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미래에선 나도 두 개의 🫀심장?!?! 오가노이드로 가능할지도? (with 국립과천과학관 김선자 연구관님) | 요즘과학

오가노이드는 줄기세포로부터 만들어지는 3차원 구조체로, 실제 장기의 구조와 기능을 모사하는 장기 유사체입니다. 이 기술은 인체 조직 일부를 떼어내 세포로 분리한 뒤, 역분화 인자를 넣어 줄기세포를 만든 후, 특정 성장 인자와 신호 물질을 통해 원하는 장기로 분화시키는 방식으로 진행됩니다. 기존의 2차원 배양과 달리 3차원 배양을 통해 실제 장기와 유사한 형태와 기능을 갖추게 되었습니다. 2009년 소장 오가노이드 개발을 시작으로 뇌, 간, 폐, 심장 등 다양한 장기 오가노이드가 만들어졌으며, 최근에는 암 조직을 모사한 오가노이드까지 개발되어 암 치료 연구에도 활용되고 있습니다. 오가노이드의 핵심은 줄기세포의 다분화 능력에 있습니다. 피부세포 등 일반 세포에서 유도만능줄기세포를 만들어 다양한 장기 오가노이드로 분화시킬 수 있습니다. 오가노이드가 되기 위해서는 자기 조직화, 다세포성, 그리고 기능성이라는 세 가지 조건을 충족해야 합니다. 자기 조직화는 세포들이 스스로 안정된 구조를 형성하는 현상이며, 다세포성은 여러 세포가 모여 조직과 기관을 이루는 것을 의미합니다. 마지막으로 기능성은 해당 장기 고유의 역할을 수행할 수 있어야 함을 뜻합니다. 이러한 특징 덕분에 오가노이드는 환자 맞춤형 치료제 개발과 질병 모델링 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 오가노이드 기술은 장기 이식, 질병 원인 규명, 신약 개발, 독성 실험 등 다양한 의료 분야에서 혁신적인 역할을 하고 있습니다. 특히 코로나19와 같은 감염병 연구에서 인체 조직을 모사한 오가노이드로 바이러스와 인체의 상호작용을 실험할 수 있어 치료제 개발에 큰 도움이 되고 있습니다. 또한 동물 실험을 대체할 수 있는 윤리적 대안으로 주목받고 있으며, 실제로 FDA에서는 동물 실험 의무 조항을 삭제하는 등 제도적 변화도 일어나고 있습니다. 오가노이드로 만든 장기 유사체를 직접 이식하는 단계까지는 아직 도달하지 못했지만, 피부 재생 등 일부 분야에서는 이미 치료제로 활용되고 있습니다. 오가노이드 기술이 완벽해 보이지만, 아직 한계도 존재합니다. 동물 오가노이드와 인간 오가노이드는 유전적 차이로 인해 완전히 동일한 결과를 내지 못하며, 인간 질병 연구에는 인간 오가노이드가 필수적입니다. 예를 들어 파킨슨병 연구에서 쥐 오가노이드와 인간 오가노이드의 멜라닌 생성 차이가 밝혀지면서, 동물 모델의 한계가 드러났습니다. 그럼에도 불구하고 오가노이드는 환자 맞춤형 치료제 개발, 장기 이식, 조직 재생 등 재생의학 분야에서 점차 활용 범위를 넓혀가고 있습니다. 환자의 세포로 만든 오가노이드로 약물 반응을 실험해 최적의 치료법을 찾는 등, 의료의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 미래에는 오가노이드 기술이 더욱 발전해 환자 맞춤형 정밀 의료가 실현될 것으로 기대됩니다. 기존에는 모든 환자에게 동일한 치료제를 적용했지만, 오가노이드 기술을 통해 개개인의 유전체, 임상 정보, 생활 습관까지 반영한 최적의 치료법을 제공할 수 있게 됩니다. 줄기세포와 오가노이드 기반의 재생 치료제는 무병장수라는 인류의 오랜 꿈에 한 걸음 더 다가가게 할 것입니다. 물론 기술의 발전과 함께 윤리적, 법적, 경제적 과제도 해결되어야 하며, 아직 밝혀지지 않은 인체의 복잡한 비밀을 풀기 위한 연구도 계속되어야 합니다. 오가노이드 기술이 상용화된다면 의료비 부담도 줄고, 더 많은 환자들이 혜택을 누릴 수 있을 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학
융합

