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[강연] 2024 '노벨상 해설강연' by 조정효, 백민경, 이준호 l 고등과학원&카오스재단

2024년 노벨 물리학상은 인공지능의 기초를 닦은 존 홉필드와 제프리 힌턴에게 돌아갔습니다. 이들은 물리학의 통계적 원리를 활용해 인공신경망이 정보를 저장하고 학습하는 초기 모델을 고안했습니다. 홉필드 모델은 물리학의 에너지 지평 개념을 도입하여 불완전한 정보에서 원래의 패턴을 복원하는 기억의 원리를 설명했습니다. 이는 현대 딥러닝의 이론적 토대가 되었으며, 물리학적 통찰이 어떻게 첨단 기술의 근간이 될 수 있는지를 보여주는 상징적인 사례로 평가받습니다. 인공신경망은 이제 단순한 계산 도구를 넘어 인간의 지능을 모사하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 제프리 힌턴은 홉필드의 아이디어를 확장하여 볼츠만 머신과 오차 역전파 알고리즘을 발전시켰습니다. 그는 데이터의 확률 분포를 학습하는 생성 모델의 원형을 제시하며, 인공지능이 단순한 분류를 넘어 새로운 정보를 생성할 수 있는 가능성을 열었습니다. 특히 층을 깊게 쌓은 심층신경망의 학습 가능성을 증명함으로써 오늘날의 생성형 AI 시대를 가능케 했습니다. 이러한 성과는 물리학적 통찰이 복잡한 데이터 처리 시스템의 효율성을 극대화하는 데 결정적인 역할을 했음을 시사합니다. 이는 인공지능 발전의 역사에서 물리학이 수행한 중추적인 역할을 다시금 확인시켜 줍니다. 노벨 화학상은 단백질 구조 예측과 설계 분야에서 혁신을 일으킨 데이비드 베이커, 데미스 허사비스, 존 점퍼가 수상했습니다. 단백질은 생명 현상을 수행하는 핵심 일꾼으로, 그 기능을 이해하려면 복잡하게 접힌 3차원 구조를 파악하는 것이 필수적입니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 인공지능을 활용해 수십 년간 난제로 남아있던 구조 예측 문제를 해결했습니다. 이는 실험에 수년이 걸리던 작업을 단 몇 분 만에 처리할 수 있게 함으로써 생명과학 연구의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이제 과학자들은 방대한 단백질 데이터를 바탕으로 생명의 신비를 더욱 빠르게 파헤치고 있습니다. 데이비드 베이커 교수는 인공지능을 활용해 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하는 데 성공했습니다. 그는 단백질이 형성되는 물리적 원리를 바탕으로 특정 기능을 수행할 수 있는 아미노산 서열을 계산해내는 '로제타'와 'RF디퓨전' 모델을 개발했습니다. 이를 통해 질병 치료를 위한 정밀 약물 전달체나 환경 오염을 해결할 플라스틱 분해 효소 등을 맞춤형으로 제작할 수 있는 길이 열렸습니다. 단백질 설계 기술의 발전은 인류가 직면한 난치병과 환경 문제를 해결할 강력한 무기가 될 것입니다. 이는 기초 과학의 원리가 인공지능이라는 도구를 만나 실질적인 인류의 혜택으로 전환된 사례입니다. 노벨 생리의학상은 예쁜꼬마선충 연구를 통해 마이크로RNA를 발견한 빅터 앰브로스와 게리 러브컨에게 수여되었습니다. 이들은 아주 작은 벌레인 선충의 발생 과정을 추적하던 중, 단백질 정보를 담고 있지 않은 아주 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 조절한다는 사실을 우연히 발견했습니다. 이는 기존의 생명 중심 원리에서 설명하지 못했던 새로운 유전자 조절 층위를 밝혀낸 것입니다. 아주 단순한 생명체에 대한 호기심이 생명 과학의 근본적인 원리를 뒤흔드는 거대한 발견으로 이어진 셈입니다. 이 발견은 생명체가 얼마나 정교한 시스템을 통해 스스로를 통제하는지 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 마이크로RNA는 선충뿐만 아니라 인간을 포함한 고등 생물에게도 진화적으로 잘 보존되어 있으며, 세포의 성장과 분화에 결정적인 역할을 합니다. 특정 마이크로RNA의 이상은 암이나 유전병 등 다양한 질병의 원인이 되기도 합니다. 이 발견은 유전자가 단순히 단백질을 만드는 설계도에 그치지 않고, 그 발현 시기와 양을 정밀하게 조절하는 복잡한 시스템임을 증명했습니다. 현재는 이를 활용한 새로운 진단 기술과 치료제 개발 연구가 활발히 진행되며 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 작은 분자 하나가 생명 현상의 거대한 흐름을 조절한다는 사실은 현대 의학에 새로운 지평을 열어주었습니다. 2024년 노벨상은 과학의 새로운 도구로서 인공지능의 위상을 공고히 하는 동시에, 기초 과학의 끈질긴 탐구 정신이 얼마나 중요한지를 일깨워 줍니다. 인공지능은 방대한 데이터를 분석하고 예측하는 강력한 도구이지만, 그 도구를 어디에 사용할지 결정하고 새로운 질문을 던지는 것은 여전히 인간의 몫입니다. 물리학, 화학, 생물학의 경계가 허물어지는 융합의 시대에서, 기초 과학에 대한 깊은 이해와 창의적인 상상력은 인류의 지식을 확장하고 미래의 난제를 해결하는 가장 확실한 열쇠가 될 것입니다. 과학자들의 끊임없는 도전은 인공지능이라는 날개를 달고 더욱 먼 미래를 향해 나아가고 있습니다.

백민경, 이준호, 조정효

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학

[인터뷰] 백민경 _ 우리만의 단백질 구조 분석법, AI 로제타폴드🧪🔬｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연

단백질은 우리 몸속에서 산소 수송, 음식물 소화, 에너지 대사, 그리고 외부 침입자에 맞서 싸우는 면역 과정에 이르기까지 거의 모든 생명 현상을 매개하는 핵심적인 생체 분자입니다. 이러한 다양한 기능이 가능한 이유는 단백질마다 각기 다른 고유한 3차원 구조를 형성하고 있기 때문입니다. 따라서 단백질의 구조를 명확히 규명하는 일은 생명체가 작동하는 원리를 깊이 있게 이해하는 첫걸음이며, 이를 바탕으로 질병의 원인을 파악하고 치료를 위한 신약 개발의 토대를 마련한다는 점에서 현대 생명과학의 매우 중요한 과제라고 할 수 있습니다. 최근 인공지능 기술의 비약적인 발전은 단백질 구조 예측 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 과거에는 실험을 통해서만 단백질 구조를 파악할 수 있었으나, 이제는 로제타폴드와 같은 인공지능 모델을 통해 아미노산 서열 정보만으로도 정교한 3차원 구조를 예측할 수 있게 되었습니다. 연구팀은 구글 딥마인드의 알파폴드2가 보여준 가능성에 자극받아 독자적인 알고리즘 개발에 착수했으며, 그 결과 수 초에서 수 시간 내에 고정확도의 구조 정보를 얻어내는 성과를 거두었습니다. 이는 인공지능이 복잡한 생물학적 난제를 해결하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 인공지능을 활용한 예측 기술은 단순히 기존 단백질의 형태를 알아내는 것에 그치지 않고, 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하는 '단백질 디자인' 연구로 확장되고 있습니다. 하지만 컴퓨터 계산을 통한 예측이 항상 완벽할 수는 없기에, 인공지능 모델은 반드시 실험적 검증과 병행되어야 합니다. 새롭게 설계된 단백질이 실제로 의도한 기능을 수행하는지, 혹은 인체에 주입했을 때 안전성에 문제는 없는지 확인하는 과정에서 컴퓨터 방법과 실험 방법은 서로를 보완하며 함께 발전해 나가는 필수적인 파트너 관계를 형성하고 있습니다. 현재 전 세계적으로 수억 개의 단백질 구조 데이터가 구축되면서 이를 활용한 응용 연구가 활발히 진행 중입니다. 구조 기반의 신약 개발은 물론이고, 환경 문제 해결을 위한 혁신적인 시도들도 이어지고 있습니다. 예를 들어 광합성 관련 단백질의 구조를 정밀하게 분석하여 빛 흡수 효율이 극대화된 새로운 단백질을 설계한다면, 태양광 발전의 효율을 획기적으로 높여 에너지 문제를 해결하는 데 기여할 수 있습니다. 이처럼 단백질 구조 연구는 의료 분야를 넘어 인류가 직면한 에너지와 환경 등 다양한 사회적 난제를 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 과학의 진정한 묘미는 서로 다른 기술과 사람이 만나 새로운 길을 만들어내는 '연결'에 있습니다. 양자역학에서 시작된 기초 과학이 반도체와 컴퓨터 기술을 거쳐 인공지능으로 진화하고, 다시 생명과학과 결합하여 혁신을 일으키는 과정은 기술 간 연결의 힘을 잘 보여줍니다. 또한 로제타폴드 개발 과정에서 화학, 인공지능, 생명과학 등 각 분야 전문가들이 긴밀하게 협업했듯이, 다양한 시각을 가진 과학자들의 소통과 연대는 현대 과학이 한계를 극복하고 다음 단계로 도약하게 만드는 가장 강력한 원동력이자 미래 과학이 나아가야 할 방향입니다.

