과학 포털 iKAOS

71 Contents

#다이어트 💥 먹는 순서가 이렇게 중요해? 🤯 직접 실험해봤습니다!🔬🍽️｜심심할 땐 과학 시즌3 EP.01

여름이 다가오면서 많은 분들이 다이어트에 관심을 갖게 됩니다. 다이어트는 단순히 체중을 줄이는 것이 아니라 우리 몸 전체의 생물학적 시스템이 변화하는 복잡한 과정입니다. 실제로 다양한 다이어트 방법이 시도되고 있으며, 각자의 경험과 체질에 따라 효과가 다르게 나타납니다. 최근에는 혈당 관리가 다이어트의 핵심 요소로 떠오르고 있습니다. 혈당이 급격히 오르면 식욕 조절이 어려워지고, 체지방이 쉽게 쌓이게 된다는 점에서 많은 사람들이 혈당 스파이크에 주목하고 있습니다. 혈당은 식사 후 음식에 포함된 탄수화물이 분해되어 포도당으로 전환되면서 상승합니다. 이때 인슐린이라는 호르몬이 분비되어 혈당을 조절하고, 남은 포도당은 지방으로 저장될 수 있습니다. 혈당이 급격히 오르면 인슐린도 빠르게 분비되어 지방 축적이 촉진됩니다. 반면, 식사 순서를 조절하거나 식이섬유와 단백질을 먼저 섭취하면 혈당 상승 속도를 완만하게 할 수 있습니다. 실제로 채소와 단백질을 먼저 먹은 그룹이 식후 혈당이 더 낮았다는 연구 결과도 있습니다. 혈당의 급격한 변화는 뇌에도 영향을 미칩니다. 혈당이 오르면 도파민과 베타 엔도르핀 같은 신경전달물질이 분비되어 일시적으로 기분이 좋아지지만, 곧 다시 떨어지면서 반복적으로 단 음식을 찾게 만듭니다. 또한 스트레스 상황에서도 혈당이 오르기 쉬워, 감정 변화와 식욕이 밀접하게 연결되어 있습니다. 이러한 혈당 스파이크가 반복되면 뇌에 염증이 생기고, 장기적으로는 치매 위험까지 높아질 수 있다는 연구도 있습니다. 혈당을 안정적으로 관리하기 위해서는 식사 순서뿐만 아니라 식사 속도와 아침 식사의 내용도 중요합니다. 아침에 탄수화물을 줄이고 단백질과 지방이 포함된 식사를 하면 하루 종일 혈당이 더 안정적으로 유지될 수 있습니다. 또한, 식사 후 가볍게 걷는 것만으로도 혈당을 효과적으로 낮출 수 있습니다. 짧은 시간의 운동이라도 혈당 조절에 긍정적인 영향을 미치며, 인슐린 민감도도 높아집니다. 최근 유행하는 간헐적 단식도 혈당 관리와 다이어트에 도움이 될 수 있습니다. 공복 시간이 길어지면 간에 저장된 글리코겐이 소진되고, 지방이 에너지원으로 사용되기 시작합니다. 이 과정에서 오토파지라는 세포 청소 작용이 활성화되어 건강 유지에도 긍정적인 영향을 미칩니다. 단식 중에는 뇌의 신경 영양 인자가 분비되어 집중력이 높아지는 효과도 보고되고 있습니다.

국립과천과학관과학예능😆

생명과학
뇌인지과학

[강연] 사람이 곧 벌레라니: miRNA의 발견과 진화적 의미_by 이준호 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 3강

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm에 불과한 아주 작은 생물이지만, 현대 생물학에서 인간을 이해하는 데 결정적인 역할을 해왔습니다. 2024년 노벨 생리의학상은 이 작은 벌레에서 유전자 조절의 새로운 원리인 마이크로 RNA를 발견한 두 과학자에게 돌아갔습니다. 예쁜꼬마선충은 그 이름처럼 우아한 생명체는 아닐지 모르나, 단순한 구조 속에 복잡한 생명의 신비를 품고 있어 지금까지 네 차례나 노벨상의 주인공이 되었습니다. 이 작은 유기체를 통해 우리는 인간의 발생과 질병을 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 예쁜꼬마선충이 과학의 무대에 오른 것은 1960년대 시드니 브레너의 혜안 덕분이었습니다. 그는 발생과 신경계의 비밀을 밝히기 위해 대장균보다 복잡하면서도 연구하기 쉬운 모델로 이 벌레를 선택했습니다. 이후 과학자들은 수정란에서 성체에 이르기까지 모든 세포의 분열 과정을 기록한 '세포 계보'를 완성했습니다. 이는 생명체의 모든 세포가 언제, 어디서, 무엇이 되는지를 완벽하게 파악한 인류 최초의 성과였습니다. 이러한 기초 연구는 유전자가 생명 현상을 어떻게 조절하는지 탐구하는 든든한 토대가 되었습니다. 세포 계보를 연구하던 중 과학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 매번 똑같은 위치와 시간에 특정 세포들이 죽어 나가는 현상이 관찰된 것입니다. 이는 세포가 환경이 나빠서 죽는 것이 아니라, 유전적으로 결정된 '프로그램된 세포 사멸' 과정을 거친다는 것을 의미했습니다. 131개의 세포가 정해진 운명에 따라 사라지는 이 현상은 인간의 암이나 퇴행성 질환을 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 죽음조차 생명의 정교한 계획 일부라는 사실은 현대 의학에 엄청난 영감을 주었으며, 이는 예쁜꼬마선충 연구가 거둔 첫 번째 노벨상의 결실이었습니다. 예쁜꼬마선충 연구는 RNA 간섭 현상과 녹색 형광 단백질(GFP)의 활용이라는 혁신적인 도구들을 과학계에 선물했습니다. RNA 간섭은 특정 유전자의 기능을 억제하여 그 역할을 규명하는 강력한 방법론이 되었고, GFP는 살아있는 세포 안에서 단백질의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었습니다. 이러한 기술적 진보는 생명과학의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 각기 다른 분야를 연구하던 과학자들이 우연히 발견한 이 부산물들은, 결국 인류가 질병의 원인을 찾고 치료제를 개발하는 데 없어서는 안 될 필수적인 자산이 되었습니다. 올해 노벨상의 핵심인 마이크로 RNA의 발견은 발생의 '시간'을 연구하던 엉뚱한 호기심에서 시작되었습니다. 빅터 앰브로스와 게리 러브컨은 세포의 계보가 반복되거나 건너뛰는 돌연변이 유전자인 lin-4와 lin-14를 연구했습니다. 두 과학자는 서로의 연구 데이터를 공유하며 놀라운 사실을 알아냈습니다. 아주 작은 크기의 lin-4 RNA가 큰 lin-14 mRNA에 결합하여 단백질 합성을 방해한다는 것이었습니다. 이는 단백질 정보가 없는 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 정교하게 조절할 수 있다는 사실을 세상에 처음으로 알린 역사적 순간이었습니다. 마이크로 RNA의 발견은 생명과학의 근본 원리인 '생명 중심 원리(Central Dogma)'에 새로운 화살표를 추가했습니다. DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 정보의 흐름 속에, 마이크로 RNA라는 조절자가 개입하여 특정 단백질의 생성을 억제한다는 메커니즘이 밝혀진 것입니다. 처음에는 예쁜꼬마선충에게만 국한된 특이한 현상으로 치부되기도 했으나, 이후 let-7과 같은 마이크로 RNA가 인간을 포함한 다양한 생물종에 보존되어 있다는 사실이 확인되었습니다. 이로써 마이크로 RNA는 생명체의 발생과 분화를 조절하는 보편적인 원리로 자리 잡게 되었습니다. 과학의 역사는 때로 무지함이 축복이 될 수 있음을 보여줍니다. 게리 러브컨의 말처럼, 모르는 것을 하나씩 알아가는 과정에서의 즐거움과 끈질긴 호기심이 위대한 발견을 낳았습니다. 예쁜꼬마선충이라는 작은 벌레를 30년 넘게 들여다본 과학자들의 집념은 결국 인간을 이해하는 거대한 지표가 되었습니다. 바늘 하나로 코끼리를 쓰러뜨리듯, 작은 발견을 끝까지 추적하여 생명의 신비를 밝혀낸 이들의 여정은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 세상을 향한 끝없는 질문과 그 답을 찾아가는 즐거운 모험입니다.

이준호

카오스재단카오스크로스

생명과학

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

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

백민경

카오스재단카오스크로스

화학
생명과학

[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

[토크] 인간vs인공지능, 노벨상의 주인공은?!_과학자들의 방과 후 수다_2편 | 2편

비만이 전염된다는 연구 결과는 매우 흥미로운 시사점을 던져줍니다. 통계에 따르면 가장 친한 친구가 비만일 경우 본인이 비만이 될 확률이 57%나 높아지며, 형제나 배우자 사이에서도 유사한 경향이 나타납니다. 이는 단순히 바이러스처럼 옮는 것이 아니라, 함께 식사하고 어울리는 과정에서 생활 습관과 가치관이 비슷해지기 때문입니다. 이러한 '사회적 전염' 현상은 우리가 맺고 있는 사회적 관계가 개인의 신체적 상태와 건강에 얼마나 깊은 영향을 미치는지를 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 비만의 사회적 전염 이면에는 우리 몸속 미생물 생태계인 '마이크로바이옴'이 존재합니다. 장내에 서식하는 수많은 미생물은 우리가 섭취한 음식물을 바탕으로 다양한 대사 산물을 만들어내며 건강과 질병의 상태를 결정짓습니다. 나쁜 장내 세균이 내뿜는 물질은 비만뿐만 아니라 대사성 질환의 직접적인 원인이 되기도 합니다. 결국 건강을 유지한다는 것은 단순히 칼로리를 조절하는 것을 넘어, 우리 몸 안의 미생물들이 건강한 균형을 이룰 수 있도록 관리하는 정교한 과정이라 할 수 있습니다. 최근 제약 시장에서 가장 주목받는 분야는 GLP-1 계열의 비만 치료제입니다. 본래 제2형 당뇨병 치료를 목적으로 개발되었으나, 뛰어난 체중 감량 효과가 입증되면서 항암제 시장을 위협할 정도로 거대한 규모로 성장했습니다. 비만은 단순한 외모의 문제를 넘어 암, 심장병, 염증성 질환 등 수많은 병증의 근원이기에 이를 해결하는 치료제의 등장은 인류 건강 증진에 획기적인 기여를 하고 있습니다. 특히 부작용이 상대적으로 적다는 점은 이 약물이 대중적인 관심을 받는 주요한 이유가 됩니다. 과학적 업적의 가치를 인정하는 최고의 영예인 노벨상은 시대의 흐름에 따라 그 평가 기준이 조금씩 변해왔습니다. 때로는 독창적인 발견을 한 사람보다 이를 실생활에 응용하여 큰 파급력을 일으킨 연구자가 주목받기도 하며, 수상 인원 제한으로 인해 뛰어난 공헌자가 제외되는 논란이 발생하기도 합니다. 하지만 노벨상의 본질은 결국 인류에게 지대한 공헌을 한 발견을 기리는 데 있습니다. 최근 mRNA 백신 기술의 수상 사례처럼, 과학이 인류가 직면한 거대한 문제를 해결하는 방식에 대한 가치가 점점 더 중요해지고 있습니다. 인공지능 기술의 비약적인 발전은 이제 과학 연구의 패러다임 자체를 바꾸고 있습니다. 구글 딥마인드가 개발한 '알파폴드'는 생물학의 오랜 난제였던 단백질 구조 예측을 성공적으로 수행하며 신약 개발과 분자 생물학 연구에 혁신을 가져왔습니다. 이제 과학자들은 실험실에서 직접 구조를 분석하기에 앞서 AI가 예측한 데이터를 활용하여 연구의 효율성을 극대화합니다. 이러한 도구의 등장은 인간의 지적 능력을 확장하며, 과거에는 상상하기 힘들었던 속도로 지식의 지평을 넓히는 중요한 전환점이 되고 있습니다. 하지만 거대 언어 모델 중심의 AI 발전에는 명확한 한계와 과제도 존재합니다. 모델의 크기를 키울수록 기하급수적으로 늘어나는 전력 소모와 고품질 학습 데이터의 고갈 문제는 지속 가능성에 대한 의문을 제기합니다. 단순히 규모를 확장하는 것만으로는 진정한 지능의 진보를 이루기 어렵다는 지적도 나옵니다. 복잡계 과학의 관점에서 볼 때, 진정한 지능은 개별 요소들의 단순한 합이 아니라 그들 사이의 유기적인 상호작용을 통해 자연스럽게 발현되는 '창발'의 결과물이어야 하기 때문입니다. 과학은 인간의 경험 세계를 확장하고 우리가 보지 못했던 영역을 보게 해주는 숭고한 활동입니다. 제임스 웹 우주망원경이 우주의 기원을 탐구하며 인류의 시야를 넓히듯, 과학은 끊임없이 새로운 질문을 던지며 진보합니다. 그러나 모든 가치가 데이터와 논리로만 설명되는 것은 아닙니다. 와인 한 잔의 가치가 수치화된 점수보다 함께 마시는 사람과의 즐거운 교감에 의해 결정되듯, 과학적 발견 역시 인간의 삶과 따뜻하게 연결될 때 진정한 의미를 갖습니다. 결국 과학의 궁극적인 목적은 인류의 삶을 더 풍요롭게 만드는 데 있습니다.

신예리, 윤성철, 이현숙, 정하웅

카오스재단과학자들의 방과 후 수다

물리학
생명과학
천문학

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

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

백민경

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[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

[강연] 제30회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학이 다시 연결하는...' (2) by 손상모, 백민경 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

서울대학교 자연과학 공개 강연이 어느덧 30주년을 맞이하며 과학 나눔의 소중한 가치를 되새기고 있습니다. 이번 강연의 핵심 주제인 '연결'은 과학이 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 보이지 않는 세계를 잇고 인류의 호기심을 현실로 만드는 가교임을 상징합니다. 거대한 우주의 기원부터 우리 몸속 미세한 단백질의 구조에 이르기까지, 과학은 서로 다른 영역을 하나의 맥락으로 묶어내며 인류가 나아갈 새로운 방향과 무한한 가능성을 제시하고 있습니다. 제임스웹 우주망원경은 인류가 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 혁신하고 있습니다. 허블 우주망원경의 뒤를 이어 더 멀리, 더 선명하게 우주 초기를 들여다보기 위해 설계된 이 망원경은 무려 135억 년 전의 빛을 추적합니다. 적외선 관측 기술을 통해 가시광선으로는 결코 볼 수 없던 우주 먼지 구름 너머의 별 탄생 과정과 초기 은하의 형성을 생생하게 포착함으로써, 우리는 우주의 기원과 인류의 뿌리에 대해 이전보다 훨씬 깊이 있는 이해를 얻게 되었습니다. 이 경이로운 망원경은 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 제2 라그랑주 점(L2)이라는 특수한 지점에서 임무를 수행합니다. 태양의 강력한 열기를 차단하는 테니스장 크기의 거대한 태양 차단막과 적외선을 효과적으로 반사하기 위해 순금으로 도금된 육각형 거울들은 현대 공학 기술의 정수를 보여줍니다. 영하 230도 이하의 극저온 환경을 유지하며 우주 끝에서 오는 미세한 신호를 포착해내는 기술력은 인류의 지적 탐구심이 도달할 수 있는 한계가 어디까지인지를 증명합니다. 거시적인 우주에서 시선을 돌려 우리 몸속의 미시 세계를 살펴보면 생명 현상의 핵심인 단백질이라는 경이로운 분자를 만나게 됩니다. 단백질은 우리 몸의 거의 모든 생체 반응에 관여하지만, 그 복잡한 3차원 구조를 정확히 밝혀내는 일은 과학계의 오랜 난제였습니다. 최근 인공지능 기술은 이 문제를 획기적으로 해결하며 생명과학의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 수개월에서 수년이 걸리던 구조 분석을 단 몇 시간 만에 정확히 예측해내며 신약 개발의 속도를 앞당기고 있습니다. 인공지능이 단백질 구조를 예측할 수 있는 비결은 수억 년에 걸친 진화의 역사 속에 숨겨진 패턴을 찾아내는 데 있습니다. 생명체가 생존을 위해 유지해온 단백질 서열의 변화를 분석하면, 특정 구조를 형성하기 위한 생물학적 규칙을 발견할 수 있습니다. 방대한 빅데이터와 인공지능 알고리즘의 결합은 복잡한 생물학적 원리를 데이터 과학의 언어로 재해석해냈습니다. 이러한 기술적 진보는 질병의 원인을 규명하고 맞춤형 치료제를 설계하는 데 있어 강력한 도구가 되고 있습니다. 현대 과학의 비약적인 발전은 단일 분야의 성과를 넘어 서로 다른 학문이 만날 때 비로소 가속화됩니다. 인공지능 전문가와 생물학자가 소통하며 새로운 알고리즘을 설계하고, 물리학과 화학의 원리가 정밀한 공학적 설계에 녹아드는 과정은 융합의 중요성을 잘 보여줍니다. 서로 다른 언어를 사용하는 전문가들 사이를 잇는 '브리징 피플'의 역할은 이제 필수적입니다. 학문 간의 경계를 허무는 유연한 사고와 협업이야말로 복잡한 현대 사회의 난제들을 해결하는 진정한 열쇠입니다. 포스트 코로나 시대를 맞이하며 우리는 단절되었던 관계를 회복하고 새로운 형태의 연결을 모색하고 있습니다. 과학은 과거의 빛을 통해 미래를 예측하고, 작은 분자의 구조를 통해 인류의 건강을 지키는 등 끊임없이 세상을 연결하는 역할을 수행합니다. 이번 강연은 과학이 단순한 학문적 유희를 넘어 우리 삶의 가치와 맥락을 잇는 소중한 매개체임을 다시 한번 일깨워주었습니다. 과학을 통해 넓어진 시야는 우리 각자가 꿈꾸는 미래를 더욱 선명하게 그려나가는 힘이 될 것입니다.