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #001 | 이현숙 센터장

서울대학교 바이오 인공지능 연구센터는 기초과학과 인공지능의 결합을 통해 인류 과학사에 새로운 족적을 남기고자 설립되었습니다. 이 센터는 국가 지원금이 아닌 순수 민간 기부금으로 운영되며, 눈에 보이는 단기적 목표보다는 미래를 개척하는 도전적인 연구를 지향합니다. 학과와 대학의 경계를 허물고 다양한 분야의 전문가들이 모여 협력하는 이 모델은 우리나라 연구 풍토와 지원 제도에 새로운 변화를 불러일으키고 있습니다. 센터는 단순한 연구 집단을 넘어, 인재들이 자유롭게 소통하며 시너지를 내는 혁신적인 플랫폼을 꿈꿉니다. 2020년 구글의 알파폴드가 단백질 구조 예측 기술을 발표한 사건은 센터 설립의 결정적인 계기가 되었습니다. 수십 년간 생명과학자들이 매달려온 난제를 인공지능이 해결하는 모습을 보며, 이현숙 센터장은 생명과학자로서 직업적 위기감과 두려움을 느꼈다고 회상합니다. 인공지능에 대한 무지가 미래의 뒤처짐으로 이어질 수 있다는 절박함은 혁신의 시작이 되었습니다. 이러한 두려움은 인공지능을 적이 아닌 동반자로 받아들이고, 이를 통해 더 큰 인류적 가치를 창출하려는 의지로 승화되었습니다. 바이오 인공지능 연구센터는 특정 학문에 국한되지 않는 초학제적 협력을 핵심 가치로 삼습니다. 인공지능 전문가뿐만 아니라 의학, 물리, 화학, 수학, 통계학, 기계공학 등 다양한 분야의 인재 40여 명이 모여 거대한 연구단을 구성했습니다. 이들은 단순히 자신의 연구를 수행하는 데 그치지 않고, 서로의 전문성을 공유하며 아무도 상상하지 못했던 새로운 프로젝트를 스스로 도출해 나갑니다. 이러한 자유로운 공모와 인터뷰를 통해 선발된 연구자들은 협력 연구에 대한 강력한 의지를 바탕으로 집단 지성의 힘을 보여주고 있습니다. 센터의 비전은 단순히 바이오와 인공지능의 결합을 넘어선 '종합 과학'의 실현에 있습니다. 10년, 20년 후에는 인공지능 외에도 새롭게 등장할 첨단 기술들을 유연하게 받아들여 생명 현상의 근원적인 질문들에 답하는 도전적인 연구단으로 성장하는 것이 목표입니다. 특히 인간의 질병 발생 원인 규명, 정밀한 진단, 신약 개발 등 인류의 삶을 실질적으로 개선할 수 있는 분야에 집중하고 있습니다. 이는 작은 나라에서도 세계를 놀라게 할 위대한 발견이 나올 수 있다는 가능성을 증명하려는 서울대학교의 담대한 도전이기도 합니다. 이현숙 센터장은 분자생물학자로서 유방암 억제 인자인 BRCA2의 기능을 규명하고 텔로미어의 항상성 유지 기전을 연구해 온 전문가입니다. 그녀의 연구 인생에서 가장 큰 성취는 역설적으로 '대실패'의 순간에서 시작되었습니다. 박사 과정 당시 세웠던 가설이 완전히 틀렸음을 입증하며 위기에 처했을 때, 포기하지 않고 도전했던 경험이 BRCA2 연구라는 거대한 기회로 이어졌습니다. 이러한 경험은 센터 운영 철학에도 반영되어, 연구자들이 실패를 두려워하지 않고 새로운 질문을 던질 수 있는 환경을 조성하는 밑거름이 되었습니다. 현재 생명과학 분야의 가장 큰 화두는 인공지능의 활용과 더불어 '노화' 연구입니다. 노화는 누구도 피할 수 없는 현상이지만, 그 분자생물학적 메커니즘은 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 센터는 인공지능과 데이터 사이언스를 활용해 노화 과정에서 발생하는 염증과 면역력 저하의 비밀을 풀고, 이를 통해 건강한 수명 연장을 실현하고자 합니다. 또한 방대한 유전자 시퀀싱 데이터를 학습하여 개인의 질병 확률을 예측하거나, 고해상도 영상 이미지를 분석해 세포의 운명을 정확히 판단하는 등 실질적인 연구 성과를 도출하고 있습니다. 이현숙 센터장은 자신이 단순한 롤 모델이 되기보다는, 후배 과학자들과 학생들이 마음껏 꿈을 펼칠 수 있는 '마당'이자 '플랫폼' 역할을 하기를 희망합니다. 과학은 스스로의 호기심을 좇는 과정이며, 그 과정에서 발생하는 시너지가 얼마나 큰 변화를 이끌어낼 수 있는지 보여주는 것이 그녀의 사명입니다. 바이오 인공지능 연구센터는 단순히 연구비를 지원하는 곳이 아니라, 사람들의 꿈이 모여 인류의 미래를 바꾸는 공간입니다. 이곳에서 탄생할 새로운 과학적 발견들이 세상을 더 나은 곳으로 만들 것이라는 낙관적인 믿음이 센터를 움직이는 원동력입니다.

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[연구뭐하지?] 우리 몸은 침입 병원체를 어떻게 인식하고 방어하는가?_라젠드라 카르키(Rajendra Karki)교수 | 서울대학교 “선천면역 및 세포사멸 연구실”

우리 몸의 면역 체계는 외부에서 침입하는 바이러스나 박테리아와 같은 병원체를 인식하고 방어하는 복잡한 과정을 거칩니다. 서울대학교 면역학 연구실에서는 건강과 염증, 자가면역 질환의 조절 기저에 깔린 신호 전달의 수수께끼를 풀기 위해 매진하고 있습니다. 특히 병원체가 특정 수용체를 활용하여 면역 반응을 유도하는 방식을 이해하는 것은 감염병 대응 전략 수립의 핵심입니다. 선천 면역 신호 전달과 관련된 분자의 돌연변이는 다양한 염증성 및 대사 질환과 연결되어 있으며, 때로는 사이토카인 폭풍과 같은 치명적인 상태를 초래하기도 합니다. 이러한 분자적 기전을 규명하는 것이 연구의 출발점입니다. 연구의 범위는 단순히 감염병에 국한되지 않고 비만이나 암과 같은 현대인의 주요 질병으로 확장됩니다. 세포가 사멸할 때 어떤 유발 요인이 그 과정을 유도하는지 분석하며, 특히 비만 상태에서 지방 세포가 분화될 때 발생하는 염증 반응과 선천 면역 사이의 상관관계를 탐구합니다. 지방 세포의 변화가 어떻게 대사 질환을 유도하는지 밝히는 과정은 현대 의학의 난제를 해결하는 중요한 열쇠가 됩니다. 또한 암세포의 사멸 과정에서 선천 면역 분자가 수행하는 역할을 연구함으로써, 후천 면역 못지않게 중요한 선천 면역의 가치를 재조명하고 질병 치료의 새로운 가능성을 제시하고자 합니다. 면역학은 인류의 삶에 직접적인 변화를 가져오는 실천적인 분야입니다. 최근 전 세계를 휩쓴 코로나19에 대응하기 위한 mRNA 백신 개발부터 암 면역 요법, 유전자 편집 기술인 크리스퍼(CRISPR)에 이르기까지 면역학의 성과는 눈부십니다. 마이크로바이옴과 면역 체계의 상호작용이나 면역 대사학 같은 분야는 우리가 질병을 바라보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이러한 학문적 진보는 단순히 지식의 확장을 넘어 인류의 건강을 위협하는 다양한 요인들에 맞설 수 있는 강력한 무기를 제공하며 의학의 패러다임을 전환하고 있습니다. 복잡한 생명 현상의 기전을 연구하다 보면 예상치 못한 반전과 마주하게 됩니다. 수많은 실험과 실패를 거듭한 끝에 원하는 결과가 도출되는 순간의 성취감은 무엇과도 바꿀 수 없는 연구의 묘미입니다. 특히 흩어져 있던 데이터들이 하나의 일관된 기전으로 딱딱 맞아떨어질 때 느끼는 희열은 면역학 연구를 지속하게 하는 원동력이 됩니다. 면역학은 외울 것이 많은 까다로운 학문처럼 보일 수 있지만, 그 이면에 숨겨진 논리적인 구조를 이해하기 시작하면 세상에서 가장 흥미로운 탐구 대상이 됩니다. 끊임없이 질문하고 궁금해하는 호기심은 보이지 않는 생명의 원리를 밝혀내는 첫걸음입니다. 성공적인 연구를 위해서는 뛰어난 연구 역량뿐만 아니라 협력과 인내의 자세가 필수적입니다. 연구실의 핵심 가치인 'CODE'는 호기심(Curiosity), 관찰력(Observant), 헌신과 결단력(Dedication), 그리고 탁월함(Excellence)을 의미합니다. 각기 다른 강점을 가진 연구자들이 서로의 장점을 배우고 협력할 때 비로소 혁신적인 성과가 탄생할 수 있습니다. 순수하게 생명 현상의 기전을 밝히는 과정은 때로 고되고 인내심을 요구하지만, 열린 마음으로 소통하며 문제를 해결해 나가는 과정 자체가 과학의 본질입니다. 이러한 철학을 바탕으로 인류가 직면한 과학적 난제들을 하나씩 해결해 나가고자 합니다.

