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[인터뷰] 천진우_나노의학과 자기유전학(Feat.연구주제 선정방법)ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노과학은 아주 작은 크기의 세계를 다루는 학문으로, 현대의학에서 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. 대표적인 사례가 바로 mRNA(메신저 RNA) 백신입니다. 불안정한 유전자 정보인 mRNA를 100나노미터 크기의 나노캡슐에 담아 인체에 안정적으로 전달함으로써, 우리 몸이 스스로 항체를 형성할 수 있게 돕습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 진단과 생체 현상 관찰, 그리고 정밀한 자극 기술까지 아우르는 융합과학의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 과학 연구의 동력은 새로운 현상에 대한 호기심과 도전적인 문제를 해결하려는 의지에서 비롯됩니다. 남들이 시도하지 않은 영역에서 창의성을 발휘할 때 학문적 중요성이 커지기 때문입니다. 과거 1990년대 후반에는 나노입자 연구가 생소한 분야였으나, 수십 년간 지식이 축적되면서 이제는 더 정밀하고 고도화된 단계로 진화하고 있습니다. 과학자들은 기존의 지식에 안주하지 않고, 양자점이나 새로운 나노물질을 바이오 분야에 접합하는 등 끊임없이 새로운 연구 영역을 개척해 나갑니다. 뇌과학은 인류에게 여전히 미지의 영역이자 가장 정복하기 어려운 분야 중 하나로 꼽힙니다. 최근 주목받는 자기유전학은 자기장을 이용해 뇌신경세포인 뉴런의 신호를 제어하는 혁신적인 기술입니다. 이는 유전공학 기법과 나노과학이 결합한 융합과학의 결정체라고 할 수 있습니다. 기존의 전기적 자극이나 빛을 이용한 방식보다 훨씬 정교한 접근이 가능하며, 뇌의 깊은 곳까지 신호를 전달할 수 있다는 점에서 과학적 성과와 발전 가능성이 매우 큰 분야로 기대를 모으고 있습니다. 자기유전학이 광유전학보다 유리한 점은 뛰어난 생체 침투력에 있습니다. 빛은 인체 조직을 통과하는 힘이 약해 정밀한 관찰에는 용이하지만 깊은 곳까지 도달하기 어렵습니다. 반면 자기장은 몸속 깊숙한 곳까지 무선으로 전달될 수 있습니다. 자성나노입자를 뉴런의 이온채널에 접합하여 '자기수용체'를 만들면, 외부 자기장에 반응해 이온채널이 열리고 닫히며 뇌 신호를 원격으로 제어할 수 있게 됩니다. 이러한 무선 제어 방식은 뇌 질환 치료와 면역 시스템 활성화에 새로운 길을 열어줍니다. 하나의 가설을 실험적으로 증명하는 과정은 수많은 연구자의 인내와 협력이 필요한 긴 여정입니다. 자기유전학 연구 역시 나노물질 합성부터 유전공학, 뇌과학 실험에 이르기까지 방대한 단계를 거쳐야 하기에 융합과학으로서의 체계가 필수적입니다. 화학자, 생명과학자, 소재공학자, 그리고 의사가 함께하는 '팀 사이언스'는 개별 연구로는 도달하기 힘든 거대한 과학적 성취를 가능하게 합니다. 이러한 협력은 나노의학이 실질적으로 인류의 건강과 삶의 질을 향상시키는 데 기여하는 밑거름이 됩니다.

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
융합

[강연] 화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가? _ by박태현｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 10강 | 10강 ①

