분을 섭취하여 분자의 농도를 유지하고, 적절한 체온을 유지함으로써 이러한 분자들의 운동을 활발하게 만들어야 합니다. 최초의 생명체는 에너지를 스스로 만들기 어려운 환경에서 탄생했을 가능성이 큽니다. 심해의 열수 분출구는 수소 이온 농도 차이가 자연적으로 존재하여 외부의 도움 없이도 에너지를 공급받을 수 있는 최적의 장소였습니다. 이곳의 작은 기포들은 오늘날 세포의 크기와 유사하며, 초기 생명체가 에너지를 얻고 복제를 시작할 수 있는 요람이 되어주었습니다. 생명은 이처럼 척박해 보이는 환경에서도 물리학적인 에너지 구배를 활용하여 그 위대한 첫걸음을 내디뎠을 것으로 추정됩니다. 생명의 또 다른 본질인 복제는 DNA라는 정교한 정보 체계를 통해 이루어집니다. DNA는 원자 수준에서 정보를 저장하며, 10억 개당 단 하나의 오류만을 허용할 정도로 놀라운 정확성을 자랑합니다. 이러한 복제 시스템은 완벽을 지향하지만, 때때로 발생하는 변이는 생명체가 환경에 적응하며 다양성을 확보하는 계기가 됩니다. 결국 생명은 원자로 만들어진 정교한 화학 기계이며, 물리 법칙에 따라 자기를 유지하고 복제하며 진화해 온 우주의 경이로운 결과물이라고 할 수 있습니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 분자운동과 화학반응, 그 역동의 세계 _ by윤완수｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 5강 | 5강 ①

우리가 일상에서 사용하는 지폐는 셀룰로스라는 물질로 이루어져 있습니다. 지폐에 불을 붙여도 타지 않게 만드는 비결은 아이소프로판올과 물을 섞은 용액에 있습니다. 불을 붙이면 알코올 성분인 아이소프로판올이 먼저 연소하며 열을 내지만, 지폐에 흡수된 물은 증발하면서 온도를 낮추고 지폐를 보호하는 역할을 합니다. 반면 셀룰로스에 질산과 황산을 반응시켜 만든 니트로셀룰로스는 산소를 많이 포함하고 있어 재도 남기지 않고 순식간에 타버리는 상반된 결과를 보여줍니다. 화학 반응은 본질적으로 '원자의 재배열'이라고 정의할 수 있습니다. 반응물 속의 원자들이 서로의 결합을 끊고 새로운 조합으로 다시 태어나는 과정입니다. 이때 중요한 개념이 바로 에너지입니다. 모든 분자는 고유의 위치 에너지를 가지고 있으며, 반응이 일어나기 위해서는 마치 높은 산을 넘듯 일정한 에너지 장벽을 통과해야 합니다. 이를 '활성화 에너지'라고 부르며, 이 문턱을 넘을 수 있는 충분한 에너지를 가진 분자들만이 새로운 생성물로 변화하는 기회를 얻게 됩니다. 분자들은 우리가 상상하는 것보다 훨씬 역동적으로 움직입니다. 상온의 산소 분자는 초속 약 500m라는 엄청난 속도로 날아다니는데, 이는 제트기의 속도보다도 빠릅니다. 하지만 모든 분자가 동일한 속도로 움직이는 것은 아닙니다. '맥스웰-볼츠만 분포'에 따르면, 분자들은 아주 느린 것부터 매우 빠른 것까지 다양한 에너지 상태를 가집니다. 이렇게 다양한 상태의 분자들이 모여 있는 집단을 '앙상블'이라 부르며, 이 중 극히 일부의 에너지가 높은 분자들이 사고를 치듯 반응을 주도합니다. 화학 반응의 속도를 조절하는 것은 화학자들에게 매우 중요한 과제입니다. 온도를 높이면 분자들의 운동이 활발해져 충돌 빈도가 높아지고 반응 속도가 빨라집니다. 또한 '촉매'를 사용하면 반응이 넘어야 할 에너지 산의 높이를 낮추어 도로를 닦아주는 것과 같은 효과를 냅니다. 우리 몸속의 효소 역시 이러한 촉매 역할을 수행하며, 평소라면 수천 년이 걸릴 소화 과정을 단 몇 초 만에 끝낼 수 있도록 돕습니다. 이는 생명 유지에 필수적인 화학적 조절 장치입니다. 매우 빠르게 일어나는 화학 반응을 관찰하기 위해서는 특별한 기술이 필요합니다. 과거 에드워드 마이브리지가 달리는 말의 다리가 공중에 뜨는 순간을 사진으로 포착했듯이, 현대 과학은 레이저를 이용해 찰나의 순간을 기록합니다. 1조 분의 1초인 피코초나 그보다 더 짧은 펨토초 단위의 레이저 펄스를 플래시처럼 사용하면, 분자가 진동하거나 결합이 끊어지는 역동적인 과정을 정지 화면처럼 잡아낼 수 있습니다. 이를 통해 우리는 분자들의 '화양연화'와 같은 순간을 영화처럼 관찰하게 됩니다. 최근의 물리화학 연구는 수많은 분자의 평균적인 거동을 보는 것을 넘어, 단 하나의 분자가 어떻게 행동하는지를 관찰하는 단계에 이르렀습니다. 앙상블 수준의 관찰이 오케스트라의 합주를 듣는 것이라면, 단일 분자 관찰은 특정 연주자의 독주를 감상하는 것과 같습니다. 이를 통해 우리는 무질서해 보이는 분자 운동 속에서도 정교한 규칙과 조화를 발견할 수 있습니다. 이러한 미시 세계의 탐구는 나노 기술과 생명 과학의 발전으로 이어지며 인류의 지식 지평을 넓히고 있습니다. 화학 반응의 세계를 들여다보는 것은 결국 우리 삶의 본질을 이해하는 과정과 닮아 있습니다. 처음과 끝이라는 결과도 중요하지만, 에너지를 얻어 장벽을 넘고 새로운 존재로 거듭나는 그 중간 과정에 진정한 묘미가 숨어 있기 때문입니다. 다양한 에너지 상태를 가진 분자들이 조화를 이루어 앙상블을 만들어내듯, 우리 인생 역시 수많은 찰나의 과정들이 모여 하나의 아름다운 이야기를 완성합니다. 화학은 단순한 물질의 변화를 넘어, 역동적으로 살아 움직이는 세계의 질서를 우리에게 보여줍니다.

