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[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

[강연] 우리의 유전 정보, DNA를 유지하려는 생명체의 노력 by 명경재 ㅣ 기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 3강

우리 몸의 설계도인 유전체는 생명 활동에 필요한 모든 정보를 담고 있는 거대한 저장소입니다. 이 정보는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 티민(T)이라는 네 가지 염기의 조합으로 구성되며, 세포 하나당 약 30억 개의 염기서열이 이중 나선 구조의 DNA 안에 빽빽하게 기록되어 있습니다. 컴퓨터가 0과 1의 이진법을 사용하듯 생명체는 네 종류의 알파벳을 활용해 훨씬 더 방대하고 정교한 데이터를 보존합니다. 이러한 유전 정보는 단백질을 만드는 지침서 역할을 하며 우리가 숨 쉬고 생각하는 모든 생명 현상을 가능하게 하는 근간이 됩니다. 생명체가 성장하고 유지되기 위해서는 세포 분열 과정에서 DNA가 정확하게 복제되어야 합니다. 하지만 30억 개에 달하는 방대한 정보를 복사하는 과정은 생각보다 완벽하지 않으며, 외부 자극이나 내부적 요인으로 인해 끊임없이 손상이 발생합니다. 유전체 항상성이란 이처럼 불안정한 유전 정보를 안정적으로 보존하고 오류를 복구하려는 생명체의 노력을 의미합니다. 만약 복제 과정에서 문제가 생기거나 손상된 부위가 제대로 고쳐지지 않으면 유전 정보에 변이가 쌓이게 됩니다. 이는 단순한 개별적 차이를 넘어 질병이나 노화의 근본적인 원인이 되기도 합니다. DNA의 손상을 복구하기 위해 우리 몸은 정교한 복구 기작을 갖추고 있습니다. 이중 나선의 한쪽이 끊어지거나 염기에 이상이 생기는 등 다양한 형태의 손상에 대응하여 약 8개에서 10개에 달하는 복구 경로가 작동합니다. 이러한 복구 과정의 중요성은 2015년 노벨 화학상을 통해 그 가치를 인정받기도 했습니다. 만약 이러한 복구 시스템이 제대로 작동하지 않으면 세포는 비정상적인 분열을 거듭하게 됩니다. 결국 핵 밖으로 유전 물질이 유출되거나 세포끼리 엉겨 붙는 현상이 발생하며, 이는 암세포로 변모하는 결정적인 계기가 됩니다. 기초과학 연구는 암 치료의 새로운 지평을 열었습니다. 대표적인 사례가 '합성 치사' 원리를 이용한 치료법입니다. 정상 세포는 DNA 손상을 복구할 수 있는 여러 경로를 가지고 있지만, 특정 유전자에 변이가 있는 암세포는 복구 경로 중 하나를 상실한 상태입니다. 이때 암세포에 남은 마지막 복구 경로마저 차단하면 정상 세포는 살아남지만 암세포만 선택적으로 사멸하게 됩니다. 안젤리나 졸리의 사례로 유명해진 BRCA 유전자 변이 환자들에게 사용되는 표적 항암제가 바로 이 원리를 이용한 것입니다. 이는 기초과학의 발견이 실제 환자의 생명을 구하는 강력한 도구가 된 사례입니다. 과거에는 한 사람의 유전체 지도를 완성하는 데 10년 이상의 시간과 천문학적인 비용이 소요되었습니다. 그러나 기술의 비약적인 발전으로 이제는 단 1~2주일 안에, 100만 원 미만의 비용으로 개인의 염기서열을 분석할 수 있는 시대가 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 암세포 특유의 유전적 특징을 파악하는 데 결정적인 역할을 합니다. 암세포는 정상 세포와 달리 특정 염기서열이 삽입되거나 결실되는 등 수많은 돌연변이를 가지고 있습니다. 과학자들은 이제 방대한 데이터를 분석하여 암세포에만 존재하는 고유한 유전적 표적을 찾아내는 데 집중하고 있습니다. 최근 노벨상을 받은 유전자 가위 기술인 '크리스퍼 캐스(CRISPR-Cas)'는 암 치료의 패러다임을 바꾸고 있습니다. '신델라(Cindela)'라고 불리는 새로운 치료법은 암세포에만 나타나는 특이적인 염기서열을 유전자 가위로 정밀하게 타격합니다. 방사선 치료가 정상 세포와 암세포를 가리지 않고 무차별적으로 DNA를 절단하여 부작용을 일으키는 것과 달리, 신델라는 암세포의 특정 부위만을 인식하여 절단합니다. 이는 정상 세포에는 아무런 영향을 주지 않으면서 암세포만을 선택적으로 제거할 수 있는 획기적인 방법입니다. 동물 실험을 통해 그 효과가 증명되었으며 맞춤형 치료의 가능성을 보여줍니다. 유전체 연구의 궁극적인 목표는 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 의료를 실현하는 것입니다. 암세포는 사람마다, 그리고 암의 종류마다 서로 다른 유전적 변이를 보이기 때문에 표준화된 약물만으로는 한계가 있습니다. 하지만 환자의 암세포를 분석하여 그에 맞는 유전자 가위를 제작하는 방식은 치료 효율을 극대화하고 재발 위험을 낮출 수 있습니다. 기초과학에서 시작된 호기심과 탐구가 면역 항암제와의 병용 요석 등 더 발전된 형태의 4세대 항암 치료로 이어지고 있습니다. 이러한 노력은 인류가 암이라는 난제를 극복하고 건강한 삶을 영위하는 데 핵심적인 기여를 할 것입니다.

