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[질문과 토론의 과학 #32] 🧬알파폴드, 단백질 구조 예측 분야 평정!

화학은 전통적으로 하얀 가운을 입고 실험실에서 수행하는 학문으로 인식되어 왔습니다. 하지만 물리학의 발전과 함께 분자라는 물리 현상을 설명할 수 있는 이론들이 정립되면서 물리화학이라는 분야가 탄생했습니다. 이제는 종이 위에서 이론을 푸는 단계를 넘어 컴퓨터를 활용해 분자의 성질을 밝혀내는 계산화학이 중요한 역할을 하고 있습니다. 양자화학이나 분자동역학 같은 분야를 통해 실험으로 관찰하기 어려운 미세한 현상이나 찰나의 순간을 예측하는 것이 가능해졌으며, 이는 현대 화학 연구의 필수적인 도구가 되었습니다. 단백질 구조 예측이 계산화학 분야에서 난제로 꼽히는 이유는 크게 두 가지입니다. 첫째는 수천 개의 원자로 구성된 단백질의 상호작용을 양자역학적으로 완벽하게 계산하기에는 현재의 컴퓨터 성능으로도 한계가 있기 때문입니다. 둘째는 단백질이 긴 사슬 모양으로 되어 있어 접힐 수 있는 경우의 수가 무수히 많다는 점입니다. 자연의 법칙을 최대한 단순화하여 근사치를 구하려 노력하지만, 실제 구조와 100% 일치하는 에너지 함수를 찾아내는 것은 여전히 복잡하고 어려운 과제로 남아 있어 전 세계 과학자들이 이 문제에 도전하고 있습니다. 단백질 구조 예측의 월드컵이라 불리는 CASP 대회에서 최근 가장 큰 화두는 구글 딥마인드의 알파폴드였습니다. 바둑 인공지능인 알파고를 통해 축적된 노하우와 데이터 처리 기술이 단백질 구조 예측에 접목되면서 놀라운 성과를 거두었습니다. 알파폴드는 기존 과학자들이 정립한 개념과 엔지니어들의 기술력을 성공적으로 결합하여 새로운 돌파구를 마련했습니다. 이는 인공지능이 단순히 게임의 영역을 넘어 생명과학의 근본적인 문제를 해결하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사하는 중요한 사건이었으며, 과학계에 큰 자극을 주었습니다. 알파폴드의 성공 뒤에는 인공지능 기술뿐만 아니라 뛰어난 과학자들과의 협업이 있었습니다. 특정 연구자의 혁신적인 논문이 구글 딥마인드의 기술력과 만나면서 폭발적인 시너지를 낸 것입니다. 단백질은 우리 몸의 효소, 호르몬, 항체 등을 구성하는 핵심 물질이며, 그 복잡한 구조가 곧 생체 내에서의 기능을 결정합니다. DNA의 유전 정보가 아미노산 서열을 만들고, 이것이 입체적으로 꼬이고 접히며 완성되는 과정은 생명 현상의 신비 그 자체라고 할 수 있습니다. 구조가 기능을 결정한다는 원칙 아래, 단백질의 형태를 파악하는 것은 생명 과학의 핵심입니다. 인공지능의 발전으로 단백질 구조 예측의 정확도가 높아지면서 난치병 치료에 대한 기대감도 커지고 있습니다. 하지만 구조를 아는 것만으로 모든 질병이 해결되는 것은 아니며, 실제 치료와 연결되기 위해서는 여전히 넘어야 할 산이 많습니다. 최근에는 알파폴드 2를 기반으로 한 로제타폴드와 같은 프로그램들이 등장하며 연구의 저변이 확대되고 있습니다. 특히 한국인 과학자들의 활약도 두드러지는 이 분야는, 인공지능과 기초 과학의 융합을 통해 인류의 건강과 생명의 비밀을 풀어나가는 새로운 시발점이 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[질토과+짧강] 🎶분자 영화와 음악회(앙상블)_by이남기｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 5강