윤완수, 이남기

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 2018 노벨상 해설 강연 (KAOS, 고등과학원) _ 신의철, 이상민, 김석희 교수

2018년 노벨 생리의학상은 암 치료의 패러다임을 바꾼 면역 항암제 분야에 수여되었습니다. 기존의 항암 치료가 암세포를 직접 공격하는 방식이었다면, 제임스 앨리슨과 혼조 다스쿠 교수는 우리 몸의 면역 체계가 암세포를 스스로 공격하도록 만드는 길을 열었습니다. 이들은 면역 세포의 활성을 억제하는 이른바 '브레이크' 역할을 하는 단백질인 CTLA-4와 PD-1을 발견하고, 이를 차단함으로써 면역 세포가 암세포를 효과적으로 제거할 수 있음을 증명했습니다. 면역 관문 억제제로 불리는 이 치료법은 말기 암 환자들에게 새로운 희망이 되고 있습니다. 특정 면역 관문을 차단하면 억제되어 있던 T세포가 다시 활성화되어 암세포를 공격하기 시작합니다. 이 방식은 모든 환자에게 효과가 나타나지는 않지만, 한 번 반응이 나타나면 장기간 효과가 지속되는 '기억 반응'이라는 면역계의 특성 덕분에 완치에 가까운 결과를 얻기도 합니다. 이는 기초 과학 연구가 어떻게 인류의 생명 연장에 기여할 수 있는지를 보여주는 대표적인 사례입니다. 노벨 물리학상은 레이저 물리학 분야에서 혁신적인 도구를 발명한 과학자들에게 돌아갔습니다. 아서 애슈킨 박사는 빛의 압력을 이용해 미세한 입자를 포획하고 이동시킬 수 있는 '광학 집게'를 발명했습니다. 이 기술은 살아있는 세포나 바이러스, 박테리아를 손상시키지 않고 자유자재로 조작할 수 있게 함으로써 생물학 및 의학 연구에 획기적인 변화를 가져왔습니다. 아주 작은 세계를 다루는 정밀한 도구로서 레이저의 새로운 가능성을 열어준 것입니다. 제라르 무루와 도나 스트릭랜드 교수는 '처프 펄스 증폭(CPA)' 기술을 통해 극초단, 고출력 레이저의 시대를 열었습니다. 레이저 펄스를 시간적으로 늘려 증폭한 뒤 다시 압축하는 이 방식은 장비의 손상 없이 레이저의 세기를 비약적으로 높일 수 있게 했습니다. 펨토초라 불리는 1000조분의 1초라는 찰나의 시간 동안 태양빛보다 수백만 배 강한 에너지를 집중시킴으로써, 이전에는 관찰할 수 없었던 물질의 미세한 변화를 연구할 수 있는 토대를 마련했습니다. 이러한 고출력 레이저 기술은 우리 일상과 산업 현장에서도 널리 활용되고 있습니다. 특히 펨토초 레이저는 열에 의한 손상이 거의 없이 물질을 정밀하게 가공할 수 있어 라식 수술과 같은 의료 분야나 반도체 공정에서 필수적인 도구가 되었습니다. 아주 짧은 시간 동안 에너지를 전달하기 때문에 주변 조직에 영향을 주지 않고 목표 부위만을 정확하게 깎아낼 수 있는 것입니다. 이는 기초 물리학의 발명이 실질적인 기술 혁신으로 이어진 훌륭한 본보기입니다. 노벨 화학상은 자연의 진화 원리를 실험실로 가져온 '유도 진화' 연구에 수여되었습니다. 프랜시스 아널드 교수는 단백질의 설계도인 DNA에 무작위적인 변이를 일으키고, 그중 유용한 기능을 가진 단백질만을 선택하여 다시 변이를 반복하는 과정을 통해 최적의 효소를 만들어냈습니다. 이는 인간의 지적 설계 능력만으로는 도달하기 어려운 복잡한 단백질 구조를 자연의 선택 방식을 모방하여 효율적으로 찾아낸 성과로, 바이오 연료와 의약품 생산 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 조지 스미스와 그레고리 윈터 교수는 '파지 디스플레이' 기술을 통해 특정 항원에 결합하는 항체를 대량으로 찾아내는 방법을 개발했습니다. 바이러스의 일종인 파지를 이용해 수억 개의 단백질을 동시에 테스트함으로써, 질병 치료에 효과적인 항체를 신속하게 선별할 수 있게 된 것입니다. 이 기술은 류마티스 관절염이나 암 치료를 위한 항체 의약품 개발의 핵심이 되었습니다. 2018년 노벨상은 이처럼 기초 과학의 원리가 인류의 건강과 미래를 어떻게 풍요롭게 만드는지를 잘 보여주었습니다.

