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[강연] 인공지능으로 풀어낸 단백질의 비밀 _ by백민경｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연 | 4강

과학의 진정한 묘미는 서로 다른 기술과 사람이 만나 새로운 발전을 만들어내는 '연결'에 있습니다. 우리 몸을 구성하는 아주 작은 분자인 단백질 연구 역시 이러한 연결을 통해 혁신을 맞이했습니다. 단백질은 우리 몸 안의 거의 모든 생명현상에 관여하는 핵심 물질로, 산소를 운반하거나 화학 반응을 촉진하는 효소 역할을 하며 외부 침입에 맞서는 면역체계를 유지하는 등 생존에 필수적인 기능을 수행합니다. 세포 내부를 들여다보면 물과 지방을 제외한 대부분이 단백질로 이루어져 있을 만큼 그 중요성은 절대적입니다. 화학을 전공하며 인류를 구원할 신약개발을 꿈꿨던 연구자는 실험실에서 시약을 섞는 대신 컴퓨터를 활용하는 계산화학의 길을 선택했습니다. 복잡한 수식과 논리로 단백질의 구조를 예측하는 이 분야는 손에 물을 묻히지 않고도 생명과학의 난제를 풀 수 있는 가능성을 제시했습니다. 특히 알파고와 이세돌의 대국은 인공지능이 과학 연구의 패러다임을 바꿀 수 있다는 강력한 희망을 심어주었으며, 이는 곧 컴퓨터 기술과 생명과학이 결합하여 새로운 지평을 여는 계기가 되었습니다. 2021년 발표된 '로제타폴드'는 인공지능 기반의 단백질 구조 예측 기술로, 바이오 분야의 획기적인 혁신으로 평가받습니다. 기존의 실험 방식은 단백질 구조 하나를 밝히는 데 수년의 시간과 수백억 원의 비용이 소요되었지만, 인공지능은 이를 단 몇 시간 만에 해결할 수 있게 했습니다. 사이언스지가 올해의 연구 성과로 선정하기도 한 이 기술은 단순히 속도의 문제를 넘어 인류가 겪는 수많은 질병의 치료제를 찾는 속도를 비약적으로 높여 신약개발의 새로운 시대를 열었습니다. 단백질은 아미노산이라는 작은 분자들이 사슬처럼 연결된 생체 고분자 물질입니다. 이 사슬이 어떤 순서로 배열되고 어떤 3차원 모양으로 접히느냐에 따라 단백질의 고유한 기능이 결정됩니다. 예를 들어 코로나바이러스가 인체 세포와 어떻게 결합하여 감염을 일으키는지 이해하려면 그 표면 단백질의 입체 구조를 정확히 알아야 합니다. 이러한 구조 정보를 바탕으로 우리는 바이러스의 결합을 방해하는 치료제를 만들거나 바이오센서로 활용할 수 있는 정밀한 백신을 설계할 수 있게 됩니다. 하지만 단백질이 가질 수 있는 구조의 경우의 수는 10의 300승 개에 달할 정도로 방대하여, 물리학적 원리만으로는 이를 예측하는 데 우주의 나이보다 긴 시간이 걸립니다. 연구자들은 이 난제를 해결하기 위해 단백질 진화의 역사에 주목했습니다. 수억 년의 진화 과정에서 생존에 성공한 단백질들은 구조와 기능을 유지하는 특정한 패턴을 서열 안에 간직하고 있습니다. 인공지능은 바로 이 방대한 서열 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 찾아내는 데 탁월한 능력을 발휘하며 불가능해 보였던 예측을 현실로 만들었습니다. 인공지능은 단백질 서열이라는 '글'을 읽고 구조라는 '그림'을 그려내는 과정을 반복하며 정답에 가까운 구조를 찾아냅니다. 이제 기술은 단일 단백질의 구조 예측을 넘어, 단백질 간의 상호작용과 결합 구조까지 예측하는 단계로 진화했습니다. 이를 통해 암세포가 면역세포의 공격을 피하는 기제를 차단하는 새로운 항암제 후보물질을 설계하는 등 맞춤형 단백질 신약개발의 문이 활짝 열렸습니다. 이는 질병의 원인을 정확히 타격하는 정밀 의료의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 과학적 성취의 이면에는 서로 다른 분야를 잇는 '브리징 피플(Bridging People)'의 역할이 결정적이었습니다. 인공지능 전문가와 생물학자가 서로의 언어를 이해하고 협업할 때 비로소 거대한 혁신이 일어납니다. 새로운 것을 배우는 데 두려움 없이 다양한 분야 사이의 연결고리를 찾는 연습은 단백질이라는 작은 세계를 넘어 인류의 건강한 미래를 설계하는 가장 강력한 동력이 될 것입니다. 서로 다른 학문의 경계를 허무는 소통의 능력이야말로 현대 과학이 요구하는 가장 중요한 자질입니다.