백민경

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[인터뷰] 이현숙 _ DNA의 이중 나선 구조는 옛말! | 2022 '진화가 필요한 순간'

DNA는 단순한 화합물에 불과하지만, 생명 현상의 모든 것을 설명하는 핵심적인 열쇠입니다. 다윈의 진화론에서 말하는 소진화, 즉 세포 안에서 일어나는 변화들은 DNA를 통해 완벽하게 설명됩니다. 물이 존재하는 지구 환경에서 어떻게 생명체가 탄생하고 생로병사의 과정을 겪게 되었는지 이해하기 위해서는 DNA의 화학적 구조와 생물물리학적 특성을 파악하는 것이 필수적입니다. 이는 생명의 기원을 찾는 여정이자 과학의 진화를 목격하는 과정이기도 합니다. 최근 과학계는 컴퓨터상에서 가상의 세포를 구현하려는 '가상 세포(Virtual Cell)' 연구에 집중하고 있습니다. DNA는 ATGC라는 염기쌍의 결합 법칙이 매우 정확하기 때문에 디지털로 구현하기에 가장 적합한 도구입니다. 유전 암호가 어떻게 단백질로 번역되는지에 대한 규칙은 이미 상당 부분 밝혀졌으며, AI 기술인 알파폴드(AlphaFold) 등을 통해 단백질 구조를 예측하는 정확도도 비약적으로 높아졌습니다. 하지만 여전히 우리가 알지 못하는 미지의 영역이 90%나 존재한다는 점은 인류가 풀어야 할 숙제입니다. 암 연구 분야에서 DNA의 돌연변이는 매우 중요한 연구 대상입니다. 유방암 억제 인자인 BRCA2와 같은 유전자가 망가지면 세포는 암세포로 변하게 되는데, 이 과정에서 발생하는 돌연변이는 매우 무작위적입니다. 과거의 유전자 편집 기술인 크리스퍼(CRISPR)는 단순히 특정 부위를 잘라내는 방식이었으나, 최근에는 염기 하나만을 정교하게 치환할 수 있는 수준까지 발전했습니다. 이러한 기술적 진보는 유전자 치료의 가능성을 열어주며 난치병 정복을 향한 새로운 희망을 제시하고 있습니다. 하지만 유전자 편집 기술이 모든 문제를 해결할 수 있는 만능 열쇠는 아닙니다. 수만 개의 돌연변이를 한꺼번에 고치는 것은 현재 기술로 불가능하며, 생명체가 환경 변화에 적응하는 과정은 단 몇 개의 유전자 조절만으로 설명하기 어렵습니다. 생명은 환경과 복잡하게 상호작용하며 진화해 왔기에, 인위적인 기술로 자연의 선택을 완벽히 대체하기에는 한계가 있습니다. 결국 기술적 시도보다는 인류가 문명을 통해 환경에 적응해 나가는 속도가 더 빠를 수도 있다는 점은 생명의 신비로움을 다시금 일깨워 줍니다. DNA는 과학자들에게 끊임없이 새로운 구조와 현상을 드러내는 도전의 대상이자, 생명의 진리를 담고 있는 짝사랑의 대상이기도 합니다. 최근 연구되고 있는 세 가닥의 R-loop 구조처럼 DNA는 우리가 아는 것보다 훨씬 더 역동적으로 진화하고 있습니다. 각각의 유전 정보는 새로운 기회이며, 이를 통해 우리는 생명이라는 거대한 태피스트리를 이해하고 미래를 설계하는 동력을 얻게 됩니다. 생명 과학이 선사하는 이러한 발견들은 인류가 나아가야 할 방향을 제시하는 소중한 이정표가 되어줄 것입니다.

이현숙

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[석학 인터뷰] 인간은 유전자가 만든 로봇?🤖 | 2022 카오스강연 '진화'

리처드 도킨스의 '이기적 유전자' 이론은 우리가 유전자의 운반자에 불과하다는 도발적인 메시지를 던집니다. 이는 우리의 자유의지와 의식을 부정하는 것처럼 들려 심리적인 거부감을 일으키기도 하지만, 생물학계에서는 지난 수십 년간 생명 현상을 이해하는 핵심적인 틀로 받아들여져 왔습니다. 개체의 행동이나 표현형이 결국 유전자가 자신의 복제본을 더 널리 퍼뜨리기 위한 전략이라는 관점은, 우리가 불편함을 느끼더라도 직면해야 할 과학적 사실 중 하나로 자리 잡았습니다. 자연선택의 대상이 반드시 유전자나 개체에만 국한되는 것은 아닙니다. 최근 인류를 괴롭힌 바이러스의 사례를 보면, 개체 수준에서는 숙주를 빠르게 이용해 복제하는 것이 유리해 보이지만, 집단 수준에서는 숙주를 너무 빨리 죽이면 전파가 불가능해집니다. 따라서 바이러스의 독성이 약해지는 방향으로 진화하는 것은 집단 수준의 선택이 개체 수준의 선택보다 강하게 작용했음을 보여줍니다. 이처럼 생명 현상은 유전자의 의도대로만 흘러가는 것이 아니라 다양한 층위의 선택 과정이 복합적으로 얽혀 있습니다. 도킨스가 사용한 '이기적'이라는 표현은 유전자가 인간처럼 욕심을 부린다는 뜻이 아니라, 결과적으로 경쟁 유전자를 제치고 더 많은 복제본을 남기는 특성을 은유한 것입니다. 예를 들어 자외선으로부터 피부를 보호하기 위해 멜라닌을 분비하는 유전자가 선택된 과정은, 생존에 유리한 형질이 보존되는 자연선택의 결과일 뿐입니다. 그러므로 이러한 은유를 글자 그대로 받아들여 삶의 의미나 자유의지가 무너진다고 좌절할 필요는 없습니다. 이는 복잡한 생명 현상을 설명하기 위한 효과적인 언어적 도구에 가깝기 때문입니다. 우리의 신체는 수개월마다 먹는 음식에 의해 구성 성분이 바뀌지만, 부모로부터 물려받은 유전 정보는 변하지 않고 유지됩니다. 이런 측면에서 DNA는 생명을 이해하는 가장 중요한 정보 단위임이 분명합니다. 하지만 유전자 결정론에만 매몰되어서는 안 됩니다. 지리학적 관점에서 보면 환경의 선택 역시 진화의 핵심적인 동력이며, 인간의 교육과 경험은 유전적 프로그램을 끊임없이 교정하고 보완합니다. 즉, 생명은 유전자라는 설계도와 환경이라는 무대가 상호작용하며 만들어가는 예술과 같습니다. 인간은 지구상에서 유전자의 존재와 그 작동 원리를 이해한 유일한 생명체입니다. 우리는 유전자의 복제 본능에 반하여 피임을 하거나 독신을 선택하는 등 이른바 '유전자의 폭거'에 항거할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 도킨스 역시 책의 마지막에서 인간만이 유전자의 지배를 거부할 수 있다고 강조했습니다. 과학적 사실이 주는 허무함에 빠지기보다, 유전자가 부여한 생물학적 한계를 인지하고 그 위에서 자신만의 자유의지로 삶의 의미를 개척해 나가는 태도가 진정으로 중요합니다.

김상욱, 김영준, 김유섭, 박정재, 이준호, 장대익, 장이권, 전중환, 최재천, 한창석

카오스재단석학인터뷰

생명과학
융합

[질토과+짧강] 🧬생명현상과 엔트로피_by성재영｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강

통계역학의 관점에서 생명은 매우 특별한 상태입니다. 우리 주변의 공기 입자들이 갑자기 한쪽으로 쏠려 숨을 쉬지 못하게 될 확률은 거의 0에 가깝습니다. 이는 마치 원숭이가 타자기를 쳐서 지구상의 모든 정보를 우연히 기록할 확률만큼이나 희박한 일입니다. 생명체는 이처럼 무한히 낮은 확률을 뚫고 고도의 질서를 유지하는 존재입니다. 수많은 분자가 모여 하나의 생명체를 이루고 그 상태를 지속하는 것은 에너지를 끊임없이 소비하며 엔트로피 증가에 저항하는 경이로운 과정이라 할 수 있습니다. 우리가 세상을 보고 듣는 감각 현상 또한 정교한 화학 반응의 산물입니다. 눈의 망막에 있는 분자들은 빛을 받으면 구조를 바꾸며 전기 신호를 생성하고, 귀의 청각 세포들은 소리의 진동에 맞춰 움직이며 이온을 흐르게 합니다. 이러한 개별적인 효소 반응들은 겉보기에는 매우 무질서해 보일 수 있지만, 생명체 내부에서는 정교하게 설계된 체계를 통해 질서정연한 신호로 변환됩니다. 결국 생명 현상의 본질은 무질서한 분자들의 움직임을 조절하여 의미 있는 정보를 만들어내는 데 있습니다. 생명체가 질서를 구현하는 핵심 기제는 바로 효소 반응 네트워크에 있습니다. 대장균과 같은 단순한 단세포 생물조차도 수많은 단백질과 효소를 이용해 먹이를 찾고 독성 물질을 피하는 복잡한 판단을 내립니다. 개별 효소의 반응은 무작위적이지만, 이들이 얽혀 있는 네트워크는 전체적인 조화를 이루며 생명 기능을 수행합니다. 최근 연구에 따르면 이러한 반응 속도의 유동성과 무질서도를 설명하는 '화학 유동 법칙'이 존재함이 밝혀졌으며, 이는 생명이 어떻게 수학적 정교함을 바탕으로 유지되는지 보여줍니다. 유전자는 생명체가 질서를 유지하기 위해 참조하는 정보의 원천입니다. 부모로부터 물려받은 유전 정보는 세포 내 반응 네트워크를 설계하는 설계도 역할을 하며, 정보량이 많아질수록 시스템의 엔트로피는 감소하게 됩니다. 흥미로운 점은 같은 유전자를 가진 세포라도 단백질의 개수나 상태가 조금씩 다르다는 것입니다. 생명체는 이러한 미세한 무질서와 변동성을 오히려 이용해 세포의 기능을 다양화하고 환경에 적응합니다. 즉, 완벽한 통제보다는 적절한 불확실성을 활용하는 것이 생명의 생존 전략인 셈입니다. 생명체의 조절 능력이 한계를 벗어나 질서가 무너질 때 우리는 이를 질병이라 부릅니다. 암세포의 무분별한 증식이나 혈당 조절의 실패는 세포 내 화학 반응 네트워크의 균형이 깨진 결과입니다. 따라서 현대 과학은 시스템생물학적 관점에서 이러한 네트워크를 복구하고 엔트로피를 관리하는 치료법을 연구하고 있습니다. 노화 역시 엔트로피 증가에 따른 자연스러운 과정이지만, 에너지를 극도로 소비하여 젊음을 되찾는 일부 생명체의 사례는 우리가 생명의 가역성과 질서 유지에 대해 더 깊이 탐구할 여지를 남겨줍니다.