Rajendra Karki(라젠드라 카르키)

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생명과학

[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

[질문과 토론의 과학 #16] 📊 수리생물학 : 생명현상을 바라보는 수학

수리생물학은 생체 시계 연구를 넘어 우리 삶과 밀접한 다양한 생명 현상을 탐구합니다. 암이나 에이즈 같은 중대 질병의 기전을 파악하는 것부터 조류 인플루엔자나 구제역의 전파 경로를 예측하는 모델링까지 그 범위가 매우 넓습니다. 최근에는 간호사의 교대 근무 스케줄을 최적화하여 수면의 질을 높이거나, 가뭄 상황에서 식물이 겪는 분자적 변화를 추적하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 박테리아 간의 소통 방식이나 뇌의 인지 구조를 밝히는 일 또한 수학의 힘을 빌려 해결하고 있는 흥미로운 과제들입니다. 생명 현상을 설명하기 위해 미분방정식 외에도 확률, 통계, 제어 이론 등 다채로운 수학적 도구가 동원됩니다. 특히 위상수학은 복잡하게 꼬인 DNA 구조나 뇌의 연결망을 분석하는 데 필수적이며, 대수학은 생물 분류 체계를 정립하는 데 기여합니다. 수백 개의 변수가 얽힌 유전자 조절 네트워크를 분석할 때는 그래프 이론이 사용되며, 데이터가 부족한 상황에서는 역 문제 이론을 통해 필요한 파라미터를 추정하기도 합니다. 이처럼 수학은 생명의 신비를 푸는 열쇠로서 기초 학문부터 응용 분야까지 어디에나 존재하며 그 역할을 다하고 있습니다. 산업응용수학은 의료, 감염병, 공학 등 실제 사회 문제를 해결하는 데 앞장서고 있습니다. 국내 연구진은 100년 동안 사용되던 약물 분해 속도 추정식의 한계를 발견하고, 이를 보완하여 더 정확한 예측 모델을 개발하는 성과를 거두었습니다. 또한 암호 이론을 활용해 개인 정보를 보호하면서도 신용을 평가하는 기술을 세계 최초로 구현하거나, 지문 조각만으로 신원을 확인하는 알고리즘을 개발하기도 했습니다. 금융권의 퀀트 모델 역시 수학적 계산을 산업화한 대표적인 사례로, 수학이 단순한 이론을 넘어 국가 경쟁력과 직결됨을 보여줍니다. 성공적인 융합 연구를 위해서는 학문 간의 장벽을 허무는 노력이 필요합니다. 신약 개발 과정에서 발생하는 천문학적인 실험 비용을 절감하기 위해 수학적 시뮬레이션을 도입하는 것은 이미 세계적인 추세입니다. 하지만 수학자가 질병 관리나 정책 결정 과정에 참여하기 위해서는 여전히 사회적 인식 개선과 제도적 지원이 절실합니다. 연구자들이 방대한 데이터에 원활하게 접근할 수 있는 환경이 조성되어야 하며, 서로 다른 분야의 전문가들이 열린 마음으로 협력할 수 있는 융복합 문화가 학교와 연구 현장에 뿌리내려야 합니다. 융합 연구자의 핵심 자질은 상대방의 언어로 소통하는 능력입니다. 수학적 증명보다는 생물학이나 의학의 언어로 수식을 설명하고, 매주 이어지는 토론을 즐겁게 이끌 수 있는 유연한 태도가 중요합니다. 교육 측면에서도 변화가 요구됩니다. 학생들이 수학이 실제 세상에서 어떻게 쓰이는지 체험할 수 있도록 교과 과정을 구성하되, 동시에 어떤 문제든 해결할 수 있는 탄탄한 수학적 기초 체력을 길러주어야 합니다. 순수 수학의 깊이와 응용 수학의 넓이가 조화를 이룰 때, 비로소 수학은 세상을 바꾸는 진정한 힘을 발휘할 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[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

[연구뭐하지?] 이현숙 교수_서울대학교 '암세포생물학연구실' | 암세포 연구실은 사이언스 어벤져스입니다

서울대학교 암세포 생물학 연구실은 각기 다른 개성과 장점을 가진 연구원들이 모여 하나의 목표를 향해 나아가는 '사이언스 어벤져스'와 같습니다. 분자생물학을 기반으로 암세포의 발생 기전을 연구하는 이곳은, 구성원 개개인의 역량이 조화를 이루어 거대한 과학적 난제를 해결하고자 노력합니다. 단순한 지식의 습득을 넘어 생명의 신비를 밝히려는 열정은 연구실을 지탱하는 가장 큰 원동력이 되며, 이는 곧 인류의 건강과 미래를 위한 소중한 발걸음이 됩니다. 현대 생명과학은 유전체 빅데이터와 인공지능 기술이 결합된 일종의 종합 예술 학문으로 진화하고 있습니다. 과거의 전통적인 실험 방식에 국한되지 않고, 다양한 학문적 배경을 가진 인재들이 협업하여 복잡한 생명 현상을 모델링하고 분석합니다. 고등학교 교과서에서 배운 기초 지식을 넘어 생명의 근원적인 질문에 답하고 싶은 이들이라면, 전공의 경계 없이 누구나 도전할 수 있는 열린 공간이 바로 오늘날의 생명과학 연구 현장입니다. 이곳은 하나의 질문이 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 '살아있는 연구실'을 지향합니다. 연구 과정에서 발생하는 수많은 의문은 새로운 답을 찾는 이정표가 되며, 이는 다시 후속 연구를 파생시키는 역동적인 흐름을 만들어냅니다. 특히 국내외 학회 참여와 대가들과의 교류를 통해 연구원들이 자신의 연구를 객관적으로 점검하고 새로운 시각을 가질 수 있도록 적극적으로 지원합니다. 이러한 개방적인 환경은 연구자가 두려움 없이 새로운 방법론을 도입하고 성장하는 밑거름이 됩니다. 연구실의 핵심 과제는 세포주기와 텔로미어 유지 기전을 규명하여 암 발생의 원인을 밝히는 것입니다. 이러한 기초 과학적 연구는 학문적 진보를 이룰 뿐만 아니라, 궁극적으로 암 정복을 통해 인류 사회에 기여하는 가치를 지닙니다. 세계적인 석학과의 만남이나 엄격한 심사 과정을 통해 연구의 질을 높이려는 노력은 연구원들에게 긍정적인 자극을 줍니다. 철저한 준비와 끊임없는 자기 성찰은 과학자로서 갖추어야 할 필수적인 덕목이며, 이는 곧 세계적인 수준의 연구 성과로 이어집니다. 진정한 과학적 탐구는 정해진 목표를 달성하는 것에 그치지 않고, 끊임없이 질문을 따라 미지의 세계로 나아가는 과정입니다. 모든 현상을 회의적인 시각으로 바라보고 본질을 파고드는 태도는 연구자에게 가장 중요한 자산입니다. 따라서 동료들과 활발하게 소통하며 자신의 연구를 명확하게 설명할 수 있는 적극적인 태도가 요구됩니다. 질문이 멈추지 않는 한 연구는 계속되며, 이러한 과정을 통해 우리는 생명의 신비에 한 걸음 더 가까이 다가가게 될 것입니다.