백민경

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[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] 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

[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

[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

[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (3) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ③

생체 시계의 핵심인 피리어드 단백질은 인산화라는 과정을 통해 분해됩니다. 이 과정은 마치 고속도로와 정체된 도로처럼 두 가지 경로로 나뉘는데, 어느 위치에 인산화가 일어나는지에 따라 단백질의 운명이 결정됩니다. 특정 위치에 인산화가 되면 단백질 구조가 급격히 변하며 즉각 분해되는 '시한폭탄' 같은 역할을 하고, 다른 위치에서는 완만한 변화를 거쳐 천천히 분해됩니다. 이러한 인산화 스위치 모델은 생체 시계가 일정한 주기를 유지하는 근본적인 원리를 설명해 줍니다. 복잡한 미분 방정식을 통해 구현된 이 모델은 실제 실험 데이터에서 나타나는 독특한 계단 모양의 곡선을 완벽하게 재현해냈습니다. 특히 온도가 변해도 생체 시계의 주기가 일정하게 유지되는 '온도 보상' 원리를 수학적으로 밝혀낸 점이 주목할 만합니다. 온도가 낮아지면 화학 반응이 느려지지만, 인산화 스위치가 분해 경로의 비율을 조절하여 전체적인 속도를 유지하는 것입니다. 이는 지난 60년간 생명과학계의 미스터리였던 현상을 수학적 통찰로 풀어낸 쾌거라 할 수 있습니다. 우리의 생체 시계는 외부의 빛 정보와 긴밀하게 연결되어 끊임없이 동기화됩니다. 해외여행 시 겪는 시차 적응 문제는 한국 시간에 맞춰진 내부 시계와 현지의 외부 빛 정보가 충돌하며 발생합니다. 보통 하루에 한 시간 정도만 스스로 조절되기에 완전한 적응에는 긴 시간이 필요하지만, 수학적 모델링을 활용하면 최적의 빛 노출 시간을 계산해 적응 속도를 높일 수 있습니다. 빛은 단순한 조명이 아니라 우리 몸의 시계 장치를 조절하는 가장 강력한 외부 신호로 작용하기 때문입니다. 생체 시계의 불균형은 단순한 피로를 넘어 암, 당뇨, 우울증 등 심각한 질병의 원인이 되기도 합니다. 특히 교대 근무자나 노화로 인해 시계 기능이 약해진 경우 이러한 위험에 더 노출됩니다. 이를 해결하기 위해 특정 시간에 약물을 투여하여 시계를 조절하는 '시간 요법(크로노테라피)' 연구가 활발히 진행 중입니다. 항암제나 예방 접종조차 투여 시간에 따라 효과가 수배 이상 차이 날 수 있다는 사실은, 우리 몸이 24시간 내내 동일한 상태가 아님을 시사하며 시간 중심 치료의 중요성을 강조합니다. 신약 개발 과정에서 수학자와 물리학자, 의학자가 협력하는 '어벤져스' 팀의 역할은 매우 중요합니다. 생체 시계를 타깃으로 하는 약물은 투여 시점에 따라 효과가 극명하게 달라지며, 때로는 외부의 빛 정보와 약물이 서로 충돌하며 복잡한 반응을 보이기도 합니다. 실험 쥐를 대상으로 한 연구에서 빛이 약물의 효과를 상쇄하려는 현상이 관찰된 것처럼, 생체 시스템은 매우 정교한 항상성을 유지하려 노력합니다. 이러한 복잡한 상호작용을 이해하는 것이 미래 정밀 의료의 핵심이 될 것입니다.