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

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생명과학

[인터뷰] 이유리_식물도 욕망이 있다! | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

식물의 잎은 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하는 핵심적인 에너지 생성 공장입니다. 생존에 필수적인 광합성이 일어나는 장소인 만큼, 잎은 곤충이나 미생물 같은 생물학적 공격뿐만 아니라 가뭄과 바람 같은 물리적 환경 변화로부터도 스스로를 지켜내야 합니다. 식물은 이동할 수 없기에 도망치는 대신 정교한 방어 전략을 발달시켰으며, 이는 도시가 공격받았을 때 재건을 위해 노력하는 과정과 유사한 생존 본능을 보여줍니다. 식물은 손이 없어도 자신의 표면을 깨끗하게 유지하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 대표적인 사례인 연꽃잎은 더러운 환경에서도 방수 효과와 자정 작용을 통해 청결을 유지하는데, 이는 표면의 특수한 미세 구조 덕분입니다. 과학자들은 이러한 식물의 비밀을 파헤쳐 방수 페인트나 기능성 의류 제작에 응용하고 있습니다. 외부 환경으로부터 자신을 보호하고 스스로를 정화하는 식물의 지혜는 현대 공학 기술의 중요한 영감이 되고 있습니다. 식물은 동물과 달리 신체 부위를 자유롭게 새로 만들거나 떼어내는 유연한 생장 방식을 가집니다. 줄기세포가 곳곳에 잠자고 있다가 필요에 따라 새로운 줄기나 잎을 형성하며, 심지어 잘린 잎 하나에서도 뿌리가 내려 새로운 개체로 재분화되기도 합니다. 이러한 강력한 재분화 능력은 식물이 환경 변화에 적응하고 손상을 극복하는 핵심 동력입니다. 움직이지 못하는 한계를 극복하기 위해 식물은 끊임없이 자신을 갱신하며 생명력을 이어가는 독특한 전략을 선택했습니다. 진화의 역사에서 식물과 동물을 가른 결정적인 차이는 세포벽이라는 '갑옷'의 유지 여부에 있었습니다. 초기 세포들은 독립성을 지키기 위해 단단한 벽을 가졌으나, 다세포 생물로 진화하는 과정에서 동물은 움직임을 위해 이를 벗어던졌고 식물은 이를 유지하는 길을 택했습니다. 이 선택은 소통 방식의 차이로 이어졌습니다. 식물 세포는 벽을 사이에 두고 원거리 통신을 하듯 정보를 주고받으며, 이러한 독특한 체계가 식물만의 복잡한 생명 현상을 가능하게 만들었습니다. 현미경으로 들여다본 식물의 세계는 단순한 평면이 아니라 정교하게 설계된 3차원 건축물과 같습니다. 세포벽의 단단하고 질긴 특성 덕분에 식물 세포는 별 모양이나 뾰족한 모양 등 다채로운 형태를 띠며, 이들이 모여 견고한 구조물을 형성합니다. 식물은 성장 단계나 환경 변화에 맞춰 이 구조를 유연하게 리모델링하며 최적의 상태를 유지합니다. 눈에 보이지 않는 미세한 공간 속에서 벌어지는 이러한 건축적 변화는 식물이 가진 생명력의 신비로움을 잘 보여줍니다.

이유리

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 유주연_바이러스와의 공존, 어느날 일어나보니...? | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학자의 길을 걷다 보면 자연스레 '까칠하고 깐깐하다'는 평을 듣게 되곤 합니다. 이는 직업병이라기보다 사실에 기반한 사고를 지향하는 과학적 태도에서 비롯된 결과입니다. 주관적인 추정이나 근거 없는 가정을 철저히 경계하고, 오직 명확한 증거(Evidence)에 기반하여 의견을 개진하는 것이 연구의 기본이기 때문입니다. 이러한 비논리적인 행위를 피하려는 노력은 일상생활에도 영향을 미치지만, 결국 이는 현상을 왜곡 없이 바라보려는 과학자만의 정직한 시선이라고 할 수 있습니다. 스스로를 끊임없이 경계하며 질문을 던지는 태도야말로 진실에 다가가는 첫걸음이 됩니다. 처음부터 과학자를 꿈꿨던 것은 아니었습니다. 본래 질병을 고치는 의사가 되고 싶었으나, 우연한 기회에 접한 유전학 수업이 인생의 전환점이 되었습니다. 특히 '선천성 대사 이상'이라는 책과 겸상 적혈구 빈혈증에 대한 사례를 접하며 큰 전율을 느꼈습니다. 단순히 병을 치료하는 행위를 넘어, 특정 단백질의 아미노산 변이가 어떻게 질병으로 이어지는지 그 근원적인 기전을 이해하고 싶다는 강렬한 열망이 생겨난 것입니다. 병이 왜 생기는지를 탐구하는 과정에서 찾은 깨달음은 지금까지 연구의 길을 걷게 하는 가장 강력한 동력이 되었습니다. 연구라는 긴 여정에서 '희열'의 순간은 아주 간헐적으로 찾아옵니다. 그 짧은 찰나를 위해 연구자는 기나긴 인고의 시간을 열정으로 버텨내야 합니다. 하지만 열정은 가만히 둔다고 유지되는 것이 아니라, 마치 식물처럼 정성껏 물을 주고 가꾸어야 하는 대상입니다. 특히 정신력은 체력 상태와 밀접하게 연결되어 있습니다. 체력이 뒷받침되지 않으면 열정은 금방 시들기 마련이기에, 규칙적인 운동을 통해 최상의 몸 상태를 유지하는 것은 연구의 연장선이자 필수적인 과정입니다. 건강한 신체는 곧 창의적인 연구를 지속할 수 있는 든든한 버팀목이 됩니다. 복잡한 연구 데이터 속에서 길을 잃었을 때, 해답은 의외로 단순함에 있었습니다. '생각의 탄생'이라는 책을 통해 깨달은 것은, 핵심 아이디어를 찾기 위해 불필요한 것들을 과감히 버려야 한다는 점이었습니다. 모든 데이터를 끌어안고 이해하려 하기보다, 생명 현상의 본질을 흐리는 군더더기를 솎아내는 작업이 선행되어야 합니다. "버릴 것이 무엇인지 찾아야 한다"는 가르침은 연구실의 중요한 철학이 되었고, 이는 복잡한 현상을 명료한 법칙으로 설명해 내는 과학적 통찰력의 핵심이 되었습니다. 비우는 과정을 통해 비로소 현상의 진정한 의미가 보이기 시작합니다. 현재 우리는 바이러스와 함께 살아가는 시대를 지나고 있습니다. 바이러스의 변이는 두려움의 대상이 아니라, 생존을 위한 자연스러운 변화의 과정입니다. mRNA 백신은 우리 몸이 바이러스를 기억하고 빠르게 대응할 수 있도록 돕는 정교한 기술의 산물입니다. 궁극적으로 바이러스는 인간과 공존할 수 있는 평화로운 방향으로 진화해 나갈 것입니다. 마치 소설 '안드로메다 스트레인'의 결말처럼, 치명적이었던 존재가 어느 순간 우리와 공존 가능한 형태로 변모하기를 기대합니다. 연구의 즐거움을 잃지 않고 이 신비로운 생명 현상을 탐구하는 여정은 앞으로도 계속될 것입니다.

유주연

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 빛의 한계를 뛰어넘는 분자의 슬기로운 감빵생활 _ by심상희 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 5강 | 5강

현미경의 역사는 생물학의 발전과 그 궤를 같이해 왔습니다. 17세기 로버트 훅은 직접 고안한 현미경으로 코르크 마개를 관찰하던 중, 작은 방들이 조밀하게 모여 있는 모습이 마치 수도원의 독방이나 감옥 같다고 느껴 '세포(Cell)'라는 이름을 붙였습니다. 이후 레벤후크는 미생물을 발견하여 미생물학의 토대를 닦았고, 카할은 신경 세포의 정교한 구조를 그려내며 뇌과학의 시작을 알렸습니다. 이처럼 현미경은 보이지 않는 미세 세계를 시각화함으로써 인류가 생명의 기본 단위를 이해하는 데 결정적인 역할을 수행해 왔습니다. 하지만 전통적인 광학 현미경은 물리적인 한계에 부딪혔습니다. 19세기 에른스트 아베는 빛의 파동성으로 인해 발생하는 회절 현상을 수식으로 정리하며 회절 한계를 규명했습니다. 가시광선을 사용하는 한, 약 200~300 나노미터보다 작은 물체는 서로 구분할 수 없다는 것입니다. 이로 인해 수 나노미터 크기에 불과한 단백질이나 바이러스는 현미경 아래에서 실제보다 훨씬 거대한 빛의 점으로 뭉개져 보일 수밖에 없었으며, 이는 오랫동안 광학계의 깨지지 않는 법칙처럼 여겨졌습니다. 전자 현미경은 짧은 파장의 전자빔을 사용하여 이 한계를 극복했지만, 세포를 아주 얇게 자르고 고정해야 하기에 살아있는 상태를 관찰하기 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 반면 형광 현미경은 특정 분자에만 빛을 내는 표지를 붙여 복잡한 세포 환경 속에서도 원하는 대상만을 선명하게 골라낼 수 있는 '분자 특이성'을 가집니다. 이러한 장점 덕분에 현대 생물학에서 형광 현미경은 세포 내 특정 분자의 위치와 움직임을 파악하는 데 있어 대체 불가능한 도구로 자리 잡게 되었습니다. 초고해상도 현미경은 형광 분자가 '반짝이며' 켜지고 꺼지는 스위칭 현상을 슬기롭게 활용하여 물리적 한계를 뛰어넘었습니다. 모든 분자가 동시에 빛을 내면 회절 무늬가 겹쳐 형체를 알 수 없게 되지만, 확률적으로 아주 적은 수의 분자만 번갈아 가며 빛을 내게 조절하면 개별 분자의 정확한 중심 위치를 파악할 수 있습니다. 이는 마치 어두운 밤하늘에서 수많은 반딧불이가 한꺼번에 빛날 때는 형체를 알 수 없다가, 하나씩 번갈아 빛날 때 그 위치를 정확히 찍어낼 수 있는 것과 같은 원리입니다. 이렇게 측정된 수만 개의 분자 위치 정보는 컴퓨터를 통해 하나의 정밀한 이미지로 재구성됩니다. 미술의 점묘화 기법처럼 수많은 점을 찍어 전체 형상을 만드는 이 방식은 기존보다 10배 이상 정밀한 나노미터 단위의 해상도를 제공합니다. 이를 통해 과학자들은 과거에는 뭉개져 보이던 세포 내부 구조를 실타래처럼 가느다란 가닥 하나까지 선명하게 구분할 수 있게 되었으며, 분자 수준에서 일어나는 생명 활동의 사생활을 직접 목격하는 새로운 시대를 열었습니다. 초고해상도 기술은 기존에 알지 못했던 생명의 비밀들을 속속들이 밝혀내고 있습니다. 신경 세포의 축삭 돌기에서 발견된 정교한 액틴 고리 구조나, 정자 꼬리에 배열된 칼슘 채널의 입체적인 모습은 이 기술이 아니었다면 영원히 베일에 싸여 있었을 것입니다. 또한 살아있는 세포 내에서 미토콘드리아가 역동적으로 움직이고 소포체와 상호작용하는 과정을 실시간으로 관찰함으로써, 질병의 원인을 규명하고 새로운 치료법을 찾는 연구에도 혁신적인 변화를 불러일으키고 있습니다. 과학의 비약적인 발전은 정립된 이론에 의문을 던지고 이를 극복하려는 끈기 있는 노력에서 비롯됩니다. 20년 넘게 해상도 한계에 도전한 슈테판 헬이나, 소속도 없이 거실에서 현미경을 조립했던 에릭 베치히의 사례는 과학적 탐구의 본질을 보여줍니다. 99%의 좌절 속에서도 단 1%의 희열을 위해 나아가는 과학자들의 열정은, 빛의 한계를 넘어 분자들의 세계를 탐험하는 원동력이 되었습니다. 이러한 슬기로운 탐구 정신은 앞으로도 우리가 생명의 신비를 풀어나가는 데 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