백민경, 손상모

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학
천문학

[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

[강연] 생명의 나무, 분자 유전학 _ by 김상욱 ㅣ 2022 가을 카오스강연 '진화' 6강 | 6강

생명은 단순히 형태나 물질의 집합이 아니라 정보의 연속성으로 정의될 수 있습니다. 우리 몸을 구성하는 세포와 단백질은 불과 몇 개월이면 완전히 새로운 것으로 교체되지만, 부모로부터 물려받은 유전 정보는 변함없이 유지됩니다. 이는 마치 모든 부품이 교체된 배가 여전히 같은 정체성을 유지하는 '테세우스의 배' 역설과도 같습니다. 현대 생물학은 이러한 유전 정보를 분석하여 생명의 본질을 탐구하며, 우리가 누구인지에 대한 답을 DNA라는 정교한 설계도 속에서 찾아내고 있습니다. 찰스 다윈은 DNA의 존재를 몰랐음에도 불구하고 생명의 다양성을 '생명의 나무'라는 구조로 통찰해냈습니다. 현대 분자 유전학은 DNA 염기서열 분석을 통해 이 나무의 가지를 더욱 정밀하게 그려내고 있습니다. 서로 다른 종의 DNA 염기서열을 비교하여 그 차이를 계산하면, 어떤 생명체가 공통 조상에서 언제 갈라져 나왔는지 명확히 파악할 수 있습니다. 이러한 계통 분류는 생명체가 환경에 적응하며 어떻게 변화해 왔는지를 보여주는 거대한 역사의 기록이자 진화의 증거가 됩니다. 인류가 지금의 모습으로 진화한 과정에는 흥미로운 유전적 변화들이 숨어 있습니다. 예를 들어 인간이 털 없는 원숭이가 된 것은 아프리카의 더위 속에서 체온을 조절하고 기생충을 줄이는 데 유리했기 때문입니다. 또한 'FOXP2 유전자'와 같은 특정 유전자의 변이는 인간이 복잡한 언어를 사용하고 고도의 협력을 할 수 있는 토대를 마련해 주었습니다. 이러한 미세한 돌연변이들이 수만 년 동안 쌓여 인간을 다른 영장류와 구분 짓는 독특하고 아름다운 형질들을 만들어낸 것입니다. 극한 환경에 적응한 생명체들의 유전자는 현대 과학 기술의 핵심적인 영감이 됩니다. 남극의 물고기는 피가 얼지 않도록 돕는 부동액 단백질을 스스로 만들어내며, 뜨거운 온천에 사는 박테리아는 고열에도 변성되지 않는 효소를 가지고 있습니다. 우리가 흔히 사용하는 PCR 기술 역시 이러한 고온 내성 균주에서 추출한 효소 덕분에 가능해졌습니다. 자연이 수억 년에 걸쳐 설계한 정교한 생존 전략은 인류의 질병 치료와 신소재 개발에 있어 대체 불가능한 중요한 단서를 제공합니다. 진화의 관점에서 질병을 바라보면 예상치 못한 통찰을 얻을 수 있습니다. 아프리카에서 흔한 악성 빈혈인 겸상 적혈구 빈혈은 역설적으로 말라리아에 대한 저항력을 제공하여 해당 지역 인류의 생존에 도움을 주었습니다. 이는 특정 환경에서 질병이 생존을 위한 선택의 결과일 수 있음을 보여줍니다. 이처럼 병원균과 숙주 사이의 끊임없는 '군비 경쟁'과 공진화 과정을 이해하는 것은 현대 의학이 새로운 감염병과 유전병에 대응하는 전략을 세우는 데 필수적인 기초가 됩니다. 현대 의학은 모든 환자에게 동일한 처방을 내리는 과거의 방식에서 벗어나 개인의 유전적 특성에 맞춘 '정밀 의료'로 나아가고 있습니다. 사람마다 DNA 염기서열이 조금씩 다르기 때문에 같은 약물이라도 반응과 부작용이 다르게 나타납니다. 암세포 역시 끊임없이 돌연변이를 일으키며 약물에 저항성을 갖도록 진화하는 특성을 보입니다. 따라서 환자의 유전체 정보를 정밀하게 분석하여 최적의 치료법을 선택하는 것은 암과 같은 난치병을 극복하기 위한 분자 유전학의 가장 현실적이고 핵심적인 과제입니다. 인공지능과 데이터 과학의 발전은 신약 개발과 질병 치료의 패러다임을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 수많은 환자의 유전체 데이터를 학습한 인공지능은 동물의 희생을 줄이면서도 효과적인 치료제를 설계하는 데 크게 기여합니다. 하지만 유전자 강화와 같은 기술적 진보는 반드시 윤리적 고민을 동반해야 합니다. 과학의 진정한 목적은 단순히 완벽한 인간을 만드는 것이 아니라, 생명의 다양성을 존중하며 조화롭게 공존하는 길을 찾는 데 있습니다. 진화에 대한 깊은 이해는 결국 인류의 미래를 향한 올바른 나침반이 될 것입니다.

김상욱

카오스재단카오스강연

생명과학

[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

[페스티벌+어스] 종으로서의 인류: 유전 by 이현숙, 이준호 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

1953년 왓슨과 크릭이 DNA의 이중나선 구조를 밝혀낸 사건은 현대 생명과학의 흐름을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이 발견은 단순히 분자의 형태를 알아낸 것을 넘어, 생명체가 정보를 어떻게 저장하고 다음 세대로 전달하는지에 대한 근본적인 원리를 제시했습니다. 당시 로잘린드 프랭클린의 정교한 엑스선 회절 데이터는 이 위대한 발견의 결정적인 토대가 되었으며, 이는 인류가 생명의 설계도를 직접 읽기 시작한 역사적 전환점이 되었습니다. 생명의 본질을 이해하려는 열망은 이 짧은 논문 한 편을 통해 구체적인 과학적 사실로 증명되었습니다. DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합으로 이루어진 생명의 암호입니다. 이 정보는 전사 과정을 거쳐 RNA로 전달되고, 최종적으로 단백질로 번역되어 우리 몸의 다양한 생명 현상을 수행합니다. 이를 '중심 원리'라고 부르는데, 이는 모든 생명체가 공유하는 보편적인 언어와 같습니다. 결국 DNA는 단순한 물질이 아니라 생명체의 탄생부터 성장, 그리고 소멸에 이르는 모든 과정을 지휘하는 가장 정교한 통제 센터라고 할 수 있습니다. 이러한 암호 체계의 발견은 생명 현상을 분자 수준에서 해석할 수 있게 했습니다. 생명의 근원을 찾는 여정에서 수소 결합은 빼놓을 수 없는 핵심 요소입니다. DNA의 두 가닥을 연결하는 이 약한 결합은 필요할 때 쉽게 풀리고 다시 결합할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 DNA는 복제와 전사 과정을 효율적으로 수행하며 생명 정보를 유지합니다. 지구가 물로 덮여 있고 우리 몸의 대부분이 물로 이루어진 이유도 바로 이 수소 결합의 물리화학적 성질과 깊은 관련이 있습니다. 이는 생명 현상을 유지하는 가장 신비로운 비밀 중 하나로, 물이 있는 곳에 생명이 존재할 수 있다는 가설을 뒷받침하는 강력한 근거가 됩니다. 진화의 진정한 원동력은 완벽한 복제가 아니라 역설적이게도 그 과정에서 발생하는 미세한 변이에 있습니다. DNA 복제 과정에서 발생하는 오류는 교정 기작을 통해 대부분 수정되지만, 아주 드물게 남겨진 변이들이 개체 간의 다양성을 만들어냅니다. 이러한 다양성은 환경 변화에 적응하고 새로운 종으로 진화할 수 있는 토대가 됩니다. 즉, 유전은 정보를 정확하게 전달하는 안정성과 새로운 가능성을 열어두는 변이성이라는 동전의 양면과 같은 속성을 지니고 있습니다. 이러한 변이의 축적은 수억 년의 시간 동안 지구상의 다채로운 생명체들을 탄생시킨 근본적인 힘입니다. 염색체의 끝단에 위치한 텔로미어는 생명의 시계라고 불리며 세포의 노화와 수명을 결정하는 중요한 역할을 합니다. 세포가 분열할 때마다 조금씩 짧아지는 텔로미어는 유전 정보를 보호하는 캡과 같은 기능을 수행합니다. 만약 텔로미어가 비정상적으로 유지되면 암세포가 되기도 하고, 너무 빨리 짧아지면 조기 노화가 진행되기도 합니다. 텔로머레이스라는 효소는 이 끝단을 복구하여 세포의 생존력을 높이는데, 이는 현대 의학이 노화와 질병을 이해하는 데 있어 핵심적인 열쇠가 됩니다. 텔로미어의 구조와 기능을 밝혀낸 연구는 생명 연장의 꿈을 과학적 영역으로 끌어들였습니다. 최근 연구는 DNA가 전형적인 이중나선 구조 외에도 네 가닥이나 세 가닥의 복잡한 구조를 형성한다는 사실을 밝혀내고 있습니다. 특히 구아닌이 풍부한 지역에서 형성되는 네 가닥 DNA 구조는 암 억제 인자와 상호작용하며 세포의 항상성을 유지하는 데 기여합니다. 이러한 비전형적인 구조들은 유전자 발현 조절이나 질병 발생 메커니즘에서 중요한 변수로 작용합니다. 이는 우리가 알고 있던 생명의 설계도가 생각보다 훨씬 입체적이고 역동적인 체계임을 시사하며 새로운 연구 지평을 열어주고 있습니다. 구조의 다양성은 곧 생명 현상의 복잡성을 설명하는 중요한 단서가 됩니다. 인공지능 기술의 발전은 유전체 데이터를 해석하고 단백질 구조를 예측하는 방식에 혁신을 가져오고 있습니다. 방대한 유전 정보를 학습한 AI는 질병의 원인을 정밀하게 진단하고 환자 맞춤형 신약을 개발하는 데 결정적인 도움을 줍니다. 미래에는 개인의 DNA 특징을 기반으로 질병을 사전에 예방하고 관리하는 정밀 의료 시대가 보편화될 것입니다. 1953년의 작은 논문에서 시작된 혁명은 이제 디지털 기술과 결합하여 인류의 건강과 생명의 미래를 새롭게 설계해 나가고 있습니다. 과학적 호기심과 기술의 융합은 인류가 직면한 수많은 생물학적 난제들을 해결하는 열쇠가 될 것입니다.

이준호, 이현숙

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

생명과학

[술술과학] 씨 : 콩나물은 뿌리일까?🤔_ EP.16(식물의 관점#9)

식물의 번식은 중복 수정이라는 독특한 과정을 통해 시작됩니다. 꽃가루의 핵이 밑씨에 도달하면 하나는 배를, 다른 하나는 배젖을 형성합니다. 배가 장차 식물로 자라날 아기라면, 배젖은 그 성장을 돕는 영양분인 우유와 같습니다. 우리가 흔히 먹는 현미는 이 배와 배젖을 모두 갖추고 있어 생명력이 살아있는 상태입니다. 반면 백미는 영양 창고인 배젖만을 남긴 형태입니다. 이처럼 씨앗은 식물의 생존을 위한 정교한 설계도이자 에너지 저장고로서의 역할을 충실히 수행하며 다음 세대를 준비합니다. 콩나물은 씨앗의 발아 과정을 관찰하기에 아주 좋은 예시입니다. 노란 콩나물 머리는 사실 떡잎이며, 그 아래 길게 뻗은 부분은 줄기가 아닌 배축이라 불리는 부위입니다. 빛이 없는 환경에서 자란 콩나물은 광합성 대신 오로지 빛을 찾아 몸을 길게 늘리는 데 전력을 다합니다. 이 과정에서 배축이 길게 자라나 우리가 먹는 아삭한 식감을 만들어냅니다. 떡잎이 광합성을 시작하기 전까지 스스로를 지탱하는 에너지원 역할을 한다는 점은 식물의 초기 생존 전략이 얼마나 치열한지를 잘 보여주는 대목입니다. 씨앗의 크기와 형태는 환경에 적응한 결과물입니다. 난초의 씨앗은 먼지처럼 작아 바람에 쉽게 날리지만, 코코넛은 거친 바다를 건너기 위해 단단한 껍질과 풍부한 영양분을 갖춘 거대한 크기로 진화했습니다. 또한 씨앗은 발아 효율을 높이기 위해 탄수화물뿐만 아니라 지방과 단백질을 축적하기도 합니다. 특히 지방은 탄수화물보다 두 배 이상의 에너지를 내기 때문에, 참깨나 유채처럼 작은 씨앗이 빠르게 싹을 틔우거나 옥수수가 단시간에 높이 성장할 수 있는 원동력이 되어줍니다. 인간의 개입은 식물의 진화 방향을 바꾸기도 했습니다. 관상용으로 개량된 장미나 국화는 아름다움을 위해 수술이 꽃잎으로 변하며 스스로 씨앗을 맺는 능력을 잃기도 합니다. 대신 인간이 꺾꽂이 등을 통해 번식을 돕는 공생 관계가 형성되었습니다. 우리가 주식으로 삼는 벼나 밀 역시 야생의 잡초를 길들인 결과입니다. 원래 씨앗이 익으면 멀리 퍼지는 성질을 가지고 있었으나, 수확의 편의를 위해 씨앗이 이삭에 그대로 매달려 있도록 개량된 종들이 오늘날 인류의 생존을 책임지고 있습니다. 식물이 씨앗을 널리 퍼뜨리는 이유는 단순히 번식만을 위해서가 아니라 변화하는 환경에서 살아남기 위한 유일한 방법이기 때문입니다. 땅속은 수많은 씨앗이 적절한 시기를 기다리며 잠든 거대한 종자 은행과 같습니다. 잡초는 척박한 환경에서도 자가 수분이라는 보험을 들거나 수만 개의 씨앗을 생산하며 끈질기게 생존합니다. 우리가 잡초를 제거했을 때 오히려 더 많은 싹이 돋아나는 것은, 햇빛이라는 신호를 받은 씨앗들이 휴면에서 깨어나 일제히 발아하기 때문입니다.

카오스재단술술과학

생명과학

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

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

백민경

카오스재단카오스크로스

생명과학

[강연] 무질서계가 보이는 복잡하고 놀라운 세상 by 여준현 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 3강

복잡계 물리학은 우리 일상과 동떨어진 학문처럼 보이지만, 사실 세포나 박테리아, 인간 사회에 이르기까지 수많은 구성원이 모여 상호작용하는 모든 곳에 존재합니다. 2021년 노벨 물리학상은 이러한 복잡계의 본질을 규명한 학자들에게 수여되었습니다. 특히 조르조 파리시 교수는 무질서한 시스템 속에 숨겨진 패턴을 발견함으로써, 복잡계 물리학이 정립된 학문으로 인정받는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 단순한 물리 법칙을 넘어 자연의 복잡성을 이해하는 새로운 지평을 열었다는 평가를 받습니다. 물리학의 전통적인 접근 방식은 물질의 가장 근본적인 단위를 파고드는 것이었습니다. 하지만 필립 앤더슨이 주창한 '많으면 다르다(More is different)'라는 명제는 개별 입자의 법칙을 안다고 해서 전체 시스템을 완벽히 이해할 수 없음을 시사합니다. 물 분자 사이의 미시적 법칙은 동일하지만, 온도가 변함에 따라 물이 얼음으로 변하는 거시적 상전이가 나타나는 것이 대표적인 예입니다. 수많은 구성 요소가 모였을 때 비로소 나타나는 새로운 물리적 규칙들을 이해하는 것이 복잡계 연구의 핵심입니다. 상전이를 이해하는 현대 물리학의 핵심 도구는 '대칭성 깨짐'입니다. 예를 들어 액체 상태에서는 공간의 어느 방향으로든 평행 이동해도 에너지가 변하지 않는 높은 대칭성을 가집니다. 그러나 온도가 낮아져 고체가 되면 입자들이 특정 격자 자리를 차지하게 되면서 대칭성이 낮은 상태로 변합니다. 자성체 역시 고온에서는 무작위 방향을 향하던 스핀들이 저온에서 특정 방향을 택하며 자성을 띠게 됩니다. 이러한 대칭성 깨짐은 무질서한 상태에서 질서가 형성되는 과정을 설명하는 중요한 원리입니다. 파리시 교수가 연구한 '스핀 유리'는 자성체에 불순물이 섞여 무질서가 극대화된 시스템입니다. 여기서는 스핀들 사이의 상호작용이 거리에 따라 양수와 음수를 오가며 복잡하게 얽힙니다. 이로 인해 스핀들이 어느 방향을 향해야 에너지가 낮아질지 결정하지 못하는 '쩔쩔맴(Frustration)' 현상이 발생합니다. 친구와 원수가 뒤섞인 인간관계에서 누구 편을 들지 고민하는 상황처럼, 스핀들도 최적의 상태를 찾지 못하고 방황하게 됩니다. 이러한 무질서와 쩔쩔맴(Frustration)이 스핀 유리의 독특한 복잡성을 만들어냅니다. 복잡한 스핀 유리 시스템을 수학적으로 풀기 위해 물리학자들은 '복제'라는 기발한 방법을 도입했습니다. 시스템의 복제본들을 여러 개 만들어 계산한 뒤, 복제본의 수를 0으로 보내는 극한을 취하는 방식입니다. 초기에는 모든 복제본이 동일하다는 '복제 대칭성'을 가정했으나, 이는 저온에서 엔트로피가 음수가 되는 등 물리적 오류를 낳았습니다. 이는 기존의 단순한 대칭성 가정으로는 무질서한 시스템의 복잡한 바닥 상태를 온전히 설명할 수 없음을 의미하며, 새로운 돌파구가 필요한 시점이었습니다. 조르조 파리시 교수는 복제본들 사이의 대칭이 깨져야 한다는 '복제 대칭성 깨짐'이라는 혁신적인 아이디어를 제시했습니다. 그는 행렬을 무한히 쪼개는 수학적 기법을 통해 스핀 유리가 단 하나의 안정된 상태가 아닌, 무수히 많은 에너지 골짜기를 가진다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 골짜기들은 서로 닮은 정도에 따라 가계도와 같은 계층적 구조를 이루고 있습니다. 이는 무질서한 시스템이 단순히 혼란스러운 것이 아니라, 그 내부에 정교하고 복잡한 수학적 질서가 숨어 있음을 증명한 놀라운 발견이었습니다. 파리시의 방법론은 물리학을 넘어 최적화 문제, 신경망 모델링, 단백질 접힘 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 수많은 도시를 방문하는 최단 경로를 찾는 외판원 문제나 뇌의 뉴런 작용을 이해하는 과정에서도 이 복잡계 이론이 핵심적인 도구로 쓰입니다. 이는 직관으로 이해하기 힘든 복잡한 현상을 수학이라는 등불을 통해 명확히 비춰낼 수 있음을 보여줍니다. 결국 복잡계 물리학은 무질서해 보이는 세상 속에서 보이지 않는 패턴을 찾아내어 현대 과학의 영역을 확장하고 있습니다.

여준현

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학

[강연] 바이러스 감염, 어떻게 방어하는가? _ by유주연 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 8강 | 8강

바이러스는 가장 안쪽에 유전 물질을 가지고 있으며, 이를 단백질과 외막이 둘러싸고 있는 구조를 띱니다. 코로나19나 인플루엔자 같은 바이러스는 유전 물질로 RNA를 가지며, 가장 바깥쪽에 지질 성분의 외막이 존재하는 '외막 바이러스'에 해당합니다. 우리가 비누로 손을 씻는 행위가 효과적인 이유는 비누의 계면활성제가 바이러스의 외막을 분해하여 구조를 파괴하기 때문입니다. 이러한 단순한 구조적 특징은 바이러스가 숙주 세포에 침투하여 자신의 유전 정보를 전달하는 데 핵심적인 역할을 수행합니다. 모든 생명체는 스스로 유전 정보를 복제하여 증식하려는 본능을 가집니다. 하지만 바이러스는 유전 물질은 보유하고 있으나 스스로 복제할 수 있는 효소나 에너지를 생성하는 능력이 없습니다. 따라서 바이러스는 생존 전략으로 복제 시스템이 잘 갖춰진 숙주 세포를 선택하여 그 안으로 침투하는 방식을 택합니다. 숙주 세포의 자원과 시스템을 가로채어 자신의 유전 물질을 복제하는 이 과정을 우리는 '감염'이라고 부릅니다. 결국 감염의 본질적인 목적은 바이러스 유전 정보의 복제와 증식에 있습니다. 바이러스가 세포에 감염되기 위해서는 먼저 세포막에 안정적으로 부착되어야 합니다. 이때 바이러스의 외막 단백질은 숙주 세포 표면의 특정 수용체 단백질을 열쇠와 자물쇠처럼 특이적으로 인식하여 결합합니다. 예를 들어 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질은 우리 몸의 ACE2 수용체와 결합합니다. 이 수용체가 호흡기뿐만 아니라 소화기, 신장 등 다양한 장기에서 발현되기 때문에 바이러스가 여러 기관에 침투하여 손상을 입힐 수 있는 것입니다. 부착 후에는 막 융합 등을 통해 유전 물질을 세포 안으로 밀어 넣습니다. 세포질로 들어온 바이러스 유전 물질은 본격적인 복제 단계에 돌입합니다. 특히 RNA 바이러스는 복제 과정에서 단일 가닥이 이중 가닥으로 변하는 단계를 거치는데, 이때 바이러스 고유의 RNA 중합효소를 사용합니다. 문제는 이 효소가 복제 중 발생하는 오류를 교정하는 능력이 부족하다는 점입니다. 생명체는 정확성을 중시하지만, 바이러스는 진화 과정에서 정확도보다 빠른 복제를 선택했습니다. 이러한 '에러 프론(error-prone)' 특성 때문에 RNA 바이러스에서는 끊임없이 변이가 발생하며, 이는 백신이나 치료제 개발을 어렵게 만드는 요인이 됩니다. 숙주 세포는 바이러스의 침입에 무기력하게 당하고만 있지 않습니다. 세포는 '나에게 없는 패턴'이나 '위험한 상황'을 감지하여 침입자를 인식합니다. 이를 PAMP와 DAMP라고 부르는데, 예를 들어 우리 세포에는 없는 이중 가닥 RNA나 원래 핵 안에 있어야 할 DNA가 세포질에서 발견되는 상황이 이에 해당합니다. 세포 내의 패턴 인식 수용체인 PRR은 이러한 비정상적인 신호를 포착하여 즉각적인 방어 태세를 갖춥니다. 이것이 감염 직후 가장 먼저 작동하는 우리 몸의 선천 면역 체계입니다. 침입을 인지한 PRR은 핵으로 신호를 보내 인터페론이나 사이토카인 같은 방어 물질을 생성합니다. 이 물질들은 주변 세포에 감염 사실을 알려 방어막을 치게 하고, 면역 세포들을 불러모으는 역할을 합니다. 이때 면역 반응의 강도를 적절하게 조절하는 '미세 조정(fine-tuning)' 과정이 매우 중요합니다. 반응이 너무 미약하면 바이러스 증식을 막지 못해 조직이 손상되고, 반대로 너무 과도하면 '사이토카인 폭풍'이 일어나 오히려 우리 몸의 정상 세포를 공격하게 됩니다. 따라서 적정 수준의 면역 반응 유지가 건강 회복의 핵심입니다. 최근 연구에 따르면 선천 면역 시스템은 초기 조건에 따라 반응의 결과가 달라지는 복잡한 특성을 지니고 있습니다. 동일한 양의 바이러스가 침투하더라도 세포 내 수용체의 양이나 상태에 따라 면역 반응이 활발할 수도, 혹은 미미할 수도 있다는 것입니다. 이러한 분자 생물학적 메커니즘을 정확히 이해하는 것은 효과적인 치료제와 백신을 개발하는 밑거름이 됩니다. 바이러스와 우리 몸 사이의 치열한 정보전과 방어 기전을 연구함으로써, 인류는 보이지 않는 위협으로부터 스스로를 보호할 수 있는 더 정교한 과학적 무기를 갖추게 될 것입니다.