김석희, 신의철, 이상민

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학
화학
생명과학

[강연] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강 | 1강 ①

화학은 우리 주변에서 일어나는 모든 변화를 다루는 아주 중요한 학문입니다. 많은 이들이 화학을 어렵고 복잡하게 느끼지만, 사실 그 이면에는 오묘하고 흥미로운 미스터리가 가득 숨겨져 있습니다. 물질의 구조가 기능을 결정하고, 그 구조를 인위적으로 설계하여 만들어내는 과정은 마치 건축가가 정교한 집을 짓는 것과 같습니다. 이러한 변화를 이해하는 것은 세상을 구성하는 근본적인 원리를 깨닫고 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첫걸음이 됩니다. 모든 화학적 변화를 일으키는 근본적인 동력은 바로 에너지입니다. 에너지는 물질의 상태를 바꾸고 물리적, 화학적 변화를 유도하는 핵심 요소입니다. 특히 화학 결합 내부에 잠재적으로 저장된 에너지를 엔탈피라고 부르는데, 이는 자극을 주면 언제든 밖으로 뿜어져 나올 준비가 된 에너지입니다. 대부분의 반응은 에너지 장벽을 넘어야 일어나며, 이 과정을 통해 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 안정한 상태를 찾아갑니다. 화학의 진정한 가치는 단순히 자연을 관찰하는 데 그치지 않고 새로운 물질을 만들어내는 합성에 있습니다. 예를 들어 강력한 항암제인 택솔은 원래 희귀한 나무에서 추출했으나, 화학자들의 노력을 통해 인공적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 이는 자연을 훼손하지 않으면서도 인류에게 필요한 솔루션을 제공하는 화학의 힘을 보여줍니다. 유기화학자는 복잡한 분자를 설계하고 조립하는 분자 건축가로서 세상에 없던 새로운 가치를 창조합니다. 우리가 일상에서 접하는 물질들은 상상할 수 없을 만큼 무수히 많은 분자로 이루어져 있습니다. 눈물 한 방울에 담긴 물 분자의 개수는 약 10의 21승 개에 달하며, 이를 전 인류가 밤낮없이 센다고 해도 수만 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 거대한 숫자의 입자를 다루기 때문에 화학은 개별 원자의 움직임을 넘어 통계적인 관점에서 접근해야 합니다. 이러한 인식의 격차를 이해할 때 비로소 거시적인 화학 현상의 본질에 다가갈 수 있습니다. 자연계의 변화에는 일정한 방향성이 존재하는데, 이를 설명하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 향수 냄새가 방 안으로 퍼지거나 잉크가 물속에서 확산하는 현상은 에너지가 보존됨에도 불구하고 결코 스스로 되돌아오지 않습니다. 이는 자연이 어떤 의지를 가진 것이 아니라 순전히 확률의 게임이기 때문입니다. 무질서도가 증가하는 방향, 즉 경우의 수가 가장 많은 상태로 나아가는 것이 우주의 자연스러운 흐름이며 이를 열역학 제2법칙이라 합니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 통계적으로 정의하며 비가역성의 원리를 규명했습니다. 입자의 개수가 무수히 많아지면 특정 상태로 다시 돌아올 확률은 수학적으로는 존재할지 몰라도 현실적으로는 0에 수렴하게 됩니다. 공기 입자들이 우연히 방 한구석으로 몰려 우리가 숨을 쉬지 못하게 될 확률이 없는 이유도 바로 여기에 있습니다. 이러한 통계적 필연성은 시간이 한 방향으로만 흐르는 '시간의 화살'을 만들어내며 거시 세계의 질서를 유지합니다. 생명체는 엔트로피가 증가하는 우주의 흐름 속에서 질서를 유지하는 독특한 존재입니다. 우리는 외부로부터 에너지를 섭취하고 대사 과정을 거침으로써 내부의 무질서도를 낮추고 정교한 구조를 유지합니다. 이는 열역학 법칙에 위배되는 것이 아니라, 우주 전체의 엔트로피를 증가시키는 대가로 국소적인 질서를 창조하는 과정입니다. 결국 에너지와 엔트로피를 이해하는 것은 생명의 탄생과 우주의 운명을 관통하는 거대한 미스터리를 푸는 열쇠가 됩니다.

김성근, 성재영

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화학

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

유전자가 생명체의 모든 것을 결정한다는 생각은 현대 과학에서 점차 변화하고 있습니다. 최근 주목받는 후성유전학은 유전자가 항상 발현되는 것이 아니라 환경이나 시기에 따라 그 양상이 달라질 수 있음을 보여줍니다. 흥미롭게도 인간의 유전자 수는 약 2만 1,000개로, 쥐나 감자보다 적거나 비슷한 수준입니다. 유전자의 절대적인 개수가 생명체의 고등함을 결정짓는 유일한 척도는 아니라는 사실은 생명 현상의 복잡성을 다시금 일깨워 줍니다. 생명체의 다양성은 유전자의 미세한 변이와 화학적 변화에서 시작됩니다. 염기들 사이의 수소 결합이 자연적으로 이동하거나 자외선 같은 외부 요인으로 인해 DNA 구조가 변하면서 새로운 형질이 나타나기도 합니다. 이러한 변이는 때로 질병의 원인이 되기도 하지만, 생태계 전체의 다양성을 풍성하게 만드는 핵심 동력이 됩니다. 또한 단백질이 만들어진 이후에 일어나는 다양한 단백질 번역 후 변형 과정은 한정된 유전자로도 수많은 기능을 수행할 수 있게 합니다. 감수 분열 과정에서 일어나는 유전자 재조합은 생명체가 가질 수 있는 경우의 수를 무한대에 가깝게 확장합니다. 인간의 경우 부모로부터 물려받는 23쌍의 염색체가 재조합되면서 이론적으로 64조 개 이상의 다양한 조합이 가능해집니다. 여기에 더해 '스플라이싱'이라는 과정을 통해 하나의 유전자에서 여러 종류의 단백질을 만들어냄으로써 생명체는 더욱 정교한 체계를 갖추게 됩니다. 이러한 메커니즘 덕분에 지구상의 모든 생명체는 각기 고유한 개성을 지니게 됩니다. 현대 생명공학은 이러한 유전 법칙을 이해하는 데 그치지 않고 이를 실생활에 응용하는 단계에 이르렀습니다. 특정 염기서열을 인식해 절단하는 제한 효소의 발견은 유전자 재조합 기술의 시대를 열었습니다. 과학자들은 미생물의 플라스미드에 유용한 유전자를 삽입하여 질병 치료를 위한 의약품이나 산업용 효소를 대량으로 생산합니다. 이는 생명체의 설계도를 인간이 의도에 맞게 수정하고 보완할 수 있게 된 획기적인 변화라고 할 수 있습니다. DNA를 비약적으로 증폭시키는 PCR 기술은 범죄 수사부터 질병 진단까지 현대 사회의 필수적인 도구가 되었습니다. 아주 적은 양의 시료만으로도 유전 정보를 분석할 수 있게 되면서 과학적 수사의 정확도가 높아졌고, 유전자 치료법을 통해 난치병을 극복하려는 시도도 이어지고 있습니다. 건강한 유전자를 바이러스에 실어 환자의 몸에 전달하는 기술은 생명 과학이 인류의 건강과 생존에 얼마나 깊숙이 관여하고 있는지를 잘 보여주는 사례입니다.