김재경

카오스재단카오스강연

생명과학
수학

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

오가노이드는 줄기세포를 활용하여 인간의 장기 발달 과정을 그대로 모사함으로써 인공 장기를 만드는 혁신적인 기술입니다. 정자와 난자가 만나 배아가 되고 하나의 생명체로 성장하는 신비로운 과정을 실험실의 배양 접시 위에서 재현하는 것이 이 기술의 핵심이라 할 수 있습니다. 과거에는 질병 연구를 위해 실험동물을 대상으로 실험을 진행해야 했지만, 이제는 미니 뇌나 미니 췌장 같은 정교한 조직을 직접 만들어 연구할 수 있게 되었습니다. 이는 생명과학 연구의 패러다임을 근본적으로 바꾸는 변화입니다. 실제로 췌장 오가노이드는 내부의 혈관 구조와 세포 단위까지 정밀하게 모사하여 당뇨병 치료 연구에 활발히 활용되고 있습니다. 또한 장 오가노이드는 복잡한 융털 구조를 재현하여 우리 몸의 마이크로바이옴과 박테리아의 상호작용을 연구하는 데 중요한 도구가 됩니다. 이러한 기술은 단순히 형태를 흉내 내는 수준을 넘어, 실제 장기가 수행하는 생리적 기능을 실험실 환경에서 구현할 수 있도록 발전하고 있습니다. 이는 질병의 근본적인 원인을 규명하고 새로운 치료법을 찾는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 뇌 오가노이드는 가장 복잡한 장기인 인간의 뇌를 연구하기 위한 도전적인 과제로 꼽힙니다. 지카 바이러스가 소두증을 유발한다는 사실을 증명하는 과정에서도 뇌 오가노이드는 결정적인 증거를 제공하며 그 가치를 입증한 바 있습니다. 하지만 오가노이드 내부의 복잡한 구조를 관찰하기 어렵다는 기술적 한계가 존재했는데, 이를 해결하기 위해 조직 투명화 기술이 함께 개발되었습니다. 투명화 기술을 통해 우리는 장기 내부에서 일어나는 미세한 변화를 생생하게 들여다보며 연구의 정밀도를 높일 수 있게 되었습니다. 장기 칩 기술은 오가노이드와는 또 다른 방식으로 인체의 생리적 환경을 정밀하게 모사합니다. 예를 들어 폐를 모사한 칩에 담배 연기를 지속적으로 노출시켜 폐 세포에 일어나는 변화를 실시간으로 관찰하는 실험이 가능해졌습니다. 실제 사람에게는 윤리적 문제로 수행할 수 없는 위험한 실험을 칩 위에서 안전하게 수행함으로써, 질병의 진행 과정을 과학적으로 분석할 수 있습니다. 최근에는 여러 개의 장기 칩을 하나로 연결하여 인체 전체의 반응을 통합적으로 연구하려는 시도도 활발히 이루어지고 있어 그 미래가 더욱 기대됩니다. 정밀 의료의 핵심은 환자 개개인의 특성에 맞춘 최적의 치료제를 찾는 것입니다. 암 환자의 조직에서 추출한 세포로 오가노이드를 만들고 다양한 항암제를 테스트하면, 부작용은 최소화하고 치료 효과는 극대화할 수 있는 약물을 미리 선별할 수 있습니다. 실제로 특정 환자에게 어떤 약물이 더 잘 침투하고 효과를 발휘하는지 칩 위에서 확인하는 기술이 임상 현장에 적용되기 시작했습니다. 이는 환자의 생존율을 획기적으로 높일 뿐만 아니라, 불필요한 치료 과정을 줄여 의료 비용을 절감하는 데에도 큰 기여를 할 수 있는 대안이 됩니다. 우리는 이제 생물학적 복제 모델인 아바타를 넘어, 방대한 데이터와 결합된 페르소나의 시대로 나아가고 있습니다. 과거에는 환자의 암세포를 쥐에게 이식하는 마우스 아바타 모델이 주로 사용되었지만, 시간과 비용 면에서 한계가 뚜렷했습니다. 반면 오가노이드와 장기 칩은 환자의 유전 정보와 생체 데이터를 통합하여 디지털과 생물학이 결합된 더욱 정교한 모델을 제공합니다. 이러한 기술적 진보는 의료진이 환자의 상태를 다각도로 분석하고, 수많은 항암제 중 최선의 선택을 내릴 수 있도록 돕는 강력한 지침이 되어줄 것입니다. 미래의 의료 시스템은 환자가 멀리 떨어져 있어도 3차원으로 구현된 장기 정보를 통해 정밀한 진단과 치료가 이루어지는 형태가 될 것입니다. 인공지능과 빅데이터, 그리고 정교한 생체 모사 기술이 결합됨으로써 인류는 질병 정복이라는 목표에 한 걸음 더 다가설 수 있습니다. 이러한 혁신은 기계공학, 생명과학, 전자공학 등 다양한 학문 분야의 경계를 허무는 융합을 통해 완성됩니다. 우리 몸의 조직을 칩 위에 올리고 데이터를 통해 분석하는 기술은 인류의 건강한 삶을 보장하는 미래 과학의 핵심 열쇠가 될 것으로 확신합니다.