심상희

카오스재단카오스강연

화학

[인터뷰] 천진우_나노의학과 자기유전학(Feat.연구주제 선정방법)ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노과학은 아주 작은 크기의 세계를 다루는 학문으로, 현대의학에서 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. 대표적인 사례가 바로 mRNA(메신저 RNA) 백신입니다. 불안정한 유전자 정보인 mRNA를 100나노미터 크기의 나노캡슐에 담아 인체에 안정적으로 전달함으로써, 우리 몸이 스스로 항체를 형성할 수 있게 돕습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 진단과 생체 현상 관찰, 그리고 정밀한 자극 기술까지 아우르는 융합과학의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 과학 연구의 동력은 새로운 현상에 대한 호기심과 도전적인 문제를 해결하려는 의지에서 비롯됩니다. 남들이 시도하지 않은 영역에서 창의성을 발휘할 때 학문적 중요성이 커지기 때문입니다. 과거 1990년대 후반에는 나노입자 연구가 생소한 분야였으나, 수십 년간 지식이 축적되면서 이제는 더 정밀하고 고도화된 단계로 진화하고 있습니다. 과학자들은 기존의 지식에 안주하지 않고, 양자점이나 새로운 나노물질을 바이오 분야에 접합하는 등 끊임없이 새로운 연구 영역을 개척해 나갑니다. 뇌과학은 인류에게 여전히 미지의 영역이자 가장 정복하기 어려운 분야 중 하나로 꼽힙니다. 최근 주목받는 자기유전학은 자기장을 이용해 뇌신경세포인 뉴런의 신호를 제어하는 혁신적인 기술입니다. 이는 유전공학 기법과 나노과학이 결합한 융합과학의 결정체라고 할 수 있습니다. 기존의 전기적 자극이나 빛을 이용한 방식보다 훨씬 정교한 접근이 가능하며, 뇌의 깊은 곳까지 신호를 전달할 수 있다는 점에서 과학적 성과와 발전 가능성이 매우 큰 분야로 기대를 모으고 있습니다. 자기유전학이 광유전학보다 유리한 점은 뛰어난 생체 침투력에 있습니다. 빛은 인체 조직을 통과하는 힘이 약해 정밀한 관찰에는 용이하지만 깊은 곳까지 도달하기 어렵습니다. 반면 자기장은 몸속 깊숙한 곳까지 무선으로 전달될 수 있습니다. 자성나노입자를 뉴런의 이온채널에 접합하여 '자기수용체'를 만들면, 외부 자기장에 반응해 이온채널이 열리고 닫히며 뇌 신호를 원격으로 제어할 수 있게 됩니다. 이러한 무선 제어 방식은 뇌 질환 치료와 면역 시스템 활성화에 새로운 길을 열어줍니다. 하나의 가설을 실험적으로 증명하는 과정은 수많은 연구자의 인내와 협력이 필요한 긴 여정입니다. 자기유전학 연구 역시 나노물질 합성부터 유전공학, 뇌과학 실험에 이르기까지 방대한 단계를 거쳐야 하기에 융합과학으로서의 체계가 필수적입니다. 화학자, 생명과학자, 소재공학자, 그리고 의사가 함께하는 '팀 사이언스'는 개별 연구로는 도달하기 힘든 거대한 과학적 성취를 가능하게 합니다. 이러한 협력은 나노의학이 실질적으로 인류의 건강과 삶의 질을 향상시키는 데 기여하는 밑거름이 됩니다.

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
융합

[석학인터뷰] 배상수_물리학도가 유전자가위를 연구하게된 이유

크리스퍼 유전자가위는 현대 과학사에서 인류가 불을 발견한 것에 비견될 만큼 획기적인 전환점으로 평가받고 있습니다. 과거에는 유전 정보를 그저 멀리서 관찰하는 데 그쳤다면, 이제는 생명의 설계도인 DNA를 직접 수정하고 교정할 수 있는 시대가 본격적으로 열린 것입니다. 이는 단순한 기술적 진보를 넘어 생명공학의 패러다임을 완전히 바꾸는 거대한 사건이라 할 수 있습니다. 크리스퍼 유전자가위의 등장은 질병 치료와 생명 현상 이해에 있어 이전과는 전혀 다른 새로운 세대를 예고하고 있으며, 전 세계 수많은 연구자가 이 도구를 필수로 활용하게 될 것입니다. 생명 현상을 탐구하는 데 있어 물리학이나 수학 등 다양한 학문적 배경은 새로운 관점을 제시하는 중요한 열쇠가 됩니다. 이론 물리학적 토대 위에서 세포를 관측하고 DNA를 다루는 연구에 뛰어들면, 생명 현상 이면에 숨겨진 근본적인 작동 원리와 메커니즘에 대해 더욱 깊은 의문을 갖게 됩니다. 크리스퍼 유전자가위가 어떤 원리로 DNA를 절단하고 작동하는지 분석하는 과정에서 기존 생물학과는 차별화된 접근이 가능해지는 것입니다. 이러한 학제 간 융합은 생명과학의 경계를 넓히고, 복잡한 생명 시스템을 보다 정밀하게 이해하는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 2012년 등장한 3세대 크리스퍼 유전자가위는 불과 8년 만에 노벨상을 거머쥐며 그 압도적인 파급력을 증명했습니다. 현재는 이를 기반으로 한 염기교정이나 프라임에디팅 기술로 끊임없이 진화하고 있으며, 머지않아 크리스퍼 유전자가위를 능가하는 4세대 기술의 등장도 충분히 예견되는 상황입니다. 이러한 기술적 진보는 난치성 희귀 유전 질환의 치료는 물론, 기후 변화 대응이나 농작물 품종 개량 등 인류가 직면한 거대한 과제들을 해결할 핵심적인 열쇠가 될 것입니다. 크리스퍼 유전자가위는 인류의 삶을 획기적으로 증진하며 의학적 한계를 극복하는 혁신의 아이콘으로 자리 잡을 것입니다. 새로운 기술의 도입에는 항상 윤리적 논의와 규제의 정비가 뒤따르기 마련입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 사회적 우려와 비판이 거셌지만, 현재는 법과 제도의 테두리 안에서 수많은 가정에 새로운 희망을 전하고 있습니다. 크리스퍼 유전자가위 역시 오프타겟 효과에 의한 부작용이나 사회적 불평등 심화와 같은 과제를 안고 있지만, 이를 무조건 막기보다는 사회 구성원들이 열린 자세로 논의를 시작해야 합니다. 치명적인 질환을 후대에 물려주지 않으려는 부모의 마음과 사회적 가치를 충분히 고려하여, 기술을 안전하고 유익하게 활용할 수 있는 합리적인 기준 마련이 시급합니다. 미래를 이끌어갈 젊은 세대들이 과학 기술의 진정한 가치를 깨닫고 이 분야에 과감히 도전하기를 진심으로 기대합니다. 과학 기술자는 단순히 지식을 습득하는 존재가 아니라, 세상에 없던 새로운 것을 창조하고 인류의 난제를 해결해 나가는 개척자이기 때문입니다. 크리스퍼 유전자가위와 같은 혁신적인 도구를 다루며 생명의 신비를 풀어나가는 과정은 그 어떤 일보다 가치 있고 보람찬 여정이 될 것입니다. 더 많은 인재가 원대한 꿈을 품고 과학의 세계로 뛰어들 때, 우리 사회는 기술적 진보를 넘어 더 나은 미래로 나아갈 수 있는 강력하고 지속 가능한 동력을 얻게 될 것입니다.

배상수

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화학
생명과학

[연구뭐하지?] 김빛내리 교수_서울대학교 'RNA 생물학 연구실' | RNA의 모든 것을 연구하고 싶다면 이곳으로!!!!

서울대학교 생명과학부 RNA 생물학 연구실은 유전자 조절의 핵심인 RNA를 전문적으로 연구하는 학문의 장입니다. 마이크로RNA와 mRNA, 그리고 바이러스 RNA가 어떻게 생성되고 기능하는지 그 근본적인 메커니즘을 규명하는 데 매진하고 있습니다. 연구진은 복잡한 생명현상 속에 숨겨진 명확한 질서를 찾아내어, 궁극적으로 인류가 직면한 다양한 질병을 극복하고 생명을 정교하게 제어할 수 있는 과학적 실마리를 제공하고자 합니다. 이곳은 세계적인 수준의 연구를 수행하기 위해 질량 분석기를 포함한 최첨단 실험 설비를 완벽하게 갖추고 있습니다. 생화학부터 세포 생물학까지 폭넓은 실험이 가능한 인프라는 연구원들이 RNA의 특성을 다각도에서 분석할 수 있도록 돕습니다. 또한 매년 모든 구성원이 국제 학회에 참석하여 세계적인 석학들과 토론하며 최신 지견을 나누는 기회를 가짐으로써, 연구에 대한 시야를 넓히고 새로운 동기를 부여받으며 스스로를 재충전합니다. RNA 생물학 연구실만의 특별한 점은 연구 대상인 RNA의 연약함을 배려하는 세심한 문화에 있습니다. RNA는 아주 작은 외부 자극이나 RNA 분해 효소에도 쉽게 분해되기 때문에, 연구원들은 실험 중 항상 마스크를 착용하고 대화를 자제하며 극도의 정숙을 유지합니다. 동료가 실험 중일 때는 뒤에서 조심스럽게 말을 걸어도 되는지 먼저 물어봐야 할 정도로, RNA의 무결성을 지키기 위한 이들의 노력은 일상 속에서 철저하게 지켜지고 있습니다. 연구실의 분위기는 이른바 '생물 덕후'라고 불릴 만큼 학문에 깊이 몰입하는 이들의 열정으로 가득 차 있습니다. 식사 시간조차 연구에 대한 토론으로 이어질 정도로 구성원 간의 학술적 교류가 활발하며, 이는 단순한 업무를 넘어 진심으로 탐구를 즐기는 문화로 자리 잡았습니다. 치열하게 고민하고 그 결과를 함께 나누는 '생각의 놀이터'로서의 환경은 연구원들이 창의적인 아이디어를 마음껏 펼치고 실험할 수 있는 든든한 토대가 됩니다. 스스로 질문을 던지고 해결책을 모색하는 독립적인 연구자들에게 이곳은 무한한 가능성의 공간입니다. 교수님의 전폭적인 지원 아래 풍부한 자원을 활용하여 자신이 원하는 실험을 주도적으로 수행하며 연구자로서의 역량을 키워나갈 수 있기 때문입니다. 비록 거대한 생명의 신비 중 작은 부분을 탐구하는 과정일지라도, RNA라는 핵심 고리를 통해 생명과학의 원대한 목표를 향해 나아가는 이들의 여정은 미래 의학의 새로운 지평을 열어갈 것입니다.

