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[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

[과학원리체험]@HOME 시즌2 -뼈의 응력-

응력은 물체에 외력이 가해졌을 때 그 외력에 저항하여 물체 내부에서 발생하는 저항력을 의미합니다. 일상에서는 흔히 '스트레스'라는 용어로도 불리는데, 이는 단순히 심리적인 상태뿐만 아니라 물리적인 구조물이나 우리 몸의 뼈에서도 동일하게 작용하는 물리적 개념입니다. 하지만 이러한 응력은 평상시 우리 눈에 직접 보이지 않기 때문에, 어느 부위에 얼마만큼의 응력이 집중되고 있는지 파악하기 위해서는 빛의 성질을 이용한 특수한 관찰 방법이 필요합니다. 빛의 편광 현상을 이용하면 보이지 않는 응력을 시각적으로 확인할 수 있습니다. 두 장의 편광 필름을 90도로 겹치면 모든 방향의 빛이 차단되어 어둡게 보이지만, 그 사이에 응력이 발생한 플라스틱 물체를 놓으면 상황이 달라집니다. 물체 내부의 응력이 빛의 경로를 변화시키기 때문입니다. 이를 통해 우리는 투명한 플라스틱 포크와 같은 물체 내부에서 응력이 어떻게 분산되고 어디에 집중되는지를 과학적으로 정밀하게 관찰할 수 있게 됩니다. 플라스틱 포크에 외력을 가하면 무지개 형태의 화려한 무늬가 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 이는 응력이 심한 부분에서 빛이 굴절하며 백색광이 여러 색으로 분산되기 때문입니다. 원래 90도로 교차한 편광 필름은 빛을 통과시키지 않아야 하지만, 응력으로 인해 빛의 편광 방향이 비틀어지면서 일부 빛이 필름을 통과하게 됩니다. 색깔 변화가 심하고 무늬가 조밀한 곳일수록 더 큰 응력이 작용하고 있음을 의미하며, 이를 통해 물체의 구조적 취약점을 파악할 수 있습니다. 이러한 원리는 우리 몸의 뼈 건강을 진단하는 데에도 중요한 시사점을 제공합니다. 뼈는 피부 내부에 있어 가시광선으로는 직접 볼 수 없지만, X선과 같은 전자기파를 이용하면 내부의 응력 상태를 유추할 수 있습니다. X선 역시 빛의 일종으로, 뼈의 밀도나 구조적 변형에 따라 투과와 굴절이 달라지는 성질을 이용합니다. 가시광선 이외의 다양한 전자기파를 활용함으로써 우리는 눈에 보이지 않는 인체 내부의 물리적 변화와 응력 지점을 분석할 수 있습니다. 현대 과학에서 빛은 단순히 어둠을 밝히는 도구를 넘어 물리, 화학, 생물 등 모든 분야에서 보이지 않는 진실을 밝혀내는 핵심적인 역할을 수행합니다. 편광을 이용해 뼈의 응력을 이해하는 과정은 우리가 인지하지 못하는 자연의 법칙을 시각화하는 훌륭한 사례입니다. 빛의 굴절과 편광 특성을 깊이 있게 이해한다면, 우리 몸을 지탱하는 뼈가 받는 부담을 과학적으로 분석하고 관리하는 등 실생활과 밀접한 다양한 기술적 발전을 이룰 수 있을 것입니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학
융합