정석

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 암의 기원 (2) - DNA란 무엇인가? _ 이현숙 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 9강 | 9강 ②

암의 기원에 대한 탐구는 100년 전 독일의 세포 생물학자 보베리의 가설에서 중요한 전환점을 맞이했습니다. 그는 암세포가 단 하나의 세포에서 시작되며, 염색체 수가 비정상적으로 변하는 이수배수체 현상이 그 원인이라고 주장했습니다. 당시로서는 파격적이었던 이 가설은 암이 무한 증식하는 성질을 가지며 물리적, 화학적 자극이나 미생물 감염에 의해 유발될 수 있음을 시사했습니다. 비록 결과론적인 관찰에 기반했다는 한계가 있었으나, 암의 본질을 꿰뚫어 본 그의 통찰은 현대 암 연구의 초석이 되었습니다. 1975년 등장한 에임스 테스트는 DNA 손상이 암의 근본적인 원인임을 입증하는 결정적인 계기가 되었습니다. 살모넬라균을 이용한 이 실험은 특정 화학 물질이 돌연변이를 많이 일으킬수록 강력한 발암원이 된다는 사실을 보여주었습니다. 이는 암 유전자(Oncogene)와 암 억제 유전자의 발견으로 이어졌으며, 바이러스 설이나 보베리의 염색체 설을 모두 포용하는 통합적인 이론을 가능케 했습니다. 결국 유전자의 변형이 세포의 비정상적인 분열을 초래하여 질병으로 이어진다는 현대적 암 발생 모델이 확립된 것입니다. 현대 생물학의 가장 위대한 발견으로 꼽히는 DNA 이중나선 구조는 유전 정보가 어떻게 보존되고 전달되는지를 명확히 설명해 주었습니다. 1953년 왓슨과 크릭은 로잘린드 프랭클린의 X선 회절 데이터를 바탕으로 DNA의 분자 구조를 규명해냈습니다. 이 구조는 유전자가 자손에게 정보를 전달하는 능력의 근원을 보여주었으며, 분자 생물학이라는 새로운 영역을 개척했습니다. 특히 DNA가 단순한 정보의 저장소를 넘어, 생명 현상을 조절하는 핵심 설계도임을 밝혀냄으로써 암과 같은 유전적 질병 연구에 획기적인 전기를 마련했습니다. 생명체가 유전 물질로 RNA 대신 DNA를 선택한 이유는 정보 보존의 안정성에 있습니다. 두 가닥의 나선 구조는 외부 자극으로부터 유전 정보를 보호하며, 복제 과정에서 반보수적인 특성을 통해 정확한 전수를 가능하게 합니다. 이러한 구조적 견고함은 진화 과정에서 생명체가 복잡한 유기체로 성장할 수 있는 토대가 되었습니다. 만약 유전 정보가 쉽게 변질되었다면 생명은 연속성을 유지하기 어려웠을 것입니다. 따라서 DNA는 단순한 분자를 넘어 생명의 역사와 진화를 기록하는 가장 신뢰할 수 있는 매체로 자리 잡았습니다. 세포가 분열할 때마다 일어나는 DNA 복제 과정은 완벽해 보이지만 늘 에러의 위험을 내포하고 있습니다. 중합 효소의 교정 기능과 정교한 DNA 복구 기작 덕분에 오류율은 획기적으로 낮아지지만, 그럼에도 불구하고 발생하는 미세한 돌연변이는 암 발생의 씨앗이 됩니다. 흥미롭게도 과거 화학 무기로 사용되었던 나이트로젠 머스터드가 오늘날 암 치료제로 쓰이는 이유는 암세포의 복구 기작 결함을 역이용한 결과입니다. 결국 암은 유전자 단위의 돌연변이와 염색체 구조의 대단위 손실이 축적되어 발생하는 복합적인 유전 질환인 셈입니다.

이현숙

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생명과학