김빛내리

카오스재단연구뭐하지

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 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] 엔트로피: 티끌 모아 태산을 이해하는 법 _ by김범준｜2019 가을 강연 '도대체 都大體' | 3강

고전 역학이 개별 입자의 미래를 예측하는 결정론적 세계관을 가졌다면, 통계 물리학은 수많은 입자가 만들어내는 거시적인 상태에 주목합니다. 강연장에 가득한 산소 분자 하나하나의 위치를 쫓는 대신, 전체가 만들어내는 온도와 압력이라는 통계적 특성을 이해하려는 시도입니다. 이는 마치 수많은 티끌을 모아 거대한 태산의 형상을 파악하는 것과 같습니다. 개별적인 움직임은 예측할 수 없더라도, 전체가 보여주는 확률적인 흐름은 명확한 물리 법칙으로 설명될 수 있기 때문입니다. 거시 상태와 미시 상태의 개념은 윷놀이나 동전 던지기로 쉽게 이해할 수 있습니다. '도'라는 거시 상태를 만드는 미시적 경우의 수는 네 가지이지만, 모든 동전이 앞면인 상태는 단 한 가지뿐입니다. 통계 물리학의 근본 가정에 따르면, 특별한 이유가 없는 한 모든 미시 상태는 동일한 확률로 발생합니다. 따라서 우리는 자연스럽게 더 많은 미시 상태를 포함하는 거시 상태를 목격하게 됩니다. 이것이 바로 질서 정연한 상태보다 무질서하게 뒤섞인 상태가 우리 주변에서 훨씬 더 흔하게 발견되는 근본적인 이유입니다. 엔트로피 증가의 법칙은 결국 '일어날 확률이 압도적으로 높은 사건이 일어난다'는 자명한 원리입니다. 동전 1,000개를 흔들었을 때 모두 앞면이 나올 확률은 우주의 모든 원자 수보다 적은 횟수의 시도로는 불가능에 가깝습니다. 반면 앞면과 뒷면이 절반씩 섞인 상태는 수많은 경우의 수를 가집니다. 이처럼 고립계에서 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 흐르며, 이는 단순히 섞이는 것이 더 확률적으로 유리하기 때문입니다. 아인슈타인이 이 법칙을 과학의 최고 지위로 꼽은 이유도 그 자명함에 있습니다. 루트비히 볼츠만은 미시 상태 수와 거시적 엔트로피 사이의 관계를 수학적으로 정립한 인물입니다. 그는 엔트로피가 미시 상태 수의 로그함수에 비례한다는 사실을 밝혀냈으며, 이는 그의 묘비에도 새겨질 만큼 위대한 업적이었습니다. 이 식은 직접 측정하기 어려운 미시적 정보와 우리가 체감하는 거시적 물리량을 연결하는 가교 역할을 합니다. 볼츠만의 공식 덕분에 물리학자들은 보이지 않는 입자들의 무질서도를 수치화하고, 이를 바탕으로 현대 통계 물리학의 견고한 토대를 쌓아 올릴 수 있었습니다. 뉴턴의 운동 법칙은 시간을 거꾸로 돌려도 수식상 아무런 문제가 없지만, 우리가 사는 거시 세계는 분명한 시간의 방향성을 가집니다. 잉크가 물속으로 퍼지는 현상은 자연스럽지만, 퍼진 잉크가 다시 한 방울로 모이는 일은 결코 일어나지 않습니다. 이러한 비가역성은 엔트로피가 증가하는 방향이 곧 시간의 화살표임을 시사합니다. 확률적으로 거의 불가능한 사건은 현실에서 일어나지 않는다는 원칙이 우리에게 과거와 미래를 구분하는 기준을 제시하며, 우주가 평형 상태를 향해 나아가는 경로를 보여줍니다. 자연스러운 변화의 방향은 단순히 엔트로피 증가만으로 결정되지 않습니다. 에너지가 낮아지려는 경향과 엔트로피가 높아지려는 경향이 서로 경쟁하며, 물리학자들은 이를 '자유 에너지'라는 개념으로 통합하여 설명합니다. 온도가 낮을 때는 에너지가 낮은 상태인 얼음이 안정적이지만, 온도가 높아지면 엔트로피가 큰 기체 상태가 더 낮은 자유 에너지를 가집니다. 결국 자연은 자유 에너지가 최소가 되는 지점을 향해 스스로를 조절하며, 이를 통해 우리는 물질의 상태 변화와 같은 복잡한 현상을 일관된 논리로 이해할 수 있습니다. 생명체는 엔트로피 증가의 법칙을 거스르는 것처럼 보이지만, 사실 외부와 끊임없이 에너지와 정보를 교환하는 열린계이기에 존재가 가능합니다. 우리는 음식을 섭취하고 정보를 습득함으로써 국소적으로 자신의 엔트로피를 낮추며 질서를 유지합니다. 현대 물리학은 여기서 더 나아가 정보 자체가 물리적 실체이며, 정보를 지우는 과정에서 열이 발생한다는 사실을 밝혀냈습니다. 생명은 고립된 섬이 아니라 주변 환경과 상호작용하며 자유 에너지를 관리하는 존재이며, 이러한 연결성이야말로 우주 속에서 질서를 꽃피우는 핵심입니다.

김범준

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 김범준 ─ 엔트로피가 뭔지 궁금하세요? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

통계물리학은 입자의 수가 매우 많을 때 적용되는 물리학의 독특한 분야입니다. 보통 물리학의 세부 분야는 연구 대상을 이름으로 정하지만, 통계물리학은 '통계'라는 방법론 자체가 학문의 이름이 되었습니다. 이는 무엇이든 개수가 많기만 하면 통계물리학의 분석 대상이 될 수 있음을 의미하며, 그 적용 범위가 매우 넓다는 특징이 있습니다. 통계학을 도구로 사용하긴 하지만, 본질적으로는 물리학에 방점을 두고 현상을 탐구하는 학문이라 할 수 있습니다. 통계물리학을 조금 더 학술적으로 설명하자면, 거시적 상태가 동일할 때 그 내부의 미시적 상태가 얼마나 다양할 수 있는지를 측정하는 학문입니다. 겉으로 보기에는 똑같은 상태처럼 보일지라도, 그 안을 들여다보면 무수히 많은 다양성이 존재할 수 있는데 이를 수치화하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 즉, 엔트로피는 시스템 내부의 무질서도나 다양성을 나타내는 척도로서, 우리 주변의 복잡한 현상을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립계에서 엔트로피는 항상 증가하지만, 생명 현상은 이와 조금 다른 양상을 보입니다. 생명체는 외부와 끊임없이 에너지와 물질을 교환하는 전형적인 열린계이기 때문에, 엔트로피 증가의 법칙에 얽매이지 않고 생명을 유지할 수 있습니다. 만약 생명체가 외부로부터 고립된다면 더 이상 생존할 수 없게 되며, 그때서야 엔트로피가 증가하는 물리적 법칙의 지배를 받게 됩니다. 따라서 생명 현상에서 엔트로피 개념은 여전히 유효하며 중요합니다. 엔트로피 증가의 법칙은 일상적인 공간에서도 쉽게 관찰할 수 있습니다. 예를 들어 연구실 책상을 정리해 두어도 시간이 지나면 자연스럽게 어질러지는 현상이 이에 해당합니다. 물리학적으로는 깨끗한 상태와 지저분한 상태라는 두 가지 고정점이 존재하는데, 지저분한 상태는 엔트로피가 높은 상태를 의미합니다. 한번 무질서해지기 시작하면 외부의 에너지를 들여 정리하지 않는 한 스스로 깨끗해지지 않으며, 이는 우리 삶 속에서 매일 겪는 물리적 현상 중 하나입니다. 엔트로피를 올바르게 이해하기 위해서는 신중한 독서가 필요합니다. 대중적으로 유명한 제레미 리프킨의 저서는 물리학적 관점에서 오해의 소지가 많으므로 주의해야 하며, 대신 리처드 뮬러의 저작 등을 통해 현대 물리학의 시각을 접하는 것이 좋습니다. 아인슈타인이 미래에도 변치 않을 법칙으로 꼽았던 엔트로피 증가의 법칙은 사실 원리를 알고 나면 매우 당연하고 자연스러운 현상입니다. 이를 통해 우리는 우주와 세상을 바라보는 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다.

김범준

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 이일하_ GMO가 해롭다고요? 아닙니다!

식물은 정적인 존재로 보이지만, 끊임없이 진화하며 생명의 역사를 써 내려왔습니다. 약 5억 년 전, 식물은 동물과 함께 물속에서 육상으로 진출하는 거대한 변화를 맞이했습니다. 이 과정에서 식물은 곰팡이와의 공생이라는 독특한 전략을 선택했습니다. 수중에서는 무기 염류를 자유 확산으로 흡수할 수 있었으나, 척박한 육지에서는 그것이 불가능했기 때문입니다. 곰팡이는 유기물을 분해하여 식물에 필요한 무기 염류를 제공했고, 식물은 그 대가로 광합성 산물을 나누며 육지 생태계의 기틀을 마련했습니다. 지금도 이러한 공생 관계는 계속되고 있습니다. 생명 현상의 신비는 '창발성'이라는 개념을 통해 설명될 수 있습니다. 이는 개별 요소들이 모여 상위 단계의 시스템을 이룰 때, 하위 단계에서는 볼 수 없었던 새로운 성질이 나타나는 현상을 의미합니다. 수소와 산소라는 기체가 만나 전혀 다른 성질의 물이 되는 것처럼, 유기 분자들이 모여 거대 분자가 되고 이것이 다시 세포를 이룰 때 비로소 생명이라는 기적 같은 현상이 발현됩니다. 과학자들은 이러한 단계적 도약을 통해 단순한 화학 반응이 복잡한 생명 활동으로 진화하는 과정을 이해하고자 노력하며, 그 속에서 생명의 본질을 발견하게 됩니다. 유전자 변형 생물체(GMO)에 대한 대중의 우려와 달리, 과학계는 이를 영양학적 관점에서 안전하게 받아들입니다. GMO 역시 우리 몸에 들어오면 단백질, 핵산, 탄수화물 등의 기본 단위로 분해되어 흡수될 뿐입니다. 소화 과정을 거치면 결국 아미노산이나 포도당 같은 분자가 되어 우리 몸의 일부가 되므로, 유전적 변형이 인체에 특별한 해를 끼친다고 보기는 어렵습니다. 엄격한 승인 절차를 거친 GMO는 현대 과학이 제공하는 효율적인 자원이며, 이에 대한 막연한 공포보다는 객관적인 데이터에 근거한 이해가 필요합니다. 미래 생물학의 핵심은 뇌과학의 비약적인 발전에 있습니다. 인간의 뇌는 여전히 미개척 분야로 남아 있으며, 여기서 도출된 과학적 발견들은 인공지능(AI)에 직접적으로 투영되어 새로운 도약을 이끌 것입니다. 생물학적 원리가 인공지능(AI)에 결합함에 따라 생명체와 인공지능(AI) 사이의 경계는 점차 모호해질 전망입니다. 이러한 변화는 단순한 기술 발전을 넘어 인간성에 대한 근본적인 성찰을 요구합니다. 따라서 과학자뿐만 아니라 인문학자와 사회과학자들이 모여 인간의 가치를 보호하기 위한 깊이 있는 논의를 시작해야 할 시점입니다. 죽음이라는 현상을 생물학적으로 정의한다면, 그것은 결국 뇌의 죽음이라고 볼 수 있습니다. 질병이나 외상으로 인해 신체의 다른 장기들이 여전히 기능을 유지하거나 타인에게 이식되어 살아남더라도, 한 개인의 정체성을 결정하는 뉴런 네트워크가 파괴된다면 그 생명은 끝난 것으로 간주됩니다. 뇌는 때로 고통스러운 기억을 의식적으로 지워버리며 자신을 보호하기도 하지만, 그 뉴런 네트워크 자체가 소멸하는 순간 인간으로서의 존재도 사라집니다. 결국 생명이란 단순한 유기체의 생존을 넘어, 뇌가 구축한 복잡한 뉴런 네트워크의 지속이라 할 수 있습니다.