명경재

카오스재단카오스크로스

생명과학

[강연] '새로운 발견을 위한 과학' by 염한웅, 현택환, 명경재 l IBS x KAOS 기초과학 석학 강연

기초과학연구원(IBS) 설립 10주년과 카오스 재단의 설립을 기념하는 이번 강연은 '새로운 발견을 위한 과학'이라는 주제로 진행되었습니다. 기초과학은 인류의 지식 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하며, 이번 행사는 세계적인 석학들이 모여 그간의 연구 성과와 미래 비전을 공유하는 뜻깊은 자리였습니다. 수학, 물리, 화학, 생명과학 등 다양한 분야의 융합을 통해 우리 삶을 변화시킬 새로운 가능성을 모색하는 과정은 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌, 인류의 미래를 설계하는 도구임을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 생명체의 설계도인 DNA는 네 개의 염기서열로 구성되어 방대한 유전정보를 저장합니다. 하지만 이 정보는 외부 자극이나 복제 과정에서의 오류로 인해 끊임없이 손상될 위험에 처해 있습니다. 유전체 항상성 연구는 이러한 손상을 복구하고 유전정보를 안정적으로 유지하는 생명체의 노력을 탐구합니다. DNA 수선 기작이 제대로 작동하지 않으면 암이나 노화와 같은 심각한 질병으로 이어질 수 있기에, 이를 정밀하게 이해하는 것은 생명과학의 근본적인 과제이자 질병 정복을 위한 첫걸음이 됩니다. 암세포만을 선택적으로 제거하기 위한 혁신적인 기술인 '신델라(CINDELA)'는 유전자 가위를 활용하여 암세포 특유의 유전적 변이인 인델(Indel)을 타격합니다. 기존의 방사선이나 항암 치료가 정상 세포까지 손상시키는 한계를 극복하기 위해, 암세포에만 존재하는 특정 염기서열을 정밀하게 찾아내어 절단함으로써 암세포의 사멸을 유도합니다. 이는 환자 개개인의 유전정보를 분석하여 맞춤형 치료제를 제작하는 정밀 의료의 시대를 열어줄 것으로 기대되며, 기초과학의 발견이 어떻게 실질적인 의료 혁신으로 이어지는지를 보여주는 사례입니다. 현대 정보통신 문명의 핵심인 반도체 기술은 트랜지스터의 미세화가 한계에 다다르며 전력 소모와 발열이라는 거대한 장벽에 직면해 있습니다. 원자 수준의 크기에서는 기존의 물리법칙만으로는 소자를 제어하기 어려워지며, 이를 해결하기 위해 에너지 손실 없이 정보를 전달하고 처리할 수 있는 새로운 패러다임이 요구됩니다. 저항에 의한 에너지 낭비를 최소화하고 한 번의 충전으로 훨씬 오랜 시간 사용할 수 있는 차세대 소자 개발은 지속 가능한 미래 기술 사회를 구현하기 위한 물리학계의 핵심적인 도전 과제입니다. ‘솔리토닉스’는 에너지를 잃지 않고 모양을 유지하며 진행하는 특수한 파동인 솔리톤을 정보 처리의 매개체로 활용하는 기술입니다. 전자계 내에서 발생하는 솔리톤은 저항 없이 움직일 수 있을 뿐만 아니라, 입자 간의 상호작용을 통해 다진법 연산을 수행할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 기존의 이진법 체계를 넘어선 획기적인 연산 방식을 가능하게 하며, 소자 구조의 복잡성을 줄이면서도 연산 효율을 극대화할 수 있는 길을 제시합니다. 한국 연구진이 주도하는 이 분야의 연구는 미래 반도체 시장의 판도를 바꿀 게임 체인저가 될 것입니다. 나노과학 분야에서는 입자의 크기를 균일하게 조절하는 것이 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. '승온법'과 같은 혁신적인 합성 기술은 복잡한 분리 과정 없이도 고품질의 나노입자를 대량으로 생산할 수 있는 길을 열었으며, 이는 디스플레이와 백신 등 다양한 산업 분야에 응용되고 있습니다. 세계적인 연구 성과는 단순히 천재적인 영감에서 오는 것이 아니라, 수많은 논문을 읽고 분석하며 기존 지식을 창의적으로 재조합하는 인내의 과정에서 탄생합니다. 또한, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합 연구는 현대과학의 복잡한 난제를 해결하는 열쇠가 됩니다. 새로운 발견을 향한 여정은 남들이 가지 않은 길을 두려워하지 않고 끈기 있게 탐구하는 자세에서 시작됩니다. 기초과학 연구는 당장의 가시적인 성과보다 인류의 근원적인 질문에 답하고 미래의 기술적 토대를 마련하는 데 중점을 둡니다. 과학자와 대중 사이의 활발한 소통은 과학적 사실에 기반한 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되며, 연구에 대한 국민적 지지는 과학 기술 발전을 지속시키는 원동력이 됩니다. 지난 10년의 성과를 바탕으로 앞으로의 기초과학은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 건강하게 만드는 새로운 발견의 시대를 열어갈 것입니다.