화학 반응은 분자 결합이 생성되고 끊어지는 역동적인 과정입니다. 과학자들은 이 찰나의 순간을 마치 영화처럼 생생하게 포착하기를 오랜 시간 꿈꿔왔습니다. 분자에게 있어 반응의 순간은 생애 가장 아름다운 '화양연화'와 같기 때문입니다. 이러한 분자 영화는 단순히 시각적 즐거움을 넘어, 우리가 아직 해결하지 못한 복잡한 화학적 난제들을 풀 수 있는 핵심 열쇠가 됩니다. 눈으로 직접 확인하는 것은 모든 정보를 얻는 가장 확실한 방법이기에, 분자의 움직임을 실시간으로 기록하는 일은 현대 과학의 거대한 도전 과제 중 하나로 자리 잡고 있습니다. 분자 영화를 촬영하는 것은 기술적으로 매우 어렵지만, 현재는 제한된 수준에서 동영상과 유사한 정보를 얻는 것이 가능해졌습니다. 수많은 분자가 동시에 움직이는 복잡한 상황 속에서 특정 분자의 변화를 해석하는 일은 마치 축구 경기에서 골이 들어가는 찰나를 포착하는 것과 비슷합니다. 90분의 경기 시간 중 단 몇 초의 골 장면이 승부를 결정짓듯, 분자 결합이 형성되는 역동적인 순간을 영상으로 담아내려는 시도는 계속되고 있습니다. 비록 소리나 모든 정보를 담은 완벽한 영화는 아닐지라도, 이러한 시각화는 화학 반응의 본질을 이해하는 데 결정적인 역할을 합니다. 공기 중의 분자들은 제트기보다 빠른 속도로 움직이지만, 모든 분자가 동일한 속도로 달리는 것은 아닙니다. 분자들의 움직임은 '무작위 운동'이라 불리는 무질서한 특성을 지니며, 끊임없이 서로 충돌하며 에너지를 주고받습니다. 새 떼나 드론 군집이 일정한 규칙에 따라 조화롭게 움직이는 것과 달리, 기체 분자들은 충돌을 통해 속도를 재분배하며 각기 다른 에너지 상태를 갖게 됩니다. 어떤 분자는 매우 빠르게 튀어 나가고, 어떤 분자는 충돌 후 속도가 급격히 느려지기도 합니다. 이러한 무질서 속의 다양성이 바로 화학 분자들이 가진 독특한 묘미라고 할 수 있습니다. 맥스웰과 볼츠만은 이러한 분자들의 속도 분포를 과학적으로 정립하였습니다. 실온의 산소 분자를 예로 들면, 평균 속도는 초당 수백 미터에 달하지만 실제로는 거의 멈춰 있는 분자부터 평균보다 훨씬 빠른 분자까지 넓게 분포합니다. 온도가 높아지면 평균 속도가 증가하고 화학 반응에 참여할 수 있는 고에너지 분자의 비율이 늘어나면서 반응이 활발해집니다. 즉, 모든 분자가 반응에 참여하는 것이 아니라, 특정 임계치 이상의 에너지를 가진 '준비된' 분자들만이 골을 넣는 축구 선수처럼 화학 반응이라는 결과물을 만들어내는 것입니다. 1900년 깁스가 정의한 '앙상블'은 같은 종류의 분자들이라도 서로 다른 상태로 모여 있는 전체적인 어울림을 의미합니다. 현대 화학은 이제 이러한 집단적인 앙상블을 넘어, 단일 분자가 일으키는 반응을 직접 관찰하는 독주회의 단계로 진입하고 있습니다. 하지만 여전히 중요한 것은 조화입니다. 특정 분자가 반응하기 위해서는 에너지를 주고받는 주변의 다른 분자들이 반드시 필요하기 때문입니다. 우리 인생 역시 나 혼자 빨리 가는 것이 아니라, 주변과 에너지를 나누며 조화를 이루어가는 하나의 거대한 앙상블이라는 점을 분자의 세계는 시사하고 있습니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[강연] 얼음과학 : 스케이팅에서 투명전극까지 by박문정ㅣ2021 '대한민국 과학기술대전' 네번째 | 4강

