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바나나🍌는 곰팡이가 참.. 밉다...😭 바나나 전염병 파나마병 | 요즘과학

우리가 일상에서 흔히 접하는 바나나는 사실 자연적인 번식 과정을 거친 결과물이 아닙니다. 전 세계에서 소비되는 대부분의 바나나는 '캐번디시'라는 단일 품종으로, 모든 개체가 유전적으로 동일한 복제본입니다. 씨가 없는 바나나를 만들기 위해 인위적으로 개량된 이 식물은 뿌리줄기를 잘라 심는 방식으로 번식합니다. 이러한 유전적 균일성은 대량 생산에는 유리하지만, 치명적인 질병이 발생했을 때 전체 종이 한꺼번에 멸종할 수 있는 위험성을 내포하고 있습니다. 과거 우리가 먹었던 바나나는 지금보다 훨씬 달고 향이 진했던 '그로 미셸' 품종이었습니다. 하지만 1950년대에 발생한 파나마병이라는 곰팡이 질환은 전 세계의 그로 미셸 농장을 초토화시켰습니다. 토양에 서식하는 이 곰팡이는 바나나 나무의 물관을 막아 말라 죽게 만드는데, 유전적으로 동일했던 그로 미셸은 아무런 저항력을 갖지 못했습니다. 결국 이 품종은 상업적 재배가 불가능해졌고, 우리는 그 대안으로 질병에 강했던 캐번디시를 선택하게 되었습니다. 캐번디시는 그로 미셸보다 맛은 덜하지만 파나마병에 저항력이 있어 전 세계 바나나 시장의 99%를 차지하게 되었습니다. 그러나 최근 '변종 파나마병(TR4)'이 등장하면서 상황은 다시 급변하고 있습니다. 과거의 질병을 이겨냈던 캐번디시조차 이 새로운 변종 앞에서는 속수무책으로 무너지고 있기 때문입니다. 아시아에서 시작된 이 병은 이제 아프리카와 남미까지 확산되며, 우리가 아는 노란 바나나가 식탁에서 사라질지도 모른다는 공포를 현실로 만들고 있습니다. 바나나의 위기는 현대 농업이 추구해온 단일 재배 방식의 한계를 극명하게 보여줍니다. 생산 효율성을 극대화하기 위해 특정 품종만을 대규모로 재배하는 방식은 생태계의 회복력을 약화시킵니다. 자연 상태의 야생 바나나는 수많은 씨앗과 다양한 유전자를 보유하고 있어 질병에 대응할 수 있는 능력이 있지만, 개량된 바나나는 그렇지 못합니다. 유전적 다양성의 결여는 결국 외부 환경 변화에 대한 대응력을 상실하게 만들며, 이는 식량 안보에 심각한 위협이 됩니다. 과학자들은 이제 바나나를 구하기 위해 유전자 편집 기술이나 야생종과의 교배 등 다양한 방법을 시도하고 있습니다. 질병에 강한 유전자를 찾아내어 캐번디시에 주입하거나, 아예 새로운 품종을 개발하여 시장에 보급하려는 노력이 이어지고 있습니다. 우리가 미래에도 바나나를 즐기기 위해서는 단순히 기술적인 해결책을 넘어, 생물 다양성의 가치를 보존하려는 근본적인 태도 변화가 필요합니다. 멸종의 문턱에 선 바나나는 우리에게 자연과의 공존이라는 중요한 숙제를 던져주고 있습니다.

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생명과학
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[댓글 이벤트] 생물을 뚝딱뚝딱 만들어요??😮 생물 조립설명서📖 합성생물학(with 한국생명공학연구원 이대희 책임연구원)ㅣ요즘과학

합성 생물학은 생명과학의 지식을 바탕으로 성능이 우수한 새로운 생명체나 생물학적 시스템을 설계하고 제작하는 적극적인 학문입니다. 마치 레고 블록을 조립하듯 생명의 기본 요소인 DNA를 조립하여 기존 생명체의 기능을 개선하거나 완전히 새로운 생명체를 만들어냅니다. 예를 들어, 바다의 플라스틱을 분해하는 특수한 미생물을 설계하여 환경 문제를 해결하는 식입니다. 이는 단순히 자연을 연구하는 것을 넘어 인류가 직면한 난제를 해결하기 위해 생명 시스템을 직접 구축하는 미래 지향적인 과학 기술이라 할 수 있습니다. 기존의 생명과학이 자연 속 생명체를 연구하고 유전 정보를 이해하는 데 집중했다면, 합성 생물학은 공학적 관점에서 생명체를 활용합니다. 생명공학이 이미 존재하는 유전 정보를 일부 편집하는 수준이라면, 합성 생물학은 철저한 설계를 통해 최적의 효율을 가진 시스템을 처음부터 구축하는 과정에 가깝습니다. 비유하자면 생명과학이 흩어진 퍼즐 조각을 맞추는 과정인 반면, 합성 생물학은 그 조각들을 이용해 새로운 그림을 그려내는 작업입니다. 이러한 능동적인 접근 방식은 질병 치료와 에너지원 개발 등 무궁무진한 가능성을 열어줍니다. 합성 생물학의 핵심 작동 원리는 '설계-제작-시험-학습'으로 이어지는 DBTL 사이클에 기반합니다. 먼저 인공지능을 활용해 원하는 기능의 DNA 서열을 설계하고, 이를 바탕으로 실제 염기를 이어 붙여 DNA 조각을 제작합니다. 이후 제작된 생명체가 의도대로 작동하는지 엄격한 검증 과정을 거치며, 여기서 얻은 성공과 실패의 데이터는 다시 인공지능 학습에 활용되어 다음 설계의 완성도를 높입니다. 이 반복적인 순환 구조를 통해 연구자들은 시행착오를 줄이고 최적의 성능을 가진 생물학적 결과물을 도출해낼 수 있습니다. 새로운 생명체를 창조하는 과정에는 반드시 엄격한 안전 관리와 책임감이 뒤따라야 합니다. 연구실 내의 철저한 격리 시스템은 물론, 의도치 않게 생명체가 외부로 유출될 경우를 대비한 기술적 안전장치인 '생물 봉쇄 시스템'이 중요하게 다뤄집니다. 예를 들어 특정 온도에서만 생존할 수 있도록 설계된 미생물은 실험실 밖의 환경에 노출되는 즉시 스스로 사멸하게 됩니다. 이러한 방어 기제는 합성 생물학이 자연 생태계에 미칠 수 있는 영향을 최소화하며, 기술의 발전이 인류와 환경에 안전하게 기여할 수 있도록 돕는 필수적인 요소입니다. 합성 생물학의 비약적인 발전을 가능케 하는 핵심 인프라는 바로 '바이오파운드리'입니다. 이는 자동차 제조 공장처럼 생명체의 설계와 제작 과정을 자동화하여 대규모로 수행하는 시설을 의미합니다. 수작업으로 진행하던 복잡한 실험들을 로봇과 자동화 시스템이 대신함으로써 연구의 속도와 정확도를 획기적으로 높일 수 있습니다. 대량의 실험 데이터를 축적하고 이를 인공지능으로 분석하는 바이오파운드리는 산업 혁명에 비견될 만큼 강력한 파급력을 지니며, 첨단 바이오 분야에서 국가적 경쟁력을 확보하기 위한 필수적인 기반이 되고 있습니다.