조윤제

카오스재단카오스강연

생명과학

[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] 유전자가위로 유전자 수술하기 (1) _ 김진수 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 9강 | 9강 ③

유전자 가위는 DNA를 정교하게 잘라내고 수술하는 혁신적인 도구입니다. 이 기술은 난치병 치료뿐만 아니라 농작물과 가축의 개량 등 다양한 분야에서 부가가치를 창출할 잠재력을 지니고 있습니다. 특히 3세대 크리스퍼 유전자 가위의 등장은 생명과학계의 거대한 전환점이 되었습니다. 이제 유전자 교정은 실험실의 연구를 넘어 사회적 함의를 지닌 중요한 화두가 되었으며, 일반인들도 이 기술의 원리와 영향을 이해하는 것이 필요합니다. 로봇이나 인공지능과 더불어 미래를 바꿀 10대 기술로 선정될 만큼 그 중요성이 날로 커지고 있습니다. 지구상의 모든 생명체는 공통 조상에서 유래했지만, DNA의 변이가 축적되면서 수천만 종의 다양성이 생겨났습니다. 하지만 이러한 변이는 때로 유전 질환의 원인이 되기도 합니다. 예를 들어 낫 모양 적혈구 빈혈은 32억 개의 염기쌍 중 단 한 글자가 바뀌어 발생하며, 환자들은 평생 심각한 빈혈과 고통에 시달립니다. 이처럼 아주 미세한 유전자 차이가 건강과 질병을 결정짓는 결정적인 요인이 됩니다. 현재까지 만여 종의 유전 질환이 알려져 있으며, 이는 신생아의 약 1%에게 영향을 미칠 정도로 우리 삶과 밀접한 관련이 있습니다. 과거의 유전자 치료는 외부에서 합성 유전자를 주입하는 방식이었으나, 유전자가 무작위로 삽입되어 암을 유발하는 등 안전성 문제가 있었습니다. 이를 극복하기 위해 등장한 것이 유전자 가위 기술입니다. 1세대 징크 핑거와 2세대 탈렌을 거쳐 현재의 3세대 크리스퍼 유전자 가위에 이르기까지 기술은 비약적으로 발전했습니다. 초기 기술들은 제작이 어렵고 진입 장벽이 높았으나, 3세대 크리스퍼 유전자 가위는 누구나 손쉽게 사용할 수 있을 만큼 정확하고 효율적입니다. 이러한 기술적 혁신 덕분에 이제는 유전자를 단순히 관찰하는 수준을 넘어 정교하게 교정하는 시대가 열렸습니다. 3세대 크리스퍼 유전자 가위는 본래 미생물이 바이러스의 침입에 대항하기 위해 발달시킨 정교한 면역 체계에서 유래했습니다. 세균은 자신을 공격했던 바이러스의 유전자 조각을 자신의 DNA에 기록해 두었다가, 동일한 적이 다시 침입하면 이를 인식해 잘라버립니다. 과학자들은 이 놀라운 시스템을 인간 세포에 적용하는 데 성공했습니다. 인간의 DNA는 히스톤 단백질에 복잡하게 꼬여 있어 접근이 어렵다는 회의적인 시각도 있었으나, 연구를 통해 32억 개의 염기쌍 중 원하는 표적을 정확히 찾아내어 절단할 수 있음을 증명해 냈습니다. 유전자 가위 기술은 이미 구체적인 치료 사례를 만들어내고 있습니다. HIV의 수용체인 CCR5 유전자를 제거하여 면역력을 갖게 하거나, 뒤집힌 유전자를 바로잡아 혈우병을 치료하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 실제로 혈우병 생쥐 모델에서 교정된 세포를 통해 증상을 완화하는 성과를 거두기도 했습니다. 이러한 기술은 인간뿐만 아니라 동식물 등 생태계 전반에 적용되어 새로운 세상을 열어줄 것으로 기대됩니다. 인류 역사상 최초로 유전자를 직접 수술하여 질병을 근원적으로 치유하는 시대가 눈앞에 다가와 있습니다.

김진수

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 우리 몸에 들어오는 외부물질들-약인가, 독인가? (2) _ 김병문 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 8강 | 8강 ②

우리가 섭취한 약물은 체내에서 복잡한 처리 과정을 거칩니다. 입을 통해 들어온 약물은 간문맥을 지나 간으로 이동하는데, 이를 '초회 통과 효과'라고 부릅니다. 간은 우리 몸의 거대한 화학 공장과 같아서, 수많은 효소를 통해 외부 물질을 처리하고 온몸으로 보냅니다. 이 과정에서 약물은 치료가 필요한 부위로 전달되기도 하지만, 때로는 예상치 못한 생체 반응을 일으키며 우리 몸의 시스템과 상호작용하게 됩니다. 따라서 약물이 체내에서 어떻게 대사되는지 이해하는 것은 안전한 약물 복용의 첫걸음이라 할 수 있습니다. 간에서의 대사는 크게 두 단계로 나뉩니다. 1차 변환은 약물을 물에 잘 녹는 성분으로 바꾸어 소변이나 대변으로 배출하기 쉽게 만드는 과정입니다. 이어지는 2차 변환은 체내 물질을 약물에 결합시키는 '포합 반응'을 통해 덩어리가 큰 접합체를 형성하는 단계입니다. 이러한 대사 과정은 우리 몸이 외부 물질로부터 스스로를 보호하기 위해 빠르게 밖으로 내보내려는 방어 기제이며, 건강을 유지하는 데 필수적인 역할을 수행합니다. 대사 효소의 작용에 따라 약물의 효능과 독성이 결정되기도 합니다. 약물 간의 상호작용은 때로 치명적인 부작용을 초래합니다. 예를 들어 테르페나딘은 간 효소에 의해 변환되어야 효능을 발휘하지만, 항진균제와 함께 복용하면 효소가 차단되어 심각한 심장 독성을 일으킬 수 있습니다. 또한 아세트아미노펜을 과량 복용하거나 술과 함께 섭취할 경우, 간 내 정화 물질인 글루타티온이 고갈되어 간부전에 이를 수 있습니다. 이는 약물의 양면성을 보여주는 대표적인 사례로, 약물 대사 경로를 고려한 올바른 복용법의 중요성을 시사합니다. 마약 중독은 단순한 의지의 문제를 넘어 뇌의 보상 회로가 변형되는 만성 질환입니다. 코카인과 같은 약물은 쾌감을 전달하는 신경전달물질인 도파민의 재흡수를 막아 수용체를 과도하게 활성화합니다. 이로 인해 뇌는 비정상적인 자극에 익숙해지고, 약물을 끊더라도 재발 위험이 매우 높은 상태가 됩니다. 최근에는 마이크로도싱이 업무 능력을 높인다는 잘못된 인식이 퍼지고 있으나, 이는 결국 중독으로 가는 위험한 경로가 될 뿐이며 뇌 건강에 치명적인 손상을 입힐 수 있습니다. 우리 주변의 모든 생명체와 물질은 결국 화학 물질로 구성되어 있습니다. 천연 물질이라 할지라도 체내에 들어오면 복잡한 화학적 상호작용을 거치며 약이 되기도 하고 독이 되기도 합니다. 따라서 신약 개발 과정에서 표적을 정확히 설정하고 대사 경로를 연구하는 것은 부작용을 최소화하기 위한 필수적인 노력입니다. 우리가 섭취하는 모든 외부 물질에 대해 과학적인 이해를 바탕으로 접근할 때, 비로소 건강하고 안전한 삶을 영위할 수 있을 것입니다. 화학 물질과 생체 사이의 상관관계를 이해하는 것이 현대 의학의 핵심입니다.