수소는 우주에서 가장 흔한 원소이자 미래의 청정 에너지원으로 주목받고 있습니다. 흔히 수소를 폭발 위험이 큰 물질로 생각하지만, 실제로 수소가 폭발하기 위해서는 산소와 적절한 비율로 혼합되어야 하는 조건이 필요합니다. 연소 후 오직 물만을 남기는 수소는 공해 없는 에너지 시스템의 핵심이며, 앞으로 수소전기자동차와 같은 기술을 통해 우리 실생활에 더욱 깊숙이 자리 잡을 것입니다. 수소 자체는 위험한 폭발물이 아니라, 우리가 어떻게 제어하고 활용하느냐에 따라 인류의 지속 가능한 발전을 이끌 소중한 자원이 됩니다. 인간의 오감 중 시각, 청각, 촉각은 물리적 성질을 인지하는 감각인 반면, 미각과 후각은 화학 분자를 인지하는 화학적 감각입니다. 우리는 이미 카메라나 오디오 레코더를 통해 시각과 청각 정보를 디지털화하여 스마트폰에 담아냈지만, 화학적 감각을 대신할 장치는 아직 일상화되지 않았습니다. 냄새와 맛을 감지하는 유일한 장비가 여전히 우리의 코와 혀라는 사실은 이 분야가 과학적으로 매우 도전적인 영역임을 시사합니다. 이러한 화학적 감각의 디지털화는 현대 과학이 풀어야 할 거대한 미스터리 중 하나로 남아 있습니다. 후각의 원리는 오랫동안 베일에 싸여 있었으나, 2000년대에 들어서야 분자 차원에서 그 메커니즘이 밝혀졌습니다. 인간의 코에는 약 400종류의 후각 수용체가 존재하며, 특정 냄새 분자가 이 수용체들과 결합하여 만들어내는 독특한 조합의 패턴이 뇌에 전달되어 냄새로 인식됩니다. 이는 마치 QR코드가 정보를 담고 있는 것과 유사하며, 동일한 성분이라도 농도에 따라 결합하는 수용체의 패턴이 달라지면 전혀 다른 향기로 느껴지기도 합니다. 이러한 발견은 후각이 단순한 화학 반응을 넘어선 복잡한 정보 처리 과정임을 보여줍니다. 바이오 전자코는 인간의 후각 수용체를 인공적으로 구현하여 냄새를 디지털 신호로 변환하는 혁신적인 기술입니다. 인간의 유전 정보를 활용해 대장균과 같은 미생물에서 수용체를 대량 생산하고, 이를 나노튜브나 그래핀과 같은 나노소자와 결합하여 미세한 전류 변화를 측정합니다. 이 기술이 완성되면 질병의 조기 진단이나 식품의 신선도 측정, 재난 현장에서의 실종자 수색 등 다양한 분야에서 인간의 능력을 뛰어넘는 감지 능력을 발휘할 것입니다. 이는 생명공학과 전자공학이 결합하여 만들어낸 융합 기술의 정수라고 할 수 있습니다. 미각 역시 혀 위의 수용체가 화학 물질과 결합하며 느끼는 감각으로, 단맛, 쓴맛, 짠맛, 신맛, 감칠맛의 다섯 가지 기본 맛으로 구성됩니다. 특히 단맛의 경우 설탕, 아스파탐, 사카린처럼 구조가 전혀 다른 물질들이 동일한 수용체에 결합하여 같은 맛을 내기도 합니다. 이러한 원리를 이용한 바이오 전자혀는 인간의 미각을 정밀하게 재현하여 식품 개발이나 독성 물질 탐지 등에 활용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 화학 구조만으로는 예측하기 힘든 맛의 영역을 생체 수용체를 통해 객관적인 수치로 변환하는 것이 이 기술의 핵심입니다. 자연의 생명체로부터 영감을 얻는 생물 모방 기술은 의료 분야에서도 큰 혁신을 일으키고 있습니다. 거친 파도 속에서도 바위에 단단히 붙어 있는 홍합의 홍합 접착 단백질은 인체에 무해하면서도 강력한 접착력을 지녀, 실로 꿰매는 기존의 봉합 방식을 대체할 차세대 의료용 접착제로 주목받고 있습니다. 유전공학을 통해 대량 생산된 이 단백질은 흉터를 최소화하고 수술 후 회복 속도를 높이는 등 환자의 삶의 질을 획기적으로 개선하고 있습니다. 자연이 수억 년에 걸쳐 최적화해 온 생존 전략을 인간의 기술로 재해석하여 실생활에 적용하는 사례입니다. 4차 산업혁명 시대는 디지털, 바이오, 물리 기술이 유기적으로 융합되어 새로운 가치를 창출하는 시대입니다. 냄새를 코드화하여 시각적으로 보여주거나 멀리 떨어진 곳으로 전송하는 기술은 더 이상 영화 속 상상이 아닙니다. 화학적 감각이 스마트폰 속으로 들어오는 '오감 스마트폰'의 시대가 머지않았으며, 자연의 원리를 깊이 이해하고 이를 첨단 기술과 결합하려는 노력은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 안전하게 만들어 줄 것입니다. 과학적 호기심에서 시작된 탐구는 이제 인간의 감각을 확장하고 세상을 인지하는 새로운 방식을 제시하고 있습니다.