유주연

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포는 외부 신호를 어떻게 감지할까? _ by최희정 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 4강 | 4강

우리 세포는 외부 환경과 끊임없이 소통하며 생명을 유지합니다. 세포는 단순히 고립된 존재가 아니라, 외부에서 들어오는 다양한 화학 물질이나 물리적인 자극, 그리고 전기적인 신호를 감지하고 그에 적절한 반응을 나타내는 정교한 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 신호 감지는 나노미터 단위의 아주 미세한 수준에서 일어나며, 우리가 일상에서 마시는 커피 속 카페인이 각성 효과를 내는 과정 역시 세포가 특정 화학 물질을 인지하여 신호를 전달한 결과입니다. 세포는 외부 신호의 미세한 차이를 구별하여 서로 다른 반응을 이끌어냄으로써 생존에 필요한 항상성을 유지합니다. 세포가 외부 신호를 가장 먼저 맞닥뜨리는 곳은 세포의 경계면인 세포막입니다. 세포막은 물과 섞이지 않는 지질 성분으로 이루어진 이중 막 구조로, 세포 내부와 외부를 분리하는 성벽과 같은 역할을 합니다. 하지만 세포는 외부와 완전히 단절되어서는 안 되기에, 세포막에는 외부와 소통을 담당하는 막 단백질들이 존재합니다. 우리 몸 전체 단백질의 약 30%를 차지하는 이 막 단백질들은 외부 신호를 인지하여 내부로 전달하거나, 필요한 물질이 드나드는 통로 역할을 수행합니다. 이들은 세포가 외부 환경의 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 돕는 핵심적인 매개체입니다. 막 단백질의 가장 중요한 소양은 신호 전달의 정확성입니다. 외부 신호가 없는데도 신호가 있는 것처럼 행동하거나, 꼭 필요한 신호를 놓치게 되면 세포의 정상적인 기능이 무너져 질병으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 성장 인자가 없는데도 수용체가 계속해서 증식 신호를 보내면 암이 발생할 수 있고, 인슐린 신호를 제대로 전달하지 못하면 당뇨병이 유발됩니다. 이처럼 세포막 단백질은 외부의 정보를 정확하게 읽어내어 세포 내부의 반응을 조절하는 막중한 임무를 띠고 있습니다. 따라서 이들의 구조와 기능을 이해하는 것은 생명 현상의 본질을 파악하고 질병을 치료하는 데 매우 중요합니다. 세포막을 통과하는 물질의 흐름을 조절하는 대표적인 단백질은 채널입니다. 세포막은 지질로 이루어져 있어 이온이나 친수성 분자가 마음대로 통과할 수 없지만, 특정 이온 채널은 소듐이나 포타슘 같은 이온을 선택적으로 투과시킵니다. 특히 포타슘 채널은 자신보다 크기가 작은 소듐 이온은 걸러내고 포타슘 이온만 정확하게 통과시키는 놀라운 정교함을 보여줍니다. 이는 단백질 내부의 아미노산들이 이온과 결합할 때 발생하는 에너지 차이를 이용한 것으로, 인간이 만든 어떤 기계보다도 효율적이고 정교한 필터 역할을 수행합니다. 이러한 선택적 투과는 세포의 전위차를 형성하여 신호 전달의 기초가 됩니다. 이온 채널은 외부 자극에 따라 문을 열고 닫으며 신호를 조절합니다. 전압 개폐성 채널은 세포막의 전위 변화를 감지하여 구조를 바꾸고, 리간드 개폐성 채널은 특정 화학 물질이 결합할 때 통로를 엽니다. 예를 들어 신경 전달 물질인 가바(GABA)가 수용체에 결합하면 단백질 구조가 뒤틀리며 이온이 통과할 수 있는 길이 열리게 됩니다. 또한 우리가 매운 고추를 먹었을 때 열감을 느끼는 것은 캡사이신 성분이 온도를 감지하는 이온 채널에 결합하여 전기적 신호를 발생시키기 때문입니다. 이처럼 단백질의 역동적인 구조 변화는 외부의 물리적, 화학적 자극을 생체 신호로 변환하는 핵심 기전입니다. 수용체 단백질 중 하나인 G단백질 연결 수용체(GPCR)는 우리 몸에서 가장 다양한 신호를 처리하는 패밀리입니다. 아드레날린, 도파민, 히스타민과 같은 호르몬이나 신경 전달 물질들이 이 수용체에 결합하면, 수용체의 구조가 변하면서 세포 내부의 G단백질과 상호작용하여 신호를 증폭시킵니다. 우리가 흔히 복용하는 약물의 상당수가 바로 이 GPCR을 타깃으로 하여 질병을 치료합니다. 카페인이 아데노신 수용체에 대신 결합하여 졸음을 막거나, 천식 치료제가 아드레날린 수용체를 활성화해 기관지를 확장하는 것이 대표적인 사례입니다. 수용체와 리간드의 특이적인 결합은 현대 의학의 중요한 기반이 됩니다. 눈으로 볼 수 없는 나노 세계의 단백질 구조를 밝혀내는 것은 현대 생명과학의 거대한 도전입니다. 과학자들은 X선 결정학을 통해 단백질 결정을 분석하거나, 극저온 전자 현미경(Cryo-EM)으로 단백질 분자를 급속 냉동하여 3차원 구조를 규명합니다. 이러한 구조 생물학적 연구를 통해 우리는 단백질이 어떻게 신호를 감지하고 움직이는지 원자 수준에서 이해할 수 있게 되었습니다. 규명된 구조 정보는 전 세계 과학자들과 공유되어 새로운 치료제 개발과 생명 현상의 비밀을 푸는 데 기여하고 있습니다. 보이지 않는 미세한 구조 속에 생명의 정교한 설계도가 담겨 있는 셈입니다.

최희정

카오스재단카오스강연

생명과학

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

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

최희정

카오스재단카오스강연

생명과학

[연구뭐하지] 박승범 교수_서울대학교 '화학생물학 연구실' | 화학부에서 분자생물학 연구를? 그래서 더 다채로운 바이오 연구를 할 수 있는 곳!

생명 현상은 신비롭고 복잡하지만, 그 본질을 들여다보면 단백질, DNA, RNA와 같은 분자들의 정교한 상호작용으로 이루어져 있습니다. 화학생물학은 이러한 분자 수준에서의 화학적 상호작용을 이해하고 조절함으로써 생명의 비밀을 풀어나가는 학문입니다. 서울대학교 화학부 화학생물학 연구실은 이러한 기초적인 이해를 바탕으로 질병을 치료할 수 있는 새로운 치료제를 개발하는 데 매진하고 있습니다. 분자 수준의 통찰력은 복잡한 생명 현상을 명확하게 규명하는 강력한 도구가 됩니다. 연구실에서는 유기화학적 지식을 기반으로 인체의 신비를 탐구하며, 특히 다양한 질병 모델을 활용한 표현형 기반 스크리닝을 진행합니다. 발굴된 화합물이 어떤 단백질을 표적으로 삼는지, 그리고 어떤 생리적 기전을 통해 치료 효과를 나타내는지 파악하기 위해 TS-FITGE와 같은 독창적인 연구 기법을 활용합니다. 이는 단순히 물질을 발견하는 것에 그치지 않고, 그 물질이 생체 내에서 작용하는 구체적인 경로를 과학적으로 입증하여 신약 개발의 가능성을 높이는 중요한 과정입니다. 이곳의 유기합성 연구는 일반적인 유기화학과는 차별화된 지향점을 가집니다. 단순히 새로운 반응론을 개발하는 것에 머물지 않고, 그 반응이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 끊임없이 자문합니다. 생물학적 활성이 기대되는 구조를 설계하여 합성하거나, 생명 현상을 실시간으로 관측할 수 있는 형광 분자를 제작하는 등 모든 합성 과정의 중심에는 생물학적 가치가 자리 잡고 있습니다. '왜 이 물질을 만드는가'에 대한 확고한 해답은 연구자들에게 강력한 동기를 부여하며 질병 치료라는 목표를 향해 나아가게 합니다. 연구의 효율성을 극대화하기 위한 아낌없는 지원과 최첨단 시설은 이 연구실의 큰 자랑입니다. 유기합성부터 바이오 실험까지 모든 단계를 한곳에서 마무리할 수 있도록 국내 최고 수준의 장비와 리소스를 갖추고 있습니다. 특히 연구자의 시간을 소중히 여기는 철학에 따라, 학생들이 연구에만 몰두할 수 있는 환경을 조성하는 데 지원을 아끼지 않습니다. 이러한 인프라는 학생들이 각자의 프로젝트를 독립적이면서도 전문적으로 수행할 수 있게 돕는 든든한 밑거름이 되어 줍니다. 다양한 전공 배경을 가진 인재들이 모여 협력하는 문화는 연구실을 더욱 풍요롭게 만듭니다. 교수님은 자신을 정원사에 비유하며, 학생들이 각자의 재능과 관심에 따라 스스로 성장할 수 있도록 돕는 조력자 역할을 자처합니다. 획일적인 방향을 강요하기보다 각자의 나무가 가장 예쁜 꽃을 피울 수 있도록 적절한 가지치기와 지원을 제공하는 것입니다. 미래의 유망한 분야를 쫓기보다 자신이 진정으로 좋아하는 것이 무엇인지 깨닫고 이를 깊이 있게 탐구할 때, 연구자로서의 진정한 성장이 시작됩니다.

박승범

카오스재단연구뭐하지

화학
생명과학

[연구뭐하지] 마틴 스타이네거 교수_서울대학교 '생물정보학 및 기계학습연구실' | 생물학 데이터 연구와 소프트웨어 개발 모두 가능!

서울대학교 생명과학부의 생물정보학 및 기계학습 연구실은 폭발적으로 증가하는 생물학적 데이터를 효율적으로 분석하기 위한 알고리즘을 개발합니다. 마틴 스타이네거 교수님은 컨설팅 분야에서 과학의 길로 들어서며, 수십억 개의 서열을 정렬하고 라벨링하는 빅데이터 처리의 매력에 집중하게 되었습니다. 현재 연구실은 유전체와 바이러스 서열 데이터가 기하급수적으로 늘어나는 상황에서, 이를 감당할 수 있는 속도와 효율성을 갖춘 분석 도구를 만드는 데 주력하고 있습니다. 이는 현대 생명과학의 난제를 해결하는 핵심적인 토대가 됩니다. 연구실의 대표적인 성과물인 MMseqs2는 수십억 개의 서열을 처리할 수 있는 고성능 알고리즘으로, 대규모 데이터셋 분석의 표준으로 자리 잡았습니다. 또한 단백질 구조 예측 분야에서 혁신을 일으킨 ColabFold와 같은 분석 도구들을 통해 딥러닝 커뮤니티에 기여하고 있습니다. 이러한 분석 도구들은 고처리량 단백질 데이터베이스를 구축하고 분석하는 데 필수적이며, 연구자들이 복잡한 생물학적 정보를 보다 빠르고 정확하게 파악할 수 있도록 돕습니다. 기술적 변화에 발맞춘 이러한 소프트웨어 개발은 생물정보학의 지평을 넓히고 있습니다. 연구실의 학생들은 구체적으로 단백질 구조 정렬과 원자 정보 데이터의 효율적인 압축 방법을 연구하고 있습니다. 또한 바이러스 유전체 정보를 활용하여 인플루엔자나 코로나바이러스와 같은 특정 바이러스를 탐지할 수 있는 DNA 서열을 설계하거나, 기존 유전 정보를 바탕으로 새로운 유전자를 예측하는 프로젝트를 수행합니다. 이러한 연구는 단순히 데이터를 처리하는 것을 넘어, 실제 질병 진단과 생명 현상의 이해를 돕는 실질적인 분석 도구를 만드는 과정입니다. 데이터의 성장을 기술적 기회로 바꾸는 것이 이들의 핵심 목표입니다. 생명과학의 근간인 센트럴 도그마(Central Dogma), 즉 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 이어지는 과정을 컴퓨터 알고리즘으로 구현하는 것은 매우 도전적인 과제입니다. 연구원들은 이 복잡한 생물학적 흐름을 어떻게 효율적으로 전산화할 수 있을지 고민하며, 기존 방식의 미흡한 점을 찾아 개선해 나갑니다. 생물정보학 분야는 여전히 탐험해야 할 영역이 많은 '블루오션'과 같으며, 정보 기술과 생명과학의 결합을 통해 새로운 발견의 가능성이 무궁무진합니다. 이는 연구자들에게 끊임없는 호기심과 탐구 동기를 부여하는 원동력이 됩니다. 이 연구실은 이론적인 사고를 즐기고 꼼꼼한 성격을 가진 학생들에게 최적의 환경을 제공합니다. 파이썬과 파이토치 같은 분석 도구를 활용해 생물학적 문제를 코딩으로 해결하며, 뛰어난 개발자이자 연구자인 교수님의 지도 아래 소프트웨어 개발 및 관리 능력을 키울 수 있습니다. 메타게놈 데이터를 분석하여 새로운 단백질 패밀리를 발견하고 인류의 건강에 기여하는 것은 이들의 궁극적인 지향점입니다. 복잡한 데이터를 분석하고 혁신적인 분석 도구를 만들고자 하는 열정이 있다면, 생물정보학의 미래를 함께 그려나갈 수 있을 것입니다.

마틴 스타이네거

카오스재단연구뭐하지

생명과학

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

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

카오스재단명강리뷰&질문Q

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

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

송윤주

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[명강 리뷰] 결국 가장 중요한 것은 백신 개발 속도 _ by 신의철 - 이상한 나라의 바이러스 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 10강

바이러스는 생명체의 일반적인 특성과는 다른 독특한 면모를 지닌 존재입니다. 이들은 스스로 증식하지 못하고 반드시 살아있는 숙주 세포 안으로 들어가야만 자신의 복제본을 만들어낼 수 있습니다. 세포 내로 침투한 바이러스는 자신의 유전 물질을 복제하고, 이를 둘러쌀 단백질 껍질을 대량으로 생성합니다. 이후 복제된 유전 정보와 단백질들이 조립되어 수많은 자손 바이러스가 탄생하게 됩니다. 이러한 단순하면서도 강력한 복제 규칙은 모든 바이러스가 공유하는 핵심적인 생존 전략이라 할 수 있습니다. 바이러스는 아무 세포나 공격하는 것이 아니라 특정 숙주 세포에 대한 높은 선택성을 보입니다. 예를 들어 에이즈를 일으키는 HIV는 면역 세포의 특정 단백질과 결합하여 침투합니다. 이는 바이러스 표면의 단백질과 숙주 세포의 수용체가 마치 열쇠와 자물쇠처럼 정교하게 맞물려야 가능합니다. 과학자들은 이러한 결합 부위의 구조를 연구하여 바이러스의 침투를 차단하는 항바이러스제를 개발하기도 합니다. 우리 몸의 면역 체계 역시 이러한 결합 과정을 방해함으로써 바이러스의 증식을 막아내는 전략을 사용합니다. 바이러스는 인류의 면역 반응을 피하기 위해 매우 영리한 전략을 구사합니다. 인플루엔자 바이러스처럼 유전 물질이 분절되어 있어 변이가 잦은 경우, 기존의 항체가 무용지물이 되는 면역 회피 현상이 일어납니다. 또 다른 전략은 '잠복'입니다. 수두 바이러스처럼 신경절에 숨어 있다가 면역력이 약해진 틈을 타 대상포진으로 다시 나타나는 방식입니다. 이처럼 바이러스는 증식을 멈추고 조용히 숨어 지냄으로써 면역계의 감시망을 교묘하게 빠져나가며 우리 몸속에서 장기간 생존을 도모하기도 합니다. 바이러스 감염이 질병으로 이어지는 이유는 숙주 세포의 자원을 독점하기 때문입니다. 바이러스는 단백질 제조 기구를 장악하여 자신의 복제에만 사용하므로, 숙주 세포는 정상적인 대사 활동을 유지하지 못하고 결국 사멸하게 됩니다. 때로는 바이러스가 암을 유발하기도 합니다. 인유두종 바이러스(HPV)나 간염 바이러스는 우리 몸의 암 억제 단백질 작용을 방해하여 세포의 과도한 증식을 유도합니다. 이는 바이러스가 단순히 세포를 죽이는 것을 넘어, 유전적 조절 체계를 교란하여 치명적인 질환을 일으킬 수 있음을 보여줍니다. 인류는 백신을 통해 바이러스에 대항하는 강력한 무기를 갖추게 되었습니다. 백신은 가짜 감염을 통해 면역 기억을 형성함으로써 실제 바이러스 침입 시 빠르고 강한 반응을 유도합니다. 하지만 모든 바이러스에 백신이 존재하는 것은 아니며, 끊임없이 등장하는 변종 바이러스는 여전히 큰 과제로 남아 있습니다. 우리는 바이러스로부터 완전히 자유로울 수 없으며, 이미 수많은 바이러스와 공존하는 '휴먼 바이롬'의 시대를 살고 있습니다. 따라서 새로운 바이러스의 출현을 인정하고 과학적으로 신속하게 대처하는 자세가 무엇보다 중요합니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

[과학자가 쓴 과학책#12] 백신에 와인까지 만들어내는 합성 생물학! 합성 생물학은 인간에게 유토피아를 가져다줄까? | 송기원의 포스트 게놈시대 | KAOS X 공원생활 특집

현대 기술은 우리가 세상을 바라보는 틀을 근본적으로 변화시킵니다. 특히 지난 수십 년간 비약적으로 발전한 생명과학은 인간을 조물주의 피조물에서 생명체를 직접 디자인하고 변형할 수 있는 주체로 격상시켰습니다. 90년대 공상과학 영화인 '가타카'나 '쥐라기 공원'에서 묘사되었던 유전체 교정과 멸종 생물의 복원은 이제 더 이상 상상이 아닌 현실의 영역으로 들어왔습니다. 우리는 이제 생명이 무엇인지에 대한 근본적인 질문을 던지며, 유전 정보를 자유롭게 편집할 수 있는 '유전체 교정'이라는 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 이러한 변화를 가능하게 만든 핵심 기술로는 합성 생물학, 유전자 가위, 그리고 줄기세포 기술을 꼽을 수 있습니다. 인류는 과거 정착 생활을 시작한 이래 교배를 통해 동식물을 변형해 왔으나, 1970년대 DNA 재조합 기술의 등장은 종의 경계를 넘어 인위적으로 유전 정보를 교환하는 혁명을 일으켰습니다. 21세기 들어 인간 유전체 계획이 완료되면서 우리는 생명체의 설계도를 읽어내는 수준을 넘어, 원하는 기능을 수행하는 생명체나 모듈을 인위적으로 조합하고 재구성하려는 시도를 본격화하고 있습니다. 합성 생물학은 생명 현상을 순수 학문의 대상이 아닌 공학적인 관점에서 접근합니다. DNA를 소프트웨어로, 단백질을 하드웨어로 간주하며 생명체를 특정 목적을 수행하는 효율적인 공장이나 기계로 인식하는 것입니다. 이를 위해 유전자 부품의 표준화와 조립 과정의 자동화가 진행되고 있으며, 이는 더 다양한 생명체를 쉽게 설계하고 보급할 수 있는 기반이 됩니다. 과학자들은 '만들 수 없는 것은 이해하지 못한 것'이라는 신념 아래 생명의 작동 원리를 규명하고 인류가 직면한 식량, 의료, 환경 문제를 해결하고자 합니다. 생명과학의 도전은 기존 지구 생명체의 범주를 넘어섭니다. 과학자들은 자연계에 존재하지 않는 새로운 화합물로 작동하는 생명체를 디자인하여 통제 가능성을 높이거나, NASA의 테라포밍 프로젝트처럼 외계 행성 환경에 적합한 생태계를 조성하려는 꿈을 꾸고 있습니다. 이미 2010년에는 화학적으로 합성된 유전자로 작동하는 세균이 탄생했으며, 최근에는 효모의 복잡한 염색체를 단순화하여 통합하는 실험에도 성공했습니다. 이는 우리가 유전 정보를 읽는 단계를 지나 직접 써 내려가는 '라이트(Write)' 단계에 도달했음을 의미합니다. 하지만 이러한 기술적 진보는 유토피아만을 약속하지 않습니다. 합성 생물학은 진입 장벽이 낮아 누구나 쉽게 접근할 수 있는 만큼, 생물 무기 제조와 같은 위험한 목적으로 악용될 소지가 다분한 양날의 칼과 같습니다. 유전자 가위 기술의 대중화는 생명체 디자인의 속도를 더욱 가속화하고 있으며, 이는 우리에게 무거운 윤리적 책임을 요구합니다. 시인 예이츠가 말했듯 꿈에서 책임이 시작된다면, 생명을 설계하려는 인간의 꿈 역시 그에 걸맞은 깊은 성찰과 사회적 합의가 동반되어야 할 것입니다.