김병문

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 우리 몸에 들어오는 외부물질들-약인가, 독인가? (1) _ 김병문 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 8강 | 8강 ①

우리 몸은 외부에서 유입되는 다양한 물질인 '생체 이물질(Xenobiotics)'과 끊임없이 상호작용하며 살아갑니다. 음식물이나 약물은 물론, 미세먼지와 같은 환경 오염 물질도 우리 체내로 들어와 대사 과정을 거치게 됩니다. 대표적인 예로 보툴리눔 톡신은 세균이 만들어내는 강력한 신경 독소 단백질입니다. 이는 근육을 움직이는 신경전달물질인 아세틸콜린의 분비를 억제하여 주름을 개선하는 미용 목적으로 널리 쓰이지만, 사실 아주 적은 양으로도 치명적인 결과를 초래할 수 있는 세상에서 가장 강력한 독성 물질 중 하나이기도 합니다. 새로운 약이 탄생하기 위해서는 보건 당국의 승인을 받은 효능 있는 신물질이어야 하며, 독창성과 경제성 등 엄격한 조건을 충족해야 합니다. 신약 개발은 평균 12년에서 15년이라는 긴 시간과 1조 원 이상의 막대한 비용이 투입되는 고위험 고수익 분야입니다. 수만 개의 화합물 중에서 임상 시험을 거쳐 최종적으로 시판 허가를 받는 물질은 단 하나에 불과할 정도로 성공 확률이 매우 낮습니다. 이러한 과정은 단순히 질병을 치료하는 수단을 넘어, 인류의 건강을 지키기 위한 과학적 인내와 자본의 집약체라고 할 수 있습니다. 많은 이들이 모든 질병을 한 번에 해결할 수 있는 만병통치약이나 불로장생의 묘약을 꿈꾸지만, 과학적 관점에서 이는 실현되기 어려운 과제입니다. 과거 인디언들이 사용하던 에키네시아와 같은 천연물은 면역 증진 효과가 있다고 알려졌으나, 실제 연구 결과 성분의 표준화와 재현성 확보에 한계가 있음이 드러났습니다. 추출 부위나 환경에 따라 성분비가 달라지고, 사람에 따라 효능이 일정하지 않으며 때로는 부작용을 유발하기도 합니다. 이는 신약이 갖추어야 할 핵심 요소인 효능의 일관성과 안전성 확보가 얼마나 까다로운 작업인지를 잘 보여줍니다. 신약이 우리 몸에서 작용하기 위해서는 특정 표적에 정확히 결합해야 하는데, 대부분의 표적은 효소나 수용체 같은 단백질입니다. 과거에는 페니실린이나 사카린처럼 우연한 기회에 발견된 약물들이 많았지만, 현대 과학은 보다 체계적인 접근 방식을 취합니다. 수많은 화합물을 무작위로 탐색하는 스크리닝 기법부터 단백질의 3차원 분자 구조를 분석하여 설계하는 합리적 신약 설계까지 그 방법이 다양해졌습니다. 또한 임상 시험 과정에서 예상치 못한 부작용이 오히려 새로운 효능으로 발견되어 비아그라와 같은 혁신적인 신약으로 재탄생하는 흥미로운 사례도 존재합니다. 신약 후보 물질은 전임상 시험을 거쳐 사람을 대상으로 하는 임상 1, 2, 3상을 통과해야 비로소 시장에 나올 수 있습니다. 시판 후에도 임상 4상을 통해 장기적인 안전성을 지속적으로 감시받으며, 문제가 발견될 경우 허가가 취소되기도 합니다. 이러한 엄격한 검증 체계 속에서도 과학자들은 자연에서 영감을 얻어 새로운 길을 찾습니다. 개똥쑥에서 추출한 말라리아 치료제 아르테미시닌이나 호르몬 구조를 모방한 경구 피임약처럼, 자연계의 화합물과 우리 몸의 생리적 구조를 깊이 이해하는 것은 인류를 구원할 새로운 선도 화합물을 찾는 중요한 열쇠가 됩니다.