명경재, 염한웅, 현택환

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물리학
화학
생명과학
융합

[명강 리뷰] 종은 불변의 존재가 아니다 _ 생명의 기원 by 최재천 | 2015 봄 카오스 강연 '기원 ORIGIN' 10강

생명의 기원을 밝히는 일은 직접적인 관찰이 불가능하기에 현재 우리가 가진 데이터를 바탕으로 최대한 유추해야 하는 매우 어려운 작업입니다. 과학계에서는 원시 지구의 환경에서 우연히 탄생한 자기 복제 화학물질을 그 시작으로 보고 있습니다. 초기에는 불안정한 RNA가 먼저 등장하여 복제 과정을 거치며 점차 안정적인 DNA로 발전했을 것이라는 가설이 현재는 큰 힘을 얻고 있습니다. 이러한 유전자들이 막을 형성하고 조직화되면서 최초의 세포가 탄생했고, 이는 오늘날 우리가 마주하는 방대한 생물 다양성의 뿌리가 되었습니다. 생명의 역사는 자기 복제 화학물질의 끊임없는 일대기라고 할 수 있습니다. 개별 생명체는 유전자의 복제 사업을 돕기 위해 만들어진 효율적인 시스템에 불과할지도 모릅니다. 유전자의 관점에서 본다면 인간이나 비둘기, 옥수수와 같은 다양한 종들은 각기 다른 사업 부문과 같습니다. 특정 종이 멸종하더라도 다른 종을 통해 유전자 총량이 유지된다면 전체적인 사업은 계속되는 셈입니다. 결국 우리는 유전자의 영속성을 위해 잠시 이용되는 존재일 수 있으며, 이러한 관점은 생명을 바라보는 완전히 새로운 시각을 제공합니다. 찰스 다윈은 유전자의 존재를 알지 못했음에도 불구하고, 모든 생명체가 하나의 공통 조상으로부터 기원했다는 놀라운 통찰을 제시했습니다. 그는 비둘기 품종 개량과 같은 인위 선택 과정을 관찰하며, 자연계에서도 자원을 둘러싼 경쟁을 통해 우수한 형질이 살아남는 '자연 선택'이 일어난다는 사실을 깨달았습니다. 진화는 과거의 사건이 아니라 현재도 진행 중인 역동적인 과정입니다. 특히 현대 사회에서 인간의 진화 속도는 환경적 요인보다 동종 간의 치열한 경쟁에 의해 더욱 가속화되고 있을 가능성이 큽니다. 지구상의 모든 생명체는 태초의 하나로부터 시작된 거대한 대가족입니다. 겉모습은 서로 다르지만 우리 몸속의 유전자를 거슬러 올라가면 은행나무나 작은 미생물과도 한 집안이었던 흔적을 발견할 수 있습니다. 생명은 횡적으로 연결되어 있으며 끊이지 않는 연속성을 지닙니다. 하지만 인간의 등장은 결코 필연적인 결과가 아니었습니다. 수많은 우연이 겹쳐 만들어진 기적 같은 사건이며, 만약 지구의 역사를 처음부터 다시 시작한다면 인간이 다시 등장할 확률은 거의 제로에 가깝습니다. 이는 우리를 겸허하게 만드는 진실 중 하나입니다. 호모 사피엔스는 같은 속의 다른 종들을 모두 몰아내고 홀로 살아남은 매우 배타적인 종입니다. 스스로를 '현명한 인간'이라 명명했지만, 우리가 진정으로 현명한지에 대해서는 성찰이 필요합니다. 진정한 인간다움은 자연에 대해 끊임없이 배우고 알아가려는 노력에서 나옵니다. 대상을 깊이 이해할수록 우리는 주변의 생명들을 더 사랑하고 존중할 수 있는 존재가 되기 때문입니다. 자연과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 살아있는 모든 것을 탐구하며 더 나은 삶의 가치를 찾아가는 숭고한 여정이라 할 수 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 텔로미어로 살아남기 by이현숙｜2020 서울대 자연과학 공개강연 '과학으로 살아남기' | 1강