포스텍 화학과 박문정 교수는 에너지 나노 재료 연구의 일환으로 '얼음 화학'이라는 새로운 학문 분야를 개척하고 있습니다. 이공계 여학생 비율이 10%도 되지 않던 시절부터 연구의 길을 걸어온 그는, 현재 포스텍에서 다양한 나노 재료를 연구하며 과학의 대중화에도 힘쓰고 있습니다. 특히 얼음이라는 친숙한 소재 속에 숨겨진 독특한 화학적 성질을 탐구하여 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시하고자 노력하고 있습니다. 겨울철 빙판길이 왜 미끄러운지에 대한 질문은 1800년대부터 시작된 오래된 과학적 난제였습니다. 과거에는 스케이트 날의 강한 압력으로 인해 얼음이 녹는다는 '압력 융해' 가설이나, 마찰에 의해 발생하는 열이 얼음을 녹인다는 '마찰열' 가설이 지배적이었습니다. 하지만 이러한 가설들은 아주 낮은 온도에서 얼음이 미끄러운 이유를 완벽하게 설명하지 못했습니다. 최근 연구에 따르면 이러한 현상들은 미끄러움의 일부 원인일 뿐, 근본적인 이유는 따로 있음이 밝혀졌습니다. 1850년 마이클 패러데이는 얼음 표면에 항상 얇은 물층이 존재한다는 직관적인 가설을 세웠으나, 당시 기술로는 이를 증명할 수 없어 오랜 시간 무시되었습니다. 그러나 최근 5년 사이의 정밀한 측정을 통해 얼음 표면에는 '준액체층(Quasi-Liquid Layer)'이라 불리는 나노미터 두께의 독특한 물층이 존재한다는 사실이 입증되었습니다. 이 층은 일반적인 액체 물과는 다른 화학적 특성을 지니며, 분자의 확산 속도가 매우 빨라 독특한 화학 반응의 장이 됩니다. 얼음 표면의 준액체층에서는 상온의 물에서보다 훨씬 빠른 속도로 화학 반응이 일어납니다. 예를 들어 강물이 얼어붙으면 그 표면에서 유해 물질인 질산이 생성되는 반응이 평소보다 수만 배 빠르게 진행되어 생태계에 영향을 주기도 합니다. 또한 물을 얼릴 때 미네랄 성분이 얼음 결정 밖으로 밀려나 특정 부분에 농축되는 현상도 발생합니다. 이러한 특성은 우리가 일상에서 마시는 얼음물의 성분이 시간에 따라 달라질 수 있음을 시사하며, 환경 오염 분석에도 중요한 지표가 됩니다. 연구팀은 얼음 표면의 얇은 액체 층을 '나노 반응기'로 활용하여 전기가 통하는 플라스틱인 전도성 고분자를 합성하는 데 성공했습니다. 얼음 위에 원료를 뿌리고 단 몇 분만 기다리면 친환경적이고 경제적인 방식으로 고성능 전극 재료를 만들 수 있습니다. 이 방식은 기존의 복잡하고 독성이 강한 공정을 대체할 수 있으며, 투명하고 유연한 전극을 대면적으로 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 차세대 배터리나 태양 전지 등 에너지 소자 분야에 혁신적인 변화를 가져올 기술입니다. 얼음 화학 기술은 환경 오염 문제 해결에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 미세플라스틱이 섞인 물을 얼리면 플라스틱 입자들이 얼음 표면으로 농축되는데, 이때 전도성 고분자를 합성하여 이를 효과적으로 닦아낼 수 있습니다. 또한 이 과정에서 생성된 다공성 고분자 구조는 정전기적 인력을 통해 코로나바이러스와 같은 유해 입자를 높은 효율로 포집하는 필터로 활용될 수 있습니다. 이는 단순한 기초 과학 연구가 실생활의 안전을 지키는 기술로 확장될 수 있음을 보여줍니다. 나아가 얼음 위에서 제작된 특수 고분자 소재는 전기적 신호에 따라 수축과 이완을 반복하는 인공 근육으로 응용되고 있습니다. 이는 재활이 필요한 환자들의 보행을 돕는 보조 장치나, 가상 현실에서 정교한 움직임을 감지하는 웨어러블 센서 제작에 활용될 수 있습니다. 얼음이라는 자연적인 소재에서 시작된 창의적인 아이디어가 첨단 나노 기술과 결합하여 의료, 스포츠, IT 등 다양한 산업 분야에서 인류의 삶의 질을 향상시키는 미래 기술로 거듭나고 있는 것입니다.