이현숙

카오스재단연구뭐하지

생명과학

[강연] 게놈데이터를 이용한 정밀의학 _ by이세민 | 2020 가을 카오스강연 'Ai X' 3강 | 3강

정밀 의료는 기존의 획일적인 치료 방식에서 벗어나 환자 개개인의 특성에 맞춘 최적의 의료 서비스를 제공하는 패러다임입니다. 이는 환자가 보유한 유전체 정보뿐만 아니라 생활 습관, 가족력, 임상 정보 등 방대한 데이터를 종합적으로 분석하여 질병의 아형이나 인종적 특성에 따른 세분화된 치료를 가능하게 합니다. 이러한 정밀 의료의 핵심은 방대한 양의 데이터를 확보하고, 이를 기반으로 환자에게 가장 적합한 치료 전략을 정확하게 예측할 수 있는 시스템을 구축하는 데 있습니다. 방대한 고차원 데이터를 처리하기 위해 최근 의료 분야에서는 기계 학습 알고리즘을 적극적으로 도입하고 있습니다. 기계 학습은 컴퓨터가 경험과 데이터를 통해 스스로 학습하고 성능을 개선하는 기술로, 정밀 의료에서 요구되는 복잡한 예측 모델을 설계하는 데 필수적입니다. 연구자가 제공한 데이터를 바탕으로 학습된 모델은 새로운 환자 데이터가 입력되었을 때 기존의 학습 근거를 토대로 최적의 치료법이나 질병의 경과를 예측하며, 이는 의료진의 의사결정을 돕는 강력한 도구가 됩니다. 유전체는 한 생물종의 완전한 유전 정보 총합을 의미하며, 이를 읽어내는 기술은 생어 시퀀싱에서 시작해 차세대 염기 서열 분석(NGS)으로 비약적인 발전을 이루었습니다. 초기에는 인간 유전체 지도를 완성하는 데 13년이라는 긴 시간과 막대한 예산이 소요되었으나, 현재의 NGS 기술은 수십억 개의 염기 서열을 병렬로 빠르게 읽어낼 수 있어 데이터 생산량을 획기적으로 늘렸습니다. 이러한 기술적 진보는 개인의 유전체 정보를 저렴하고 빠르게 분석할 수 있는 토대를 마련했습니다. 암은 대표적인 유전체 질환으로, 세포 분열 과정에서의 복제 오류나 자외선, 흡연과 같은 외적 요인에 의해 축적된 유전 변이가 원인이 되어 발생합니다. 정상 세포가 암 유발 변이를 획득하면 사멸하지 않고 무한 증식하며 악성 종양으로 발전하게 되는데, 이 과정에서 발생하는 다양한 변이들을 파악하는 것이 치료의 핵심입니다. 연구자들은 대규모 암 유전체 프로젝트를 통해 수만 명의 환자 데이터를 분석함으로써 암 발생에 기여하는 핵심 유전자를 식별하고 이를 치료에 활용하고 있습니다. 인공지능은 암 유전체 빅데이터를 학습하여 특정 항암제에 대한 환자의 반응성을 예측하거나 개인 맞춤형 면역 항암제를 개발하는 데 활용됩니다. 특히 딥러닝 모델은 암세포의 유전 변이 정보를 분석하여 면역 세포가 암세포를 더 잘 인식할 수 있도록 돕는 신생 항원을 예측하는 데 탁월한 성능을 보입니다. 이러한 기술을 통해 개발된 신생 항원 백신은 실제 임상에서 피부암 환자의 재발을 막거나 완전 관해를 유도하는 등 정밀 의료의 가능성을 실무적으로 증명해내고 있습니다. 유전체 데이터의 활용은 암 치료를 넘어 정신 건강 영역으로도 확장되고 있습니다. 유전자의 발현 패턴과 유전체 메틸화 정도를 분석하는 후성유전체 데이터를 인공지능으로 분석하면 우울증 정도나 자살 위험도를 높은 정확도로 예측할 수 있습니다. 이는 부모로부터 물려받은 고정된 유전 정보가 아니라 외부 환경에 의해 변화하는 유전자 조절 메커니즘을 파악하는 것으로, 질병의 조기 진단과 예방적 차원에서의 정밀 의료가 정신 의학 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 성공적인 정밀 의료를 위해서는 알고리즘의 고도화만큼이나 한국인 특성을 반영한 양질의 유전체 빅데이터 확보가 무엇보다 중요합니다. 인종마다 유전적 특성이 다르기 때문에 해외 데이터에만 의존할 경우 국내 환자에게 최적화된 진단을 내리는 데 한계가 있기 때문입니다. 현재 진행 중인 국가 바이오 빅데이터 구축 사업과 지역 기반의 유전체 프로젝트들은 한국인 특이적 변이를 체계적으로 분석하여 우리나라 의료 시스템에 최적화된 정밀 의료 시대를 앞당기는 초석이 될 것입니다.

