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[질문Q] 우리는 대체 언제쯤 노벨상을 받을 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

효소는 단백질로 이루어진 복잡한 생체 고분자로, 화학 반응에서 촉매 역할을 수행하며 생명 현상을 유지하는 핵심적인 존재입니다. 인공적으로 이러한 효소의 기능을 완벽히 구현하는 것은 매우 어려운 과제이지만, 현대 과학은 기존 효소의 구조를 개질하여 필요한 반응을 유도하는 '유도 진화(Directed Evolution)'라는 혁신적인 방법을 찾아냈습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 재현하여 인류에게 유용한 촉매를 설계하는 학문으로, 기초 과학의 무한한 가능성을 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 기초 과학의 성과는 단순히 연구비 투입만으로 단기간에 이루어지는 것이 아니라, 과학적 사고가 사회 전반에 뿌리내린 오랜 전통 속에서 꽃을 피웁니다. 서구의 경우 대중과 과학이 소통해 온 역사가 수백 년에 달하지만, 우리나라는 세계적인 수준의 연구를 본격적으로 수행한 역사가 상대적으로 짧은 편입니다. 과학적 사고방식이 널리 퍼지고 기초 과학의 전통이 축적되는 과정은 절대적인 시간이 필요한 일이며, 이러한 문화적 토양이 마련될 때 비로소 지속 가능한 과학 발전의 기틀이 형성될 수 있습니다. 최근 우리나라의 정부 연구비는 비약적으로 증가하여 GDP 대비 세계적인 수준에 도달했습니다. 하지만 누적된 투자 규모를 선진국과 비교해 보면 여전히 큰 격차가 존재하는 것이 현실입니다. 과학 기술의 성과는 축적의 시간이 필요하기에, 지금의 집중적인 투자가 결실을 보기까지는 앞으로 10~15년 정도의 시간이 더 필요할 것으로 보입니다. 현재 최고의 교육을 받은 차세대 연구자들이 현장에서 활약하고 있는 만큼, 머지않은 미래에는 우리나라도 일본과 같이 안정적인 과학 강국으로 자리매김할 것입니다. 과학자의 성장은 그가 속한 사회의 진보 및 자유의 확대와 궤를 같이합니다. 좋은 과학적 토양은 무엇이든 질문할 수 있고 어떤 의견이든 자유롭게 나눌 수 있는 환경에서 만들어지기 때문입니다. 노벨상과 같은 성과는 단순히 탁월한 개인의 업적을 넘어, 우리 사회가 얼마나 합리적이고 자유로운 사고를 수용할 수 있는지를 보여주는 인증 마크와도 같습니다. 우리 사회가 더 진보하고 자유로워질 때, 그 구성원인 과학자 또한 더욱 창의적이고 발전된 사고를 할 수 있게 되며 이는 곧 국가의 경쟁력으로 이어집니다. 본래 과학자는 '자연 철학자'라 불렸으며, 과학은 참과 거짓을 판단하기 위해 실험과 재현이라는 기준을 도입한 철학의 한 줄기에서 시작되었습니다. 오늘날 과학은 인류의 사고 체계를 지배하는 거대한 철학적 틀로 자리 잡았으며, 이는 원소의 발견과 같은 기초 연구에서도 잘 드러납니다. 118개의 원소 너머를 탐구하는 과정은 물리적인 한계를 극복하려는 노력이자, 찰나의 순간만 존재하는 존재를 어떻게 정의할 것인가라는 철학적 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 과학은 결국 우리가 세상을 이해하는 가장 정교한 방식입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 큰 분자 작은 우주, 효소의 세계 by송윤주｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 4강