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[강연] mRNA, 차세대 건강 혁명의 주역_by 안광석 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 1강

2023년 노벨 생리의학상은 코로나19 팬데믹 상황에서 인류를 구한 mRNA 백신 개발의 주역들에게 돌아갔습니다. 헝가리 출신의 카탈린 카리코와 미국의 드루 와이즈만 박사가 그 주인공입니다. 이들의 연구는 단순히 전염병에 대응하는 수단을 넘어, 현대 의학의 패러다임을 바꾸는 혁신적인 성과로 평가받습니다. 수많은 생명을 구한 이 기술의 이면에는 한 과학자의 끈질긴 집념과 열정이 숨어 있습니다. 이번 수상은 과학적 발견이 우리 삶에 얼마나 직접적인 영향을 미칠 수 있는지를 보여주는 상징적인 사건입니다. 과거의 백신 제조 방식은 매우 노동 집약적이고 시간이 오래 걸리는 작업이었습니다. 바이러스를 증식시키기 위해 수많은 유정란에 주사기로 바이러스를 주입하고 다시 추출하는 과정을 거쳐야 했기 때문입니다. 하지만 1980년대 이후 분자생물학이 발전하면서 병원체 전체가 아닌 특정 성분만을 활용하는 방식이 가능해졌습니다. 특히 mRNA 기술은 생산 공정을 표준화할 수 있어 신속하고 비용이 저렴하며, 다양한 바이러스와 세균에 즉각적으로 적용할 수 있는 강력한 장점을 지니고 있습니다. mRNA 연구의 선구자인 카탈린 카리코 박사의 여정은 결코 순탄하지 않았습니다. 헝가리에서 미국으로 이민을 떠날 당시, 그녀는 전 재산인 1,000달러를 어린 딸의 테디베어 인형 속에 숨겨야 할 정도로 절박한 상황이었습니다. 미국에 도착한 후에도 비정규직 연구원으로서 불안정한 삶을 이어갔으며, mRNA 연구에 대한 학계의 냉대와 무관심을 견뎌야 했습니다. 하지만 그녀는 mRNA가 질병 치료의 핵심이 될 것이라는 확신을 굽히지 않았고, 이러한 믿음은 훗날 인류를 구하는 거대한 발견의 씨앗이 되었습니다. mRNA 기술의 가장 큰 난관은 인위적으로 만든 RNA를 체내에 주입했을 때 발생하는 강력한 염증 반응이었습니다. 카리코와 와이즈만 박사는 우리 몸의 천연 RNA인 tRNA에는 염증이 일어나지 않는다는 점에 주목했습니다. 연구 결과, tRNA에 포함된 '슈도우리딘'이라는 변형 염기가 면역 반응을 회피하는 열쇠임을 밝혀냈습니다. 이 발견을 통해 염증 반응 없이 단백질 생산 효율을 수십 배 이상 높인 변형 mRNA를 제작할 수 있게 되었으며, 이는 백신 상용화를 가능케 한 결정적인 돌파구가 되었습니다. 놀라운 발견에도 불구하고 카리코 박사는 소속 대학으로부터 교수 자질이 부족하다는 평가를 받으며 해고 통보를 받는 수모를 겪었습니다. 연구비 수주 실패와 논문 거절이 반복되는 상황에서도 그녀는 과학자로서의 자존심을 지키며 연구를 지속했습니다. 결국 그녀는 독일의 바이오엔테크로 자리를 옮겨 자신의 기술을 믿어주는 동료들을 만났고, 7년 뒤 전 세계를 휩쓴 코로나19에 대항하는 화이자 백신을 탄생시켰습니다. 이는 단기적인 성과에 매몰된 현대 학계에 인내와 기초 연구의 중요성을 일깨워주는 사례입니다. mRNA 기술의 잠재력은 코로나19 백신에 국한되지 않습니다. 이 기술은 암 치료 분야에서도 혁신적인 변화를 예고하고 있습니다. 환자의 암세포에서만 나타나는 특이 단백질 정보를 mRNA에 담아 주입하면, 우리 몸의 면역 체계가 암세포를 직접 공격하도록 유도할 수 있습니다. 이미 30년 전부터 암 치료용으로 연구되어 온 이 플랫폼은 향후 심장 질환, 뇌 질환 등 다양한 난치병 치료제로 확대될 전망입니다. 이제 우리는 mRNA를 통해 질병을 예방하는 시대를 넘어 적극적으로 치료하는 새로운 의학적 시대로 진입하고 있습니다. 과학은 천재들만의 전유물이 아니라, 실패를 두려워하지 않는 인내와 집념의 산물입니다. 카리코 박사는 과학 연구를 조정 경기에 비유하며, 결승선을 보지 못하더라도 동료를 믿고 노를 젓는 과정 자체가 중요하다고 강조합니다. 수많은 거절과 무시 속에서도 묵묵히 자신의 길을 걸어온 그녀의 삶은 우리에게 깊은 감동을 줍니다. 진정한 혁신은 화려한 조명 아래서가 아니라, 아무도 알아주지 않는 실험실에서 묵묵히 흘린 땀방울을 통해 완성된다는 사실을 그녀의 노벨상 수상이 증명하고 있습니다.

안광석

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생명과학

[질문과 토론의 과학 #33] 🙋‍♀️🙋‍♂️인간도 페로몬을 사용할까?