송기원

카오스재단읽다과학

생명과학

[강연] 질병 진단, 치매 치료를 하는 인공지능? 바이오메디컬 인공지능! _ by신현정 ㅣ 2020 가을 카오스강연 'Ai X' 8강 | 8강

인공지능 기술이 의료 분야와 결합하면서 인류의 건강한 삶을 향한 새로운 지평이 열리고 있습니다. 의료 인공지능은 단순히 기술적인 진보를 넘어, 우리가 아직 완전히 이해하지 못한 생명체의 신비를 풀어낼 무한한 가능성을 지닌 블루오션으로 평가받습니다. 특히 방대한 의료 데이터로부터 유의미한 정보를 추출하여 질병을 예측하고 진단하는 과정은 현대 의학의 패러다임을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 이러한 변화는 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 치료를 제공하는 정밀 의료의 시대를 앞당기고 있습니다. 의료 현장에서 발생하는 데이터의 약 80%는 영상 이미지입니다. CT, MRI, PET와 같은 의료 영상 데이터는 매년 기하급수적으로 증가하여 이제는 엑사바이트(EB) 단위를 논할 정도로 방대해졌습니다. 합성곱 신경망(CNN)과 같은 딥러닝 기술은 이러한 거대 데이터를 학습하여 암 조직을 식별하거나 병변을 찾아내는 데 탁월한 성능을 보입니다. 인간의 시각적 한계를 보완하는 인공지능의 분석 능력은 진단의 정확도를 높이는 핵심적인 역할을 수행하며 의료 현장의 효율성을 극대화하고 있습니다. 흥미로운 실험에 따르면, 반복적인 학습을 거친 비둘기도 암 조직의 패턴을 파악하여 높은 정확도로 양성과 악성을 구분해낼 수 있습니다. 이는 복잡한 의료 데이터 분석의 핵심이 결국 정교한 패턴 인식에 있음을 시사합니다. 기계 학습에서는 여러 알고리즘의 판단을 모아 성능을 극대화하는 앙상블 러닝 기법을 활용합니다. 인공지능은 지치지 않는 학습 능력을 바탕으로 인간 전문가의 판단을 보조하며 의료 서비스의 질을 획기적으로 개선하고 있으며, 이는 데이터 기반 의학의 새로운 가능성을 보여줍니다. 의료 분야의 인공지능은 이미지 분석을 넘어 텍스트와 음성 데이터로 영역을 넓히고 있습니다. 수천만 건의 의학 논문과 임상 기록을 학습한 인공지능은 의사에게 최적의 치료법을 제안하며, 가상 간호사 아바타는 환자와 소통하며 건강 상태를 실시간으로 관리합니다. 순환 신경망(RNN) 기술을 기반으로 한 음성 인식과 자연어 처리 능력은 의료 상담의 문턱을 낮추고 있습니다. 이러한 기술적 결합은 시공간의 제약 없는 의료 서비스를 가능하게 하며, 환자와 의료진 사이의 가교 역할을 충실히 수행합니다. 생명 과학 분야에서는 유전체, 전사체, 단백질체 등 다양한 오믹스 데이터를 통합 분석하는 멀티 오믹스 연구가 활발합니다. 이를 '바이오 피라미드' 구조로 체계화하면 유전자와 질병 사이의 복잡한 상관관계를 네트워크 관점에서 파악할 수 있습니다. 특정 노드에 연결이 집중되는 척도 없는 네트워크 이론을 적용하면 질병을 유발하는 핵심 유전자를 보다 효율적으로 찾아낼 수 있습니다. 이는 복잡한 생명 현상을 시스템적으로 이해하려는 시도의 정점이라 할 수 있으며, 질병의 근본 원인을 규명하는 데 기여합니다. 치매와 같은 난치성 질환의 치료제를 개발하기 위해 인공지능은 표적 유전자를 탐색하는 데 결정적인 기여를 합니다. 수만 개의 유전자와 수억 개의 단일 염기 다형성(SNP) 정보를 분석하여 질병과의 연관성을 수치화하는 과정은 기계 학습 없이는 불가능한 영역입니다. 또한 인공지능은 기존 약물의 새로운 효능을 발견하는 약물 재창출 분야에서도 두각을 나타내고 있습니다. 막대한 비용과 시간이 소요되는 신약 개발 과정을 단축함으로써 인류의 난제 해결에 다가서고 있으며, 이는 환자들에게 새로운 희망이 되고 있습니다. 진정한 의미의 정밀 의료를 실현하기 위해서는 파편화된 의료 데이터를 표준화하고 안전하게 공유하는 체계가 필수적입니다. 오디세이(OHDSI)와 같은 국제적인 데이터 표준화 노력은 인공지능이 더 양질의 데이터를 학습할 수 있는 토대를 마련해 줍니다. 동시에 개인정보 보호를 위한 기술적 장치를 마련하여 환자의 데이터 주권을 보장하는 것이 중요합니다. 기술과 윤리가 조화를 이룰 때, 인공지능은 인류의 건강한 미래를 보장하는 가장 강력한 도구가 될 것이며, 우리는 이를 통해 질병 없는 세상을 꿈꿀 수 있습니다.

신현정

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

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

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

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

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

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

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[코로나 인터뷰] 석차옥 _단백질 구조 연구가 중요한 이유

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

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[COVID-19_talk_2] The probability for the virus to have been artificially made in Wuhan? _Jong Bhak | 2강

게놈은 생명체의 모든 유전 정보를 담고 있는 설계도와 같습니다. 인간의 정보가 0과 1로 이루어진 디지털 신호라면, 생물학적 정보는 A, T, G, C라는 네 가지 화학 신호의 조합으로 구성됩니다. 코로나바이러스는 이 중 RNA 형태의 게놈을 가진 바이러스로, 특히 단일 가닥의 양성 가닥 구조를 띠고 있습니다. 이러한 구조적 특징 덕분에 바이러스는 인간 세포에 침투하자마자 별도의 변환 과정 없이 즉각적으로 단백질을 생성하며 빠르게 복제와 감염을 진행할 수 있는 강력한 효율성을 갖추게 됩니다. 바이러스의 게놈을 해독하는 것은 감염병 대응의 가장 핵심적인 단계입니다. 게놈 서열을 분석하면 해당 바이러스가 어떤 종인지 명확히 동정할 수 있을 뿐만 아니라, 변이의 흐름을 파악하여 미래의 재발 가능성을 컴퓨터로 예측할 수 있습니다. 특히 백신과 치료제 개발에 있어 게놈 정보는 필수적입니다. 어떤 단백질 부위를 타깃으로 삼아야 효과가 좋을지, 진단 키트를 제작할 때 어떤 서열을 탐지해야 효율적일지를 모두 계산할 수 있기 때문입니다. 즉, 게놈은 현대 방역의 정밀한 지도 역할을 수행합니다. 코로나19 바이러스는 에이즈나 일반 감기 바이러스에 비해 상대적으로 게놈 크기가 크고 구조적으로 안정적인 편에 속합니다. 하지만 이 안정적인 바이러스가 인간에게 치명적인 위협이 된 배경에는 '게놈 재조합'이라는 사건이 있었습니다. 박쥐와 천산갑 등 서로 다른 종에 기생하던 바이러스들이 특정 환경에서 유전 정보를 교환하며 새로운 잡종 바이러스를 만들어낸 것입니다. 이렇게 탄생한 변종은 인간 세포의 수용체에 기존보다 훨씬 강력하게 결합하는 능력을 갖추게 되었고, 이것이 대유행의 시발점이 되었습니다. 바이러스가 질병을 일으키기 위해서는 인간의 게놈과 상호작용하는 과정이 필요합니다. 인간 세포 표면의 ACE2와 같은 수용체 단백질이 바이러스와 결합할 때, 인종이나 민족마다 가진 유전적 특성에 따라 감염률이나 치사율에 차이가 발생할 수 있습니다. 실제로 유럽인과 아시아인 사이에는 유전적인 저항성 차이가 존재한다는 연구 결과도 있습니다. 그러나 유전적 요인보다 더 중요한 것은 사회적 방역 시스템입니다. 개인의 유전자가 아무리 우수하더라도 마스크 착용이나 거리두기 같은 사회적 노력이 동반되지 않으면 감염을 막기 어렵습니다. 인간의 게놈을 분석하면 바이러스의 족보를 찾듯 우리 민족의 기원도 추적할 수 있습니다. 한국인의 게놈은 수만 년에 걸친 복잡한 혼혈의 역사를 담고 있습니다. 약 4만 년 전 아시아 대륙으로 이동해 온 초기 인류의 흔적부터, 남방계와 북방계 인류가 한반도에서 만나 섞이며 형성된 거대한 네트워크의 결과물입니다. 바이러스가 재조합을 통해 다양성을 확보하듯, 인류 역시 끊임없는 이동과 혼합을 통해 현재의 유전적 구성을 갖추게 되었습니다. 이러한 다양성은 역설적으로 새로운 환경과 질병에 적응하는 힘이 되기도 합니다. 우리는 흔히 바이러스를 박멸해야 할 적으로 간주하지만, 생물학적 관점에서 인간과 바이러스는 떼려야 뗄 수 없는 공생 관계입니다. 놀랍게도 인간 게놈의 상당 부분은 과거에 침투했던 바이러스로부터 유래한 흔적들로 채워져 있습니다. 인류는 수억 년 동안 바이러스와 유전 정보를 주고받으며 진화해 온 존재라고도 볼 수 있습니다. 바이러스는 숙주를 모두 죽이면 자신도 번식할 수 없기에, 시간이 흐를수록 독성은 약해지고 전파력은 유지되는 방향으로 순화되며 결국 우리 곁의 풍토병으로 자리 잡게 됩니다. 이번 팬데믹은 자연재해라기보다 초기 방역과 국제적 협력의 실패가 불러온 인재에 가깝습니다. 바이러스는 정치적 국경이나 사상을 가리지 않지만, 인류는 정보 공유와 과학적 소통 대신 봉쇄와 비난을 선택하며 위기를 키웠습니다. 앞으로 다가올 새로운 감염병에 대비하기 위해서는 바이러스를 단순히 공포의 대상으로 보지 말고, 철저한 게놈 분석과 보안 기술을 통해 관리 가능한 영역으로 끌어들여야 합니다. 바이러스와의 공존은 피할 수 없는 숙명이기에, 과학적 합리성을 바탕으로 한 체계적인 대응만이 인류의 지속 가능한 미래를 보장할 것입니다.

박종화

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학

[석학인터뷰] 훌륭한 과학자가 되기 위해 필요한 것? _팀 헌트 2001년 노벨생리의학상

과학적 발견의 여정에서 운은 결코 무시할 수 없는 요소입니다. 많은 노벨상 수상자들은 자신들이 뛰어난 실력을 갖춘 것 이상으로 운이 좋았다고 고백하곤 합니다. 수많은 과학자가 연구에 매진하지만, 오직 소수만이 역사적인 발견의 순간을 마주하게 되기 때문입니다. 하지만 단순히 운에만 의존하는 것은 아닙니다. 우연히 찾아온 기회를 포착하고 그것이 지닌 진정한 가치를 알아보는 통찰력이 결합될 때 비로소 위대한 성취가 완성됩니다. 이러한 운과 통찰력의 조화는 과학의 역사에서 반복되는 중요한 주제입니다. 세포 분열 과정에서 특정 단백질이 사라졌다가 다시 나타나는 현상을 목격했을 때, 이는 단순한 실험적 오류로 치부될 수도 있었습니다. 그러나 철저하게 통제된 실험 환경 덕분에 이 현상이 세포 주기와 밀접한 관련이 있다는 확신을 가질 수 있었습니다. 당시 주변에서는 이러한 주장을 회의적으로 바라보기도 했지만, 내면의 확신을 믿고 연구를 지속하는 용기가 필요했습니다. 보이지 않는 질서를 찾아내려는 집요함이 결국 생명의 신비를 푸는 열쇠가 되었으며, 이는 과학적 탐구의 본질을 잘 보여줍니다. 성공적인 과학자의 길을 걷기 위해서는 일에 대한 열정뿐만 아니라 유쾌한 마음가짐이 필수적입니다. 연구는 때로 고되고 지루한 과정의 연속일 수 있지만, 그 안에서 즐거움을 찾는 태도가 창의성의 원천이 됩니다. 젊은 연구자들에게 강조하고 싶은 점은 이상을 높게 가지되 현실에 충실해야 한다는 것입니다. 지평선을 바라보는 넓은 시야와 땅을 딛고 묵묵히 나아가는 성실함이 조화를 이룰 때, 과학적 탐구는 비로소 지속 가능한 힘을 얻게 됩니다. 즐거움이 동반된 노력은 그 어떤 의무감보다 강력한 결과를 만들어냅니다. 현대 과학은 과거에 비해 비약적으로 발전했지만, 지나친 전문화로 인해 학문의 전체적인 흐름을 놓치기 쉬운 환경이 되었습니다. 특정 분야에만 매몰되면 자신의 연구가 뇌의 작용이나 생명의 본질과 같은 근본적인 원리에 어떻게 기여하는지 파악하기 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 교육은 매우 중요한 역할을 합니다. 교육은 우리에게 사물을 바라보는 폭넓은 시야를 제공하며, 배움 자체가 얼마나 즐거운 일인지 다시금 깨닫게 해주는 소중한 통로가 됩니다. 폭넓은 지식은 새로운 발견을 위한 든든한 토대가 되어줍니다. 위대한 과학자들의 공통점은 복잡한 현상 이면에 숨겨진 단순함을 찾아내려 노력했다는 점입니다. 자연은 겉보기에 매우 모호하고 복잡해 보이지만, 그 근간에는 명확하고 단순한 원리가 자리 잡고 있습니다. 아무리 복잡한 시스템이라도 그 안의 핵심적인 질서를 발견하는 것이 과학의 본질입니다. 비록 그 단순함을 찾아내는 과정은 험난하고 고통스러울지라도, 명확한 이해를 향한 갈망은 과학자들을 끊임없이 움직이게 만드는 가장 강력한 동력이 됩니다. 단순함 속에 깃든 진리를 찾는 여정은 과학이 선사하는 최고의 매력입니다.

Sir Tim Hunt(팀 헌트 경)

카오스재단석학인터뷰

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

[노벨상 강연] 윌리엄 케일린_ 2019 노벨상 수상자｜카오스재단 x 고등과학원 '2019 노벨상 해설 강연' | 3강

윌리엄 케일린 교수는 임상 의사로 수련을 받던 중 유전적 결함으로 발생하는 암에 깊은 관심을 갖게 되었습니다. 특히 그는 폰 히펠-린다우 병(VHL)이라는 희귀 질환에 주목했습니다. 이 질환은 뇌나 망막, 척수 등에 비정상적인 혈관 형성을 특징으로 하는 종양을 유발하며, 신장암의 주된 원인이 되기도 합니다. 약 3만 명 중 한 명꼴로 발생하는 이 질환은 단순한 희귀병을 넘어, 우리 몸이 암에 걸리는 근본적인 기전을 이해하는 중요한 출발점이 되었습니다. 우리 몸의 설계도인 DNA는 단백질을 만드는 청사진 역할을 합니다. VHL 유전자에 변이가 생기면 이 청사진에 잘못된 지시가 담기게 되고, 결과적으로 비정상적인 단백질이 생성됩니다. 30억 개의 염기 중 단 하나만 잘못되어도 단백질의 기능에 치명적인 문제가 생길 수 있으며, 이는 환자에게 생과 사를 가르는 중대한 사안이 됩니다. 이러한 유전적 변이는 암 발생 위험을 비약적으로 높이며 세포의 정상적인 제어 기능을 마비시키게 됩니다. VHL 환자의 종양은 신생 혈관 형성이 매우 활발하여 마치 혈관 덩어리처럼 보이는 특징이 있습니다. 또한 신체가 너무 많은 적혈구를 생성하게 만드는 독특한 현상을 동반하기도 합니다. 이는 세포가 충분한 산소를 공급받고 있음에도 불구하고, 산소가 부족하다고 착각하여 계속해서 산소 부족 신호를 보내기 때문입니다. 연구자들은 이 과정에서 혈관 내피 성장 인자(VEGF)와 에리스로포이에틴 호르몬이 과도하게 만들어진다는 사실을 발견했습니다. 산소 감지의 핵심은 저산소 유도 인자(HIF)와 VHL 단백질의 상호작용에 있습니다. 산소가 충분할 때 VHL 단백질은 저산소 유도 인자(HIF)를 포착하여 파괴하는 역할을 하지만, 산소가 부족하면 이 과정이 중단되어 HIF가 축적됩니다. 축적된 HIF는 혈관을 더 만들라는 지시를 내리게 됩니다. 만약 VHL 유전자에 결함이 생기면 산소 농도와 상관없이 HIF가 계속 쌓이게 되어, 암세포가 멈추지 않고 성장할 수 있는 환경이 조성되는 것입니다. 과학자들은 저산소 유도 인자(HIF)의 특정 아미노산에 산소 원자가 붙는 과정을 규명함으로써 새로운 치료의 길을 열었습니다. 이 메커니즘을 조절하는 억제제는 빈혈 환자의 적혈구 생성을 돕거나, 심장마비 및 뇌졸중 환자의 산소 공급 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다. 실제로 신장암 치료를 위해 비정상적인 신호를 차단하는 약물들이 개발되어 승인을 받았으며, 이는 다양한 고형암 치료에 있어 새로운 전기를 마련할 것으로 기대되고 있습니다. 윌리엄 케일린 교수는 과학 연구에 있어 논리적인 사고 체계와 좋은 질문의 중요성을 강조합니다. 그는 실패를 일상적인 과정으로 받아들이며, 예상치 못한 결과에서 새로운 배움을 얻는 창의적인 태도가 필요하다고 말합니다. 단순히 알려진 지식을 습득하는 것을 넘어, 자연의 섭리를 밝혀내기 위해 끈질기게 질문을 던지는 과정이 과학의 본질입니다. 이러한 탐구의 즐거움을 느끼며 스스로에게 엄격하게 임할 때 위대한 발견이 뒤따르게 됩니다. 미래의 과학자들에게 노벨상이라는 결과보다 연구 과정 자체를 사랑할 것을 권합니다. 과학적 발견은 인류의 삶을 개선하는 강력한 힘을 지니고 있지만, 동시에 유전자 편집 기술과 같은 첨단 기술에 대해서는 엄격한 윤리적 책임감이 요구됩니다. 과학자는 자신이 답할 수 없는 영역에 대해 솔직하게 인정하는 합리성을 갖추어야 하며, 끊임없이 변화하는 기술 속에서도 본질적인 기전을 이해하려는 노력을 멈추지 말아야 인류의 발전에 기여할 수 있습니다.