효소는 우리 몸과 자연계에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 촉진하는 생체 촉매입니다. 단순히 소화를 돕는 물질을 넘어, 식물의 광합성부터 바이러스 진단, 신재생에너지 전환, 그리고 환경 문제 해결에 이르기까지 그 역할이 매우 방대합니다. 효소는 거대한 단백질 분자이지만, 그 내부에는 정교한 화학 반응의 원리가 숨어 있어 '작은 우주'라고 불리기도 합니다. 불확실한 세계 속에서 과학이 제시하는 명확한 해답 중 하나가 바로 이 효소의 메커니즘을 이해하고 활용하는 것입니다. 효소의 가장 놀라운 특징은 화학 반응의 속도를 비약적으로 높인다는 점입니다. 예를 들어, 우리가 먹은 음식물을 소화하는 데 효소가 없다면 약 500년이라는 긴 시간이 걸리겠지만, 효소 덕분에 단 몇 시간 만에 소화가 가능해집니다. 이는 효소가 기존의 어려운 경로 대신 새로운 반응 경로를 찾아내어 반응 속도를 수십억 배 이상 가속하기 때문입니다. 상온과 상압이라는 온화한 조건에서도 메탄을 메탄올로 바꾸는 것과 같은 고난도의 화학 반응을 효율적으로 수행하는 효소의 능력은 현대 과학이 추구하는 이상적인 촉매의 모습입니다. 효소는 20가지 아미노산이 특정 순서로 배열된 단백질로 구성됩니다. 만약 100개의 아미노산으로 이루어진 효소가 있다면, 그 조합의 수는 우주의 원자 수보다 많은 천문학적인 숫자가 됩니다. 이러한 복잡성 때문에 아미노산 서열이 어떻게 3차원 구조를 형성하고 특정 기능을 수행하는지에 대한 인과관계는 여전히 과학계의 거대한 난제로 남아 있습니다. 단 하나의 아미노산만 바뀌어도 헤모글로빈처럼 구조와 기능이 완전히 변할 수 있다는 사실은 효소 연구가 얼마나 정밀하고 어려운 영역인지를 잘 보여줍니다. 과학자들은 효소의 비밀을 풀기 위해 X선 결정법이나 초저온 전자현미경 등을 활용해 구조를 분석하고, 최근에는 인공지능을 도입해 구조 예측의 정확도를 높이지고 있습니다. 특히 프랜시스 아놀드 교수가 개척한 '유도 진화' 기술은 효소 연구의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 가속화하여 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 인위적으로 만들어내는 방법입니다. 서열과 기능 사이의 완벽한 법칙을 다 이해하지 못하더라도, 반복적인 변형과 선택을 통해 최적의 효소를 찾아내는 혁신적인 접근법입니다. 효소 연구의 실질적인 성과는 환경 오염 문제 해결에서도 빛을 발하고 있습니다. 과학자들은 페트병 재활용 공장 인근의 토양에서 플라스틱을 분해하는 미생물과 효소를 발견해냈습니다. 초기에는 분해 속도가 매우 느려 실용화에 한계가 있었지만, 유도 진화 기술을 적용해 효소의 구조를 개량한 결과 분해 시간을 획기적으로 단축하는 데 성공했습니다. 이처럼 무궁무진한 가능성을 지닌 효소의 세계를 탐구하는 것은 인류가 직면한 여러 난제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

송윤주

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 2018 노벨상 해설 강연 (KAOS, 고등과학원) _ 신의철, 이상민, 김석희 교수