2008년 노벨 화학상은 녹색 형광 단백질(GFP)을 발견하고 이를 응용할 수 있는 길을 연 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. GFP는 1962년 일본의 해양생물학자 시모무라 오사무가 해파리를 연구하던 중 우연히 발견한 물질로, 특정 빛을 받으면 선명한 녹색 빛을 내는 성질을 가지고 있습니다. 이는 높은 에너지를 가진 자외선을 흡수하여 에너지가 낮은 가시광선으로 방출하는 원리로 작동합니다. 보이지 않는 자외선을 눈에 보이는 빛으로 변모시키는 이 신비로운 단백질은 발견 당시만 해도 단순한 해양 생물의 특성으로 여겨졌으나, 이후 현대 생물학의 지형을 완전히 바꾸어 놓았습니다. GFP가 '21세기의 현미경'이라 불리며 극찬을 받는 이유는 살아있는 생명체의 세포 내 활동을 실시간으로 확인할 수 있게 해주기 때문입니다. 연구하고자 하는 특정 유전자에 GFP 유전자를 연결하면, 해당 유전자가 발현될 때 단백질이 함께 빛을 내어 그 위치와 이동 경로를 시각적으로 추적할 수 있습니다. 특히 독성이 없다는 장점 덕분에 암세포의 성장과 전이 과정을 생물체를 해부하지 않고도 관찰할 수 있는 혁신적인 도구가 되었습니다. 이처럼 기발한 아이디어와 결합한 GFP는 보이지 않는 미세 세계를 탐구하는 과학자들에게 강력한 등불이 되어주고 있습니다. 생명체는 빛뿐만 아니라 화학 물질인 페로몬을 통해서도 정교한 소통을 이어갑니다. 페로몬은 곤충이나 포유류가 수 킬로미터 밖의 짝을 찾거나 정보를 전달할 때 분비하는 물질로, 종의 번식과 생존에 결정적인 역할을 합니다. 북극곰이 광활한 설원에서 냄새만으로 짝을 찾아내고, 곤충들이 복잡한 환경 속에서도 서로를 인지하는 것은 모두 이 화학적 신호 덕분입니다. 인간의 경우 페로몬의 영향이 명확히 규명되지는 않았으나, 후각 정보가 이성 간의 상호작용이나 정서적 반응에 일정 부분 기여한다는 연구 결과들이 지속적으로 보고되고 있습니다. 자연계에서는 이러한 화학적 신호를 역이용한 놀라운 속임수도 빈번하게 발생합니다. 어떤 식물은 암말벌의 외형과 페로몬을 완벽하게 흉내 내어 수말벌을 유인함으로써 수분을 시도하기도 합니다. 인간은 이러한 생물의 생존 전략을 농업에 응용하여, 해충의 페로몬을 인공적으로 합성해 짝짓기를 방해하거나 특정 장소로 유인하여 포획하는 친환경 방제 기술을 발전시켰습니다. 또한 바이러스가 세포막의 수용체를 속여 내부로 침투하는 과정 역시 생존을 위한 고도의 정보전이라 할 수 있습니다. 이처럼 생태계는 속고 속이는 치열한 신호의 전쟁터이기도 합니다. 최근 과학계는 형광 단백질과 발광 메커니즘을 예술과 결합한 '바이오 아트'라는 새로운 분야를 개척하고 있습니다. 유전공학을 통해 형광을 띠는 토끼를 탄생시키거나, 스스로 빛을 내는 미생물을 이용해 캔버스 위에 살아있는 작품을 구현하는 시도들이 이어지고 있습니다. 이러한 혁신은 결국 바닷가 해파리를 관찰하던 한 과학자의 순수한 호기심에서 시작되었습니다. 당장의 쓸모를 따지기보다 자연의 원리를 깊이 있게 탐구하는 기초 과학의 힘이, 훗날 인류의 의학적 진보와 예술적 영감으로 이어지는 거대한 결실을 본 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[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

[인터뷰] 정인경 _ 앎은 삶을 바꾼다!

한국 과학사는 전통 과학과 근대 과학의 단절이라는 독특한 배경을 가지고 있습니다. 조선 시대까지는 중국 과학의 영향권에 있었고, 개항 이후에는 서양의 과학 체계가 급격히 유입되었기 때문입니다. 이러한 과정에서 과학은 우리에게 일종의 외래 문화로 다가왔지만, 현재 우리는 이를 우리만의 문화적 자생력으로 소화해 지식을 생산하는 중요한 전환점에 서 있습니다. 지난 100여 년의 역사를 통해 서양 과학과 우리 전통 과학을 함께 조명하며 한국 과학의 위상을 찾아가는 과정은 매우 어렵지만 가치 있는 작업입니다. 과학사를 연구하는 방법은 크게 내적 접근법과 외적 접근법으로 나뉩니다. 내적 접근법이 과학 이론과 개념의 발전 과정을 추적한다면, 외적 접근법은 과학이 사회적 제도나 정치, 문화와 맺는 관계를 탐구하는 사회사에 가깝습니다. 한국 과학사의 경우 기록된 개별 과학자를 찾기 어려워 주로 제도나 교육 기관을 중심으로 한 사회사 연구가 주를 이루어 왔습니다. 앞으로는 훌륭한 현대 과학자들의 연구가 과학사의 영역으로 편입되면서 이론과 사회적 맥락이 더욱 풍성하게 연결될 것으로 기대됩니다. 최근 주목받는 '빅 히스토리'가 현대 과학 이론을 바탕으로 우주의 기원을 다룬다면, 과학사는 과학이 우리 사회에서 수행하는 역할과 방향성을 보여주는 더 넓은 관점을 제공합니다. 특히 과학기술학(STS)은 인공지능이나 유전공학 같은 현대 기술이 사회와 어떻게 충돌하고 변화하는지에 집중합니다. 과학사, 철학, 정책 등을 포괄하는 이러한 융합적 접근은 학생들이 과학을 단순한 지식의 암기가 아닌, 사회적 맥락 속에서 이해하고 비판적으로 사고할 수 있는 '빅 픽처'를 그려주게 합니다. 과학은 결코 완성된 지식의 덩어리가 아니라, 사회적 합의를 거치며 끊임없이 변화하는 과정에 있습니다. 따라서 과학기술이 나아가야 할 방향을 설정하는 일은 과학만의 영역이 아니라 인문학적 성찰이 반드시 동반되어야 하는 과제입니다. 기후 위기나 감염병 같은 현대 사회의 난제들을 해결하기 위해서는 공공의 이익과 돌봄을 우선하는 과학의 공공성이 강조되어야 합니다. 이러한 논의를 통해 우리 사회에 정말 필요한 과학기술이 무엇인지 고민하고 사회적 합의를 이끌어내는 과정이 무엇보다 중요합니다. 역사는 단순히 박제된 과거의 기록이 아니라, 현재의 관점에서 과거를 다시 읽어내는 '재구성'의 과정입니다. 우리가 과거의 과학사를 공부하는 궁극적인 목적은 그 지식을 통해 현재를 더 잘 살아가고 미래를 설계하기 위함입니다. '앎은 삶을 바꾼다'는 말처럼, 과학이라는 지식이 단순한 정보에 그치지 않고 우리 삶을 변화시키는 깊이 있는 경험이 될 때 과학 문화는 비로소 활성화될 수 있습니다. 과거와 현재의 대화를 통해 미래를 향한 새로운 가치를 발견하는 것이 바로 과학사가 우리에게 주는 진정한 선물입니다.