William G. Kaelin Jr(윌리엄 케일린)

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[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

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

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

석차옥, 이주용

카오스재단카오스강연

화학

[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

[카오스 술술과학] 스타킹 화학?

양초와 비닐봉투가 본질적으로 같은 성분이라는 사실은 매우 흥미롭습니다. 이들의 공통점은 탄소와 수소로만 이루어진 탄화수소 분자라는 점입니다. 탄소 원자들은 서로 사슬처럼 길게 이어질 수 있는 독특한 성질을 가지고 있는데, 이 사슬이 얼마나 길게 연결되느냐에 따라 물질의 크기가 결정됩니다. 분자의 기본 구성물은 동일할지라도, 탄소 사슬의 길이에 따른 크기의 차이는 단순히 부피의 변화를 넘어 물질의 물리적 성질을 근본적으로 바꾸는 핵심적인 요인이 됩니다. 분자의 크기가 커지면 분자 간에 작용하는 인력도 함께 강해집니다. 탄소 수가 적을 때는 인력이 약해 기체 상태로 존재하지만, 탄소 수가 늘어날수록 분자들이 서로 강하게 끌어당기며 액체나 고체로 상태가 변화합니다. 예를 들어 탄소가 4개 이하면 기체, 18개 정도면 식용유 같은 액체, 그 이상이면 양초나 비닐봉투 같은 고체가 됩니다. 결국 분자의 크기가 성질을 결정하는 셈이며, 과학계에서는 이렇게 거대한 분자를 '고분자'라고 정의하여 일반적인 분자와 구분합니다. 플라스틱은 우리 일상에서 가장 흔히 볼 수 있는 고분자 물질의 대표적인 예시입니다. 가볍고 질기며 쉽게 부패하지 않는 장점 덕분에 현대 문명의 필수 요소가 되었습니다. 고분자는 인공적인 물질에만 국한되지 않습니다. 우리 몸을 구성하는 단백질, 탄수화물, 그리고 유전 정보를 담은 DNA 역시 자연이 만든 정교한 고분자입니다. 이처럼 고분자는 생명 현상의 근간이자 우리 주변의 거의 모든 사물을 이루는 기초 재료로서 현대 과학과 일상에서 결코 떼어놓을 수 없는 존재입니다. 과거에는 분자량이 1,000이 넘는 고분자를 인간이 만드는 것은 불가능하다고 여겨졌습니다. 하지만 1920년대 독일의 화학자 슈타우딩거는 작은 단위체들이 공유 결합을 통해 사슬처럼 길게 연결되어 고분자를 형성할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 당시 학계는 이를 코끼리를 본 적 없는 사람에게 코끼리의 존재를 설명하는 것처럼 허황되게 느꼈지만, 그의 통찰은 옳았습니다. 이 가설은 훗날 DNA 구조 발견의 마중물이 되었으며, 화학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓는 계기가 되었습니다. 슈타우딩거의 이론을 실험적으로 증명한 인물은 미국의 화학자 캐러더스입니다. 그는 1935년 거미줄보다 가늘고 강철보다 강한 최초의 합성 고분자 섬유인 나일론을 합성하는 데 성공했습니다. 나일론 스타킹의 폭발적인 인기를 시작으로 인류는 자연에 없던 새로운 물질들을 창조하기 시작했습니다. 이제 우리는 스마트폰의 매끄러운 표면부터 첨단 소재에 이르기까지 고분자가 없는 세상을 상상할 수 없게 되었습니다. 고분자 과학은 기적의 물질인 플라스틱 시대를 열며 우리 삶을 풍요롭게 만들었습니다.

카오스재단술술과학

화학

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

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

카오스재단술술과학

화학

[카오스 술술과학] 분자는 얼마나 작을까?

분자는 물질의 고유한 특성을 유지하는 가장 작은 단위입니다. 예를 들어 물 분자인 H2O를 더 쪼개면 수소와 산소가 되어 물의 성질을 잃게 됩니다. 분자의 세계는 매우 다양하여, 수소처럼 아주 작은 것부터 헤모글로빈처럼 원자가 만 개나 포함된 거대한 고분자까지 존재합니다. 특히 고분자는 단백질이나 DNA 같은 생체 분자뿐만 아니라 인간이 발명한 나일론, 플라스틱, 합성 고무 등 우리 주변의 수많은 물질을 구성하며 현대 문명의 기초가 되고 있습니다. 일반적인 분자는 10의 -9승 미터 단위인 나노 세계에 속해 있어 육안으로는 도저히 가늠할 수 없을 만큼 작습니다. 가장 흔한 물 분자의 크기는 약 4 옹스트롬에 불과한데, 이는 우리가 일상에서 접하는 그 어떤 물체보다도 미세한 수준입니다. 이처럼 극도로 작은 입자들이 모여 거대한 물질을 이룬다는 사실은 경이롭기까지 합니다. 분자의 크기를 실감하기 위해서는 단순히 수치를 나열하는 것보다 우리가 익히 알고 있는 거시적인 대상들과 비교해 보는 과정이 반드시 필요합니다. 물 한 컵에 담긴 분자의 수를 상상해 보면 그 미세함을 실감할 수 있습니다. 물 분자를 3억 배 확대하면 테니스공 크기가 되는데, 같은 비율로 테니스공을 확대하면 지구 크기가 됩니다. 즉, 테니스공 표면에 놓인 물 분자 하나는 지구 표면에 놓인 테니스공 하나와 같은 비중인 셈입니다. 또한 70억 인구가 매초 5개씩 분자를 센다 해도 물 한 컵 분량을 다 세는 데 1억 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 보이지 않는 작은 단위들이 모여 우리 삶의 모든 화학적 현상을 만들어냅니다.

카오스재단술술과학

화학

[석학인터뷰] 석차옥_ 계산화학의 확실한 정보로 미래의학을 앞당긴다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

현대 과학 연구에서 학문 간의 경계는 점차 희미해지고 있습니다. 물리학으로 시작해 화학과 계산 생물학을 아우르는 연구 여정은 특정 학문의 경계에 갇히지 않는 유연한 사고의 중요성을 보여줍니다. 하나의 문제를 해결하기 위해 몰입하다 보면 그것이 물리인지 화학인지 구분하는 것은 더 이상 중요하지 않게 됩니다. 이러한 융합적 태도는 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조망하고, 기존의 방식으로는 풀기 어려웠던 난제들에 접근하는 새로운 열쇠가 됩니다. 과학자라는 정체성은 단순히 전공에 국한되는 것이 아니라, 진리를 탐구하는 과정 그 자체에서 정의되어야 합니다. 계산 생물학은 생체 분자를 연구 대상으로 삼는 이론 화학의 한 분야로, 실험만으로는 파악하기 힘든 생체 분자의 구조와 기능을 컴퓨터를 통해 예측하고 설계합니다. 이는 미래 의학의 패러다임을 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 개인의 유전 정보와 의료 빅데이터에 분자 기반의 정밀한 계산 화학적 방법론이 더해진다면, 통계적 오차를 줄인 확실한 정보를 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 신약 개발과 정밀 진단을 가능하게 하여 인류의 건강 증진에 획기적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 화학은 인류의 삶을 풍요롭게 만들고 수명을 연장하는 데 기여해 왔지만, 동시에 환경 파괴와 에너지 고갈이라는 숙제를 남겼습니다. 이제 화학의 가장 큰 미스터리는 '화학이 만든 문제를 화학이 스스로 해결할 수 있는가'에 달려 있습니다. 우리 몸속에서 일어나는 모든 현상은 본질적으로 화학적 반응이며, 이를 인공지능과 컴퓨터 기술로 깊이 있게 이해하려는 노력이 필요합니다. 첨단 기술을 접목한 화학의 발전은 단순히 지식의 확장을 넘어, 지속 가능한 미래를 설계하고 인류가 직면한 위기를 극복하는 강력한 도구가 될 것입니다.

석차옥

카오스재단카오스강연

화학

[카오스 술술과학] 화학의 수수께끼, CheMystery

우리가 흔히 접하는 화학이라는 학문의 이름 속에는 세상의 이치를 관통하는 깊은 의미가 담겨 있습니다. 많은 이들이 화학을 그림이나 불과 관련된 학문으로 오해하곤 하지만, 한자 '화(化)' 자를 자세히 들여다보면 그 본질을 명확히 알 수 있습니다. 이 글자는 본래 변화를 뜻하며, 영어 단어인 'Chemistry'의 어원인 'Chem' 역시 변화라는 의미를 내포하고 있습니다. 마치 풀이 자라나 아름다운 꽃으로 피어나는 신비로운 과정처럼, 화학은 세상의 모든 존재가 겪는 근본적인 변화를 탐구하고 그 원리를 밝혀내는 학문이라 할 수 있습니다. 화학은 단순히 변화만을 다루는 데 그치지 않고, 서로 다른 존재들이 어우러지는 합성의 과정을 깊이 있게 연구합니다. 현재까지 발견된 118가지 원소는 주기율표라는 정교한 질서 속에서 수천만 종의 분자를 만들어내며, 이것들이 다시 조화롭게 섞여 우리가 살아가는 거대한 세상을 구성합니다. 일상에서 흔히 사용하는 '케미'라는 표현이 사람 사이의 친화력을 뜻하는 것처럼, 화학의 어원에는 '섞다'라는 의미가 포함되어 있습니다. 즉, 화학은 원소들이 만나 새로운 물질을 탄생시키는 합성의 미학을 보여주는 학문인 셈입니다. 현대 화학의 영역은 에너지와 엔트로피 같은 물리적 법칙부터 생명 현상의 근원인 단백질과 생체막에 이르기까지 매우 방대하게 뻗어 있습니다. 원자가 결합하여 분자가 되는 과정은 마치 전자와 양성자가 추는 우아한 왈츠와 같으며, 분자의 3차원 구조 속에 숨겨진 기능적 아름다움은 나노과학과 분자공학의 튼튼한 토대가 됩니다. 또한 우리가 일상에서 느끼는 맛과 냄새 같은 감각의 영역조차도 결국은 분자 수준에서 일어나는 화학적 상호작용의 결과입니다. 이처럼 화학은 만물의 근원을 이해하고 미래의 새로운 가능성을 열어주는 소중한 열쇠입니다.

카오스재단술술과학

화학

[강연] DNA : 생명체 번식과 다양성의 열쇠 (3) _ 조윤제 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 2강 | 2강 ③

생명 현상을 이해하기 위해 가장 먼저 접하는 개념은 염색체, DNA, 유전자입니다. DNA는 인산, 당, 염기로 구성된 매우 긴 실과 같은 분자로, 우리 몸의 모든 유전 정보를 담고 있습니다. 이 거대한 정보 뭉치가 세포 분열 시 엉키지 않고 정확히 전달되기 위해 고도로 응축된 형태가 바로 염색체입니다. 유전자는 이 긴 DNA 가닥 중에서 단백질을 만드는 실질적인 정보를 담고 있는 특정 부위를 일컫습니다. 인간의 경우 약 2만 개의 유전자가 46개의 염색체 속에 정교하게 패키징되어 생명의 설계도 역할을 수행하며, 이는 우주선보다도 정밀한 고도의 구조를 이룹니다. DNA가 유전 정보를 저장하는 주역으로 선택된 이유는 화학적 안정성 때문입니다. RNA는 당의 구조상 반응성이 강한 산소 분자를 가지고 있어 상대적으로 불안정하지만, DNA는 이 부분이 수소로 대체되어 훨씬 견고합니다. 또한 DNA는 타이민이라는 염기를 사용하여 사이토신이 변형되어 생기는 오류를 쉽게 찾아내 복구할 수 있는 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 구조적 특징 덕분에 DNA는 수 세대에 걸쳐 유전 정보를 안전하게 보존하고 전달하는 데 최적화된 물질로 진화해 왔으며, 두 가닥의 나선 구조를 통해 손상 시에도 반대편 가닥을 참조하여 스스로를 치유하는 놀라운 복구 능력을 보여줍니다. 흥미로운 점은 인간의 복잡성이 단순히 유전자 개수에 비례하지 않는다는 사실입니다. 인간의 유전자는 약 2만 개로, 효모의 3배, 초파리의 2배 수준에 불과합니다. 게다가 전체 DNA 중 단백질을 코딩하는 부위는 단 1%에 그치며, 나머지 99%는 단백질을 직접 만들지 않는 비부호화 영역입니다. 과거에는 이를 쓸모없는 부분으로 여겼으나, 최근 연구를 통해 이 영역이 유전자 발현을 조절하고 세포 내 대사를 정교하게 통제하는 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 생명의 신비는 단순한 개수가 아닌, 이들의 복잡한 상호작용과 조절 시스템 속에 숨어 있습니다. 분자생물학의 근간을 이루는 '센트럴 도그마'는 유전 정보가 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐른다는 중심 원리입니다. 프란시스 크릭이 제안한 이 이론은 생명 현상이 어떻게 발현되는지를 설명하는 가장 강력한 틀이 되었습니다. DNA에 저장된 정보는 전사 과정을 통해 mRNA로 복사되고, 이는 다시 번역 과정을 거쳐 생명 활동의 실질적인 일꾼인 단백질을 만들어냅니다. 비록 이후 역전사 효소의 발견으로 정보가 거꾸로 흐르는 예외가 확인되기도 했지만, 이 일방향적인 정보의 흐름은 여전히 지구상 대부분의 생명체를 지배하는 보편적인 법칙으로 인정받고 있습니다. 과학의 역사는 기존의 확고한 믿음이 새로운 발견을 통해 수정되는 과정의 연속입니다. 센트럴 도그마 역시 RNA에서 DNA가 만들어지는 역전사 현상이 발견되면서 보완되었습니다. 이는 과학적 이론이 고정불변의 진리가 아니라, 새로운 증거를 통해 끊임끊이 정교해지는 유연한 체계임을 보여줍니다. 이러한 발견은 바이러스 연구나 유전 공학 발전에 획기적인 전기를 마련했으며, 우리가 생명을 바라보는 관점을 더욱 넓혀주었습니다. 예외를 인정하고 이를 통합해 나가는 과정이야말로 생명 과학이 진보하는 핵심적인 동력이며, 이론과 실험 데이터 사이의 간극을 메우는 탁월한 해석의 결과물이라 할 수 있습니다. 최근 주목받는 후성 유전학은 유전자가 환경과 어떻게 상호작용하는지를 명확히 보여줍니다. 유전자의 염기 서열 자체가 변하지 않더라도, 외부 환경이나 스트레스에 의해 DNA를 감싸는 히스톤 단백질 등에 화학적 변형이 일어나면 유전자 발현 양상이 완전히 달라질 수 있습니다. 이는 타고난 유전 정보만큼이나 개체가 처한 환경과 노력이 생명 현상에 큰 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 화학적 자극이나 영양 상태, 심지어 심리적 스트레스까지도 세포 수준의 신호로 변환되어 유전자의 스위치를 켜고 끄는 정교한 조절 기작에 참여하게 되며, 이러한 변화는 때로 다음 세대까지 전달되기도 합니다. 결론적으로 생명은 고정된 설계도인 유전자와 가변적인 환경의 끊임없는 대화 속에서 완성됩니다. 본성과 양육이라는 오래된 논쟁은 이제 유전자와 후성 유전적 조절이라는 과학적 언어로 통합되고 있습니다. 우리는 부모로부터 물려받은 유전적 자산을 바탕으로 하되, 적절한 환경 조성과 노력을 통해 그 발현 양상을 긍정적으로 변화시킬 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. 생명 과학의 발전은 단순히 질병을 치료하는 기술을 넘어, 우리가 자신과 주변 환경을 어떻게 가꾸어 나가야 하는지에 대한 깊은 통찰을 제공합니다. 결국 생명은 주어진 운명에 머물지 않고 환경에 적응하며 진화하는 역동적인 시스템입니다.

강석현, 이현숙, 조윤제

카오스재단카오스강연

생명과학

[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] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (2) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ②

우리 몸속에는 24시간 주기로 작동하는 정교한 생체 시계가 존재합니다. 이 시계의 핵심은 Period 단백질의 농도가 일정하게 오르내리는 진동 현상에 있습니다. 생물학적으로 이는 음성 피드백 루프라는 과정을 통해 조절됩니다. 특정 단백질이 유전자를 활성화해 Period 단백질을 만들면, 생성된 Period 단백질이 다시 자신의 생산을 억제하며 농도를 낮추는 방식입니다. 이러한 끊임없는 순환은 우리가 태어날 때부터 죽을 때까지 지속되며 몸 전체에 지금이 몇 시인지, 어떤 일을 해야 하는지에 대한 시간 정보를 전달하는 중요한 역할을 수행합니다. 세포 내에는 수많은 음성 피드백 루프가 존재하지만, 모든 루프가 주기적인 진동을 만들어내는 것은 아닙니다. 수학적 관점에서 이 문제를 해결하기 위해 미분방정식을 세워 분석해 보면, 진동이 발생하기 위한 특정한 조건이 필요함을 알 수 있습니다. 연구 결과, 특정 물질들 사이의 비율이 대략 1:1의 균형을 이룰 때 비로소 아름다운 리듬이 형성된다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 생체 시계가 단순히 구조적 연결만으로 작동하는 것이 아니라, 구성 요소들 사이의 정교한 양적 균형 위에서 유지되고 있음을 시사합니다. 수학적 모델로 도출한 가설을 검증하기 위해 유전자 조작 쥐를 이용한 실험이 진행되었습니다. 약물을 통해 특정 단백질의 양을 조절하며 관찰한 결과, 수학적으로 예측했던 1:1의 비율이 깨지는 순간 쥐의 행동 패턴은 급격히 무너졌습니다. 규칙적으로 자고 깨던 쥐들이 무작위로 활동하기 시작하며 생체 시계가 고장 난 모습을 보인 것입니다. 이 실험은 추상적인 수학 공식이 실제 생명체의 복잡한 행동 원리를 정확하게 설명할 수 있음을 보여주는 강력한 증거가 되었으며, 수학과 생물학의 결합이 가진 힘을 증명해 냈습니다. 생체 시계의 또 다른 신비로운 특징은 온도의 변화에도 불구하고 주기가 일정하게 유지된다는 점입니다. 일반적인 화학 반응은 온도가 10도 상승할 때 반응 속도가 두세 배 빨라지지만, 생체 시계는 이러한 물리적 법칙을 거스르는 듯한 모습을 보입니다. 만약 식물이나 곤충의 시계가 온도에 따라 변한다면 계절마다 생체 리듬이 파괴될 것입니다. 과학자들은 이를 '온도 보상'이라 부르며, 외부 환경 변화 속에서도 생명체가 일정한 리듬을 유지할 수 있게 하는 숨겨진 장치를 찾기 위해 지난 60년 동안 연구를 이어왔습니다. 최근 연구에서는 Period 단백질의 분해 과정에서 기존의 상식을 깨는 독특한 현상이 발견되었습니다. 대부분의 물질은 시간이 지남에 따라 지수함수 형태로 매끄럽게 분해되지만, 이 단백질은 마치 의자 모양처럼 급격히 떨어졌다가 평탄해지는 과정을 반복하며 분해되었습니다. 이러한 기이한 분해 곡선은 기존 생물학적 지식으로는 설명하기 어려운 블랙박스와 같았습니다. 수학자들은 수백 가지의 미분방정식을 대입하는 시행착오 끝에 이 복복잡한 현상 이면에 숨겨진 원리를 밝혀내고 온도 보상의 미스터리를 풀기 위한 새로운 실마리를 찾았습니다.