이일하

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[석학인터뷰]김상욱_ 생명은 생화학 기계다! | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기'

과학 대중화 활동의 시작은 이공계 위기 극복이라는 실용적인 목적에서 비롯되었습니다. 초기에는 학생들이 과학과 수학에 친숙해지기를 바라는 마음으로 시간을 쪼개어 활동했지만, 시간이 흐르며 그 목적은 점차 사회적 가치로 확장되었습니다. 우리 사회가 겪은 여러 위기를 목격하며 합리적 사고의 중요성을 절감하게 된 것입니다. 합리적 사고가 사회 전반에 뿌리내린다면 더 나은 세상을 만들 수 있다는 믿음이 생겼고, 이는 곧 더 활발한 저술과 소통으로 이어지는 원동력이 되었습니다. 대중과의 소통은 과학자로서의 시야를 넓히는 계기가 되었습니다. 대학원 시절까지는 전공 지식에 매몰되어 일반적 수준의 문화 예술을 향유하는 데 그쳤으나, 다양한 사람들과 교류하며 인문학적 소양의 필요성을 깊이 체감했습니다. 과학 지식만으로는 설명하기 어려운 삶의 여러 국면을 마주하며 틈틈이 책을 읽고 공부하는 시간을 가졌습니다. 이러한 노력은 과학을 단순한 지식이 아닌 하나의 문화적 소양으로 전달하는 데 큰 밑거름이 되었으며, 소통의 즐거움과 보람을 일깨워 주었습니다. 과학의 본질은 합리성에 있지만, 그것이 과학만의 전유물은 아닙니다. 철학 역시 오랜 역사 동안 논리적이고 합리적 체계를 구축해 왔으며, 과학은 넓은 의미에서 철학의 한 부분이라 할 수 있습니다. 다만 과학이 철학이나 수학과 구별되는 결정적인 지점은 반드시 물질적 증거에 기반한다는 사실입니다. 아무리 논리적 가설이라도 실제 관측과 실험을 통해 증명되지 않으면 과학적 사실로 인정받기 어렵습니다. 이러한 엄격한 물질적 증거 중심의 사고방식이야말로 과학이 지닌 독특한 합리성의 핵심입니다. 현대 과학이 직면한 가장 거대한 질문 중 하나는 바로 생명의 기원입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 주변의 무생물과 다를 바 없는 물질이지만, 특정한 방식으로 조합되었을 때 비로소 생명이라는 경이로운 현상을 일으킵니다. 왜 하필 이러한 조합이 생명력을 갖게 되는지에 대해 인류는 아직 명확한 답을 찾지 못했습니다. 여러 가설과 추론이 존재할 뿐, 원자가 생명으로 변모하는 구체적인 과정은 여전히 풀리지 않은 수수께끼로 남아 있습니다. 이는 과학자들이 끊임없이 탐구해야 할 미지의 영역입니다. 물리학자의 시선으로 바라보는 생명은 생물학자의 관점과는 또 다른 통찰을 제공합니다. 양자역학의 거장 에르빈 슈뢰딩거가 '생명이란 무엇인가'를 통해 DNA 구조 발견의 단초를 제공했듯이, 물리학적 접근은 생명의 신비를 푸는 새로운 열쇠가 될 수 있습니다. 비록 타 분야에 대한 도전이 실수를 동반할지라도, 원자 단위에서 생존과 번식을 수행하는 생화학 기계로서의 생명을 탐구하는 과정은 그 자체로 가치가 있습니다. 이러한 시도는 우리가 세상을 이해하는 방식을 확장하고 새로운 지적 지평을 열어줄 것입니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[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

카오스재단카오스강연

화학

[석학인터뷰] 이광렬_ 나노, 모험심을 가지고 연구하다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMysterty'

울릉도라는 고립된 환경에서 보낸 어린 시절은 과학자로서의 소양을 기르는 소중한 자산이 되었습니다. 주변에 친구가 많지 않아 홀로 바다와 산을 누비며 보냈던 시간은 자연스럽게 자연 현상을 관찰하는 습관으로 이어졌습니다. 책에서만 보던 원리들을 실제 현장에서 직접 목격하며 쌓은 경험은 훗날 연구자로서 세상을 바라보는 독특한 시각을 형성해 주었습니다. 이러한 유년기의 경험은 이론에 매몰되지 않고 실재하는 자연의 질서를 탐구하는 과학적 호기심의 뿌리가 되었습니다. 대학 진학 후 전공을 선택하는 과정에서도 남들이 가지 않은 길을 찾으려는 탐구 정신이 빛을 발했습니다. 이미 체계가 잡힌 수학이나 물리와 달리, 화학은 아직 채워나갈 공간이 많은 분야라고 판단했습니다. 특히 나노 과학은 이제 막 태동하는 단계로서 무궁무진한 가능성을 품고 있었습니다. 아무것도 정해지지 않았기에 오히려 더 많은 것을 시도하고 창조할 수 있다는 기대감이 나노라는 미지의 세계로 발을 들이게 한 결정적인 계기가 되었습니다. 실험 과학의 세계는 수많은 실패의 연속이며, 이를 극복하기 위해서는 남다른 치밀함과 끈기가 필요합니다. 흔히 과학자의 성격이 예민하다고 말하는 것은 완벽을 기하려는 치열한 연구 과정에서 비롯된 결과이기도 합니다. 나노 과학은 특정 학문에 머무르지 않고 여러 분야의 경계를 넘나들어야 하기에, 기존의 틀을 깨는 결단력과 개척 정신이 필수적입니다. 이러한 태도는 나노 과학만이 가진 독특한 매력이자 미래 사회를 이끌어갈 핵심적인 역량이 됩니다. 과학자들은 우주의 질서와 생명의 기원에 대해 끊임없이 질문을 던집니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주는 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐르지만, 생명체는 오히려 질서를 구축하며 엔트로피를 감소시키는 역설적인 존재입니다. 일부 학자들은 생명체가 물질세계를 더 빠르게 변화시킴으로써 결과적으로 우주 전체의 엔트로피 증가를 가속화한다고 설명하기도 합니다. 이러한 존재의 이유와 우주의 섭리 사이의 미스터리를 풀어가는 과정은 과학 탐구의 궁극적인 지향점입니다. 나노 기술은 이미 우리 삶의 도처에 스며들어 있으며, 앞으로 그 영향력은 더욱 확대될 전망입니다. 4차 산업혁명 시대를 살아갈 미래 세대에게 나노 과학은 직업적 안정성을 넘어 세상을 바꾸는 강력한 도구가 될 것입니다. 다만 기술의 발전이 항상 바람직한 방향으로만 흐르는 것은 아니기에, 우리는 나노 기술이 가져올 변화를 비판적으로 성찰해야 합니다. 미래의 모습을 더 나은 방향으로 수정하고 가꾸어 나가는 것은 과학자와 대중이 함께 고민해야 할 숙제입니다.

이광렬

카오스재단카오스강연

화학

[강연] DNA : 생명체 번식과 다양성의 열쇠 (4) _ 조윤제 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 2강 | 2강 ④