정인경

카오스재단석학인터뷰

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[명강리뷰] DNA : 생명체 번식과 다양성의 열쇠 by 조윤제ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 2강

DNA는 생명체의 근본이자 기원을 담고 있는 물질로, 우리 몸의 설계도와 같습니다. 1953년 왓슨과 크릭이 발표한 이중나선 모델은 단순히 구조를 밝힌 것을 넘어 유전 정보가 어떻게 다음 세대로 전달되는지 그 복제 메커니즘을 암시했다는 점에서 혁명적이었습니다. 당시 과학계는 유전자가 어떻게 복제되는지 전혀 알지 못했으나, 이중나선 구조의 발견은 두 가닥이 각각 복제의 틀이 될 수 있음을 시사하며 생명 과학의 새로운 지평을 열었습니다. 왓슨과 크릭의 가설은 이후 메셀슨과 스탈의 실험을 통해 '반보존적 복제' 모델로 증명되었습니다. 이는 기존의 이중나선이 두 가닥으로 쪼개지고 각각을 기반으로 새로운 염기가 합쳐져 새로운 DNA가 합성된다는 원리입니다. 또한 콘버그는 이러한 복제 과정이 수천, 수만 개의 염기를 단 몇 초 만에 처리할 수 있도록 돕는 생체 촉매인 DNA 복제 효소를 발견했습니다. 이러한 효소의 존재 덕분에 우리 몸은 방대한 유전 정보를 신속하고 정확하게 복제하며 생명 활동을 유지할 수 있습니다. 유전자의 염기 서열은 단백질을 구성하는 아미노산의 종류와 조합을 결정하며, 이는 곧 단백질의 고유한 입체 구조와 기능으로 이어집니다. 우리 몸의 근육을 움직이는 마이오신이나 산소를 운반하는 헤모글로빈처럼, 단백질은 그 모양에 따라 각기 다른 생체 기능을 수행합니다. 결국 유전자의 미세한 염기 서열 차이가 단백질의 기능을 변화시키고, 이것이 생명체의 외형이나 특성 같은 다양한 현상을 좌우하게 되는 것입니다. 이는 생명체의 다양성이 분자 수준에서 어떻게 시작되는지를 잘 보여줍니다. 하지만 생명체의 모든 운명이 오직 유전자에 의해서만 결정되는 것은 아닙니다. 최근 주목받는 후생유전학은 동일한 유전자를 가졌더라도 환경이나 시기에 따라 유전자의 발현 정도가 달라질 수 있음을 설명합니다. 세포 내에서 DNA는 히스톤 단백질에 감겨 염색체 형태를 띠는데, 이 구조가 풀리고 닫히는 타이밍에 따라 유전 정보의 읽기 여부가 결정됩니다. 즉, 우리가 처한 환경과 생활 방식이 유전자의 스위치를 켜고 끄는 역할을 하며 생명체의 다양성을 더욱 풍성하게 만드는 것입니다. 현대 과학은 염기 서열을 읽는 단계를 넘어 이를 조작하고 치료에 활용하는 수준에 도달했습니다. 특정 염기 서열을 자르는 제한 효소의 발견은 유전자 재조합 기술을 가능하게 했으며, 이는 생명공학 분야의 비약적인 발전을 이끌었습니다. 나아가 건강한 유전자를 바이러스에 실어 환자의 세포에 전달하는 유전자 치료는 난치병 해결의 새로운 열쇠가 되고 있습니다. 이처럼 DNA에 대한 깊은 이해는 인류가 질병을 극복하고 생명의 신비를 응용하는 데 결정적인 기여를 하고 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

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

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

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
융합

[강연] GATC로 만든 세계, 우리 몸의 설계도 by장혜식｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 3강

우리 몸의 모든 세포는 생명의 설계도인 DNA를 품고 있습니다. G, A, T, C라는 네 종류의 염기로 이루어진 이 설계도는 부모로부터 물려받은 유전 정보를 담고 있어, 우리의 조상이 어디서 왔는지 추적하는 중요한 단서가 됩니다. Y 염색체를 통해 부계 조상을, 미토콘드리아 DNA를 통해 모계 조상을 따라가다 보면 인류의 기원인 아프리카에서부터 전 세계로 퍼져나간 여정을 확인할 수 있습니다. 이러한 유전 정보는 단순한 혈통을 넘어 한국인으로서의 정체성을 명확히 구분해 줄 만큼 정교한 데이터를 제공합니다. DNA는 외모나 건강 상태에 대한 구체적인 정보도 담고 있습니다. 귀지의 상태나 손가락 길이, 탈모 가능성 같은 신체적 특징은 물론, 특정 질병에 걸릴 확률까지 예측할 수 있게 해줍니다. 대표적인 사례로 안젤리나 졸리는 유전자 검사를 통해 유방암과 난소암 발생 위험을 미리 인지하고 예방적인 조치를 취해 큰 화제가 되었습니다. 이는 유전체 정보가 단순한 호기심을 충족하는 수준을 넘어, 현대 의학에서 질병을 예방하고 관리하는 데 얼마나 결정적인 역할을 하는지 잘 보여주는 사례입니다. 유전체 정보는 희귀 유전 질환 치료에도 새로운 길을 열어주고 있습니다. 바텐병이라는 희귀 유전 질환을 앓던 '밀라'라는 아이의 사례가 대표적입니다. 기존 의학으로는 해결책이 없었지만, 유전자 분석을 통해 단 14글자의 염기 서열 이상이 병의 원인임을 밝혀냈습니다. 이를 바탕으로 단 한 명의 환자만을 위한 맞춤형 약물인 '밀라센'이 개발되었고, 아이의 상태는 기적적으로 호전되었습니다. 이는 유전체 지도가 난치병 환자들에게 희망을 줄 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 증명한 역사적인 사건이었습니다. 인간의 유전체는 약 31억 개의 글자로 이루어진 방대한 정보의 집합체입니다. 이를 종이에 인쇄한다면 바닥에서 천장까지 가득 채울 정도로 엄청난 양입니다. 과거 생물학자들은 이 거대한 정보의 바다에서 지도가 없어 큰 어려움을 겪었습니다. 이에 1990년, 전 세계 과학자들은 인류의 설계도를 완전히 읽어내기 위한 '인간 유전체 프로젝트'를 시작했습니다. 당시 기술로는 수만 년이 걸릴 것으로 예상되었던 무모한 도전이었지만, 인류는 생명의 신비를 풀기 위해 이 거대한 항해에 나섰습니다. 유전체 해독 과정은 공공 프로젝트 팀과 크레이그 벤터가 이끄는 민간 기업 사이의 치열한 경쟁으로 이어졌습니다. 벤터는 '전장 유전체 샷건 시퀀싱'이라는 혁신적인 방법을 제안하며 해독 속도를 획기적으로 높였습니다. 또한, 기존보다 10배 이상 성능이 뛰어난 자동 염기 서열 분석 장치의 등장은 이 경쟁에 불을 지폈습니다. 유전 정보의 특허권 문제로 갈등을 빚기도 했지만, 이러한 기술적 진보와 경쟁은 결과적으로 인간 유전체 해독을 예상보다 훨씬 앞당기는 원동력이 되었습니다. 2000년 6월, 마침내 인간 유전체의 초안이 완성되어 전 세계에 발표되었습니다. 이 과정에서 대학원생 짐 켄트는 유전 정보가 특정 기업에 독점되지 않도록 밤낮없이 코딩에 매달려 공공 유전체 지도를 완성하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 그 결과 탄생한 '유전체 브라우저'는 누구나 인터넷을 통해 인류의 설계도를 자유롭게 열람할 수 있게 해주었습니다. 이를 통해 우리는 인간의 유전자 수가 생각보다 적다는 사실과, 단백질을 만들지 않는 나머지 98%의 영역에도 중요한 비밀이 숨겨져 있음을 알게 되었습니다. 오늘날 유전체 기술은 우리 삶의 안전을 지키는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 코로나19 팬데믹 당시, 바이러스의 유전체 서열이 발견 일주일 만에 해독되어 전 세계에 공유된 것이 대표적인 예입니다. 이 정보를 바탕으로 단 이틀 만에 백신 설계가 완료되었고, 신속하게 진단 키트가 개발되어 수많은 생명을 구할 수 있었습니다. 이제 유전체 세계는 정보 과학과 결합하여 정밀 의료와 희귀병 진단 등 무궁무진한 가능성을 제시하고 있으며, 미래의 과학자들에게 새로운 탐험의 장이 되고 있습니다.