김병문

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생명과학

[강연] 우리 몸을 움직이는 에너지, 너의 정체는? (2) _ 정종경 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 7강 | 7강 ②

세포질에서 일어나는 해당 과정을 통해 포도당이 분해되면 피루브산이 생성됩니다. 이 피루브산은 미토콘드리아 내부로 들어가 본격적인 에너지 추출 과정을 시작합니다. 가장 먼저 피루브산은 탄소 하나를 이산화탄소 형태로 배출하며 아세틸-CoA라는 화합물로 변환됩니다. 이 과정은 단순히 물질을 변형시키는 것을 넘어, 포도당이 품고 있던 화학 결합 에너지를 본격적으로 꺼내기 위한 준비 단계라고 할 수 있습니다. 우리 몸은 이처럼 정교한 단계를 거쳐 거대한 에너지원을 다루기 쉬운 형태로 가공합니다. 아세틸-CoA는 미토콘드리아 내부의 TCA 회로에 진입하여 완전히 분해되는 과정을 거칩니다. 회로를 도는 동안 탄소는 이산화탄소로 버려지고, 그 과정에서 발생하는 고에너지 전자는 NADH와 FADH2라는 형태로 추출됩니다. 이는 마치 젖은 빨래를 탈수기에 넣고 돌려 물기만 쏙 빼내는 과정과 흡사합니다. 결국 하나의 포도당에서 유래한 두 개의 피루브산이 회로를 두 번 돌며 세포가 필요로 하는 에너지의 원천을 남기게 됩니다. 이 회로는 생명체가 에너지를 얻는 가장 핵심적인 순환 시스템입니다. 이 복잡한 화학 반응을 돕는 핵심 요소는 탈수소 효소와 조효소들입니다. 특히 NAD+와 FAD는 전자를 매우 좋아하는 성질을 가지고 있어, 효소가 떼어낸 전자를 안정적으로 받아내는 역할을 합니다. 흥미로운 점은 이 조효소들이 우리가 흔히 섭취하는 비타민 B 복합체 성분으로 이루어져 있다는 사실입니다. 우리가 에너지를 내기 위해 비타민을 챙겨 먹는 과학적인 이유가 바로 여기에 있으며, 이는 세포 대사의 효율성을 높이는 데 필수적입니다. 영양소의 섭취가 곧 에너지 생산의 효율로 직결되는 셈입니다. 추출된 고에너지 전자는 미토콘드리아 내막에 위치한 전자 전달계로 이동합니다. 이곳에는 여러 단백질 복합체들이 줄지어 서 있으며, 전자는 이들을 차례로 거치며 에너지를 조금씩 방출합니다. 너무 큰 에너지를 한꺼번에 사용하면 손실이 크기 때문에, 세포는 이를 잘게 쪼개어 전달하는 정교한 방식을 택한 것입니다. 마지막에 에너지를 다 쓴 전자는 산소와 결합하여 물을 형성하며 안전하게 처리됩니다. 이 과정은 세포가 에너지를 낭비 없이 관리하기 위한 고도의 전략적 선택이라 할 수 있습니다. 전자 전달 과정에서 방출된 에너지는 단순히 사라지지 않고, 미토콘드리아 내막 밖으로 수소 이온을 퍼 올리는 데 사용됩니다. 이로 인해 막을 경계로 수소 이온의 농도 구배와 전위차가 발생하게 되는데, 이는 마치 댐에 물을 가두어 높은 낙차를 만드는 것과 같습니다. 세포는 화학 결합 에너지를 직접 ATP로 바꾸는 대신, 수소 이온의 농도 구배라는 물리적인 위치 에너지 형태로 잠시 저장하는 놀라운 전략을 구사합니다. 이러한 에너지의 형태 변환은 생명 현상이 가진 경이로운 메커니즘 중 하나입니다. 저장된 에너지는 ATP 합성 효소라는 정교한 분자 기계를 통해 비로소 ATP로 전환됩니다. 수소 이온이 농도가 낮은 곳으로 흐르려는 성질을 이용해 효소 내부의 로터를 돌리면, 이 회전력이 화학적 결합을 유도하여 ATP를 만들어냅니다. 이 마이크로 머신은 초당 수백 번을 회전하며 놀라운 효율로 에너지를 생산합니다. 우리 몸의 에너지 효율이 자동차 엔진보다 두 배 이상 높은 약 40%에 달하는 비결이 바로 이 정밀한 기계적 구조에 있습니다. 이는 자연이 설계한 가장 효율적인 엔진이라고 불러도 손색이 없습니다. 산소가 부족한 상황에서 세포는 젖산 발효나 알코올 발효와 같은 대안적인 경로를 선택하기도 합니다. 비록 효율은 낮지만, 급박한 상황에서 생존을 이어가기 위한 세포의 유연한 대처 능력이라 할 수 있습니다. 결국 우리가 섭취하는 영양소는 이러한 복잡하고 경이로운 과정을 거쳐 생명 활동의 연료인 ATP로 거듭납니다. 건강한 식습관이 중요한 이유는 우리 몸속 미토콘드리아가 쉼 없이 에너지를 만들어낼 수 있도록 원료를 공급하기 위함입니다. 생명은 이 작은 세포 안에서 일어나는 거대한 에너지의 흐름 덕분에 유지됩니다.

정종경

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생명과학

[강연] 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 (2) _ 조진원 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 5강 | 5강 ②