김재경

카오스재단카오스강연

생명과학
수학

[강연] 이상한 나라의 바이러스 (4) _ 신의철 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 10강 | 10강 ④

바이러스는 생물과 무생물의 경계에 있는 독특한 존재입니다. 담배 모자이크 바이러스처럼 단백질 껍질로만 이루어진 경우, 소금이나 설탕처럼 결정을 이룰 수 있어 무생물처럼 보이지만 숙주를 만나면 다시 번식을 시작합니다. 반면 지질 이중층 막을 가진 바이러스는 결정화되지 않는 등 구조에 따라 특성이 다릅니다. 이러한 구조적 차이는 바이러스가 환경에서 생존하고 감염을 일으키는 방식에 결정적인 영향을 미치며, 우리가 바이러스를 이해하는 기초가 됩니다. 백신 접종 후 항체 형성 여부는 개인마다 다르게 나타납니다. 이는 면역 반응을 조절하는 단백질의 유전형이 사람마다 제각각이기 때문입니다. 장기 이식 시 조직 적합성을 맞추는 것과 유사하게, 특정 바이러스에 대한 면역 반응의 강도도 유전적 요인에 의해 결정될 수 있습니다. 때로는 항체 수치가 낮더라도 T세포가 활성화되어 면역력을 유지하는 경우도 있어, 단순한 수치 이상의 복잡한 면역 체계가 우리 몸을 보호하고 있음을 알 수 있습니다. 조류 인플루엔자와 같은 가축 전염병 방역에서 살처분은 숙주를 즉시 제거하여 확산을 막는 가장 확실한 방법입니다. 백신은 질병을 예방할 수는 있지만 바이러스를 완전히 박멸하기까지 오랜 시간이 걸리며, 이는 국제적인 청정국 지위 유지와 충돌하는 정책적 딜레마를 낳기도 합니다. 소각 방식은 환경 오염이나 화재 위험이 있어 매몰 방식을 주로 사용하지만, 이 역시 지하수 오염과 같은 환경적 숙제를 안고 있어 지속 가능한 방역 체계에 대한 고민이 필요합니다. 감기약 개발이 어려운 이유는 감기를 일으키는 바이러스의 종류가 너무나 다양하기 때문입니다. 리노바이러스 하나만 해도 백 가지가 넘는 아형이 존재하며, 이들의 항원 모양이 끊임없이 변하기 때문에 단일한 약제나 백신으로 대응하기가 매우 힘듭니다. 과학자들은 변하지 않는 바이러스의 특정 부위를 표적으로 하는 '범용 백신'을 연구하고 있지만, 이는 마치 성배를 찾는 과정처럼 험난합니다. 치명적인 질병에 연구 자원이 우선 배정되는 현실적 한계도 존재합니다. 우리 몸은 수많은 바이러스와 공존하는 '휴먼 바이롬'의 세계입니다. 대부분의 바이러스는 질병을 일으키지 않지만, 단순 포진 바이러스처럼 면역력이 약해질 때만 활동을 재개하는 경우도 있습니다. 흥미로운 점은 한 세포에 여러 바이러스가 동시에 감염되려 할 때 먼저 침투한 바이러스가 인터페론을 생성하여 다른 바이러스의 침입을 방해하는 간섭 현상이 일어난다는 것입니다. 바이러스는 인류보다 훨씬 긴 역사를 지닌 존재로, 정복의 대상이라기보다 깊은 이해와 공존의 대상입니다.

김성한, 신의철, 장준

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 이상한 나라의 바이러스 (1) _ 신의철 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 10강 | 10강 ①

바이러스는 인류의 역사와 늘 함께해 온 존재입니다. 과거 천연두나 1918년의 스페인 독감은 수많은 생명을 앗아갔으며, 현대에 이르러서도 에볼라, 메르스, 지카 바이러스 등이 인류의 생존을 위협하고 있습니다. 이러한 바이러스들은 단순한 학문적 연구 대상을 넘어 우리 삶과 밀접하게 연결되어 있으며, 때로는 전쟁보다 더 큰 파괴력을 보여주기도 합니다. 인류는 끊임없이 새로운 바이러스의 출현에 직면하며 그들과 공존하거나 극복하기 위한 사투를 벌여왔습니다. 바이러스는 일반적인 생명체와는 다른 독특한 구조를 지니고 있습니다. 대장균과 같은 세균보다 훨씬 작은 100에서 200나노미터 정도의 크기를 가지며, 정이십면체와 같은 정교한 단백질 껍질로 유전 물질을 보호합니다. 어떤 바이러스들은 숙주 세포에서 유래한 지질 이중층 막으로 자신을 감싸기도 합니다. 특히 세균에 감염되는 박테리오파지는 마치 인공적인 달 착륙선과 같은 예술적인 형태를 띠고 있어, 자연계의 신비로움을 자아내는 동시에 바이러스의 다양성을 잘 보여줍니다. 생명체의 기본 원리인 '센트럴 도그마'에 따르면 모든 생명체는 DNA를 유전 물질로 사용하지만, 바이러스는 이 규칙에서 벗어난 모습을 보입니다. DNA뿐만 아니라 RNA를 유전 물질로 사용하는 종류가 존재하며, 그 형태 또한 한 가닥이나 두 가닥, 혹은 고리 모양 등 매우 다채롭습니다. 특히 RNA를 다시 DNA로 역전사하는 레트로바이러스의 발견은 과학계에 큰 충격을 주었습니다. 이처럼 바이러스는 고정된 틀에 얽매이지 않고 다양한 방식으로 유전 정보를 전달하며 단백질을 생성합니다. 바이러스는 스스로 증식할 수 없기에 반드시 살아있는 숙주 세포의 내부로 침투해야 합니다. 이 과정은 매우 정교하게 이루어지는데, 바이러스 표면의 단백질이 숙주 세포의 특정 수용체와 열쇠와 자물쇠처럼 결합하며 시작됩니다. 세포막과 융합하거나 주사기처럼 유전자를 밀어 넣는 등 침입 방식은 다양하지만, 목적은 동일합니다. 일단 세포 안으로 들어간 바이러스는 숙주의 자원을 가로채어 자신의 유전 물질을 복제하고 필요한 단백질을 대량으로 생산하기 시작합니다. 복제된 유전 물질과 단백질들은 '자기 조립'이라는 효율적인 과정을 통해 새로운 자손 바이러스로 탄생합니다. 이는 하나하나 정교하게 쌓아 올리는 방식이 아니라, 구성 성분들이 서로의 친화력에 의해 스스로 결합하는 현상입니다. 비록 이 과정에서 유전 물질이 빠진 불량품이 생기기도 하지만, 짧은 시간 안에 엄청난 수의 자손을 퍼뜨리는 데 매우 효과적입니다. 이렇게 완성된 바이러스들은 세포막을 뚫고 나오거나 싹이 돋아나듯 빠져나오는 '버딩' 과정을 거쳐 또 다른 숙주를 찾아 나섭니다. 우리 몸은 바이러스의 침입에 대항하여 다층적인 면역 체계를 가동합니다. 감염된 세포가 주변에 위험 신호를 보내는 인터페론 반응부터, 바이러스의 침투를 직접 막는 항체, 그리고 감염된 세포를 통째로 제거하는 T세포까지 다양한 전략이 동원됩니다. 특히 사령관 역할을 하는 면역 세포는 사이토카인을 통해 전체적인 전투를 지휘하며 효율적인 면역 체계를 구축합니다. 이러한 면역 반응은 때로 우리 몸의 일부를 희생시키더라도 바이러스라는 더 큰 위협을 제거하기 위한 필연적인 선택입니다. 바이러스 역시 생존을 위해 면역 체계를 회피하는 놀라운 전략을 구사합니다. 면역 신호 전달 경로를 가위처럼 잘라내어 초기 대응을 무력화하거나, 감염 사실을 알리는 세포 표면의 깃발 단백질을 숨겨 T세포의 공격을 피하기도 합니다. 가장 흔한 전략은 항체가 결합하는 부위에 끊임없이 돌연변이를 일으키는 것입니다. 숙주 세포와의 결합 능력은 유지하면서도 항체의 추적만을 따돌리는 이러한 진화적 수싸움은 바이러스가 끊임없이 변이하며 인류를 위협하는 핵심적인 이유가 됩니다.

신의철

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? (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

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 우리 몸을 움직이는 에너지, 너의 정체는? (4) _ 정종경 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 7강 | 7강 ④

생명체의 에너지 화폐인 ATP는 외부에서 공급되는 음식물을 소모하여 만들어집니다. 식물의 광합성과는 달리, 인간의 ATP 생성은 햇빛과 직접적인 상관관계가 없습니다. 이론적으로 외부 영양 공급만 충분하다면 햇빛이 없는 환경에서도 인간의 생존은 가능합니다. 하지만 비타민 D 합성이나 시각적 인지 등 건강한 삶을 유지하기 위해서는 햇빛이 필수적인 역할을 수행합니다. 따라서 생존 그 자체와 건강한 삶의 질은 별개의 문제로 접근해야 하며, ATP는 그 중심에서 생명 유지의 근본적인 동력을 제공합니다. 노화 연구의 진정한 목적은 단순히 수명을 연장하는 불로장생에 있지 않습니다. 현대 의학이 지향하는 바는 질병 없이 건강하게 살 수 있는 '건강 수명'을 늘리는 것입니다. 실제로 라파마이신과 같은 약물을 이용한 연구에 따르면, 수명이 길어짐과 동시에 암 발생 확률이 줄어드는 결과가 관찰되기도 합니다. 이는 노화 억제 기술이 단순히 생물학적 시간만 늘리는 것이 아니라, 신체의 전반적인 건강 상태를 최적으로 유지하는 데 기여할 수 있음을 시사합니다. 후대에게 부담을 주지 않는 건강한 고령화 사회를 만드는 것이 노화 연구의 핵심 과제입니다. 미토콘드리아는 세포 내 발전소 역할을 하지만, 동시에 세포 자살을 결정하는 '아포토시스' 신호를 조절하기도 합니다. 암세포가 미토콘드리아를 통한 에너지 생산을 기피하고 세포질에서의 비효율적인 방식을 택하는 이유 중 하나가 바로 여기에 있습니다. 암세포는 자살 프로그램이 작동하는 것을 막기 위해 미토콘드리아의 기능을 억제하거나 개수를 줄여 생존을 도모합니다. 이러한 암세포의 독특한 대사 전략은 생존을 위한 처절한 선택이며, 미토콘드리아가 단순한 에너지 생산 기구 이상의 복합적인 생명 조절 장치임을 보여주는 증거이기도 합니다. ATP는 단백질의 구조를 변화시킴으로써 실질적인 생체 에너지를 공급합니다. 인산기가 단백질에 결합하면서 발생하는 강한 전하와 에너지 변화가 단백질의 움직임을 유도하는 원리입니다. 우리 몸은 정교한 에너지 시스템을 통해 모든 생리 작용을 수행하며 살아갑니다. 하지만 이 과정은 무한 동력이 아니기에, 소모된 에너지를 보충하기 위해서는 반드시 외부로부터 음식물을 섭취해야 합니다. 자동차가 전기에너지를 동력으로 움직이듯, 생명체는 ATP라는 단위를 통해 세포 내의 다양한 활동을 지원하며 생명을 유지해 나갑니다. 탄수화물 섭취를 극도로 제한하는 다이어트 상황에서도 우리 몸은 지방과 단백질을 분해하여 뇌에 필요한 포도당을 스스로 만들어냅니다. 이를 포도당 신생합성이라 부르며, 비상시에는 케톤체를 에너지원으로 활용하기도 합니다. 이러한 정교한 대사 시스템과 ATP 활용 능력은 수십억 년 전 산소가 없던 지구 초기 시절부터 이어져 온 생명의 유산입니다. 지구상의 거의 모든 생명체가 공통적으로 ATP를 에너지 화폐로 사용한다는 사실은, 이 시스템이 생명 진화의 역사에서 얼마나 효율적이고 근본적인 선택이었는지를 다시 한번 일깨워 줍니다.

고형종, 박중진, 정종경

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포막 : 경계와 소통 (4) _ 윤태영 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강 | 6강 ④

질문의 과학에는 정답이 없으며, 누구나 궁금증을 해소할 권리가 있습니다. 알레르기 반응은 우리 몸의 면역 체계가 특정 화학 물질을 위험 요소로 오인하면서 시작됩니다. 비만세포 표면에 위치한 항체가 외부 물질을 감지하면, 세포 내의 스네어 복합체를 통해 히스타민을 분비하라는 신호를 보냅니다. 이는 본래 몸을 보호하기 위한 방어 기제였으나, 현대인들에게는 재채기나 콧물 같은 불편한 증상으로 나타나게 된 것입니다. 세포막 자체의 결함이라기보다 특정 안테나를 갖게 된 면역계의 반응인 셈입니다. 동물세포와 달리 식물세포는 단단한 세포벽으로 둘러싸여 있어 소통 방식이 다를 것이라 생각하기 쉽습니다. 하지만 식물세포벽 사이에도 미세한 구멍이 존재하여 이를 통해 필요한 물질들이 오고 갑니다. 세포벽 안쪽의 세포막에는 다양한 막단백질이 존재하여 물질 수송을 정교하게 조절합니다. 즉, 세포벽은 완전히 막힌 장벽이 아니라 선택적인 통로를 가진 구조체로서, 세포가 외부 환경과 끊임없이 상호작용할 수 있도록 돕는 역할을 수행합니다. 이러한 구조 덕분에 식물 또한 복잡한 생명 활동을 유지할 수 있습니다. 현대 의학의 화두인 정밀 의학은 암세포의 개별적인 특성에 주목합니다. 과거에는 발병 부위에 따라 치료법을 달리했으나, 이제는 암세포가 발현하는 특정 단백질의 종류에 집중합니다. 예를 들어 유방암 치료제로 개발된 허셉틴은 위암 환자 중 특정 단백질이 과발현된 경우에도 뛰어난 효과를 보입니다. 이는 암의 발생 위치보다 암세포가 가진 분자적 특성이 치료의 핵심임을 시사하며, 다양한 암종에 공통적으로 적용 가능한 치료 전략의 가능성을 열어주고 있습니다. 암세포 군락의 특성을 파악하는 것이 치료의 첫걸음이 됩니다. 우리 몸을 구성하는 수많은 세포는 저마다 독특한 모양과 기능을 가집니다. 흥미로운 점은 이 모든 세포가 부모로부터 물려받은 동일한 DNA 정보를 공유한다는 사실입니다. 세포의 운명은 DNA라는 거대한 백과사전 중 어느 부분을 읽느냐에 따라 결정됩니다. 수정란에서 분화가 시작되면 세포 간의 긴밀한 소통을 통해 각자의 역할이 정해지고, 이에 맞춰 DNA를 읽는 방식이 달라집니다. 이러한 과정을 거쳐 1미터에 달하는 신경세포부터 둥근 형태의 세포까지 다양성이 확보되며, 각 세포는 자신에게 할당된 정보를 바탕으로 생명을 꾸려나갑니다. 암 정복을 위한 혁신적인 기술로 꼽히는 CAR-T 세포 치료제는 면역세포를 직접 엔지니어링하는 방식입니다. 환자의 몸에서 면역세포를 추출한 뒤, 암세포의 특정 항원을 인식할 수 있는 인공적인 막단백질을 심어 다시 주입합니다. 이는 기존의 약물 치료를 넘어선 혁명적인 발전으로 평가받으며, 특히 백혈병 치료에서 놀라운 생존율 향상을 보여주었습니다. 세포막의 원리를 이용한 이러한 첨단 기술은 인류가 질병과 싸우는 방식에 근본적인 변화를 가져오고 있으며, 앞으로 더 많은 난치병 치료에 기여할 것으로 기대됩니다.

김현아, 윤태영, 정준호

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포막 : 경계와 소통 (3) _ 윤태영 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강 | 6강 ③

세포 내부는 단순한 액체 주머니가 아니라 정교한 공간적 질서를 갖춘 복합적인 시스템입니다. 핵 속에 보관된 유전 정보인 DNA로부터 RNA가 만들어지면, 이는 핵 밖으로 수송되어 리보솜이라는 거대한 분자 기계를 만납니다. 특히 막 단백질은 소포체에서 합성되면서 복잡한 3차원 구조를 형성하며 세포막으로 삽입되는 과정을 거칩니다. 이 과정에서 세포질은 아미노산과 같은 영양소가 풍부하게 녹아 있는 바다와 같은 역할을 수행하며, 막 단백질은 외부 물질의 출입을 엄격히 통제하는 대문의 기능을 담당하여 세포의 항상성을 유지합니다. 세포막의 기본 구조는 지질 분자가 위아래로 배열된 지질 이중층으로 이루어져 생명체의 경계를 형성합니다. 흥미로운 점은 미토콘드리아나 핵과 같은 세포 소기관들은 이러한 지질 이중층이 두 번 겹쳐진 이중 막 구조를 가지고 있다는 사실입니다. 학계에서는 미토콘드리아가 과거 독립된 세균이었으나 진핵 세포에 포식된 후 에너지 공장으로 진화했다는 가설을 통해 이 독특한 구조를 설명하기도 합니다. 원시 지구에서 지질 분자들이 자발적으로 주머니 형태를 만들며 외부와 차단된 공간을 형성한 것이 바로 생명 진화의 위대한 시작이었습니다. 막 단백질은 전체 단백질의 약 30%를 차지할 정도로 비중이 높지만, 그 구조를 밝혀내는 일은 현대 과학에서도 매우 까다로운 과제입니다. 수용성 단백질과 달리 막 단백질은 친수성과 소수성이 공존하는 복잡한 환경에서만 본연의 3차원 구조를 유지할 수 있기 때문입니다. 세포막에서 분리하는 순간 구조가 쉽게 뒤틀리는 특성 탓에 정제와 분석이 어려웠고, 이로 인해 관련 연구는 일반 단백질에 비해 수십 년이나 늦게 시작되었습니다. 하지만 최근 세포막 환경을 재현하는 기술이 비약적으로 발전하면서 생명 현상의 비밀을 푸는 핵심 열쇠로 주목받고 있습니다. 인간이 느끼는 오감은 사실상 막 단백질의 정교한 활동 결과라고 해도 과언이 아닙니다. 우리가 수백 가지의 다채로운 냄새를 맡을 수 있는 것은 후각 세포에 존재하는 수백 종류의 GPCR 수용체 단백질 덕분이며, 시각과 청각 역시 막 단백질을 통해 외부의 물리적 자극을 전기 신호로 변환합니다. 이러한 생리적 중요성 때문에 막 단백질은 산업적으로도 막대한 가치를 지닙니다. 향수 산업이 후각 수용체를 공략하여 인간의 감정을 조절하듯, 막 단백질의 메커니즘을 깊이 이해하는 것은 인간의 감각 체계를 정밀하게 제어하고 활용할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 암세포는 정상 세포보다 훨씬 많은 막 수용체를 안테나처럼 내세워 비정상적으로 빠르게 증식하는 특성을 보입니다. 현대 의학은 이러한 막 단백질의 과발현을 역이용하여 암세포만을 정밀하게 타격하는 항체 의약품이나 면역 체계를 극대화하는 치료제를 개발하고 있습니다. 특히 유전자 돌연변이가 많은 흑색종이나 신장암 분야에서는 면역 세포가 암세포를 더 잘 식별하게 함으로써 완치에 가까운 성과를 거두기도 했습니다. 우리나라도 바이오시밀러 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고 있으며, 선진국 수준의 기술력을 바탕으로 차세대 정밀 의료 시장을 선도해 나가고 있습니다.