장혜식

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[그림으로 보는 과학뉴스] mRNA 백신?

최근 코로나19 확진자 수가 급증하며 사회적 거리두기가 강화되는 등 우려가 커지는 가운데, 화이자와 모더나의 백신 임상 결과는 가뭄에 단비 같은 소식입니다. 임상 3상에서 약 95%의 예방 효과를 보인 이 백신들은 단순한 방역 차원을 넘어 팬데믹의 근본적인 해결책이 될 것으로 기대를 모으고 있습니다. 비록 생산량의 한계나 물량 선점과 같은 현실적인 과제가 남아있지만, 연말부터 본격적인 출시가 예고되면서 일상 회복을 향한 희망적인 전망이 나오고 있습니다. 기존의 백신 생산 방식은 인플루엔자나 홍역 백신처럼 바이러스 단백질 자체를 몸속에 주입하는 형태였습니다. 바이러스를 직접 넣으면 위험하기 때문에 독성을 약독화하거나 불활성화하는 복잡한 과정을 거쳐야 했으며, 이를 위해 유정란 등을 이용해 바이러스를 대량으로 배양하는 긴 시간이 필요했습니다. 반면 이번에 주목받는 mRNA 백신은 단백질이 아닌 유전 정보를 이용한다는 점에서 혁신적입니다. 이는 바이러스를 직접 배양하는 대신 설계된 유전자를 통해 항원을 생성하는 방식입니다. mRNA 백신의 핵심 원리는 우리 몸의 단백질 합성 과정을 이용하는 데 있습니다. DNA의 유전 정보가 단백질로 발현될 때 mRNA가 그 정보를 리보솜으로 전달하는 역할을 수행하는데, 과학자들은 코로나바이러스의 스파이크 단백질을 만드는 mRNA를 인공적으로 설계했습니다. 이 백신이 세포 내로 들어가면 세포는 이를 세포핵에서 내려온 지시로 인식하여 스파이크 단백질을 스스로 만들어냅니다. 이 과정에서 독성을 일으키는 부분은 배제하고 항체 생성에 필요한 정보만을 전달하여 안전성을 높였습니다. 이러한 유전공학적 접근은 여러 가지 기술적 장점을 제공합니다. 우선 바이러스 단백질 전체를 주입하지 않으므로 감염 우려가 전혀 없는 비감염성 백신이라는 점에서 안전성이 뛰어납니다. 또한 mRNA는 설계가 자유로워 코로나19뿐만 아니라 다른 변이 바이러스나 질병에 대해서도 해당 유전 정보만 파악하면 신속하게 대응할 수 있습니다. 숙주 세포를 이용한 복잡한 배양 과정이 생략되기 때문에 신속한 생산이 가능하고 비용 면에서도 효율적이라는 점이 대규모 팬데믹 상황에서 큰 강점으로 작용합니다. 기존의 백신 개발이 보통 10년 이상의 긴 시간을 필요로 했던 이유는 바이러스마다 다른 배양 조건을 찾고 안전성을 검증하는 과정이 매우 까다로웠기 때문입니다. 하지만 mRNA 방식은 유전 정보만 확보되면 즉시 설계에 착수할 수 있어 개발 기간을 획기적으로 단축했습니다. 이번 성과는 단순히 코로나19 극복을 위한 도구를 넘어, 향후 다양한 감염병과 난치성 질환 치료에 새로운 지평을 여는 신기원이 될 것입니다. 첨단 유전공학 기술이 인류의 건강을 지키는 강력한 방패로 자리매김하고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학
융합