이세민

카오스재단카오스강연

생명과학

[석학인터뷰] 이세민_ 암과의 휴전은 50여 년 후? | 2020 가을 카오스강연 'Ai X'

생명정보학은 방대한 생물학적 데이터를 분석하여 유의미한 패턴을 발견하고 다양한 생명 현상을 추정하는 학문입니다. 특히 암 유전체학은 이 분야의 핵심으로, 암 조직에서 추출한 유전체 정보를 분석해 어떤 변이가 발생했는지 파악하고 그 변이가 질병의 진행에 어떤 역할을 하는지 예측합니다. 이러한 연구는 단순히 데이터를 나열하는 것을 넘어, 질병의 근본적인 원인을 이해하고 치료의 실마리를 찾는 데 중요한 역할을 합니다. 현대 의학에서 유전체 데이터의 중요성이 날로 커짐에 따라 생명정보학의 위상 또한 높아지고 있습니다. 유전체 데이터는 그 규모가 매우 방대하고 복잡한 구조를 가지고 있어 이를 해석하는 데 정밀한 분석 도구가 요구됩니다. 유전체 서열 내에서 유전자의 위치를 정확히 찾아내고, 유전자 발현을 조절하는 인자들의 역할을 예측하는 과정은 생명의 설계도를 해석하는 핵심적인 단계입니다. 복잡하게 얽힌 서열 정보 속에서 숨겨진 의미를 파악함으로써, 우리는 질병의 근원을 이해하는 중요한 단서를 얻게 됩니다. 이러한 분석은 현대 생명과학 연구의 기초가 되며, 고차원적인 정보를 유의미한 지식으로 전환하는 과정을 포함합니다. 암 연구 분야에서는 환자 개개인의 변이에 따른 약물 반응성을 추정하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 특정 유전적 변이가 있을 때 어떤 치료제가 가장 효과적일지, 혹은 부작용은 없을지를 모델링을 통해 미리 예측하는 것입니다. 이는 과거의 시행착오 중심적 치료에서 벗어나 정밀 의료를 제공하는 계기가 됩니다. 비록 질병을 단기간에 완벽히 정복하는 것은 어렵겠지만, 기술의 발전은 암을 관리 가능한 영역으로 끌어들이며 환자들이 일상생활을 유지할 수 있는 가능성을 열어주고 있습니다. 유전체 지도는 한 개인을 규정하는 가장 핵심적인 정보라고 할 수 있습니다. 인간이 가진 다양한 생물학적 특성과 미래의 건강 상태를 가늠할 수 있는 방대한 데이터가 이 안에 축적되어 있기 때문입니다. 성격이나 지능, 질환에 걸릴 위험도와 같은 요소들은 유전체 정보와 깊은 연관이 있습니다. 물론 외부 환경의 영향이나 생활 습관에 따른 유전자 발현의 변화도 무시할 수 없지만, 생명체의 기본적인 형질은 유전적 요인에 의해 결정되는 경우가 많습니다. 따라서 유전체를 정확히 파악하는 것은 인간이라는 존재를 깊이 있게 이해하는 근본적인 열쇠가 됩니다. 앞으로의 의학은 환자의 유전체 정보를 기반으로 최적의 치료법을 찾아내는 정밀 의료로 진화할 것입니다. 암 조직의 변이 정보를 분석하여 가장 적합한 약물을 선택하는 과정은 이미 의료 현장에서 응용되기 시작했습니다. 이러한 기술적 진보가 계속된다면 미래에는 암이 더 이상 공포의 대상이 아니라, 적절히 조절하며 일상생활을 영위할 수 있는 질환이 될 것입니다. 빅데이터 분석 기술의 고도화는 인류가 질병을 극복하고 건강한 삶을 유지하는 방식에 혁명적인 변화를 가져올 것이며, 이는 인류의 건강한 삶을 위한 새로운 전환점이 될 것입니다.

이세민

카오스재단카오스강연

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[석학인터뷰] 이현숙_ 암은 왜 생길까요? 결론부터 말씀드리면.. | 2020 서울대 자연과학대 공개강연 '과학으로 살아남기'

분자생물학은 전통적인 생물학의 틀을 넘어 물리학자와 화학자들의 시선에서 시작된 학문입니다. 생명 현상을 단순한 관찰이 아닌 물리화학적 구조를 기반으로 이해하려는 시도가 이 학문의 핵심입니다. DNA와 RNA, 그리고 단백질의 구조와 상호작용을 세밀하게 분석함으로써 생명의 본질에 접근합니다. 이는 과거 아리스토텔레스 방식의 동식물 분류와는 차별화된 현대 과학의 정수라고 할 수 있으며, 미시적인 세계에서 생명의 원리를 탐구합니다. 암 연구와 분자생물학은 떼려야 뗄 수 없는 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 실제로 암 생물학 분야에서 이룩한 성과의 상당 부분은 분자생물학적 방법론을 통해 도출되었습니다. 암의 발생 기전을 연구하다 보면 자연스럽게 분자 수준에서의 변화를 마주하게 되며, 이를 통해 암의 비밀을 하나씩 풀어나가게 됩니다. 결국 두 학문은 서로의 발전을 견인하며 인류의 건강을 증진하는 데 기여하고 있으며, 질병의 근본 원인을 파악하는 강력한 도구가 됩니다. 암은 본질적으로 DNA의 질병이라고 정의할 수 있습니다. 세포가 성장하고 분열하는 과정에서 DNA는 필연적으로 손상을 입게 되며, 이러한 돌연변이가 축적되면서 암이 발생합니다. 수명이 길어질수록 암 발생 확률이 높아지는 것은 생물학적인 숙명과도 같습니다. 하지만 최근에는 조기 진단 기술의 발전과 면역관문 억제제 같은 혁신적인 치료법의 등장으로 암을 다스리고 극복할 수 있는 가능성이 그 어느 때보다 높아지고 있는 추세입니다. 과학계의 지속 가능한 발전을 위해서는 다양성 확보가 필수적입니다. 특히 우수한 여성 인력들이 경력 단계마다 이탈하는 '파이프라인 누출' 현상은 반드시 해결해야 할 과제입니다. 대학원까지는 높은 비율을 차지하던 여성 과학자들이 교수로 임용되는 과정에서 급격히 줄어드는 현실은 사회적 지원의 부족을 시사합니다. 창의적인 연구 환경은 다양한 배경을 가진 이들이 섞여 있을 때 비로소 완성되며, 이는 과학계 전체의 경쟁력으로 이어집니다. 분자생물학의 태동과 열정을 느끼고 싶다면 호러스 저드슨의 저서 '창조의 제8일'을 추천합니다. 이 책은 분자생물학의 선구자들이 어떻게 학문의 기틀을 마련했는지, 그리고 노벨상의 산실인 케임브리지 분자생물학 연구소가 어떤 과정을 거쳐 탄생했는지를 생생하게 담고 있습니다. 과학적 탐구의 즐거움과 학문에 임하는 자세를 일깨워주는 이 기록은, 우리가 왜 분자생물학을 공부해야 하는지에 대한 깊은 울림과 영감을 선사할 것입니다.

이현숙

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[석학인터뷰] 윌리엄 케일린_노벨상 수상자의 이야기 ㅣ 새벽 4시 40분, 스톡홀름에서 전화가 온다면?