혈액형은 적혈구 표면의 당사슬 구조에 의해 결정됩니다. A형은 A 항원을, B형은 B 항원을 가지며, AB형은 두 항원을 모두 보유합니다. 반면 O형은 유전자는 존재하지만 스톱 코돈으로 인해 단백질을 만들지 못해 항원이 붙지 않습니다. 놀랍게도 A형과 B형 효소의 차이는 단 4개의 아미노산에 불과합니다. 이처럼 미세한 당사슬의 차이가 우리 몸의 면역 체계와 수혈 가능 여부를 결정짓는 핵심적인 지표가 됩니다. 당사슬은 단순한 영양소를 넘어 생명체의 정체성을 규명하는 중요한 정보를 담고 있습니다. 단백질에 탄수화물이 붙는 당화 과정은 생명 현상의 유지에 필수적입니다. 세포 내 소포체에서는 단백질이 올바른 입체 구조를 형성하도록 당사슬을 이용해 품질 관리를 수행합니다. 만약 구조가 잘못 잡힌 단백질이 세포막으로 나가면 면역계는 이를 항원으로 인식해 공격하게 됩니다. 따라서 소포체는 당사슬의 변화를 감지하여 비정상적인 단백질을 선별하고 분해함으로써 세포의 건강을 지킵니다. 이는 생명체가 정교한 시스템을 통해 스스로를 보호하는 놀라운 메커니즘 중 하나입니다. 최근 당생물학 분야에서는 세포질과 핵에서 작용하는 단일 당인 'O-GlcNAc'에 주목하고 있습니다. 과거에는 당화가 세포 외부에서만 일어난다고 믿었으나, 제리 하트 교수의 발견으로 세포 내부의 조절 기전이 새롭게 밝혀졌습니다. O-GlcNAc는 단백질의 세린이나 트레오닌 부위에 결합하여 인산화 과정과 경쟁하며 신호 전달 체계를 조절합니다. 이는 기존의 생명과학 지식을 뒤흔드는 혁신적인 발견으로, 영양 상태에 따라 세포의 기능을 제어하는 핵심적인 역할을 수행함이 입증되었습니다. O-GlcNAc는 생명체의 성장과 생체 리듬에도 결정적인 영향을 미칩니다. 초파리 실험 결과, 이 단당이 많이 생성되면 세포 분열 횟수는 일정하지만 개별 세포의 크기가 비약적으로 커져 전체 몸집이 증가하는 현상이 관찰되었습니다. 또한 생체 시계를 조절하는 단백질의 수식화 정도에 따라 하루를 인지하는 시간이 21시간에서 27시간까지 변화하기도 합니다. 이는 단 하나의 당 분자가 생명체의 기본적인 생활 패턴과 물리적 성장을 정교하게 제어할 수 있음을 보여주는 놀라운 사례입니다. 당생물학의 발전은 치매와 같은 난치병 치료에 새로운 희망을 제시합니다. 알츠하이머 환자의 뇌에서는 특정 단백질의 O-GlcNAc 수식화가 감소하면서 독성 물질이 형성되는 경향이 있습니다. 이를 막기 위해 당을 잘라내는 효소를 억제하는 연구가 진행 중이며, 실제 동물 실험에서 인지 능력이 개선되는 성과를 거두기도 했습니다. 19세기 피셔의 연구로 시작된 탄수화물 탐구는 이제 21세기 생명과학의 중심에서 질병 정복과 생명의 신비를 밝히는 열쇠로 재조명받고 있습니다.

조진원

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생명과학

[강연] 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 (1) _ 조진원 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 5강 | 5강 ①

탄수화물은 우리 몸의 가장 기본적인 에너지원이자 생명 활동을 유지하는 데 필수적인 영양소입니다. 우리가 섭취하는 밥, 빵, 과일 등 다양한 음식에 포함되어 있으며, 체내에서 포도당으로 분해되어 뇌와 근육의 주요 연료로 사용됩니다. 하지만 탄수화물은 단순히 에너지를 공급하는 역할에 그치지 않고, 그 구조와 종류에 따라 우리 몸에 미치는 영향이 매우 다양합니다. 달콤한 맛 뒤에 숨겨진 탄수화물의 복잡한 화학적 성질을 이해하는 것은 건강한 삶을 위한 첫걸음이 됩니다. 탄수화물은 크게 단순 당질과 복합 당질로 나뉩니다. 설탕이나 시럽처럼 분자 구조가 단순한 단순 당질은 섭취 즉시 혈당을 빠르게 높여 일시적인 활력을 주지만, 곧바로 허기를 느끼게 만드는 특징이 있습니다. 반면 통곡물이나 채소에 풍부한 복합 당질은 식이섬유와 함께 천천히 소화되어 에너지를 일정하게 공급합니다. 이러한 차이는 인슐린 반응과 직결되며, 우리가 어떤 종류의 탄수화물을 선택하느냐에 따라 신진대사의 효율성과 전반적인 건강 상태가 결정됩니다. 우리가 음식을 씹는 순간부터 탄수화물의 분해는 시작됩니다. 침 속의 아밀레이스 효소는 복잡한 사슬 구조를 끊어내어 더 작은 단위로 만듭니다. 이후 소화 기관을 거치며 최종적으로 포도당의 형태로 혈액에 흡수됩니다. 혈액 속의 포도당 농도, 즉 혈당이 상승하면 췌장에서는 인슐린을 분비하여 세포가 이 에너지를 흡수하도록 돕습니다. 이 과정은 정교한 조절 시스템에 의해 운영되지만, 정제된 당분의 과도한 섭취는 이 시스템에 과부하를 주어 대사 문제를 일으킬 수 있습니다. 탄수화물의 '끈적끈적한 비밀' 중 하나는 바로 당화 반응입니다. 혈액 속에 포도당이 과도하게 오래 머물게 되면, 이 당분들이 단백질이나 지방과 결합하여 독성 물질을 형성합니다. 이를 최종당화산물이라고 부르며, 혈관 벽을 딱딱하게 만들거나 신체 곳곳에 염증을 유발하는 원인이 됩니다. 마치 설탕물이 마르면서 끈적하게 달라붙듯 우리 몸의 조직을 손상시킬 수 있다는 점이 탄수화물 과잉 섭취의 위험성을 경고합니다. 이는 노화와 만성 질환의 핵심 기전이기도 합니다. 사용되지 않고 남은 포도당은 간과 근육에 글리코젠 형태로 저장됩니다. 하지만 신체의 저장 용량에는 한계가 있어, 그 이상의 탄수화물은 중성지방으로 전환되어 체지방으로 축적됩니다. 이는 비만뿐만 아니라 지방간이나 대사 증후군의 직접적인 원인이 되기도 합니다. 따라서 탄수화물 섭취는 단순히 칼로리의 문제가 아니라, 우리 몸이 이를 어떻게 처리하고 저장하느냐의 대사적 관점에서 바라보아야 합니다. 적절한 활동량이 동반되지 않는 탄수화물 섭취는 몸에 부담을 줍니다. 현대인의 식단에서 정제된 탄수화물은 중독적인 특성을 보입니다. 단맛은 뇌의 보상 체계를 자극하여 도파민을 분비시키고, 이는 더 많은 당분을 갈구하게 만드는 악순환을 초래합니다. 이러한 현상은 혈당의 급격한 상승과 하락을 반복하게 하여 감정 기복과 만성 피로를 유발합니다. 우리가 탄수화물의 유혹을 이겨내기 어려운 이유는 개인의 의지력 문제라기보다 생물학적인 메커니즘에 기인한 경우가 많습니다. 이를 인지하고 식단을 조절하는 노력이 필요합니다. 건강한 탄수화물 섭취를 위해서는 '질'과 '양'을 동시에 고려해야 합니다. 가공되지 않은 자연 식품 위주로 식단을 구성하고, 식이섬유가 풍부한 음식을 먼저 섭취하여 혈당 상승 속도를 늦추는 지혜가 필요합니다. 탄수화물은 결코 우리 몸의 적이 아니며, 올바르게 이해하고 조절할 때 생명력을 지탱하는 가장 강력한 동력이 됩니다. 달콤한 유혹 속에 숨겨진 과학적 원리를 기억하며 균형 잡힌 식습관을 유지하는 것이 장기적인 건강을 지키는 핵심 비결입니다.