[노벨상 해설강연] 노벨화학상: 다가오는 유전자 교정 시대_ 배상수｜카오스재단 x 고등과학원 '2020 노벨상 해설강연' | 3강

지구상의 모든 생명체는 세포를 기본 단위로 하며, 그 안에는 생명 활동을 영위하고 정보를 전달하는 유전 물질인 DNA가 존재합니다. DNA는 아데닌, 구아닌, 사이토신, 티민이라는 네 가지 염기로 이루어진 일종의 문자열과 같습니다. 우리가 외국어를 공부하여 그 의미를 이해하듯, DNA의 서열을 읽고 쓰는 기술은 생명의 신비를 풀기 위한 핵심적인 도구입니다. 특히 유전자 가위 기술은 DNA를 직접 표적화하여 정보를 수정함으로써, 유전자의 기능과 원리를 규명하고 질병을 치료할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 유전자 교정의 역사는 1960년대 제한 효소의 발견으로부터 시작되었습니다. 초기에는 특정 염기 서열을 인식해 자르는 제한 효소를 이용해 인슐린을 대량 생산하는 등 유전공학의 혁명을 일으켰으나, 인간과 같은 복잡한 생명체에 적용하기에는 한계가 있었습니다. 인식하는 서열이 너무 짧아 원치 않는 부위가 함께 잘리는 문제가 있었기 때문입니다. 이후 단백질을 이용해 정밀도를 높인 1세대 징크 핑거와 2세대 탈렌 기술이 개발되었지만, 제작 과정이 까다롭고 비용이 많이 들어 대중적으로 활용되기에는 어려움이 따랐습니다. 3세대 기술인 크리스퍼 유전자 가위는 구조가 단순하고 제작이 쉬워 유전자 교정의 대중화를 이끌었습니다. 이 기술은 박테리아가 바이러스의 공격에 대항하기 위해 갖춘 후천적 면역 체계에서 착안한 것으로, 특정 DNA를 찾아가는 가이드 RNA와 절단 역할을 하는 단백질로 구성됩니다. 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 이 시스템을 인공적으로 재설계하여 효율적인 도구로 만들어낸 공로로 노벨 화학상을 수상했습니다. 이제 연구자들은 RNA 서열만 교체함으로써 원하는 유전자를 자유자재로 교정할 수 있는 강력한 수단을 갖게 되었습니다. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 기초 과학 연구부터 실생활 응용까지 광범위한 변화를 가져왔습니다. 실험실에서는 특정 유전자가 제거된 형질 전환 동물을 단기간에 만들어 질병 모델 연구에 활용하며, 농업 분야에서는 갈변하지 않는 버섯이나 기후 변화에 강한 작물을 개발하고 있습니다. 의료 분야에서는 환자의 세포를 체외에서 교정해 다시 주입하거나, 체내 특정 기관에 유전자 가위를 직접 전달하여 희귀 질환을 치료하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 심지어 멸종 동물의 복원이나 특정 유전자를 종 전체에 확산시키는 유전자 드라이브 기술까지 논의되고 있습니다. 유전자 교정 기술이 인간 배아에 적용되면서 사회적, 윤리적 논란이 제기되기도 했지만, 이는 기술의 발전 과정에서 반드시 거쳐야 할 숙제입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 많은 우려가 있었으나, 현재는 수많은 난임 부부에게 희망을 주는 보편적인 기술로 자리 잡았습니다. 유전자 가위 역시 법적, 제도적 틀 안에서 안전하게 관리된다면 인류의 건강과 복지에 크게 기여할 것입니다. 상상 속의 미래가 현실이 되는 시대에, 우리는 이 강력한 도구를 지혜롭게 통제하고 활용하여 더 나은 세상을 만들어가야 합니다.

배상수

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[그림으로 보는 과학뉴스] 2020 노벨 화학상

2020년 노벨 화학상은 유전자 교정 기술의 혁명을 일으킨 '크리스퍼 유전자 가위'를 발견한 두 여성 과학자에게 돌아갔습니다. 에마뉘엘 샤르팡티에 교수와 제니퍼 다우드나 교수는 생명과학의 패러다임을 바꾼 공로를 인정받았습니다. 이 기술은 유전체의 특정 부위를 정교하게 절단하여 유전 정보를 수정할 수 있게 해줍니다. 과거에는 상상하기 어려웠던 정밀한 유전자 교정이 가능해지면서 질병 치료와 농작물 개량 등 다양한 분야에서 인류의 미래를 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 크리스퍼(CRISPR)라는 명칭은 '주기적으로 간격을 두고 분포하는 짧은 회문 구조 반복 서열'의 약자입니다. 처음 이 구조를 발견한 미생물학자들은 세균의 유전체 안에서 바이러스의 유전 정보가 규칙적으로 배열된 독특한 모습을 포착했습니다. 회문 구조란 앞에서 읽으나 뒤에서 읽으나 동일한 서열을 의미하며, 이는 세균의 생존 전략과 밀접한 관련이 있습니다. 초기 발견 당시에는 그 구체적인 기능을 알지 못했으나, 이 특이한 배열이 훗날 유전자 가위 기술의 핵심적인 토대가 되었습니다. 크리스퍼의 실질적인 방어 기제는 뜻밖에도 요구르트 회사의 연구 과정에서 밝혀졌습니다. 유산균이 바이러스의 공격에 저항하는 방식을 연구하던 중, 세균이 과거 침입했던 바이러스의 유전 정보를 기억해 두었다가 재침입 시 이를 즉각 제거한다는 사실이 드러난 것입니다. 세균은 일종의 '블랙리스트'를 만들어 바이러스의 염기 서열을 보관하고, 동일한 적이 나타나면 이를 인식해 파괴하는 정교한 면역 시스템을 갖추고 있었습니다. 이는 자연계에 존재하는 천연 유전자 가위의 발견이었습니다. 3세대 유전자 가위로 불리는 크리스퍼-Cas9 시스템은 이전 세대 기술들에 비해 비약적인 정확도를 자랑합니다. 1세대와 2세대 기술이 인식할 수 있는 염기 서열이 10개 내외였던 것에 반해, 크리스퍼-Cas9은 약 21개의 염기 서열을 인식할 수 있습니다. 인식하는 서열이 길어질수록 확률적으로 훨씬 더 정밀하게 원하는 위치를 찾아낼 수 있으며, 이는 오작동의 위험을 획기적으로 줄여줍니다. Cas9 효소는 이 과정에서 실제 유전자를 절단하는 '칼'의 역할을 수행하며 유전자 교정의 효율성을 극대화합니다. 이번 노벨상은 기술이 발표된 지 불과 8년 만에 수여되었다는 점에서 매우 이례적이고 획기적인 사례로 평가받습니다. 보통 수십 년의 검증 과정을 거치는 다른 과학 분야와 달리, 크리스퍼 기술이 인류 사회와 과학계에 미친 영향력이 그만큼 즉각적이고 거대했음을 의미합니다. 유전병의 근본적인 치료법을 제시하고 생명공학의 새로운 지평을 연 이 기술은, 앞으로도 의학적 혁신을 넘어 생태계 전반에 걸쳐 인류가 직면한 난제들을 해결하는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

국립과천과학관요즘과학👏

화학
생명과학

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

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

김빛내리

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[강연] 화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가? _ by박태현｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 10강 | 10강 ①