노벨상 수상 소식을 알리는 스톡홀름에서의 전화는 한 과학자의 인생을 송두리째 바꾸어 놓습니다. 매년 수상 확률이 희박함에도 불구하고 벨소리를 켜두고 잠드는 설렘은 모든 연구자의 마음속에 자리 잡고 있을 것입니다. 사실 많은 과학자가 처음부터 연구의 길을 확신하는 것은 아닙니다. 의학도를 꿈꾸던 청년이 훌륭한 멘토를 만나 진정한 과학의 가치를 깨닫고 뒤늦게 연구에 뛰어드는 사례도 많습니다. 중요한 것은 자신이 하는 일을 즐기며 열정을 쏟을 수 있는 환경을 만나는 것입니다. 과학자로서의 삶에서 가장 큰 축복은 일이 더 이상 노동이 아닌 놀이처럼 느껴지는 순간을 맞이하는 것입니다. 연구실에서 기술을 익히고 자신만의 아이디어를 구체화하다 보면, 어느덧 스스로의 재능에 대한 확신이 생기기 시작합니다. 관련 분야의 문헌을 탐독하며 지식의 지평을 넓히는 과정은 모호했던 의문들을 명확하게 해소해 줍니다. 이러한 자신감은 단순히 지식의 양에서 오는 것이 아니라, 문제를 해결해 나가는 과정 자체를 즐기는 태도에서 비롯됩니다. 암 정복은 인류의 오랜 숙원이자 가능성 있는 목표입니다. 2000년 인간 게놈 지도가 발표된 이후, 암 연구는 비로소 정밀한 데이터에 기반한 체계적인 연구의 기틀을 마련하게 되었습니다. 과거 달 착륙이 공학적인 문제 해결의 영역이었다면, 암 치료는 여전히 풀어야 할 과학적 원리가 산재한 영역입니다. 공학은 비용과 시간을 예측할 수 있지만, 과학은 근본적인 원리를 발견해 나가는 과정이기에 더 많은 인내와 탐구가 필요합니다. 우리는 여전히 암이라는 복잡한 생물학적 퍼즐을 풀기 위한 원리를 배우는 중입니다. 모든 위대한 발견은 기술이나 실험 방법이 아니라, 해결하고자 하는 본질적인 질문에서 시작됩니다. 단순히 최신 기술을 사용하는 것에 매몰되지 않고, 그 질문이 얼마나 중요하고 흥미로운지를 먼저 성찰해야 합니다. 좋은 실험은 명확한 결과뿐만 아니라 문제를 바라보는 재치 있는 아이디어를 포함해야 합니다. 남들이 이미 수행하고 있거나 누구나 생각할 수 있는 뻔한 실험보다는, 자신만이 제시할 수 있는 새로운 관점과 반전이 담긴 연구가 과학의 진보를 이끌어냅니다. 현대 과학자들은 자신의 연구가 즉각적으로 어디에 응용될 수 있는지를 증명해야 한다는 압박을 자주 받습니다. 하지만 모든 혁신적인 응용은 기초적인 기전 연구라는 토대 위에서 탄생합니다. 처음에는 단순히 생물학적 퍼즐을 풀고자 했던 순수한 호기심이 결국 인류에게 유용한 지식으로 축적되는 것입니다. 과학에는 지름길이 없으며, 생명 현상을 깊이 있게 이해하려는 기초 연구가 선행될 때 비로소 암 치료와 같은 실질적인 응용 분야의 문이 열리게 됩니다.

William G. Kaelin Jr(윌리엄 케일린)

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

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

William Kaelin | 2019 The Nobel Prize Winner, Nobel Prize in Physiology or Medicine | 3강

생명체에게 산소는 생존의 필수 요소이지만, 세포가 산소 농도를 어떻게 감지하고 적응하는지는 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 2019년 노벨 생리의학상을 수상한 윌리엄 케일린 교수는 세포 내 산소 감지 메커니즘을 규명하며 현대 의학의 새로운 지평을 열었습니다. 이 발견은 단순히 생물학적 호기심을 충족시키는 데 그치지 않고, 암과 빈혈 등 난치성 질환을 치료할 수 있는 결정적인 단서를 제공했다는 점에서 그 가치가 매우 높으며, 기초 과학이 인류의 건강에 어떻게 기여할 수 있는지를 보여주는 완벽한 사례로 꼽힙니다. 케일린 교수의 연구는 임상 의사로서 환자를 돌보던 경험에서 시작되었습니다. 그는 희귀 유전병인 폰 히펠-린다우(VHL) 증후군 환자들에게서 나타나는 종양이 유독 혈관이 풍부하다는 점에 주목했습니다. VHL 유전자에 변이가 생기면 세포가 마치 산소가 부족한 상태인 것처럼 착각하여 혈관 형성을 촉진하는 신호를 과도하게 보낸다는 사실을 발견한 것입니다. 이는 특정 유전자의 결함이 세포의 산소 감지 체계를 어떻게 교란하는지 이해하는 중요한 출발점이 되었으며, 질병의 근본 원인을 파헤치는 계기가 되었습니다. 연구의 핵심은 VHL 단백질과 저산소 유도 인자인 HIF 사이의 상호작용에 있습니다. 산소가 충분한 환경에서 VHL 단백질은 HIF에 표식을 남겨 이를 파괴함으로써 세포 내 농도를 낮게 유지합니다. 하지만 산소가 부족해지면 이 과정이 중단되어 HIF가 축적되고, 이는 적혈구 생성이나 혈관 확장을 돕는 유전자들을 활성화합니다. 이러한 정교한 '분자 스위치' 메커니즘은 우리 몸이 환경 변화에 유연하게 대응하며 항상성을 유지하는 원동력이 됩니다. 이 과정에서 수산화효소가 산소 센서 역할을 수행한다는 점도 밝혀졌습니다. 이 메커니즘의 규명은 암 치료 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 특히 신장암의 경우 VHL 유전자의 변이가 빈번하게 발생하는데, 이를 통해 암세포가 산소 공급을 받기 위해 끊임없이 새로운 혈관을 만들어낸다는 사실이 밝혀졌습니다. 연구진은 HIF의 활성을 억제하거나 관련 경로를 차단하는 약물을 개발하여 암세포의 영양 공급원을 차단하는 전략을 세웠습니다. 현재 이러한 원리를 이용한 치료제들이 임상 시험을 거쳐 실제 환자들에게 새로운 희망이 되고 있으며, 이는 기초 과학 연구가 실제 의료 현장에 적용된 훌륭한 사례입니다. 반대로 산소 감지 체계를 조절하여 빈혈을 치료하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 만성 신장 질환 환자들은 적혈구 생성 호르몬인 에리스로포이에틴이 부족해 심각한 빈혈을 겪는 경우가 많습니다. 이때 HIF를 분해하는 효소의 기능을 억제하면, 산소가 충분한 상황에서도 HIF가 안정화되어 적혈구 생성을 촉진할 수 있습니다. 이는 기존의 주사제 대신 먹는 약으로 빈혈을 관리할 수 있는 가능성을 열어주었으며, 환자들의 삶의 질을 획기적으로 개선하는 성과로 이어지고 있습니다. 질병의 메커니즘을 이해하는 것이 얼마나 중요한지 보여줍니다. 위대한 과학적 발견 뒤에는 수많은 실패와 거절의 순간들이 있었습니다. 케일린 교수는 자신의 논문이 학술지에서 거절당하거나 연구비 확보에 어려움을 겪었던 경험을 공유하며, 과학자에게 필요한 가장 중요한 덕목으로 인내심을 꼽았습니다. 그는 단순히 결과를 쫓기보다 눈앞의 질문에 집중하고, 그 질문이 이끄는 대로 나아가는 과정 자체에서 즐거움을 찾아야 한다고 강조합니다. 훌륭한 멘토와의 만남과 논리적인 사고 훈련 역시 그가 난관을 극복하고 성과를 내는 데 큰 밑거름이 되었으며, 이는 모든 연구자에게 귀감이 되는 태도입니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 청소년들에게 그는 자신이 열정을 느낄 수 있는 분야를 찾는 것이 무엇보다 중요하다고 조언합니다. 과학은 세상의 수수께끼를 풀어나가는 즐거운 놀이와 같기 때문입니다. 노벨상이라는 결과에 매몰되기보다 연구 과정에서 마주하는 데이터 하나하나에 기쁨을 느끼는 태도가 창의적인 발견의 시작입니다. 끊임없는 호기심과 합리적인 의심을 바탕으로 미지의 영역에 도전하는 정신이야말로 인류의 지평을 넓히는 진정한 힘이 될 것입니다. 과학적 합리주의를 바탕으로 한 탐구는 우리 사회를 더욱 발전시키는 밑거름이 될 것입니다.