박태현, 차형준

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (1) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ①

현대 의학은 질병의 원인을 규명하고 이를 치료하기 위한 다양한 약물을 개발해 왔습니다. 하지만 아무리 뛰어난 효능을 가진 약물이라도 체내의 필요한 부위에 정확히 전달되지 않는다면 그 효과를 온전히 발휘하기 어렵습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 약학 분야에서는 단순한 신약 개발을 넘어, 약물 전달 시스템(DDS) 기술에 주목하고 있습니다. 이는 환자의 치료 경험을 개선하고 부작용을 최소화하는 핵심적인 역할을 합니다. 기존의 경구 투여나 주사 방식은 약물이 전신으로 퍼지면서 간이나 신장에 부담을 주거나, 정작 필요한 환부에는 충분한 농도가 도달하지 못하는 문제를 안고 있었습니다. 특히 암세포와 같이 특정 부위만을 정밀하게 타격해야 하는 질환의 경우, 약물의 선택적 전달은 생존율과 직결되는 매우 중요한 요소입니다. 따라서 과학자들은 약물이 체내의 가혹한 환경을 견디며 목표 지점까지 안전하게 이동할 수 있는 정교한 운반체를 설계하는 데 집중하고 있습니다. 약학과 공학, 그리고 기초 과학이 결합한 융합 기술은 이러한 난제들을 해결하는 새로운 돌파구가 되고 있습니다. 나노기술을 활용하여 분자 수준에서 약물을 설계하거나, 생체적합성이 뛰어난 신소재를 개발하여 약물의 안정성을 높이는 시도가 대표적입니다. 이러한 융합적 접근은 과거에는 불가능해 보였던 복합적인 치료 전략을 가능하게 하며, 의료 현장에서의 패러다임을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 기술의 경계가 허물어지며 혁신이 가속화되는 시점입니다. 특히 나노입자를 이용한 약물 전달 시스템은 현대 약학의 정수로 꼽힙니다. 머리카락 굵기의 수만분의 일에 불과한 미세한 입자 안에 약물을 봉입하여, 특정 효소나 산도 변화에 반응해 약물을 방출하도록 설계할 수 있습니다. 이는 약물이 건강한 세포를 공격하는 것을 방지하고 오직 병든 세포에만 집중적으로 작용하게 함으로써 치료의 정밀도를 극적으로 높여줍니다. 이러한 미세 제어 기술은 난치성 질환 치료의 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 바이오융합기술은 환자 개개인의 특성에 맞춘 정밀 의료의 실현을 앞당기고 있습니다. 유전체 정보와 생체 신호를 실시간으로 분석하여 최적의 약물 투여 시점과 용량을 결정하는 스마트 시스템이 개발되고 있기 때문입니다. 이는 일률적인 치료법에서 벗어나 정밀 의료를 제공함으로써 완치율을 높이고 의료 비용을 절감하는 효과를 가져옵니다. 생명 과학과 정보 기술의 결합은 인간의 건강 수명을 연장하는 데 결정적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 인공지능과 빅데이터의 도입은 신약 후보물질을 발굴하고 임상시험의 성공 확률을 예측하는 데 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 방대한 데이터를 학습한 알고리즘은 인간이 발견하기 어려운 분자 간의 상호작용을 분석하여 개발 기간을 획기적으로 단축합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 약물의 체내 거동을 미리 예측함으로써 시행착오를 줄이고 안전성을 확보할 수 있습니다. 디지털 기술과 약학의 만남은 이제 선택이 아닌 필수적인 흐름으로 자리 잡았습니다. 미래의 약학은 단순히 질병을 치료하는 도구를 만드는 것에 그치지 않고, 인간의 삶의 질을 총체적으로 향상시키는 방향으로 나아갈 것입니다. 융합기술대학원과 같은 다학제적 연구 기관에서의 끊임없는 도전은 이러한 미래를 현실로 만드는 밑거름이 됩니다. 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 만들어내는 혁신적인 솔루션들은 인류가 직면한 건강 문제를 해결하는 강력한 무기가 될 것입니다. 지속적인 연구와 투자가 뒷받침될 때 우리는 더욱 건강한 내일을 맞이할 수 있습니다.

김성훈

카오스재단카오스강연

생명과학