우리는 누구나 젊고 아름다운 시절을 지나 노화라는 피할 수 없는 과정을 마주하게 됩니다. 과거에는 짧고 굵게 사는 삶을 동경하기도 했지만, 시간이 흐를수록 건강하게 오래 사는 것이 얼마나 소중한지 깨닫게 됩니다. 생명과학은 바로 이러한 인간의 근원적인 관심사인 노화 뒤에 숨겨진 과학적 질서를 탐구합니다. 노화는 단순히 기력이 떨어지는 현상을 넘어 기억력 저하, 면역력 감소, 암 발생 증가 등 다양한 생명 현상과 복잡하게 얽혀 있습니다. 분자생물학자들은 이 모든 현상을 관통하는 공통된 원인을 찾기 위해 생명의 기초 단위인 세포에 주목합니다. 1961년 레너드 헤이플릭은 인간의 세포가 무한히 분열하지 않고 일정 횟수에 도달하면 멈춘다는 사실을 발견했습니다. 이를 '헤이플릭 한계'라고 부르는데, 보통 사람의 세포는 50번에서 70번 정도 분열하면 더 이상 자라지 않습니다. 당시 헤이플릭은 염색체의 끝부분이 복제되는 과정에서 문제가 생겨 분열이 멈출 것이라고 추측했지만, 구체적인 분자 구조까지는 설명하지 못했습니다. 이후 과학자들은 이 한계의 비밀을 풀기 위해 염색체의 맨 끝단인 '텔로미어'에 집중하기 시작했습니다. 세포 분열의 횟수가 정해져 있다는 사실은 우리 생명에 일종의 타이머가 존재함을 시사합니다. 텔로미어는 그리스어로 '실의 끝'이라는 뜻을 가지며, 우리 몸의 설계도인 DNA를 보호하는 신발 끈의 캡과 같은 역할을 합니다. 인간의 DNA는 세포 하나에 들어있는 길이를 모두 펴면 약 2m에 달할 정도로 길지만, 나노미터 단위의 세포 핵 안에 고도로 응축되어 들어있습니다. 텔로미어는 유전 정보를 직접 담고 있지는 않지만, 염색체가 닳아 없어지거나 서로 엉겨 붙지 않도록 끝단을 단단히 고정해 줍니다. 만약 텔로미어가 제대로 기능하지 않는다면 우리의 소중한 생명 정보는 복제 과정에서 손실될 것이며, 이는 곧 세포의 노화와 기능 정지로 이어지게 됩니다. 2009년 노벨 생리의학상은 텔로미어와 이를 유지하는 효소인 '텔로머레이스'의 원리를 밝힌 과학자들에게 돌아갔습니다. DNA는 복제될 때 구조적인 특성상 맨 끝부분이 조금씩 짧아지는 '말단 복제 문제'를 겪게 됩니다. 하지만 생식 세포나 줄기 세포처럼 계속해서 분열해야 하는 세포들은 텔로머레이스라는 효소를 통해 텔로미어의 길이를 다시 늘려 수명을 연장합니다. 