수소는 우주에서 가장 흔한 원소이자 미래의 청정 에너지원으로 주목받고 있습니다. 흔히 수소를 폭발 위험이 큰 물질로 생각하지만, 실제로 수소가 폭발하기 위해서는 산소와 적절한 비율로 혼합되어야 하는 조건이 필요합니다. 연소 후 오직 물만을 남기는 수소는 공해 없는 에너지 시스템의 핵심이며, 앞으로 수소전기자동차와 같은 기술을 통해 우리 실생활에 더욱 깊숙이 자리 잡을 것입니다. 수소 자체는 위험한 폭발물이 아니라, 우리가 어떻게 제어하고 활용하느냐에 따라 인류의 지속 가능한 발전을 이끌 소중한 자원이 됩니다. 인간의 오감 중 시각, 청각, 촉각은 물리적 성질을 인지하는 감각인 반면, 미각과 후각은 화학 분자를 인지하는 화학적 감각입니다. 우리는 이미 카메라나 오디오 레코더를 통해 시각과 청각 정보를 디지털화하여 스마트폰에 담아냈지만, 화학적 감각을 대신할 장치는 아직 일상화되지 않았습니다. 냄새와 맛을 감지하는 유일한 장비가 여전히 우리의 코와 혀라는 사실은 이 분야가 과학적으로 매우 도전적인 영역임을 시사합니다. 이러한 화학적 감각의 디지털화는 현대 과학이 풀어야 할 거대한 미스터리 중 하나로 남아 있습니다. 후각의 원리는 오랫동안 베일에 싸여 있었으나, 2000년대에 들어서야 분자 차원에서 그 메커니즘이 밝혀졌습니다. 인간의 코에는 약 400종류의 후각 수용체가 존재하며, 특정 냄새 분자가 이 수용체들과 결합하여 만들어내는 독특한 조합의 패턴이 뇌에 전달되어 냄새로 인식됩니다. 이는 마치 QR코드가 정보를 담고 있는 것과 유사하며, 동일한 성분이라도 농도에 따라 결합하는 수용체의 패턴이 달라지면 전혀 다른 향기로 느껴지기도 합니다. 이러한 발견은 후각이 단순한 화학 반응을 넘어선 복잡한 정보 처리 과정임을 보여줍니다. 바이오 전자코는 인간의 후각 수용체를 인공적으로 구현하여 냄새를 디지털 신호로 변환하는 혁신적인 기술입니다. 인간의 유전 정보를 활용해 대장균과 같은 미생물에서 수용체를 대량 생산하고, 이를 나노튜브나 그래핀과 같은 나노소자와 결합하여 미세한 전류 변화를 측정합니다. 이 기술이 완성되면 질병의 조기 진단이나 식품의 신선도 측정, 재난 현장에서의 실종자 수색 등 다양한 분야에서 인간의 능력을 뛰어넘는 감지 능력을 발휘할 것입니다. 이는 생명공학과 전자공학이 결합하여 만들어낸 융합 기술의 정수라고 할 수 있습니다. 미각 역시 혀 위의 수용체가 화학 물질과 결합하며 느끼는 감각으로, 단맛, 쓴맛, 짠맛, 신맛, 감칠맛의 다섯 가지 기본 맛으로 구성됩니다. 특히 단맛의 경우 설탕, 아스파탐, 사카린처럼 구조가 전혀 다른 물질들이 동일한 수용체에 결합하여 같은 맛을 내기도 합니다. 이러한 원리를 이용한 바이오 전자혀는 인간의 미각을 정밀하게 재현하여 식품 개발이나 독성 물질 탐지 등에 활용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 화학 구조만으로는 예측하기 힘든 맛의 영역을 생체 수용체를 통해 객관적인 수치로 변환하는 것이 이 기술의 핵심입니다. 자연의 생명체로부터 영감을 얻는 생물 모방 기술은 의료 분야에서도 큰 혁신을 일으키고 있습니다. 거친 파도 속에서도 바위에 단단히 붙어 있는 홍합의 홍합 접착 단백질은 인체에 무해하면서도 강력한 접착력을 지녀, 실로 꿰매는 기존의 봉합 방식을 대체할 차세대 의료용 접착제로 주목받고 있습니다. 유전공학을 통해 대량 생산된 이 단백질은 흉터를 최소화하고 수술 후 회복 속도를 높이는 등 환자의 삶의 질을 획기적으로 개선하고 있습니다. 자연이 수억 년에 걸쳐 최적화해 온 생존 전략을 인간의 기술로 재해석하여 실생활에 적용하는 사례입니다. 4차 산업혁명 시대는 디지털, 바이오, 물리 기술이 유기적으로 융합되어 새로운 가치를 창출하는 시대입니다. 냄새를 코드화하여 시각적으로 보여주거나 멀리 떨어진 곳으로 전송하는 기술은 더 이상 영화 속 상상이 아닙니다. 화학적 감각이 스마트폰 속으로 들어오는 '오감 스마트폰'의 시대가 머지않았으며, 자연의 원리를 깊이 이해하고 이를 첨단 기술과 결합하려는 노력은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 안전하게 만들어 줄 것입니다. 과학적 호기심에서 시작된 탐구는 이제 인간의 감각을 확장하고 세상을 인지하는 새로운 방식을 제시하고 있습니다.

박태현, 차형준

카오스재단카오스강연

화학

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

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

조윤제

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생명과학

[강연] 게놈으로 읽는 생명/유전자가위로 유전자 수술하기 _ 박종화, 김진수 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 9강 | 9강 ⑤