박문정

카오스재단카오스크로스

화학

[인터뷰] 심상희_과학연구 99% 좌절 | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

뚜렷한 목표가 없어도 괜찮습니다. 심상희 교수는 자신이 하고 싶은 대로 살아오며 다양한 분야를 탐색해 온 과정을 담담하게 고백합니다. 학부 시절부터 대학원 과정에 이르기까지, 그는 한 우물만 파기보다 화장품 동호회 활동이나 밀라노 박람회 방문 등 다채로운 경험을 쌓았습니다. 이러한 방황은 결국 자신에게 가장 잘 맞는 길을 찾는 소중한 밑거름이 되었습니다. 과학자의 길 역시 99%의 좌절과 1%의 희열로 이루어져 있지만, 그 찰나의 성취감이 주는 중독성이 그를 계속해서 연구의 세계로 이끌었습니다. 새로운 세상을 향한 갈망은 그를 유학의 길로 인도했습니다. 그는 단순히 학위를 따기 위한 목적보다는, 평생 가는 공부인 만큼 가장 어렵고 재밌어 보이는 분야를 선택하는 용기를 보여주었습니다. 전공과 전혀 상관없는 박사후연구원(포닥) 과정을 거치며 기존 지식이 통하지 않는 어려움도 겪었지만, 펨토초 펄스를 이용한 복잡한 분광학 실험을 통해 자신만의 연구 영역을 구축해 나갔습니다. 남들이 잘 가지 않는 길을 선택하고 헤매는 과정 속에서도 자신의 마음이 가는 대로 움직였기에, 결국 초고해상도 형광 현미경법이라는 독자적인 분야에 도달할 수 있었습니다. 화학은 흔히 '중심 과학(Central Science)'이라고 불리며 다양한 기초 학문의 중심점 역할을 수행합니다. 심상희 교수의 연구 역시 분자와 빛의 상호작용을 이용해 현미경의 물리적 해상도 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술을 다룹니다. 이는 단순히 물질을 섞어 새로운 것을 만드는 전통적인 화학의 범위를 넘어, 생명 현상을 실시간 동영상으로 촬영하는 공학적이고 생물학적인 측면까지 아우릅니다. 보이지 않는 미시 세계를 시각화하여 남들이 보지 못한 새로운 생명 영상을 얻어내는 과정은 화학이 가진 무한한 확장성과 가능성을 잘 보여주는 사례입니다. 일상 속의 과학은 거창한 발견에만 국한되지 않습니다. 세 살배기 아이를 키우는 육아의 과정은 매일매일 새로운 도전에 직면하고 이를 해결해야 하는 과학 연구와 닮아 있습니다. 말이 통하지 않는 아이의 의중을 파악하고 돌발 상황에 대처하는 일은, 마치 실험실에서 고장 난 레이저를 수리하거나 컴퓨터 문제를 해결하는 과정과 비슷합니다. 매일 주어지는 사소한 문제들을 하나씩 해결해 나가는 과정은 게임 속 퀘스트를 깨는 것과 같은 성취감을 줍니다. 이러한 일상의 반복은 과학자로서의 끈기와 문제 해결 능력을 더욱 단단하게 만들어 줍니다. 어린 시절 탐독했던 만화적 상상력은 현재의 과학적 탐구와 맞닿아 있습니다. 만화가 글과 그림을 결합해 허구의 이야기를 전달한다면, 과학은 이미지와 데이터를 통해 자연 현상이라는 실재하는 이야기를 풀어내는 작업입니다. 비주얼한 측면에 매료되었던 소년의 호기심은 이제 현미경을 통해 세포의 움직임을 포착하고 이를 서사로 구성하는 과학자의 시선으로 진화했습니다. 매일 새로운 이미지를 찍고 재구성하며 대중에게 소개하는 작업은 결국 만화적 감수성과 과학적 엄밀함이 만나는 지점입니다. 자신만의 이야기를 찾아가는 여정은 지금도 계속되고 있습니다.

심상희

카오스재단카오스강연

화학

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

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

윤완수, 이남기

카오스재단카오스강연

화학

[석학인터뷰] 이영민_ 세상을 지배하는 원리, 작은 세상을 통해 볼 수 있다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

어린 시절 과학 원리에 매료되어 직접 발전기를 만들어 보려 했던 경험은 과학자로서의 첫걸음이었습니다. 자석을 돌려 나침반을 움직이게 하려던 실험이 성공한 줄 알았으나, 사실은 전기가 아닌 자석의 물리적 거리 때문에 발생한 착각이었음을 깨닫게 되었습니다. 이러한 일화는 과학적 현상을 해석할 때 얼마나 세심한 주의가 필요한지를 잘 보여줍니다. 실험 결과를 오해하는 실수는 단순한 과정에서도 빈번히 일어날 수 있으며, 이를 경계하고 정확한 원인을 파악하는 태도야말로 과학을 탐구하는 이들에게 가장 기본적이면서도 중요한 덕목이라 할 수 있습니다. 현대 과학에서 양자역학은 세상을 지배하는 근본적인 원리로 자리 잡고 있습니다. 특히 아주 작은 미시 세계를 다루고 제어하기 위해서는 고전역학의 한계를 넘어서는 양자역학적 이해가 필수적입니다. 이러한 원리를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하는 계산 물리화학은 실험의 한계를 극복하는 데 큰 역할을 합니다. 실제 실험에서 소요되는 막대한 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 육안이나 장비로 관찰하기 어려운 세밀한 부분까지 분석할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 복잡한 화학 현상을 보다 구체적이고 정밀하게 이해하려는 현대 과학의 핵심적인 목표와 맞닿아 있습니다. 과학자의 길을 걷다 보면 누구나 자신의 선택에 대해 깊이 고민하게 되는 시기를 마주하게 됩니다. 유학 시절의 어려움을 이겨내며 묵묵히 나아갔던 시간은 학문적 성숙을 이루는 밑거름이 됩니다. 때로는 철저한 분석보다 우연한 결정이 삶의 미스터리처럼 긍정적인 결과로 이어지기도 합니다. 중학교 때부터 배워온 화학 결합이라는 기초적인 주제를 양자역학의 관점에서 심도 있게 다루어 보는 과정은 매우 유익합니다. 익숙한 개념을 근본 원리와 연결해 정확하게 이해함으로써 화학의 진정한 매력을 발견할 수 있기 때문입니다.

이영민

카오스재단카오스강연

화학