이 효소는 RNA를 주형으로 삼아 DNA를 합성하는 역전사 효소의 일종으로, 세포가 노화의 한계를 극복하고 계속해서 생명력을 유지할 수 있게 돕는 불로초와 같은 역할을 수행한다는 사실이 입증되었습니다. 흥미로운 점은 텔로미어의 절대적인 길이가 반드시 수명과 비례하지는 않는다는 사실입니다. 예를 들어 쥐는 사람보다 텔로미어가 훨씬 길지만 수명은 훨씬 짧습니다. 과학자들은 길이보다 텔로미어의 '건강도', 즉 구조적 안정성에 주목했습니다. 텔로미어는 끝부분이 고리 모양으로 말려 들어가는 'T-루프' 구조를 형성하여 DNA 손상 신호가 발생하지 않도록 스스로를 보호합니다. 이 고리가 잘 유지된다면 텔로미어가 조금 짧더라도 세포는 건강하게 대사를 이어갈 수 있습니다. 결국 노화의 핵심은 텔로미어가 얼마나 기냐가 아니라, 그 끝단을 얼마나 안정적으로 갈무리하고 있느냐에 달려 있습니다. 텔로머레이스는 생명 연장의 열쇠이기도 하지만, 동시에 암이라는 치명적인 위험을 내포하고 있습니다. 정상적인 분화 세포는 텔로머레이스가 억제되어 있어 일정 시간이 지나면 노화하고 사멸하지만, 암세포는 이 효소를 다시 활성화하여 무한히 증식하는 능력을 얻습니다. 즉, 암은 세포가 노화라는 자연스러운 제동 장치를 망가뜨리고 불멸을 선택한 결과라고 볼 수 있습니다. 텔로머레이스를 억제하여 암을 치료하려는 시도도 있었지만, 세포는 또 다른 방식으로 텔로미어 길이를 유지하며 저항하기도 합니다. 이처럼 생명은 노화와 암 사이에서 정교한 균형을 유지하며 생존을 이어가고 있습니다. 생명 진화의 관점에서 보면 세포의 노화는 개체에게는 슬픈 일일지 모르나, 종의 번식과 유지에는 유리한 선택일 수 있습니다. 세포가 노화하여 분열을 멈추는 것은 역설적으로 암 발생을 억제하여 개체를 보호하는 방어 기제이기도 합니다. 우리는 텔로미어 과학을 통해 단순히 영생을 꿈꾸는 것이 아니라, 어떻게 하면 더 건강하게 삶을 마무리할 수 있을지를 배웁니다. 유행을 좇기보다 진리를 탐구하는 과학적 태도는 우리 삶의 유한함을 이해하고, 그 안에서 최선의 건강을 유지하는 지혜를 빌려줍니다. 텔로미어의 비밀은 결국 우리 인생의 균형과 순리를 찾아가는 과정과 맞닿아 있습니다.