유전체 교정을 통해 인간의 수명을 연장하려는 시도는 매우 흥미로운 주제입니다. 하지만 노화나 암, 당뇨병과 같은 복합 형질은 단 하나의 유전자가 아닌 수십 개의 유전자가 복잡하게 얽혀 상호작용하며 나타나는 결과입니다. 따라서 특정 유전자 하나를 바꾼다고 해서 즉각적인 변화를 기대하기는 어렵습니다. 유전적 요인뿐만 아니라 환경적 요인까지 고려한 정밀한 조절이 필요하며, 이를 치료에 적용하기 위해서는 장기간의 임상 시험을 통해 안전성과 유효성을 철저히 검증하는 과정이 필수적입니다. 유전자 가위 기술은 이론적으로 많은 질병을 고칠 수 있는 가능성을 제시하지만, 모든 병을 고치는 만병통치약은 아닙니다. 질병의 원인은 유전적 요인 외에도 매우 다양하기 때문입니다. 현재는 유전적 변이로 인해 발생하는 난치병을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있으며, 기술의 발전과 함께 특정 유전자를 수정하여 수명을 연장하거나 특정 신체 기능을 강화하는 연구도 이루어지고 있습니다. 하지만 우리가 아직 모르는 유전자의 복합적인 작용이 많기에 기술적 한계를 명확히 인식하는 태도가 중요합니다. 멸종된 매머드를 복원하려는 시도는 유전공학의 기술적 진보를 보여주는 상징적인 사례입니다. 매머드의 유전적 특징을 파악해 코끼리의 체세포에 삽입하는 방식은 기술적으로 가능할 수 있지만, 이는 생태계 복원보다는 엔터테인먼트적인 성격이 강합니다. 수천만 년의 시간을 건너뛰어 나타난 생명체가 현재의 변화된 환경과 미세먼지 속에서 생존하기란 매우 어렵기 때문입니다. 또한 대리모 역할을 할 동물의 생물학적 수용성 문제와 윤리적 논란은 기술적 가능성 너머에 존재하는 거대한 장벽입니다. 과거에는 불가능했던 정밀 의료가 유전체 분석 기술의 발달로 현실화되고 있습니다. 스티브 잡스와 같은 사례에서 보듯, 암세포의 변화를 실시간으로 추적하고 수만 가지 약물을 스크리닝하여 환자에게 가장 적합한 맞춤형 치료를 제공하는 방식이 가능해졌습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어 유전체 정보를 바탕으로 건강을 관리하는 시대로의 전환을 의미합니다. 다만 이러한 첨단 의료 서비스가 대중화되기 위해서는 막대한 비용 문제와 사회적 합의가 선행되어야 하며, 기술의 혜택이 공정하게 분배될 수 있는 구조가 필요합니다. 진화의 방향성에 대한 논의는 유전자 가위 기술의 등장으로 새로운 국면을 맞이했습니다. 기존의 진화론이 무작위적인 변이와 자연선택을 강조했다면, 이제 인류는 스스로의 유전체를 편집함으로써 진화의 방향을 결정할 수 있는 위치에 서게 되었습니다. 이를 '눈먼 진화'에서 '눈뜬 진화'로의 이행이라고 부르기도 합니다. 인류가 자신의 유전적 운명을 선택하는 것이 자연스러운 진화의 과정인지, 아니면 인위적인 개입인지에 대한 철학적 논쟁은 앞으로도 계속될 것이며, 이는 생명과학의 핵심적인 화두가 될 것입니다. 유전체 데이터는 인류의 과거를 재구성하는 데에도 결정적인 역할을 합니다. 고대 화석에서 추출한 유전체 정보와 탄소 동위원소 연대 측정 기술은 기존의 고고학적 가설들을 뒤엎고 인류의 이동 경로를 새롭게 그려내고 있습니다. 예를 들어 아시아인의 이동 경로가 북방이 아닌 남방 중심이었다는 연구 결과는 역사 교과서의 내용을 수정해야 할 만큼 파급력이 큽니다. 과학적 증거를 바탕으로 한 이러한 발견들은 국수주의적인 시각에서 벗어나 인류의 역사를 보다 객관적이고 열린 자세로 바라보게 하는 계기를 마련해 줍니다. 유전자 가위 기술은 암 치료 분야에서도 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 암세포를 직접 공격하는 대신 면역 세포의 유전자를 교정하여 암세포의 회피 기작을 무력화하는 면역 세포 치료제가 대표적입니다. 이러한 첨단 치료제는 임상 시험을 통해 놀라운 성과를 거두고 있지만, 상용화 과정에서 발생하는 고가의 약가 문제는 여전히 해결해야 할 숙제입니다. 기술적 완성도를 높이는 것만큼이나 국가적 차원의 규제와 의료 보험 적용 등 사회적 시스템을 구축하는 노력이 병행되어야 유전자 교정의 혜택이 실질적으로 전달될 수 있습니다.

김진수, 박종화

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생명과학

[강연] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 (3) _최철희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 3강 | 3강 ③

우리가 사물을 보는 과정은 빛이라는 물리적 에너지를 화학적 신호로 변환하는 정교한 메커니즘에서 시작됩니다. 안구의 앞부분이 렌즈 역할을 하여 초점을 맞추면, 빛은 망막에 도달해 비타민 A 유도체인 레티날과 옵신을 자극합니다. 이 과정에서 발생하는 전기화학적 신호는 시신경을 통해 대뇌로 전달되어 비로소 우리가 색과 형태를 인지하게 됩니다. 망막에는 명암을 구분하는 간상세포와 색을 감지하는 원추세포가 있어, 빛의 정보를 안테나처럼 수집하여 뇌가 처리할 수 있는 데이터로 바꾸어 줍니다. 인간은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 원추세포를 통해 수많은 색상을 조합해 인지합니다. 하지만 대부분의 포유류는 두 가지 색소만을 가져 적색과 녹색을 잘 구별하지 못합니다. 이는 진화의 역사와 깊은 관련이 있는데, 공룡이 지배하던 시절 포유류의 조상들이 야행성 생활을 하며 색 구별 능력을 포기했기 때문입니다. 이후 영장류로 진화하며 붉은 과일을 찾기 위해 다시 녹색과 적색을 구별하는 능력을 발달시킨 것으로 보입니다. 이러한 진화적 선택은 우리가 세상을 다채롭게 바라보는 기초가 되었습니다. 자연계에는 인간보다 훨씬 복잡하거나 독특한 시각 체계를 가진 생명체들이 존재합니다. 곤충은 자외선 영역을 볼 수 있어 꽃의 위치를 파악하며, 새들은 네 종류의 색소를 가져 인간보다 더 화려한 세상을 경험합니다. 특히 갯가재의 일종인 맨티스 쉬림프는 무려 12종류의 색소를 보유하고 있어 빛의 편광까지 감지할 수 있습니다. 이는 투명한 먹잇감을 사냥하기 위해 최적화된 결과입니다. 이처럼 시각은 각 생명체가 처한 환경과 생존 전략에 맞춰 각기 다른 방식으로 정교하게 진화해 왔음을 알 수 있습니다. 시각 인지 능력은 유전적 요인에 의해서도 차이를 보입니다. 적색을 감지하는 옵신 유전자는 X 염색체에 위치하기 때문에, 남성이 여성보다 적록색맹이 나타날 확률이 훨씬 높습니다. 흥미로운 점은 위대한 화가 고흐 역시 색맹이었을 가능성이 제기된다는 것입니다. 그의 작품을 색맹의 시각으로 변환해 보면 일반인이 보는 것과 유사한 색감을 띠기도 합니다. 이는 시각적 한계가 예술적 창의성을 가로막지 않으며, 우리가 보는 세상이 절대적인 것이 아니라 각자의 감각 기관이 해석한 결과물임을 시사합니다. 눈의 탄생은 생명체의 진화 속도를 비약적으로 앞당겼습니다. 포식자를 피하기 위해 이동 속도가 빨라졌고, 몸을 보호하기 위한 골격이 발달하기 시작했습니다. 또한 시각은 번식을 위한 유혹의 수단으로도 활용되어 공작새처럼 화려한 색채를 뽐내게 만들었습니다. 이때 나타나는 화려한 색은 단순히 색소에 의한 '흡수색'뿐만 아니라, 나노 구조를 통해 빛을 반사하는 '구조색'인 경우도 많습니다. 결국 시각은 생존과 번식이라는 생명의 근본적인 목적을 달성하기 위해 끊임없이 변화하며 세상을 풍요롭게 만들어 왔습니다.

최철희

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