김현아, 윤태영, 정준호

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포막 : 경계와 소통 (2) _ 윤태영 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강 | 6강 ②

진핵세포는 단순히 외부와의 경계를 짓는 세포막뿐만 아니라, 내부에도 다양한 소기관을 갖추고 있습니다. 이러한 소기관들 역시 지질 이중층으로 구획되어 있으며, 각기 다른 기능을 수행합니다. 단백질 공장인 리보솜은 핵 옆의 소포체에 위치하여 복잡한 세포막 단백질을 만들어냅니다. 아미노산 체인이 형성될 때 물을 싫어하는 소수성 부분이 세포막 안으로 삽입되면서 정교한 구조의 단백질이 완성되며, 이는 생명 활동의 핵심적인 토대가 됩니다. 세포가 진화하면서 크기가 커짐에 따라 효율적인 물질 관리가 중요해졌습니다. 원핵세포와 달리 진핵세포가 내부를 여러 구역으로 나눈 이유는 복잡한 화학 반응들을 서로 섞이지 않게 보호하기 위함입니다. 좁은 영역 내에서 특정 반응에 필요한 물질들을 집중시키고, 불필요한 간섭을 최소화함으로써 고도의 생명 현상을 유지할 수 있습니다. 이러한 구획화는 세포가 거대해지면서 발생한 물리적 한계를 극복하기 위한 진화적 선택이라 할 수 있습니다. 세포 내부의 분자들은 지능이 없으며, 물 분자들과 충돌하며 무작위로 움직이는 브라운 운동을 합니다. 이 운동의 특징은 거리가 멀어질수록 도달 시간이 기하급수적으로 늘어난다는 점입니다. 따라서 단거리에서는 확산이 효율적이지만, 장거리 수송을 위해서는 특단의 조치가 필요합니다. 세포는 이를 해결하기 위해 막의 일부를 풍선처럼 부풀려 물질을 담는 소낭을 만들고, 이를 일꾼 단백질이 직접 운반하는 '세포막 수송' 시스템을 발전시켰습니다. 수송된 소낭이 목적지에 도착하면 대상 막과 하나로 합쳐지는 '세포막 융합' 과정이 일어납니다. 하지만 지질막끼리 합쳐지는 과정은 엄청난 에너지를 필요로 하는 화학적 난제입니다. 우리 몸의 신경세포는 이를 해결하기 위해 스네어라 불리는 특수한 단백질을 사용합니다. 스네어 단백질들은 서로 새끼줄처럼 꼬이면서 강력한 에너지를 발생시키고, 이를 통해 1,000분의 1초라는 찰나의 순간에 세포막 융합을 성공적으로 마무리합니다. 스네어 단백질의 작동 원리를 규명하기 위해 과학자들은 자기 집게 기술을 활용합니다. 이는 자석을 이용해 단백질에 물리적인 힘을 가하며 그 변화를 관찰하는 정밀한 방법입니다. 연구 결과, 스네어 결합체는 한 번에 완성되는 것이 아니라 절반 정도 미리 꼬인 상태로 대기하다가, 신호가 오면 즉시 나머지를 완성한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 예비 단계 덕분에 신경세포는 외부 자극에 대해 즉각적이고 폭발적인 반응을 보일 수 있는 것입니다. 세포막과 그 단백질들은 현대 의학에서 질병 치료의 핵심 표적이 됩니다. 대표적인 예로 보톡스는 신경세포의 스네어 단백질을 절단하여 세포막 융합을 차단하는 원리를 이용합니다. 이를 통해 신경전달물질의 방출을 막아 근육을 마비시키고 주름을 펴는 효과를 냅니다. 또한 바이러스 역시 세포막 융합을 통해 자신의 유전 물질을 세포 내로 침투시키기 때문에, 이러한 메커니즘을 제어하는 것은 감염병 예방과 치료에 있어 매우 중요한 과제입니다. 암 치료 분야에서도 세포막 단백질의 역할은 결정적입니다. 세포 표면의 안테나 역할을 하는 수용체 단백질이 고장 나면, 외부 신호가 없어도 세포에게 계속 성장하라는 가짜 신호를 보냅니다. 이것이 암세포의 폭주로 이어지는 것입니다. 최근의 표적 항암제들은 이러한 고장 난 안테나 단백질만을 선택적으로 차단하여 암세포의 자금줄을 끊고 자살을 유도합니다. 이처럼 세포막은 생명의 경계를 넘어 첨단 의학의 새로운 지평을 열어주고 있습니다.

윤태영

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포막 : 경계와 소통 (1) _ 윤태영 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강 | 6강 ①

세포막은 생명체의 가장 기본 단위인 세포를 보호하는 울타리이자, 외부와 끊임없이 정보를 주고받는 소통의 창구입니다. 다세포 생물인 인간의 몸속에서 세포들은 서로 밀집해 있으며, 세포막을 통해 '나'와 '남'을 구분하는 명확한 경계를 형성합니다. 하지만 이 경계는 단순히 단절을 의미하지 않습니다. 생명 유지에 필수적인 항상성을 지키기 위해 세포들은 세포막을 매개로 긴밀하게 협조하며, 이러한 소통 체계가 무너질 때 암과 같은 심각한 질병이 발생하기도 합니다. 따라서 세포막은 생명의 경계인 동시에 공존을 위한 소통의 장이라고 할 수 있습니다. 세포막을 구성하는 핵심 물질은 지질 분자입니다. 이 분자들은 물과 친한 친수성 머리와 물을 극도로 싫어하는 소수성 꼬리를 동시에 가진 독특한 구조를 띠고 있습니다. 마치 올챙이와 같은 형태를 한 지질 분자는 물속에서 자발적으로 꼬리 부분을 안쪽으로 숨기고 머리 부분을 밖으로 향하게 하여 지질 이중막을 형성합니다. 여기에 콜레스테롤과 같은 성분들이 더해져 막의 안정성을 높입니다. 흥미로운 점은 실제 생체 내 지질 분자의 꼬리는 매우 길고 복잡하여, 현대의 화학 기술로도 이를 완벽하게 재현하기 어려울 정도로 정교한 설계를 자랑한다는 사실입니다. 세포막이 지질 이중막이라는 사실은 1925년 고터와 그렌델의 실험을 통해 처음 제안되었습니다. 그들은 적혈구에서 추출한 지질 분자를 물 위에 펼쳐 그 면적을 측정했는데, 놀랍게도 적혈구 전체 표면적의 정확히 두 배에 해당하는 결과가 나왔습니다. 이를 통해 지질 분자가 위아래로 두 층을 쌓아 막을 형성한다는 가설이 세워졌고, 이후 과학적 검증을 거쳐 정설로 받아들여졌습니다. 생명체가 자신의 외벽으로 지질 이중막을 선택한 것은 정보 저장의 DNA나 기능 수행의 단백질을 선택한 것만큼이나 생명 진화의 역사에서 결정적인 사건이었습니다. 지질 이중막의 가장 큰 특징은 자발적으로 형성되면서도 놀라운 유연성과 강인함을 동시에 갖추고 있다는 점입니다. 세포막은 외부의 압력에 따라 모양이 자유롭게 변할 수 있어, 적혈구가 좁은 모세혈관을 통과할 때 심하게 구겨지더라도 파괴되지 않고 다시 원래의 모습을 되찾습니다. 동시에 나노 수준의 미세한 자극에도 꼬리 부분이 물에 노출되지 않으려는 성질 덕분에 쉽게 찢어지지 않는 견고함을 유지합니다. 이러한 물리적 특성은 세포가 외부 환경의 변화에 유연하게 대처하면서도 내부의 귀중한 생명 물질을 안전하게 보호할 수 있게 해줍니다. 건강한 세포막은 고정된 고체 상태가 아니라 분자들이 끊임없이 위치를 바꾸는 '2차원 유체'의 성질을 띱니다. 여기서 중요한 역할을 하는 것이 바로 불포화 지방산입니다. 꼬리가 곧은 포화 지방산은 서로 너무 잘 정렬되어 막을 딱딱하게 만들지만, 꼬리가 꺾인 형태의 불포화 지방산은 정렬을 방해하여 막의 유동성을 유지해 줍니다. 상온에서 굳지 않는 올리브유처럼 유연한 상태의 세포막은 신호 전달이 원활하고 혈관 건강에도 이롭습니다. 반면 막이 굳어 유동성을 잃으면 세포는 외부 자극에 취약해지고 소통 능력이 저하되어 건강에 적신호가 켜지게 됩니다. 1972년 정립된 '유동 모자이크 모델'은 세포막을 지질과 단백질이 섞여 떠다니는 망망대해로 묘사했습니다. 하지만 최근에는 세포막이 단순히 균질한 바다가 아니라, 특정 지질과 단백질이 모여 형성된 '지질 뗏목'이라는 특수한 구역들이 존재한다는 학설이 주목받고 있습니다. 마치 바다 위에 떠 있는 섬처럼 특정 기능을 수행하는 단백질들이 높은 농도로 모여 있는 이 구역은, 광활한 세포막 위에서 효율적인 신호 전달과 소통을 가능하게 합니다. 이러한 구획화는 세포가 복잡한 외부 신호를 더욱 정교하고 빠르게 처리할 수 있도록 돕는 고도의 전략이라고 볼 수 있습니다. 세포막의 소통을 실질적으로 주도하는 주인공은 막 사이에 박혀 있는 '막 단백질'입니다. 약 5나노미터 두께의 얇은 막 안에서 이 단백질들은 친수성과 소수성 영역을 교묘하게 배치하여 안테나와 같은 역할을 수행합니다. 신경세포가 세포막의 융합을 통해 화학 신호를 분출하거나, 성장호르몬 수용체가 외부 신호를 감지해 세포 내부의 DNA까지 전달하는 과정 모두가 이들의 활약 덕분입니다. 결국 세포막은 단순한 울타리를 넘어, 생명체가 외부 세계와 끊임없이 대화하며 생존을 도모하는 가장 역동적인 생화학적 무대라고 정의할 수 있습니다.

윤태영

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 (4) _ 조진원 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 5강 | 5강 ④

당생물학은 우리 몸의 복잡한 생명 현상을 이해하는 중요한 열쇠입니다. 흔히 혈액형을 결정하는 항원도 적혈구 표면의 당사슬에 의해 결정되는데, 이는 수혈의 안전성을 좌우하는 핵심 요소입니다. 예를 들어 O형은 항체 A와 B를 모두 가지고 있어 다른 혈액형을 수혈받으면 거부 반응을 일으키지만, AB형은 항체가 없어 모든 혈액을 수용할 수 있습니다. 또한 세포 내의 'O-GlcNAc'이라는 당은 세포의 크기와 성장을 조절하는 역할을 하지만, 이것이 인간의 키를 인위적으로 조절하는 마법의 도구는 아닙니다. 성장은 성장 호르몬의 복합적인 작용이며, 당은 그 과정에서 정교한 신호 전달 체계의 일부로 기능합니다. 현대 생물학은 개별 유전자나 단백질을 넘어 전체를 조망하는 '오믹스(Omics)' 시대로 접어들었습니다. 유전체, 단백질체, 당질체처럼 세포 내의 모든 구성 요소를 통합적으로 연구하는 이 분야는 생명체를 하나의 거대한 시스템으로 파악합니다. 시스템생물학은 이러한 방대한 데이터를 바탕으로 세포 간의 상호작용과 기관 간의 신호 전달을 분석하여 인체 지도를 그려나갑니다. 이는 단순히 정보를 나열하는 것이 아니라, 특정 질병이 발생했을 때 우리 몸 전체에서 어떤 변화가 일어나는지 구체적으로 예측하고 대응할 수 있게 해줍니다. 이러한 통합적 접근은 생명 현상의 본질을 규명하는 데 필수적입니다. 자가면역 질환은 우리 몸의 면역 체계가 정상적인 세포를 외부 침입자로 오인하여 공격하는 난치성 질병입니다. 류마티스 관절염이나 제1형 당뇨병 등이 대표적인데, 이러한 오인의 원인 중 하나가 바로 당의 변형입니다. 세포가 비정상적인 당사슬을 만들어 표면에 내보내면, 면역 시스템은 이를 '자기 것'이 아닌 이물질로 인식하게 됩니다. 당생물학은 이러한 변형된 당의 형태를 분석하여 질병의 원인을 밝히고, 항원-항체 반응을 조절함으로써 증상을 완화하는 치료법을 연구합니다. 비록 완치는 어렵더라도, 당의 구조를 정교하게 제어하는 기술은 자가면역 질환 치료의 새로운 희망이 되고 있습니다. 암 치료 분야에서도 당생물학은 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. 암세포는 특정 당단백질을 과다하게 발현하는 특징이 있는데, 이를 항원으로 활용해 암 백신을 개발할 수 있습니다. 암 백신은 우리 몸의 면역 체계가 암세포를 유도탄처럼 정확하게 찾아내어 공격하도록 돕습니다. 특히 식물이나 동물 세포를 이용해 항암 항체를 대량 생산하는 기술은 면역 치료의 효율을 극대화합니다. 우리 몸이 스스로 충분한 항체를 만들지 못할 때, 외부에서 정교하게 설계된 항체를 투여함으로써 암세포만을 선택적으로 제거하는 방식입니다. 이는 생존율을 높이고 부작용을 줄이는 정밀 의료의 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 우리가 섭취하는 포도당은 단순히 에너지원으로만 쓰이는 것이 아닙니다. 섭취된 포도당의 약 3%는 특별한 경로를 통해 활성화된 당으로 변하며, 이것이 단백질에 결합하여 세포의 기능을 조절하는 중요한 신호가 됩니다. 이처럼 당은 생명 유지에 필수적인 대사 과정과 밀접하게 연결되어 있습니다. 1990년대 척박한 환경에서 시작된 국내 당생물학 연구는 이제 세계적인 수준으로 성장하여 질병 치료와 생명 연장의 꿈을 실현해 나가고 있습니다. '달콤하고 끈적끈적한' 당의 세계는 앞으로도 우리가 풀어야 할 수많은 생명의 신비를 간직하고 있으며, 이를 통해 인류의 건강한 미래를 설계할 수 있을 것입니다.

강현아, 고기성, 조진원

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 (3) _ 조진원 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 5강 | 5강 ③

탄수화물은 단순히 우리가 섭취하는 영양소 이상의 의미를 지닙니다. 라틴어 '사카룸'에서 유래한 이 물질은 생명체 구성의 핵심 분자로, 당뿐만 아니라 셀룰로오스나 녹말 같은 다양한 형태를 포함하는 포괄적인 개념입니다. 우리는 흔히 탄수화물을 에너지원으로만 생각하기 쉽지만, 실제로는 생명 현상을 유지하고 조절하는 데 있어 필수적인 고차원적인 역할을 수행하고 있습니다. 생명체의 근간을 이루는 이 거대 분자는 우리 몸의 구석구석에서 복잡한 기능을 담당하며 생존을 가능하게 합니다. 우리 몸속에는 단백질이나 지질에 결합하지 않고 자유롭게 존재하는 탄수화물도 많습니다. 대표적인 예가 히알루론산으로, 이는 눈이나 탯줄 등에 존재하며 외부 세균의 침입을 막고 보습 효과를 제공하는 다당류의 일종입니다. 또한 헤파린과 같은 복합 다당류는 혈액이 응고되지 않도록 돕는 항응고 기능을 수행하여 생체 내 항상성을 유지합니다. 이처럼 탄수화물은 단순한 열량 공급원을 넘어 생체 내에서 보호와 조절이라는 중요한 임무를 맡고 있는 다재다능한 물질입니다. 식물 연구의 관점에서 탄수화물은 태양 에너지를 생명 에너지로 전환하는 결정적인 매개체입니다. 식물은 광합성을 통해 당을 만들어내며, 이는 지구상의 모든 생명체가 살아가는 근본적인 힘이 됩니다. 또한 식물은 뼈가 없지만 셀룰로오스라는 당 성분을 통해 꼿꼿이 서 있을 수 있는 구조적 강도를 얻습니다. 곤충의 겉껍질을 구성하는 키틴 역시 당의 일종으로, 생명체의 형태를 유지하는 데 결정적인 역할을 합니다. 이는 탄수화물이 생명의 에너지는 물론 구조적 토대까지 제공함을 보여줍니다. 생명과학의 근본 원리인 센트럴 도그마에서도 탄수화물의 역할은 독보적입니다. DNA에서 단백질로 이어지는 흐름 속에서 'O-GlcNAc'과 같은 당 분자는 유전자 발현을 조절하는 전사 인자나 RNA 중합효소의 작동에 깊이 관여합니다. 설계도에 따라 만들어지는 DNA나 단백질과 달리, 탄수화물은 별도의 설계도 없이도 생체 기능을 정교하게 조절하는 고차원적인 시스템을 구축합니다. 이러한 조절 기능이 없다면 생명 활동의 핵심인 유전 정보의 전달과 발현 자체가 제대로 이루어질 수 없습니다. 최근 유행하는 고지방 저탄수화물 다이어트는 과학적 관점에서 주의가 필요합니다. 탄수화물 섭취를 극도로 제한하면 단기적인 체중 감량 효과는 있을지 모르나, 영양 불균형과 면역 체계 약화를 초래할 수 있습니다. 특히 뇌세포가 가장 선호하는 에너지원이 포도당이라는 점을 고려할 때, 과도한 제한은 두뇌 활동 저하와 집중력 감소로 이어질 수 있습니다. 따라서 건강을 유지하기 위해서는 우리 몸의 필수적인 기능을 지원하는 적절한 양의 당질을 골고루 섭취하는 지혜가 필요합니다. 당과 밀접한 질병인 당뇨병은 인류가 아주 오래전부터 마주해 온 과제입니다. 기원전 이집트 기록에도 등장하는 이 병은 혈액 내 당 수치가 비정상적으로 높아지는 것이 특징입니다. 췌장에서 인슐린을 생성하지 못하는 제1형과 인슐린 저항성으로 인해 포도당 대사 능력이 떨어지는 제2형으로 나뉘는데, 이는 우리 몸이 당을 얼마나 정교하게 다루어야 하는지를 보여주는 사례입니다. 당뇨병에 대한 이해는 결국 우리 몸의 에너지 대사 시스템이 얼마나 세밀하게 설계되어 있는지를 확인하는 과정이기도 합니다. 단백질의 관점에서 당은 단순한 부속물이 아니라 기능을 완성하는 필수 요소입니다. 단백질을 사람에 비유한다면 당은 옷이나 액세서리, 혹은 향수와 같은 존재라고 할 수 있습니다. 옷이 사람의 인상을 결정하고 신체를 보호하듯, 당은 단백질에 부착되어 그 구조를 안정화하고 특정 기능을 수행할 수 있도록 돕습니다. 결국 탄수화물은 생명이라는 무대 위에서 단백질이 제 역할을 다할 수 있게 해주는 가장 화려하고도 중요한 의복이며, 생명 현상의 완성도를 결정짓는 핵심 요소입니다.