William G. Kaelin Jr(윌리엄 케일린)

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[석학인터뷰] 김재경_ 생물학에 시간의 개념을 도입하다 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다'

수학은 단순한 숫자의 나열을 넘어 생명 현상의 복잡한 원리를 규명하는 강력한 도구로 활용됩니다. 특히 미분 방정식은 시간에 따라 변화하는 생체 내의 역동적인 움직임을 분석하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 우리 몸속에서 암세포가 증식하는 속도나 전이 과정을 수학적 모델링을 통해 질병의 진행 양상을 정밀하게 예측할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 전통적인 생물학적 관찰만으로는 파악하기 어려운 생명 현상의 근본적인 속성들을 수치화하고 체계적으로 이해할 수 있는 새로운 지평을 열어줍니다. 생체 시계 연구는 기존 생물학 연구에서 상대적으로 간과되었던 '시간'이라는 개념을 중요한 변수로 도입했습니다. 항암제를 투여할 때 아침, 점심, 저녁 중 어느 시간대에 주느냐에 따라 치료 효과가 현저히 달라진다는 사실은 생체 시계의 중요성을 잘 보여줍니다. 우리 몸의 대사와 면역 체계가 시간에 따라 주기적으로 변화하기 때문에, 이러한 생체 시계를 수학적으로 분석하면 최적의 치료 시점을 결정하는 정밀 의료가 가능해집니다. 이는 생명 과학에 시간이라는 차원을 더해 더욱 입체적인 연구를 가능케 하는 혁신적인 시도라고 할 수 있습니다. 수학자로서의 정체성을 '친구'라고 정의하는 태도는 학문 간의 경계를 허무는 협력의 중요성을 시사합니다. 실험 연구자들이 난관에 부딪혔을 때 수학적 지식으로 도움을 주고, 언제든 고민을 나눌 수 있는 동반자가 되는 것이 현대 과학이 지향해야 할 모습입니다. 새로운 분야를 개척하는 과정에는 주변의 우려와 불확실성이 따르기 마련이지만, 타인과 소통하며 문제를 해결해 나가는 과정은 학문적 성취를 넘어 더 나은 과학 생태계를 만드는 밑거름이 됩니다. 결국 학문적 지식은 타인의 어려움을 해결하는 따뜻한 도구가 될 때 그 가치가 더욱 빛납니다.

김재경

카오스재단2018 카오스강연 '모든 것의 수數다'

생명과학
수학

[강연] Phantom, Avatar and Persona (1) _ by정석 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 2강 | 2강 ①