[강연] 뉴턴의 세계에 균열이 생기다 _ 김상욱 교수_2강 | 2018 여름 카오스 마스터 클래스 '물리' | 1강 ②

뉴턴 역학의 F=ma는 오랫동안 우주를 이해하는 절대적인 법칙으로 군림해 왔습니다. 하지만 20세기에 들어서며 이 견고한 체계에 균열이 생기기 시작했습니다. 물리학을 하나의 연극에 비유한다면, 시공간은 무대이고 물질은 배우이며 관찰자는 관객이라 할 수 있습니다. 고전 역학에서는 무대가 고정된 채 배우들만 움직인다고 보았으나, 현대 물리학은 무대 자체가 배우의 움직임에 따라 변하고 관객의 시선이 연극의 내용에 영향을 줄 수 있음을 밝혀냈습니다. 이러한 변화는 우리가 우주를 바라보는 관점을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았습니다. 뉴턴은 그의 저서 '프린키피아'에서 시간과 공간을 절대적이고 수학적인 개념으로 정의했습니다. 이는 당시 사람들의 일상적인 시간 관념을 뛰어넘는 위대한 도약이었습니다. 산업혁명 이전의 인류는 해가 뜨고 지는 자연의 흐름에 맞춰 살았지만, 뉴턴은 우주 어디에서나 일정하게 흐르는 보편적인 시간을 상정함으로써 근대 과학의 기틀을 마련했습니다. 이러한 절대 시공간의 개념은 수백 년 동안 물리학의 흔들리지 않는 토대가 되었으며, 기계 문명의 발전을 이끄는 핵심적인 사고방식이 되었습니다. 하지만 이 굳건한 무대는 빛의 속도라는 새로운 도전자를 만나며 흔들리기 시작합니다. 1905년 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 통해 뉴턴의 절대 시공간을 무너뜨렸습니다. 그는 모든 관성계에서 물리 법칙은 동일하며, 빛의 속도는 관찰자의 상태와 상관없이 항상 일정하다는 두 가지 가정을 세웠습니다. 이는 움직이는 기차 위에서 던진 공의 속도가 기차의 속도와 합쳐진다는 상식적인 물리 법칙이 빛에는 적용되지 않음을 의미합니다. 이 미스터리한 광속 불변의 원리를 받아들이는 순간, 우리는 시간과 공간이 관찰자에 따라 상대적으로 변할 수밖에 없다는 충격적인 결론에 도달하게 됩니다. 시공간은 더 이상 고정된 배경이 아니라 관찰자의 운동에 얽힌 유연한 존재가 된 것입니다. 상대성 이론에 따르면 시간은 더 이상 누구에게나 똑같이 흐르는 강물이 아닙니다. 빠르게 움직이는 물체 안에서는 시간이 느리게 흐르고, 공간의 길이는 수축하게 됩니다. 심지어 '동시에 일어난 사건'이라는 개념조차 관찰자의 운동 상태에 따라 달라질 수 있습니다. 한 사람에게는 동시에 일어난 폭발이 다른 사람에게는 시간차를 두고 일어난 사건이 될 수 있는 것입니다. 이러한 동시성의 상대성은 우리의 직관과는 어긋나지만, 우주를 구성하는 시간과 공간이 서로 독립적이지 않으며 관찰자의 시점에 따라 재구성될 수 있음을 보여주는 결정적인 증거입니다. 아인슈타인은 여기서 멈추지 않고 가속 운동과 중력을 결합한 일반 상대성 이론을 완성했습니다. 그는 가속도에 의해 느껴지는 관성력과 중력을 근본적으로 구분할 수 없다는 '등가 원리'를 제시했습니다. 이 원리에 따르면 중력은 단순히 물체 사이를 끌어당기는 힘이 아니라, 거대한 질량이 시공간을 휘게 만든 결과입니다. 마치 무거운 공이 놓인 그물망이 움푹 파이듯, 질량은 주변의 시공간을 뒤틀며 그 뒤틀림이 곧 우리가 경험하는 중력이 됩니다. 이제 무대인 시공간은 배우인 물질과 끊임없이 영향을 주고받으며 스스로의 형태를 바꾸는 역동적인 존재로 재정의되었습니다. 상대성 이론은 단순한 상상의 산물이 아니라 정밀한 측정을 통해 증명된 실재입니다. 현대의 원자시계는 지표면에서 단 1mm의 높이 차이로 발생하는 중력의 변화와 그에 따른 시간의 흐름 차이까지 측정해 낼 수 있습니다. 우리가 매일 사용하는 GPS 시스템 역시 위성의 빠른 속도와 지구 중력의 영향을 보정하지 않으면 오차가 발생하여 무용지물이 됩니다. 이처럼 시공간의 왜곡은 우리 일상 깊숙이 들어와 있으며, 물리학자들에게는 매일의 삶 속에서 확인되는 당연한 물리 현상으로 자리 잡았습니다. 인간은 이제 지구의 중력을 넘어 우주의 시간을 정밀하게 설계하는 단계에 도달했습니다. 시공간의 균열과 더불어 물질의 본질에 대한 이해도 근본적으로 바뀌었습니다. 19세기 말 전자기학의 발전은 빛이 파동임을 밝혀냈지만, 흑체 복사 문제를 해결하는 과정에서 빛이 입자처럼 행동한다는 사실이 드러났습니다. 막스 플랑크는 에너지가 연속적이지 않고 띄엄띄엄한 덩어리인 '양자'로 존재한다는 혁명적인 가정을 세웠고, 아인슈타인은 이를 바탕으로 빛의 입자성을 확립했습니다. 이러한 발견은 뉴턴의 결정론적 세계관을 넘어, 확률과 불확정성이 지배하는 양자역학이라는 새로운 시대를 여는 서막이 되었습니다. 현대 물리학은 이렇게 보이지 않는 미시 세계와 거대한 우주의 시공간을 하나로 엮어내고 있습니다.

김상욱

카오스재단마스터클래스

물리학