강현아, 고기성, 조진원

카오스재단카오스강연

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

카오스재단카오스강연

생명과학

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

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

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

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

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

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

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

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

김성훈

카오스재단카오스강연

생명과학

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

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

김성훈

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 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

카오스재단카오스강연

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

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (4) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ④

뇌는 수많은 신경세포가 복잡하게 얽혀 정보를 주고받는 경이로운 기관입니다. 그 중심에는 신경세포 사이의 연결 고리인 시냅스가 존재하며, 이곳에서 일어나는 미세한 변화가 우리의 인지와 행동, 그리고 정신 건강을 결정짓는 핵심적인 역할을 합니다. 최근 뇌과학 연구는 자폐증이나 조현병과 같은 정신 질환의 원인을 시냅스 수준에서 규명하려는 노력을 지속하고 있습니다. 특히 시냅스를 구성하는 단백질의 변이나 신경 전달 과정의 이상이 다양한 뇌 질환과 밀접한 관련이 있다는 사실이 밝혀지면서, 이를 이해하기 위한 다각도의 학문적 접근이 활발하게 이루어지고 있습니다. 인간의 복잡한 뇌 질환을 연구하기 위해 과학자들은 생쥐와 같은 모델 동물을 주요하게 활용합니다. 생쥐는 인간과 유전자의 종류와 수가 매우 비슷할 뿐만 아니라, 시냅스 수준에서의 신경 전달 메커니즘이 놀라울 정도로 유사하기 때문입니다. 물론 생쥐의 뇌는 인간에 비해 구조가 단순하고 주름이 없다는 차이점이 존재하지만, 특정 유전자를 조작하여 질환의 인과관계를 증명하는 데 있어 필수적인 역할을 수행합니다. 이러한 연구를 통해 발견된 신경 회로의 변화는 향후 새로운 치료제 개발을 위한 중요한 과학적 근거가 되며, 복잡한 인간의 뇌를 이해하는 소중한 징검다리가 됩니다. 동물 실험이 고도화됨에 따라 연구 윤리의 중요성도 함께 강조되고 있습니다. 현재는 실험 동물의 고통을 최소화하고 적절한 개체 수를 사용하도록 하는 엄격한 내부 규제와 심사 과정을 거쳐 연구가 진행됩니다. 한편, 생쥐 모델의 한계를 극복하기 위해 영장류를 이용한 연구도 전략적으로 추진되고 있습니다. 영장류는 사회성과 인지 능력이 인간과 더 유사하여 정신 질환의 기전을 더욱 정확하게 파악할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 영장류 실험은 더 높은 수준의 윤리적 책임과 사회적 합의를 요구하므로, 연구자들은 생명의 가치를 존중하며 신중한 태도로 연구에 임하고 있습니다. 정신 질환의 원인은 단순히 유전적 요인에만 국한되지 않습니다. 유전적 소인이 있더라도 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 질환의 발병 여부를 결정짓기 때문입니다. 임신 중 산모의 감염이나 특정 약물 노출과 같은 환경적 변수는 태아의 뇌 발달에 결정적인 영향을 미칠 수 있으며, 최근에는 장내 세균과 뇌의 상호작용인 '장-뇌 축'에 대한 연구도 주목받고 있습니다. 이는 유전적 요인을 완전히 통제할 수 없더라도, 환경적 요인을 조절함으로써 질환을 예방하거나 증상을 완화할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 현대 뇌과학 연구의 중요한 한 축을 담당하고 있습니다. 뇌 질환 치료를 위해 단백질의 기능을 직접 교정하는 것은 매우 어렵지만, 단백질이 최적의 활성을 유지할 수 있는 환경을 조성하는 방법이 대안으로 제시됩니다. 예를 들어 아연과 같은 미네랄이나 비타민은 시냅스 단백질의 결합을 도와 신경 회로의 안정성을 높이는 데 기여합니다. 더 나아가 광유전학 기술을 이용해 특정 신경 회로의 활성을 정교하게 조절하려는 시도도 이어지고 있습니다. 전 세계의 수많은 과학자가 협력하여 시냅스와 회로 수준의 비밀을 하나씩 풀어나간다면, 부작용을 최소화하면서도 효과적인 뇌 질환 치료의 길을 열 수 있을 것으로 기대됩니다.

고재원, 김은준, 한기훈

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (2) _ 김은준 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ②

세계적인 과학 잡지 '사이언스'는 창간 125주년을 맞아 인류가 반드시 해결해야 할 핵심 과제들을 선정했습니다. 그중 신경과학 분야에서 주목하는 첫 번째 질문은 의식의 생물학적 기전입니다. 우리가 아침에 깨어나 스스로의 존재와 사회적 위치를 인지하는 과정이 뇌 속의 어떤 시냅스와 신경회로를 통해 이루어지는지는 여전히 거대한 수수께끼입니다. 또한 조현병이나 자폐와 같은 정신질환이 발생하는 구체적인 원인을 밝혀내는 것 역시 현대 과학이 반드시 풀어야 할 중요한 미스터리로 남아 있습니다. 정신질환의 원인을 규명하는 과정에서 유전적 요인은 매우 중요한 비중을 차지합니다. 과거에는 정신질환과 유전의 상관관계에 대해 확신하지 못했으나, 최근 10년 사이 비약적인 과학적 진보를 통해 유전자가 깊이 관여한다는 사실이 밝혀졌습니다. 부모로부터 물려받은 유전자뿐만 아니라, 태아가 발달하는 과정에서 자연적으로 발생하는 돌연변이 또한 주요한 원인이 됩니다. 여기에 임신 중 감염이나 영양 부족과 같은 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 질환의 발생 여부를 결정하게 됩니다. 최근 유전체 분석 기술의 발전은 정신질환 연구에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 과거에는 막대한 비용이 들었던 전장 유전체 분석이 이제는 비교적 저렴한 비용으로 가능해졌으며, 이를 통해 2만 5천여 개의 유전자를 정밀하게 분석할 수 있게 되었습니다. 특히 부모와 자녀의 유전자를 함께 분석하는 '트리오 연구'는 질환의 원인이 유전적인지 혹은 발생 과정에서의 돌연변이인지를 명확히 구분해 줍니다. 이러한 진단은 임상적 치료뿐만 아니라 가족의 미래 계획을 세우는 데에도 결정적인 정보를 제공합니다. 자폐증과 관련된 유전자를 추적한 결과, 현재까지 약 800여 개의 관련 유전자가 발견되었습니다. 이들은 주로 뇌 발달을 조절하거나 시냅스의 기능을 담당하는 역할을 합니다. 특히 시냅스는 단순한 신경 전달 통로를 넘어, 그 내부에 1,000종 이상의 단백질이 복잡하게 얽혀 있는 거대한 우주와 같습니다. 이 미세한 단위에서 일어나는 오묘한 조합과 조화는 신경 전달의 강도를 세밀하게 조절하며, 여기에 이상이 생기면 신경 회로 전체의 기능 장애로 이어져 정신질환이 발생하게 됩니다. 유전자 이상과 정신질환 증상 사이의 인과 관계를 증명하기 위해 과학자들은 생쥐를 이용한 동물 실험을 진행합니다. 특정 유전자를 인위적으로 결손시킨 생쥐가 사회성 장애와 같은 증상을 보이는지 관찰함으로써 해당 유전자의 역할을 확인하는 것입니다. 예를 들어 '섕크2(Shank2)'라는 시냅스 단백질이 없는 생쥐는 새로운 동료에게 관심을 보이지 않는 등 뚜렷한 사회성 장애를 나타냅니다. 이러한 연구는 수많은 유전자가 뇌 기능에 미치는 영향을 하나씩 검증해 나가는 과정이며, 정신질환의 근본적인 치료법을 찾기 위한 필수적인 여정입니다.

김은준

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 기억 찾기 (4) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강 | 3강 ④

유아기 뇌 발달과 교육의 관계는 많은 부모의 관심사입니다. 뇌과학에서는 특정 기능을 습득하기에 가장 적합한 '결정적 시기'가 존재한다고 설명합니다. 예를 들어 시각이나 언어 회로는 특정 시기에 적절한 자극을 받아야 정상적으로 발달하며, 이 시기를 놓치면 나중에 회복하기가 매우 어려울 수 있습니다. 하지만 동물을 대상으로 한 연구 결과를 인간의 조기 교육에 그대로 대입하는 것은 주의가 필요합니다. 인간의 학습은 훨씬 복잡하며, 정교하게 통제된 연구를 통해 각 기능에 맞는 적기 교육의 기준을 세우는 것이 중요합니다. 기억력을 높이기 위해 시각과 청각 등 여러 감각을 동시에 활용하는 것은 과학적 근거가 있습니다. 우리 뇌에서 시냅스가 강화되는 현상인 장기 강화(LTP)가 일어날 때, 다른 경로의 정보가 함께 입력되면 기억 형성을 돕는 시너지 효과가 발생합니다. 단순히 눈으로 읽는 것보다 손으로 쓰면서 외울 때 더 잘 기억되는 이유도 여기에 있습니다. 다양한 감각 정보가 뇌로 들어오면 신경세포 간의 연결이 더욱 단단해지며, 이는 정보를 더 효율적으로 저장하고 나중에 다시 인출하기 좋게 만드는 밑거름이 됩니다. 기억은 카메라처럼 세상을 그대로 기록하는 것이 아니라, 뇌 안에서 나름의 방식으로 재구성되는 과정입니다. 정보를 저장할 때 시각, 청각, 촉각 등 다양한 감각적 '문고리'를 만들어두면 나중에 이를 인출하기가 훨씬 수월해집니다. 특히 영장류인 인간은 뇌의 절반가량을 시각 정보 처리에 할애할 정도로 시각에 민감합니다. 따라서 기억 전문가들이 사용하는 장소법처럼 정보를 시각적 이미지와 결합해 저장하는 방식은 뇌의 특성을 가장 잘 활용하는 효율적인 전략이라 할 수 있으며, 이는 정보의 장기 보존에도 유리합니다. 최근 전자기기 사용 증가로 인한 '디지털 치매'에 대한 우려가 큽니다. 하지만 이는 전자파의 직접적인 영향이라기보다 정보를 대하는 태도와 감각의 단조로움에서 기인할 가능성이 큽니다. 종이책은 특유의 질감과 냄새 등 풍부한 감각 정보를 제공하지만, 디지털 매체는 시각적 자극에 치중되어 기억의 깊이가 얕아질 수 있습니다. 또한 언제든 검색이 가능하다는 심리적 안도감이 뇌의 기억 중요도를 낮추기도 합니다. 매체의 변화에 적응하는 것도 필요하지만, 뇌를 능동적으로 사용하여 정보를 내면화하는 습관이 중요합니다. 나이가 들면서 겪는 자연스러운 기억력 감퇴와 알츠하이머와 같은 치매는 엄연히 다른 현상입니다. 노화에 따라 단순 암기력은 줄어들 수 있지만, 판단력이나 종합적인 인지 능력은 80대 이후까지도 건강하게 유지될 수 있습니다. 유전적 요인이나 생활 습관에 따라 개인차는 존재하지만, 뇌를 지속적으로 자극하고 관리한다면 고령에도 높은 수준의 지적 활동이 가능합니다. 따라서 건망증을 무조건 치매의 전조로 보며 불안해하기보다는, 뇌의 고차원적인 기능을 믿고 꾸준히 독서나 대화 등을 통해 뇌 건강을 관리하는 자세가 필요합니다. 기억의 실체는 특정 단백질이나 물질이 아니라 신경세포 사이의 연결인 '시냅스 가소성'에 있습니다. 우리가 무언가를 기억할 때 뇌는 정보를 여러 조각으로 나누어 각기 다른 회로에 분산 저장합니다. 예를 들어 할머니에 대한 기억은 얼굴 모습, 목소리, 함께했던 추억 등이 뇌 전체에 퍼져 있다가, 회상하는 순간에 다시 하나로 조립됩니다. 이 과정에서 시냅스의 구조를 키우고 연결을 공고히 하기 위해 단백질 합성이 일어나는 것이며, 이러한 역동적인 연결망 자체가 바로 우리 기억의 본질이자 외부 저장 장치와 차별화되는 지점입니다. 건강한 삶을 위해서는 잘 기억하는 것만큼이나 잘 잊어버리는 '망각'의 조화가 필수적입니다. 모든 것을 기억하는 과잉 기억은 오히려 과거에 매몰되게 만들어 미래로 나아가는 발목을 잡을 수 있습니다. 반대로 모든 것을 잊는다면 자아의 정체성을 잃게 됩니다. 결국 기억과 망각 사이의 적절한 균형이 우리의 자아를 지탱하고 변화하는 세상에 적응하게 만드는 힘입니다. 과거를 발판 삼아 현재를 살아가고 미래를 설계하는 인간의 위대한 능력은 바로 이 기억의 메커니즘에서 비롯되며, 이는 우리가 개성을 가진 존재로 우뚝 서게 합니다.

강봉균, 김상정, 최준식

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 인간의 뇌는 과연 특별한가? (1) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ①

인간의 뇌가 과연 특별한가라는 질문은 인류가 오랫동안 품어온 근원적인 의문입니다. 진화론적 관점에서 인간은 약 600만 년 전 침팬지와 공통 조상에서 갈라져 나왔지만, 그 과정에서 인간의 뇌는 독특한 발달 경로를 걸어왔습니다. 발생 생물학, 유전학, 진화학 등 다양한 학문적 증거들은 우리가 어떻게 지금의 인간이 되었는지를 설명해 줍니다. 뇌과학은 단순히 신체 기관을 연구하는 것을 넘어, 뇌가 뇌를 탐구함으로써 마음의 미래를 이해하고 인간다움의 본질을 규명하려는 거대한 시도라고 할 수 있습니다. 생명체를 관통하는 보편적인 원리는 DNA에서 단백질로 이어지는 유전 정보의 흐름에 있습니다. 뇌 역시 이러한 생물학적 토대 위에 존재하며, 특히 '시냅스 가소성'이라는 거대한 법칙을 통해 작동합니다. 신경 세포들이 동시에 활성화될 때 그 신경망이 강화된다는 '헵의 법칙'은 학습과 기억의 핵심 기전입니다. 뇌는 고정된 장치가 아니라 외부 자극과 경험에 따라 끊임없이 구조와 기능을 변화시키는 역동적인 시스템이며, 이러한 유연성이야말로 생명체가 환경에 적응하고 정보를 처리하는 근본적인 방식입니다. 성인의 뇌는 무게가 약 1.4kg 정도로 체중의 2.5%에 불과하지만, 전체 에너지의 20%를 사용하는 매우 활발한 조직입니다. 약 천억 개의 신경 세포와 백조 개에 달하는 시냅스가 복잡한 그물망을 형성하고 있으며, 좌뇌와 우뇌가 서로 다른 기능을 담당하는 비대칭성을 띠기도 합니다. 신경 세포의 기본 구조인 수상돌기와 축삭은 다른 신경 세포들과 끊임없이 소통하며 정보를 교환합니다. 이러한 천문학적인 연결성과 복잡성 때문에 현대 과학은 뇌를 우리 몸 안의 '소우주'라고 부르며 그 신비를 밝히기 위해 노력하고 있습니다. 현대 신경과학은 분자 수준부터 행동과 인지, 그리고 인공지능과 맞닿아 있는 모델링까지 매우 넓은 연구 스펙트럼을 가지고 있습니다. 인간의 뇌를 직접 실험하기 어렵기에 예쁜꼬마선충, 초파리, 생쥐와 같은 모델 생물을 활용하여 뇌의 작동 원리를 규명합니다. 특히 1mm 크기의 예쁜꼬마선충은 모든 신경망의 지도인 '커넥톰'이 완벽하게 해독된 유일한 생명체로, 뇌 연구의 중요한 이정표가 됩니다. 이러한 연구들은 뇌가 신체의 사령탑으로서 어떻게 모든 생명 현상을 제어하고 복잡한 행동을 만들어내는지 구체적으로 보여줍니다. 흔히 뇌를 완벽하게 설계된 슈퍼컴퓨터에 비유하곤 하지만, 생물학적 관점에서 뇌는 진화의 과정에서 나타난 일종의 클루지(Kluge) 결과물에 가깝습니다. 신경 세포의 신호 전달 속도는 컴퓨터의 연산 속도에 비해 현저히 느리며, 과거의 구조 위에 새로운 기능이 덧대어진 진화의 흔적을 고스란히 간직하고 있습니다. 뇌는 최적의 효율을 가진 정밀한 기계라기보다 생존을 위해 환경에 적응하며 유연하게 변화해 온 유기체입니다. 이러한 불완전함과 우연성이야말로 인간의 뇌가 가진 진정한 생물학적 특성이며, 우리가 기계와 차별화되는 지점이기도 합니다.

김경진

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 멋진 세상을 만드는 빛 - 센 빛, 밝은 빛, 똑똑한 빛 (3) _이용희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 7강 | 7강 ③

레이저는 단순한 빛의 증폭을 넘어 우리 실생활의 난제를 해결하는 혁신적인 도구로 진화하고 있습니다. 예를 들어, 말라리아 퇴치를 위해 모기만을 정밀하게 타격하여 떨어뜨리는 레이저 사격 기계가 개발되고 있으며, 이는 인류의 보건 위생에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 또한, 전선으로는 한계가 있는 고속 데이터 통신 분야에서도 광섬유를 이용한 광통신 기술은 필수적인 요소가 되었습니다. 이처럼 레이저는 보이지 않는 곳에서 우리의 삶을 더욱 안전하고 편리하게 연결해 주는 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 레이저의 진정한 위력은 극도로 짧은 시간 동안 강력한 에너지를 내뿜는 펄스 기술에서 나타납니다. 아주 짧은 순간에 빛을 비추는 스트로보 방식처럼, 레이저를 이용하면 분자나 원자의 움직임을 실시간으로 관찰하고 제어할 수 있습니다. 이러한 초고속 현상의 관측은 화학과 생의학 분야에서 수많은 노벨상 수상자를 배출할 만큼 학문적으로도 매우 중요한 가치를 지닙니다. 눈으로 볼 수 없었던 미시 세계의 역동적인 변화를 포착함으로써 인류는 물질의 근본적인 원리를 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 생물학적 연구에서 레이저는 '광학 집게'라는 독특한 도구로 활용됩니다. 레이저 빔을 특정 지점에 집속시키면 작은 입자가 그 중심으로 끌려 들어가는 성질을 이용해 DNA, RNA, 단백질과 같은 미세한 물질을 손상 없이 붙잡고 이동시킬 수 있습니다. 과거에는 불가능해 보였던 세포 단위의 정밀한 조작이 가능해지면서 뇌과학과 유전공학 분야는 비약적인 발전을 거듭하고 있습니다. 빛이라는 무형의 도구가 물리적인 힘을 발휘하여 생명의 신비를 밝히는 정교한 손가락 역할을 수행하고 있는 셈입니다. 현대 레이저 기술은 현미경의 해상력을 기존보다 10배 이상 높여 초고해상도 이미징을 가능하게 했습니다. 형광 물질과 레이저를 결합하여 세포 내부의 복잡한 구조를 선명하게 관찰함으로써 질병의 원인을 파악하고 치료법을 찾는 데 결정적인 단서를 제공합니다. 더 나아가 단일 광자를 제어하는 수준에 이르면 양자 역학적 성질을 이용한 보안 통신이 가능해집니다. 복제가 불가능한 양자의 특성을 활용한 비밀 통신은 도청이 원천적으로 차단된 완벽한 보안 체계를 구축하는 미래 정보 통신의 핵심이 될 것입니다. 레이저는 때로는 정밀한 수술을 돕는 살리는 칼이 되고, 때로는 거리를 측정하는 가장 정확한 표준 자가 되기도 합니다. 1960년 첫 레이저가 탄생한 이후 지난 50여 년간 레이저는 반도체 공정, 3D 프린팅, 자율주행차의 라이다 등 상상할 수 있는 거의 모든 분야에 스며들었습니다. 초기에는 '문제를 찾는 해결책'이라고 불릴 만큼 그 잠재력을 다 알지 못했지만, 이제 레이저는 인류의 상상력을 현실로 바꾸는 만능 도구가 되었습니다. 앞으로도 빛을 향한 탐구는 우리가 꿈꾸는 미래를 실현하는 강력한 동력이 될 것입니다.

이용희

카오스재단카오스강연

물리학

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

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

최길주

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학

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

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

김성근

카오스재단카오스콘서트

화학