고려대학교 기계공학부의 연구는 미세 세계의 독특한 물리적 환경을 탐구하는 것에서 시작됩니다. 마이크로 스케일에서는 우리가 일상에서 겪는 중력보다 표면장력이 훨씬 더 강력한 힘을 발휘하며, 이는 생명체의 세포가 상호작용하는 방식에 결정적인 영향을 미칩니다. 이러한 미세 환경을 정밀하게 제어하는 기술은 단순한 공학적 설계를 넘어 생명 과학의 새로운 지평을 여는 열쇠가 됩니다. 학생들의 창의적인 아이디어가 실현되는 공간인 '파이빌'처럼, 기존의 틀을 깨는 시도가 혁신의 바탕이 됩니다. 현대 의학의 발전 과정에서 동물 실험은 필수적인 단계로 여겨져 왔으나, 그 한계 또한 명확합니다. 쥐나 영장류는 인간과 생물학적 구조 및 대사 과정이 다르기 때문에, 동물 실험에서 안전했던 약물이 인간에게는 치명적인 부작용을 일으키는 사례가 빈번합니다. 실제로 동물 실험을 통과한 약물의 90% 이상이 임상 시험에서 실패한다는 사실은, 인간의 생체 반응을 더욱 정확하게 예측할 수 있는 새로운 모델이 절실히 필요함을 시사합니다. 이는 생명 윤리와 과학적 정확성 모두를 위한 과제입니다. 기존의 세포 배양 방식은 평평한 접시 바닥에 세포를 뿌려 키우는 2차원 배양 형태에 머물러 있었습니다. 하지만 우리 몸속의 세포는 결코 바닥에 누워 있는 상태로 존재하지 않으며, 주변 세포들과 복잡한 3차원적 스크럼을 짜고 상호작용합니다. 2차원 배양 환경에서 얻은 데이터는 실제 인체의 생리적 현상을 반영하기에 턱없이 부족합니다. 따라서 세포가 본래의 기능을 온전히 수행할 수 있도록 인체 내부와 유사한 3차원적 환경을 공학적으로 구현하는 것이 연구의 핵심적인 목표가 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 혁신적인 기술이 바로 '장기 칩(Organ-on-a-Chip)'입니다. 이는 미세한 칩 위에 인간의 장기 세포를 배양하여 인체의 생리적 기능을 모사하는 기술로, '휴먼 온 어 칩(Human-on-a-Chip)'이라는 개념으로 확장되고 있습니다. 이미 미국을 비롯한 전 세계 연구진은 폐, 심장, 간 등 다양한 장기를 칩 위에 구현하여 우주 공간에서의 생체 변화를 관찰하거나 질병 모델을 연구하는 데 활용하고 있습니다. 이는 동물 실험을 대체하고 신약 개발의 효율성을 획기적으로 높일 수 있는 게임 체인저가 될 것입니다. 특히 뇌와 신경계 연구에서 3차원 모사 기술은 그 진가를 발휘합니다. 우리 뇌의 해마나 신경 다발은 세포들이 정교한 순서로 배열되어 신호를 주고받는 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 신경세포를 감싸는 절연체 구조나 근육과의 접점을 칩 위에서 3차원으로 재현함으로써, 노화에 따른 감각 둔화나 신경 퇴행성 질환의 메커니즘을 심도 있게 분석할 수 있습니다. 빛을 이용해 신경을 자극하고 근육의 움직임을 실시간으로 관찰하는 실험은 인체의 신비에 한 걸음 더 다가가는 중요한 과정입니다. 암의 성장과 전이 과정에서도 혈관은 결정적인 역할을 수행합니다. 암세포는 스스로 생존하기 위해 주변 혈관을 끌어들여 영양분을 공급받고, 이를 통로 삼아 다른 조직으로 전이됩니다. 장기 칩 기술을 활용하면 암세포가 혈관 벽을 뚫고 나가는 전이의 순간을 포착하거나, 뇌혈관 장벽(BBB)의 견고함을 모사하여 약물 전달 효율을 시험하는 것이 가능해집니다. 이는 동물 실험으로는 관찰하기 어려운 미세한 생체 반응을 실시간으로 추적할 수 있게 해주며, 환자 맞춤형 항암 치료 전략을 세우는 데 기여합니다. 장기 칩 기술은 이제 심장, 신장, 코 점막 등 인체의 거의 모든 부위로 연구 영역을 넓혀가고 있습니다. 사구체를 모사하여 신장 질환 치료제를 개발하거나, 박동하는 심장 모델을 통해 약물의 독성을 평가하는 등 그 활용 가능성은 무궁무진합니다. 비록 전체 인체를 완벽하게 구현하는 것은 여전히 도전적인 과제이지만, 각각의 장기 모델을 정교하게 고도화함으로써 우리는 더 안전하고 효과적인 의료 기술을 향해 나아가고 있습니다. 공학과 바이오의 만남이 인류의 건강한 미래를 설계하고 있는 셈입니다.

정석

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 게놈으로 읽는 생명 (2) _ 박종화 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 9강 | 9강 ②

게놈은 우리 몸의 설계도이자 미래를 예측하는 열쇠입니다. 과거에는 생년월시를 통해 운명을 점쳤다면, 현대 과학은 60억에서 80억 자에 달하는 게놈 데이터를 통해 질병의 위험도를 예측합니다. 안젤리나 졸리가 유전자 분석을 통해 유방암 발병 확률을 확인하고 예방적 수술을 받은 사례는 맞춤 의학의 가능성을 잘 보여줍니다. 이처럼 방대한 유전 정보를 분석하고 그 안의 원칙을 찾아내는 과정은 단순히 질병을 진단하는 것을 넘어, 개인의 건강한 미래를 설계하는 중요한 토대가 됩니다. 게놈 분석의 핵심은 개개인의 차이를 이해하는 데 있습니다. 우리가 서로 다른 외모와 특성을 지닌 이유는 유전적 다양성 때문이며, 이는 생명체가 생존하고 진화하는 가장 큰 원동력입니다. 과거에는 한 사람의 게놈을 분석하는 데 천문학적인 비용이 들었지만, 기술의 비약적인 발전으로 이제는 누구나 저렴하고 정확하게 자신의 유전 정보를 읽을 수 있게 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 표준 게놈과의 비교를 통해 특정 질병에 걸릴 확률이나 신체적 특징을 파악하는 일을 일상적인 영역으로 끌어들였습니다. 암은 근본적으로 게놈의 변화로 인해 발생하는 유전자 질환입니다. 정상 세포의 유전자가 짧은 시간 내에 급격히 변하면서 마치 다른 종의 세포처럼 변해가는 과정이 바로 암의 본질입니다. 암세포와 정상 세포의 게놈을 정밀하게 비교하면 단백질 수준에서 어떤 문제가 발생했는지 구체적으로 파악할 수 있습니다. 예를 들어 칼슘 결합 단백질의 이상으로 세포 간의 접촉이 무너지고 암이 전이되는 원리를 밝혀내는 식입니다. 이러한 연구는 미래에 유전자를 직접 수술하여 질병을 근본적으로 치료하는 시대를 열어줄 것입니다. 동물의 게놈을 연구하는 것은 인간의 한계를 극복하는 실마리가 됩니다. 호랑이의 게놈에서 뛰어난 운동 신경과 야간 시력의 비밀을 찾고, 200년 넘게 장수하며 암에 잘 걸리지 않는 북극고래의 유전자를 분석하는 일이 대표적입니다. 특히 고래의 특정 유전자가 암 발생을 억제하고 노화를 늦추는 원리를 인간에게 적용할 수 있다면, 우리는 질병 극복을 넘어 수명 연장의 꿈에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다. 생명 현상의 핵심인 게놈의 차이를 이해함으로써 우리는 종의 경계를 넘어 생존의 지혜를 배우게 됩니다. 게놈은 인류의 과거를 비추는 거울이기도 합니다. 8천 년 전 고대인의 뼈에서 추출한 DNA 분석을 통해 한국인의 뿌리가 남방계에서 시작되어 북쪽으로 퍼져 나간 유전적 연속성을 지니고 있음이 밝혀졌습니다. 이는 생명의 본질이 결국 '정보'에 있음을 시사합니다. 정보를 저장하는 매체가 무엇이든, 그 안에 담긴 다양성과 차이를 존중하는 것이 생명을 이해하는 첫걸음입니다. 게놈이라는 거대한 빅데이터를 통해 우리는 과거를 기억하고 미래를 예측하며, 생명의 본질인 정보를 해독해 나가는 여정을 계속하고 있습니다.

박종화

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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

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생명과학