2018년 노벨 생리의학상은 암 치료의 패러다임을 바꾼 면역 항암제 분야에 수여되었습니다. 기존의 항암 치료가 암세포를 직접 공격하는 방식이었다면, 제임스 앨리슨과 혼조 다스쿠 교수는 우리 몸의 면역 체계가 암세포를 스스로 공격하도록 만드는 길을 열었습니다. 이들은 면역 세포의 활성을 억제하는 이른바 '브레이크' 역할을 하는 단백질인 CTLA-4와 PD-1을 발견하고, 이를 차단함으로써 면역 세포가 암세포를 효과적으로 제거할 수 있음을 증명했습니다. 면역 관문 억제제로 불리는 이 치료법은 말기 암 환자들에게 새로운 희망이 되고 있습니다. 특정 면역 관문을 차단하면 억제되어 있던 T세포가 다시 활성화되어 암세포를 공격하기 시작합니다. 이 방식은 모든 환자에게 효과가 나타나지는 않지만, 한 번 반응이 나타나면 장기간 효과가 지속되는 '기억 반응'이라는 면역계의 특성 덕분에 완치에 가까운 결과를 얻기도 합니다. 이는 기초 과학 연구가 어떻게 인류의 생명 연장에 기여할 수 있는지를 보여주는 대표적인 사례입니다. 노벨 물리학상은 레이저 물리학 분야에서 혁신적인 도구를 발명한 과학자들에게 돌아갔습니다. 아서 애슈킨 박사는 빛의 압력을 이용해 미세한 입자를 포획하고 이동시킬 수 있는 '광학 집게'를 발명했습니다. 이 기술은 살아있는 세포나 바이러스, 박테리아를 손상시키지 않고 자유자재로 조작할 수 있게 함으로써 생물학 및 의학 연구에 획기적인 변화를 가져왔습니다. 아주 작은 세계를 다루는 정밀한 도구로서 레이저의 새로운 가능성을 열어준 것입니다. 제라르 무루와 도나 스트릭랜드 교수는 '처프 펄스 증폭(CPA)' 기술을 통해 극초단, 고출력 레이저의 시대를 열었습니다. 레이저 펄스를 시간적으로 늘려 증폭한 뒤 다시 압축하는 이 방식은 장비의 손상 없이 레이저의 세기를 비약적으로 높일 수 있게 했습니다. 펨토초라 불리는 1000조분의 1초라는 찰나의 시간 동안 태양빛보다 수백만 배 강한 에너지를 집중시킴으로써, 이전에는 관찰할 수 없었던 물질의 미세한 변화를 연구할 수 있는 토대를 마련했습니다. 이러한 고출력 레이저 기술은 우리 일상과 산업 현장에서도 널리 활용되고 있습니다. 특히 펨토초 레이저는 열에 의한 손상이 거의 없이 물질을 정밀하게 가공할 수 있어 라식 수술과 같은 의료 분야나 반도체 공정에서 필수적인 도구가 되었습니다. 아주 짧은 시간 동안 에너지를 전달하기 때문에 주변 조직에 영향을 주지 않고 목표 부위만을 정확하게 깎아낼 수 있는 것입니다. 이는 기초 물리학의 발명이 실질적인 기술 혁신으로 이어진 훌륭한 본보기입니다. 노벨 화학상은 자연의 진화 원리를 실험실로 가져온 '유도 진화' 연구에 수여되었습니다. 프랜시스 아널드 교수는 단백질의 설계도인 DNA에 무작위적인 변이를 일으키고, 그중 유용한 기능을 가진 단백질만을 선택하여 다시 변이를 반복하는 과정을 통해 최적의 효소를 만들어냈습니다. 이는 인간의 지적 설계 능력만으로는 도달하기 어려운 복잡한 단백질 구조를 자연의 선택 방식을 모방하여 효율적으로 찾아낸 성과로, 바이오 연료와 의약품 생산 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 조지 스미스와 그레고리 윈터 교수는 '파지 디스플레이' 기술을 통해 특정 항원에 결합하는 항체를 대량으로 찾아내는 방법을 개발했습니다. 바이러스의 일종인 파지를 이용해 수억 개의 단백질을 동시에 테스트함으로써, 질병 치료에 효과적인 항체를 신속하게 선별할 수 있게 된 것입니다. 이 기술은 류마티스 관절염이나 암 치료를 위한 항체 의약품 개발의 핵심이 되었습니다. 2018년 노벨상은 이처럼 기초 과학의 원리가 인류의 건강과 미래를 어떻게 풍요롭게 만드는지를 잘 보여주었습니다.

김석희, 신의철, 이상민

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

물리학
화학
생명과학

유도진화

[질문Q] 우리는 대체 언제쯤 노벨상을 받을 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 큰 분자 작은 우주, 효소의 세계 by송윤주｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 4강

카오스재단서울대자연과학공개강연

[강연] 2018 노벨상 해설 강연 (KAOS, 고등과학원) _ 신의철, 이상민, 김석희 교수

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

유도진화

[질문Q] 우리는 대체 언제쯤 노벨상을 받을 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

카오스재단명강리뷰&질문Q

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카오스재단서울대자연과학공개강연

[강연] 2018 노벨상 해설 강연 (KAOS, 고등과학원) _ 신의철, 이상민, 김석희 교수

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연