후생유전학의 발전은 과거 '획득 형질은 유전되지 않는다'는 생물학의 고전적 원칙에 새로운 질문을 던지고 있습니다. 환경적 요인에 의해 변화된 후생유전학적 표지가 후대에 전달될 가능성이 제기되면서, 과거 우생학적 논란을 넘어 과학적 증거들이 축적되고 있습니다. 하지만 모든 획득 형질이 유전되는 것은 아니며, 어떤 경우에는 유전 정보가 깨끗이 지워지기도 합니다. 현재 과학계는 이러한 현상이 일어나는 구체적인 기작을 밝히기 위해 연구를 지속하고 있으며, 이는 유전과 환경의 상호작용을 이해하는 중요한 열쇠가 될 것입니다. 인간의 유전 정보는 부모로부터 물려받지만, 그 조합은 무한대에 가까운 다양성을 지닙니다. 체세포 분열이 동일한 정보를 복제하는 데 집중한다면, 생식 세포를 만드는 감수 분열은 다양성을 목표로 합니다. 이 과정에서 일어나는 유전자 교차는 물리 법칙에 따른 우연성을 동반하며, 특정 유전병의 대물림 여부 또한 이러한 복잡한 확률의 결과입니다. 따라서 염기 서열 자체는 이미 결정되어 있을지라도, 그것이 어떻게 조합되어 발현되는지는 생명의 오묘한 질서 속에서 결정되는 운명적인 측면이 강하다고 볼 수 있습니다. 최근 인공 효모의 DNA를 합성하여 생명체를 탄생시켰다는 소식은 인공 생명체에 대한 논의를 불러일으켰습니다. 하지만 이를 완전한 인공 생명체로 보기에는 아직 한계가 있습니다. DNA라는 설계도는 인공적으로 만들었을지라도, 이를 구동하기 위한 효소나 세포질 환경은 기존 생명체의 것을 빌려왔기 때문입니다. 이는 마치 영화 속 아이디어처럼 기존의 생물학적 토대 위에 새로운 정보를 주입한 단계에 가깝습니다. 진정한 의미의 인공 생명체는 모든 구성 요소가 무에서 창조되어야 하며, 현재는 그 첫 단추를 뀄다는 점에 의미가 있습니다. 인간 유전체 중 단백질을 부호화하는 정보는 단 1%에 불과하며, 나머지 99%는 오랫동안 '비부호화 DNA'라 불리며 무시되어 왔습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 이 영역은 결코 쓰레기가 아니며, 유전자 발현을 정교하게 조절하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 진화의 과정에서 살아남은 이 방대한 정보들은 생명 현상의 세밀한 조정을 담당하며, 우리가 아직 밝혀내지 못한 생명의 비밀을 간직하고 있습니다. 유전자를 제거해도 생존에 지장이 없는 현상 등은 생명체가 가진 중복성과 유연성을 보여주며, 비부호화 영역의 중요성을 다시금 일깨워 줍니다. 우리 몸의 모든 세포는 동일한 유전 정보를 가지고 있지만, 조직마다 각기 다른 모습을 띠는 이유는 유전자 발현의 차이에 있습니다. 줄기세포가 특정 세포로 분화하는 과정은 어떤 유전자를 켜고 끌 것인지를 결정하는 정교한 프로그램에 의해 제어됩니다. 여기에는 세포질 내의 단백질이나 조절 RNA, 그리고 세포가 놓인 위치적 환경 등이 복합적으로 작용합니다. 결국 생명은 단순한 DNA 설계도를 넘어, 환경과 상호작용하며 정보를 해석하고 집행하는 역동적인 시스템이며, 이를 이해하는 것이 현대 생물학의 거대한 과제라고 할 수 있습니다.

강석현, 이현숙, 조윤제

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (1) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ①

20세기가 물리학의 시대였다면, 21세기는 생물학의 시대로 불릴 만큼 생명과학 분야는 급격한 성장을 거듭하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 수학과 생물학의 융합인 '수리생물학'은 복잡한 생명 현상을 이해하는 새로운 열쇠로 주목받고 있습니다. 과거에는 생명 현상을 단순히 관찰하고 기술하는 데 집중했다면, 이제는 수학적 모델링을 통해 생명 시스템의 근본적인 원리를 파악하려는 시도가 활발해지고 있습니다. 이는 단순히 학문의 결합을 넘어, 인류가 생명의 신비를 푸는 방식에 혁신적인 변화를 가져오고 있습니다. 왓슨과 크릭의 DNA 이중나선 구조 발견 이후, 생명과학은 분자 수준에서 유전자와 단백질의 상호작용을 연구하는 분자생물학 혁명을 맞이했습니다. 하지만 세포 내부의 수많은 분자가 얽혀 만들어내는 상호작용은 인간의 직관만으로는 파악하기 힘들 정도로 매우 복잡합니다. 방대한 데이터를 분석하고 그 이면에 숨겨진 규칙을 찾아내기 위해서는 논리적이고 정교한 수학적 사고가 필수적입니다. 수학은 복잡한 생명 시스템을 체계적으로 분석할 수 있는 틀을 제공하며, 보이지 않는 생명 활동의 질서를 시각화하는 역할을 합니다. 수리생물학에서 미래를 예측하기 위해 가장 널리 사용되는 도구 중 하나는 미분방정식입니다. 미분은 특정 양이 시간에 따라 얼마나 빨리 변하는지를 나타내는 지표로, 이를 통해 현재의 변화율로부터 미래의 상태를 계산해낼 수 있습니다. 마치 자동차의 현재 속도를 알면 미래의 위치를 예측할 수 있는 것과 같은 원리입니다. 이러한 수학적 모델링은 생명체 내에서 일어나는 화학 반응이나 물질의 농도 변화를 시간에 따른 함수로 나타냄으로써, 생명 현상의 동적인 변화 과정을 정밀하게 시뮬레이션하고 그 결과를 미리 확인해볼 수 있게 해줍니다. 수학적 모델링의 놀라운 점은 때때로 우리의 직관을 뛰어넘는 결과를 보여준다는 것입니다. 예를 들어, 특정 물질이 생성되고 소멸하는 간단한 화학 반응에서도 직관적으로는 농도가 일정하게 유지되거나 한 방향으로 변할 것 같지만, 수학적으로 분석하면 주기적인 진동 현상이 나타나기도 합니다. 이는 생명 시스템이 단순히 선형적인 인과관계로 이루어진 것이 아니라, 복잡한 피드백 루프를 통해 작동하고 있음을 시사합니다. 수학은 편견 없는 계산을 통해 우리가 미처 예상하지 못한 생명의 숨겨진 질서를 발견하도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 우리 몸은 24시간 주기로 수면, 호르몬 분비, 체온 조절 등을 수행하는 '서카디안 리듬'을 가지고 있습니다. 뇌의 시상하부에 위치한 생체 시계는 유전자의 발현과 단백질의 상호작용을 통해 시간을 인지하며, 이는 멜라토닌이나 성장 호르몬 같은 중요한 물질의 분비 시점을 결정합니다. 수리생물학은 이러한 생체 시계가 어떻게 오차 없이 작동하는지, 그리고 외부 환경 변화에 어떻게 적응하는지를 규명하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 결국 수학은 우리 몸이라는 정교한 기계가 시간을 측정하고 생명을 유지하는 원리를 밝히는 가장 아름다운 언어라고 할 수 있습니다.

김재경

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생명과학
수학

[강연] 우리 몸을 움직이는 에너지, 너의 정체는? (1) _ 정종경 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 7강 | 7강 ①

지구상의 모든 생명체가 살아가는 데 필요한 에너지의 근원은 태양 에너지로부터 시작됩니다. 식물은 엽록체를 통해 빛에너지를 흡수하고, 이산화탄소와 물이라는 간단한 무기물을 결합하여 포도당이라는 고에너지 유기물을 만들어냅니다. 이 과정에서 빛에너지는 화학 결합 에너지의 형태로 변환되어 저장됩니다. 이렇게 축적된 에너지는 먹이사슬을 통해 초식 동물과 육식 동물, 그리고 인간에게까지 전달되며 생태계 전체를 유지하는 핵심적인 동력이 됩니다. 우리가 섭취하는 음식물 또한 결국 태양 에너지가 변형된 결과물이라 할 수 있습니다. 우리가 섭취한 음식물은 소화와 대사 과정을 거쳐 세포가 직접 사용할 수 있는 형태인 ATP로 전환되어야 합니다. ATP는 아데노신이라는 물질에 세 개의 인산기가 결합한 구조를 가지고 있는데, 세포는 이 중 마지막 인산 결합을 끊으면서 발생하는 에너지를 생명 활동에 사용합니다. 한 분자의 ATP가 내는 에너지는 매우 미미한 수준이지만, 우리 몸의 세포 하나에는 약 10억 개의 ATP가 존재하며 끊임없이 에너지를 공급합니다. 만약 ATP 합성이 차단된다면 생명체는 단 몇 분도 버티지 못하고 생명을 잃게 될 만큼 ATP는 생존에 필수적인 분자입니다. 세포가 수많은 물질 중 ATP를 에너지원으로 선택한 데에는 몇 가지 중요한 이유가 있습니다. 우선 ATP는 DNA나 RNA를 구성하는 성분과 유사하여 세포 내에서 구하기 쉽고, 다양한 생명 현상에 관여하는 범용성을 지니고 있습니다. 또한 ATP 한 분자가 방출하는 에너지의 양이 세포 내에서 일어나는 다양한 화학 반응에 필요한 에너지 수준과 절묘하게 일치한다는 점도 큰 장점입니다. 이러한 특성 덕분에 우리 몸은 에너지 낭비를 최소화하면서도 필요한 순간에 즉각적으로 동력을 얻어 정밀한 생명 현상을 유지할 수 있습니다. 세포가 포도당으로부터 ATP를 추출하는 과정은 '세포 호흡'이라 불리며, 이는 광합성의 역반응과도 같습니다. 첫 단계인 해당 작용은 세포질에서 일어나는데, 탄소 6개로 이루어진 포도당을 두 개의 피루브산으로 쪼개는 과정입니다. 포도당은 구조적으로 안정적이어서 분해하기 어렵기 때문에, 세포는 먼저 ATP를 투자하여 포도당을 불안정한 상태로 만든 뒤 효소를 이용해 반으로 절단합니다. 이 과정에서 투자한 것보다 많은 양의 ATP와 고에너지 전자를 담은 NADH가 생성됩니다. 미토콘드리아는 포도당을 직접 사용할 수 없으므로, 이 해당 작용은 필수적인 전처리 단계입니다. 해당 작용을 통해 만들어진 피루브산은 이제 세포의 발전소라 불리는 미토콘드리아로 이동합니다. 미토콘드리아는 독자적인 DNA와 리보솜을 보유하고 스스로 단백질을 합성할 수 있는 매우 독특한 세포 소기관입니다. 특히 외막과 내막으로 이루어진 이중막 구조는 ATP를 대량으로 생산하는 데 최적화된 환경을 제공합니다. 미토콘드리아 내부에서는 TCA 회로와 전자전달계를 거치며 포도당이 가졌던 화학 결합 에너지를 남김없이 뽑아내어 최종적으로 막대한 양의 ATP를 수확합니다. 우리 몸의 대사 활동이 활발한 세포일수록 미토콘드리아의 수가 많다는 사실은 이 기관의 중요성을 잘 보여줍니다.