이현숙

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[강연] 물질에서 생명으로의 변신 by김상욱 | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기' 변신 (2) | 2부

우주의 탄생과 초신성의 폭발을 거쳐 만들어진 원소들은 주기율표라는 질서정연한 체계를 이룹니다. 이 원소들은 마치 레고 블록처럼 서로 결합하여 물이나 소금 같은 새로운 물질을 만들어내며, 더 나아가 생명이라는 정교한 작품을 탄생시킵니다. 물리학적 관점에서 생명은 결국 원자들의 변신과 조합으로 이루어진 결과물입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 아주 오래전 별의 내부에서 만들어져 지구로 온 것이기에, 우리는 모두 별에서 온 후예라고 할 수 있습니다. 물리학자가 생명을 이야기하는 것은 낯설게 느껴질 수 있지만, 양자물리학의 거장 슈뢰딩거는 이미 1944년에 '생명이란 무엇인가'라는 질문을 던졌습니다. 생명체 또한 원자로 구성되어 있기에 그 본질을 이해하려면 원자의 세계를 들여다보아야 합니다. 생명은 우주에서 가장 흔한 원소들인 수소, 탄소, 질소, 산소로 이루어져 있습니다. 이는 생명이 우주의 보편적인 질서 속에서 탄생했음을 의미하며, 물리학적 법칙을 통해 생명의 신비를 풀어낼 수 있는 근거가 됩니다. 우리 몸의 97%를 차지하는 네 가지 원소는 각기 독특한 역할을 수행합니다. 수소는 가장 단순하면서도 풍부한 원소로 에너지를 만드는 핵심 역할을 하며, 탄소는 네 개의 팔을 이용해 복잡한 유기물의 뼈대를 형성합니다. 질소는 생명 현상의 병목 구간을 담당하고, 산소는 전자를 강력하게 끌어당기는 성질을 통해 생명 활동에 필요한 에너지를 방출하게 합니다. 이러한 원소들의 화학적 결합과 상호작용이 모여 비로소 살아 움직이는 생명체의 기초가 마련되는 것입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주의 무질서도는 항상 증가하지만, 생명체는 에너지를 사용하여 자신의 질서를 유지합니다. 생명은 외부에서 에너지를 받아들여 끊임없이 자신을 보수하고 정돈하는 과정을 거칩니다. 우리가 숨을 쉬는 호흡 과정은 사실 세포 수준에서 일어나는 '천천히 타오르는 연소'와 같습니다. 산소가 전자를 가져오며 발생하는 에너지는 생명체가 무질서로 향하는 자연의 흐름을 거스르고 고유한 질서를 유지할 수 있게 해주는 원동력이 됩니다. 세포 내부에서 벌어지는 복잡한 화학 반응들은 누군가의 지시가 아닌, 분자들의 무작위적인 움직임과 충돌을 통해 일어납니다. 물속에서 엄청난 속도로 움직이는 분자들은 적절한 시기에 서로를 만나 반응을 일으키며 생명 활동을 이어갑니다. 이는 마치 수많은 망치가 공중에 날아다니다가 필요할 때 손에 잡히는 것과 같은 확률적인 과정입니다. 따라서 생명체는 영양분을 섭취하여 분자의 농도를 유지하고, 적절한 체온을 유지함으로써 이러한 분자들의 운동을 활발하게 만들어야 합니다. 최초의 생명체는 에너지를 스스로 만들기 어려운 환경에서 탄생했을 가능성이 큽니다. 심해의 열수 분출구는 수소 이온 농도 차이가 자연적으로 존재하여 외부의 도움 없이도 에너지를 공급받을 수 있는 최적의 장소였습니다. 이곳의 작은 기포들은 오늘날 세포의 크기와 유사하며, 초기 생명체가 에너지를 얻고 복제를 시작할 수 있는 요람이 되어주었습니다. 생명은 이처럼 척박해 보이는 환경에서도 물리학적인 에너지 구배를 활용하여 그 위대한 첫걸음을 내디뎠을 것으로 추정됩니다. 생명의 또 다른 본질인 복제는 DNA라는 정교한 정보 체계를 통해 이루어집니다. DNA는 원자 수준에서 정보를 저장하며, 10억 개당 단 하나의 오류만을 허용할 정도로 놀라운 정확성을 자랑합니다. 이러한 복제 시스템은 완벽을 지향하지만, 때때로 발생하는 변이는 생명체가 환경에 적응하며 다양성을 확보하는 계기가 됩니다. 결국 생명은 원자로 만들어진 정교한 화학 기계이며, 물리 법칙에 따라 자기를 유지하고 복제하며 진화해 온 우주의 경이로운 결과물이라고 할 수 있습니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[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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