조진원

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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

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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

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생명과학

[강연] 리보핵산 : 최초의 생명물질로부터 메신저까지 (3) _ 김빛내리 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 3강 | 3강 ③

생명과학의 역사는 단백질과 DNA를 거쳐 이제 RNA라는 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 과거에는 유전 정보의 단순한 전달자로만 여겨졌던 RNA가 현대 과학에서는 생명 현상의 핵심 조절자로 주목받고 있습니다. 특히 인간 유전체 사업 이후 우리가 새롭게 알게 된 사실은 유전 정보의 극히 일부만이 단백질을 만드는 데 사용된다는 점입니다. 이러한 변화는 생명체를 바라보는 우리의 관점을 근본적으로 바꾸어 놓았으며, 보이지 않는 곳에서 생명을 움직이는 RNA의 실체를 밝히는 것이 현대 생물학의 최전선이 되었습니다. 우리 몸의 설계도인 DNA 중 단백질 정보를 담고 있는 영역은 단 2%에 불과합니다. 나머지 98%는 단백질을 만들지 않는 '논코딩 영역'으로, 여기서 만들어지는 것이 바로 논코딩 RNA입니다. 여기에는 마이크로 RNA뿐만 아니라 크기가 큰 롱 논코딩 RNA 등 다양한 종류가 포함됩니다. 과거에는 이 영역을 쓸모없는 '정크 DNA'로 치부하기도 했으나, 최근 연구를 통해 이들이 유전자 발현을 정교하게 조절하며 질병의 발생과 치료에 깊이 관여하고 있음이 밝혀지고 있습니다. 현재 인류가 파악한 인간 유전자는 약 4만 개에 달하며, 그중 절반에 가까운 1만 8,000여 개가 논코딩 RNA 유전자로 추정됩니다. 놀라운 사실은 이들 중 우리가 이름을 붙이고 구체적인 기능을 알고 있는 것은 10%도 채 되지 않는다는 점입니다. 즉, 우리 몸 안에는 여전히 정체를 알 수 없는 90% 이상의 RNA가 존재하며, 이들의 역할을 규명하는 과정은 생명과학의 거대한 미개척지로 남아 있습니다. 이 미지의 영역을 탐구하는 것은 암을 비롯한 난치병 치료의 새로운 열쇠를 찾는 과정이 될 것입니다. 생명의 기원을 거슬러 올라가면 'RNA 월드'라는 가설을 만나게 됩니다. 약 35억 년 전 원시 지구에서 DNA나 단백질보다 RNA가 먼저 등장했을 것이라는 이론입니다. RNA는 정보를 저장하는 유전 물질의 특성과 화학 반응을 촉진하는 효소의 기능을 동시에 갖추고 있기 때문입니다. 실제로 1980년대에 RNA가 스스로를 자르는 효소 기능을 한다는 사실이 발견되면서 이 가설은 학계의 정설로 자리 잡았습니다. 이는 RNA가 생명의 탄생과 진화 과정에서 일당백의 역할을 수행했음을 시사합니다. 생체 내 화학적 증거들 또한 RNA의 우선성을 뒷받침합니다. 모든 생명체는 에너지를 전달하는 ATP와 같은 RNA 소재를 직접 합성하지만, DNA의 소재는 반드시 RNA 소재에서 산소 원자 하나를 떼어내는 과정을 거쳐 만들어집니다. 즉, 현대의 복잡한 생명체 안에서도 DNA는 RNA로부터 파생된 형태를 유지하고 있는 셈입니다. 이러한 분자 수준의 선후 관계는 태초에 RNA가 먼저 존재했고, 이후 더 안정적인 정보 저장 매체인 DNA와 효율적인 기능 수행자인 단백질로 역할이 분담되었음을 보여주는 강력한 증거입니다. RNA 연구는 그 중요성만큼이나 까다로운 과정을 요구합니다. RNA는 화학 구조상 염기성 조건에서 쉽게 분해될 뿐만 아니라, 우리 주변 어디에나 존재하는 분해 효소인 RNase에 매우 취약하기 때문입니다. 연구자들은 실험 과정에서 RNA가 파괴되지 않도록 극도의 주의를 기울여야 하며, 이러한 예민함은 RNA 연구의 높은 진입 장벽이 되기도 합니다. 하지만 이러한 불안정성은 역설적으로 RNA가 환경 변화에 민감하게 반응하며 생명 현상을 실시간으로 조절하는 역동적인 분자임을 증명하는 특성이기도 합니다. 20세기 후반이 DNA의 시대였다면, 21세기는 RNA의 시대라고 할 수 있습니다. 이제 DNA 분석은 기술의 발전으로 대중화되었으며, 과학자들의 시선은 유전 정보의 실행 단계인 RNA와 그 상호작용으로 향하고 있습니다. 나아가 미래에는 탄수화물이나 지질과 같이 아직 미지의 영역으로 남아 있는 분자들에 대한 연구가 폭발적으로 성장할 것입니다. 생명체를 구성하는 다양한 요소들이 어떻게 협력하고 경쟁하며 생명을 유지하는지 밝혀내는 여정은 앞으로도 끊임없이 이어질 것입니다.

강창원, 김빛내리, 정선주

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[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

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