정종경

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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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생명과학

[강연] 리보핵산 : 최초의 생명물질로부터 메신저까지 (1) _ 김빛내리 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 3강 | 3강 ①

RNA는 우리 몸의 모든 세포뿐만 아니라 우리가 섭취하는 음식물, 눈에 보이지 않는 세균과 바이러스에 이르기까지 생명체가 존재하는 모든 곳에 널리 퍼져 있습니다. 흔히 생명의 설계도로 알려진 DNA가 가장 유명하지만, 사실 RNA는 생명의 기원부터 현재까지 모든 생명 현상의 핵심적인 역할을 수행해 왔습니다. 리보핵산이라는 이름으로도 불리는 이 물질은 단순한 화학 분자를 넘어, 지구상의 모든 생명체가 생존하고 기능을 유지하는 데 없어서는 안 될 필수적인 구성 요소입니다. 우리 몸의 모든 활동은 결국 이 작은 분자의 움직임에서 시작된다고 해도 과언이 아닙니다. DNA와 RNA는 구조적으로 매우 유사하지만 결정적인 차이가 존재합니다. 두 분자 모두 당과 인산으로 이루어진 골격에 네 가지 염기가 결합한 형태를 띠고 있는데, RNA는 DNA의 티민(T) 대신 우라실(U)이라는 염기를 사용합니다. 또한 RNA의 당 구조에는 DNA보다 산소 원자가 하나 더 포함되어 있는데, 이 사소해 보이는 차이가 생물학적으로는 완전히 다른 기능을 가능하게 합니다. DNA가 이중나선 구조로 정보를 안정적으로 보관한다면, RNA는 단일 가닥으로서 훨씬 더 복잡하고 다양한 입체 구조를 형성하며 활동합니다. 이러한 구조적 유연성은 RNA가 생명 현상에서 다재다능한 역할을 수행할 수 있게 합니다. 생명 정보가 발현되는 과정은 마치 붕어빵을 찍어내는 과정과 비슷합니다. DNA라는 거푸집을 바탕으로 필요한 만큼의 RNA를 복사해내는 과정을 '전사'라고 부르며, 이때 하나의 기능을 수행하는 RNA 단위를 유전자라고 합니다. 인간은 약 3만 개 이상의 단백질 코딩 유전자를 포함해 총 10만 개에 달하는 유전적 틀을 가지고 있습니다. 이 수많은 틀 중에서 어떤 것을 선택해 RNA로 만들어내느냐에 따라 세포의 성격과 기능이 결정되며, 이는 생명체가 복잡한 구조를 유지하는 근간이 됩니다. 각기 다른 모양의 붕어빵 틀이 존재하듯, 유전자는 생명의 다양성을 빚어내는 원천입니다. RNA의 가장 대표적인 역할은 유전 정보를 전달하는 mRNA(메신저 RNA)로서의 기능입니다. mRNA는 DNA로부터 복사한 염기 서열 정보를 리보솜으로 전달하며, 이곳에서 세 개의 염기가 하나의 아미노산을 지정하는 '코돈' 암호를 통해 단백질이 합성됩니다. 우리 몸에는 수만 종류의 mRNA가 존재하지만, 모든 세포가 이를 동일하게 생산하지는 않습니다. 신경 세포는 신경에 필요한 정보를, 근육 세포는 근육에 필요한 정보를 담은 mRNA만을 선택적으로 활성화함으로써 각기 다른 조직의 특성을 갖추게 됩니다. 이러한 선택적 발현은 생명체가 효율적으로 작동하게 만드는 핵심 기제입니다. 단 하나의 수정란이 수조 개의 세포로 분열하여 정교한 신체를 형성하는 발생 과정은 RNA 조절의 정수를 보여줍니다. 모든 세포가 동일한 DNA 정보를 가지고 있음에도 불구하고 뼈, 근육, 신경 등으로 분화할 수 있는 이유는 특정 시점에 필요한 RNA가 정밀하게 조절되기 때문입니다. 이러한 조절 프로그램은 우리가 태어나 성장하고 노화하며 죽음에 이르는 생로병사의 전 과정을 관장합니다. 만약 이 정교한 RNA 발현 체계에 오류가 생긴다면 질병이 발생하거나 신체 구조에 심각한 변형이 일어날 수 있습니다. 결국 RNA는 생명의 탄생부터 소멸까지를 이끄는 보이지 않는 지휘자와 같습니다.

김빛내리

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생명과학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (3) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ③

2014년 노벨 화학상은 백 년 넘게 불가능이라 여겨졌던 광학 현미경의 회절 한계를 극복한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 전통적인 광학 현미경은 빛의 회절 현상 때문에 특정 크기보다 작은 바이러스나 세포 내부 구조를 선명하게 관찰하는 데 한계가 있었습니다. 전자 현미경은 분해능이 높지만 시료를 절단하거나 손상시켜야 하는 단점이 있는 반면, 광학 현미경은 살아있는 시료 내부를 그대로 볼 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 이러한 미련을 버리지 못한 과학자들의 집념이 결국 초고분해능이라는 새로운 시대를 열었습니다. 윌리엄 모너는 세계 최초로 단일 분자를 실험적으로 관찰하는 데 성공하며 초고분해능 현미경의 개념적 토대를 마련했습니다. 그는 고체 결정 내의 아주 작은 농도로 존재하는 분자를 검출해냈을 뿐만 아니라, 특정 파장의 빛을 이용해 분자의 형광을 자유자재로 켜고 끄는 시스템을 개발했습니다. 분자가 형광을 내는 상태와 내지 않는 상태를 조절할 수 있게 된 이 기술은, 이후 등장하는 다양한 초고분해능 기술들의 핵심적인 원리가 되었습니다. 물리학적 기초를 바탕으로 화학적 한계를 극복한 그의 연구는 다학제적 연구의 중요성을 잘 보여줍니다. 에릭 베치그는 분자들이 동시에 빛을 내어 이미지가 겹치는 문제를 해결하기 위해 '시간차'라는 혁신적인 아이디어를 도입했습니다. 그는 모든 분자가 한꺼번에 형광을 내지 않도록 조절하여, 한 번에 아주 적은 수의 분자만 빛을 내게 한 뒤 그 위치를 각각 기록했습니다. 이렇게 서로 다른 시간대에 측정된 개별 분자들의 위치 정보를 하나로 중첩함으로써, 기존에는 흐릿하게 뭉쳐 보였던 이미지를 놀라울 정도로 선명하게 재구성하는 PALM 기술을 완성했습니다. 이는 관찰 대상을 개별적으로 분리하여 인식하려는 집요한 시도가 만들어낸 쾌거였습니다. 스테판 헬은 앞선 방식과는 전혀 다른 물리적 접근법인 STED 기술을 통해 분해능을 혁신했습니다. 그는 관찰하려는 면적을 연필 끝처럼 최대한 뾰족하게 줄여야 정확한 형상을 파악할 수 있다는 점에 주목했습니다. 이를 위해 유도 방출 원리를 이용해 도넛 모양의 레이저를 쏘아 주변부의 형광을 강제로 꺼 버리고, 오직 중심부의 좁은 영역에서만 빛이 나오도록 유도했습니다. 레이저의 강도를 높일수록 관찰 영역이 더욱 미세해지는 이 방식은, 기존 광학 현미경의 한계를 수십 배 이상 뛰어넘어 나노미터 수준의 정밀한 관찰을 가능하게 만들었습니다. 초고분해능 현미경 기술은 이제 치매의 원인 물질인 아밀로이드 섬유를 실시간으로 관찰하는 등 생명 과학 분야에서 혁명적인 변화를 일으키고 있습니다. 100년 넘은 난제에 도전하여 불가능을 가능으로 바꾼 과학자들의 사례는 우리에게 시사하는 바가 큽니다. 한 분야에 매몰되지 않는 다학제적 시각과 실패를 반복하면서도 굴하지 않는 끈기가 결합될 때 과학은 진보합니다. 살아있는 세포 내부의 움직임을 원자 수준에서 직접 눈으로 확인하려는 과학자들의 꿈은 이제 머지않은 미래의 현실로 다가오고 있습니다.

김성근

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[석학인터뷰] 교수님처럼 글을 잘 쓰려면 어떻게 해야하나요?- KAOS 최재천 국립생태원장 인터뷰 영상

생명의 기원을 밝히는 일은 과학계에서 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 생명이 처음 탄생하던 순간을 직접 목격한 이가 없기에, 우리는 현재 관찰 가능한 데이터만을 바탕으로 과거를 유추할 수밖에 없습니다. 종교적 설명이나 외계 유입설은 언뜻 명쾌해 보이지만, 이는 근본적인 발생 원리에 대한 과학적 해답이 되기 어렵습니다. 외계에서 생명이 왔다고 가정하더라도 그 생명이 어디서 어떻게 시작되었는지에 대한 질문은 여전히 남기 때문입니다. 결국 우리는 지구라는 환경 안에서 생명이 태동한 과정을 논리적으로 추적해야만 합니다. 좋은 글을 쓰는 비결은 타고난 재능보다는 치열한 퇴고의 과정에 있습니다. 마감 기한을 스스로 앞당겨 설정하고, 완성된 초고를 수십 번 다시 읽으며 다듬는 정성이 필요합니다. 특히 글을 소리 내어 읽었을 때 느껴지는 리듬감은 독자에게 의미를 전달하는 핵심적인 요소입니다. 귀로 들었을 때 매끄럽지 않거나 호흡이 끊기는 문장은 과감히 수정해야 합니다. 글쓴이가 스스로 읽기에 불편함이 없을 때까지 고치고 또 고치는 반복적인 노력이 뒷받침될 때, 비로소 독자의 마음을 움직이는 생동감 넘치는 문장이 탄생하게 됩니다. 자연과학의 여러 분야 중 생물학은 독특한 위치를 차지합니다. 물리학이나 화학이 대상을 더 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의적 접근에 집중한다면, 생물학은 그 분석된 요소들을 다시 하나로 묶어내는 종합력을 요구합니다. 세포 하나를 들여다보는 분석력도 중요하지만, 그 세포들이 모여 하나의 생명체를 이루고 나아가 생태계 속에서 상호작용하는 전체적인 그림을 그릴 수 있어야 합니다. 생명의 오묘함은 단순히 부분을 합친 것 이상의 복잡성을 지니고 있기에, 이를 이해하기 위해서는 분석력과 종합력의 균형이 필수적입니다. 생물학적 탐구는 미시적인 세계와 거시적인 세계를 동시에 아우르는 매력을 지니고 있습니다. 분석력만을 강조하는 학문적 풍토에서 벗어나, 쪼개진 파편들을 연결하여 생명이라는 거대한 퍼즐을 완성해 나가는 과정은 지적 호기심을 자극하기에 충분합니다. 이러한 종합력은 생명 현상의 본질을 꿰뚫어 보는 힘이 됩니다. 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어 생명체가 살아가는 방식과 그 의미를 탐구하는 일은 인간이 자연을 이해하는 가장 깊이 있는 방법 중 하나입니다. 분석력과 종합력을 넘나드는 통찰력은 생물학자가 갖춰야 할 최고의 덕목입니다. 현대 과학에서 생물학의 역할은 갈수록 중요해지고 있습니다. 기후 위기나 질병 등 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 생명 시스템에 대한 다각적인 이해가 필요하기 때문입니다. 분석적인 데이터에 기반하면서도 전체적인 조화를 고려하는 생물학적 접근 방식은 미래 과학의 핵심적인 방법론이 될 것입니다. 자연의 섭리를 존중하며 생명의 기원부터 현재의 다양성까지 아우르는 학문적 여정은 우리에게 세상을 바라보는 새로운 눈을 제공합니다. 지적 치열함과 종합력을 통해 우리는 생명의 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.

최재천

카오스재단석학인터뷰

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