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[강연] 백민경_AI로 풀어가는 생명의 비밀: 생명은 설계될 수 있을까?｜제33회 서울대 자연과학 공개강연_"과학 그리고 인공지능"

우리 몸의 수많은 생명 현상은 '단백질'이라는 아주 작은 일꾼들에 의해 조절됩니다. 단백질은 복잡한 3차원 구조를 가지며, 그 형태에 따라 수행하는 기능이 결정됩니다. 계산생물학은 인공지능과 같은 첨단 도구를 활용해 이 미세한 분자들의 구조를 예측하고 설계하는 학문입니다. 단순히 관찰하는 것을 넘어 생명의 핵심 원리를 디지털 공간에서 분석함으로써, 우리는 질병의 원인을 파악하고 새로운 치료법을 찾는 혁신적인 길을 열어가고 있습니다. 인류는 아주 오래전부터 원하는 형질의 동식물을 교배하는 '인위 선택'을 통해 생명을 간접적으로 설계해 왔습니다. 이후 DNA가 유전 설계도라는 사실이 밝혀지면서, 기존 유전자를 자르고 붙이는 '유전자 편집' 기술인 제2세대 설계 시대가 열렸습니다. 하지만 이는 자연에 존재하는 설계도를 일부 수정하는 수준에 머물렀습니다. 셰익스피어의 희곡을 고칠 수는 있어도 새로운 명작을 처음부터 창작하는 것은 불가능했던 것처럼, 완전한 창작에는 한계가 있었습니다. 단백질은 아미노산 서열이 엮인 사슬이 특정한 구조로 접히면서 기능을 갖게 됩니다. 하지만 이 사슬이 접힐 수 있는 경우의 수는 우주의 나이보다 긴 시간 동안 계산해도 다 확인하지 못할 만큼 방대합니다. 이 '단백질 구조 예측'은 지난 50년간 과학계의 거대한 난제로 남아 있었습니다. 우리 몸에서는 단 1초도 안 되어 일어나는 이 복잡한 과정의 원리를 규명하는 것은 생명 과학의 근본적인 비밀을 푸는 가장 중요한 열쇠였습니다. 이 난공불락의 문제는 2020년 인공지능 기술의 발전으로 해결의 실마리를 찾았습니다. 알파폴드와 로제타폴드 같은 AI 모델은 수만 개의 단백질 데이터를 학습하여, 아미노산 서열만으로 3차원 구조를 정확하게 예측해 내기 시작했습니다. 실험을 통해 수년이 걸리던 구조 규명을 이제는 클릭 몇 번만으로 단 몇 분 만에 완수할 수 있게 된 것입니다. 이는 생명과학 연구의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓은 기술적 혁명이라고 할 수 있습니다. 구조 예측이 가능해지자 이제 우리는 자연에 없는 새로운 단백질을 직접 만드는 '창작'의 단계인 제3세대 설계 시대로 진입했습니다. 특정 바이러스를 무력화하거나 플라스틱을 분해하는 등 우리가 원하는 기능을 정의하면, AI가 그에 맞는 구조와 설계도를 제안해 줍니다. 생성형 AI가 그림을 그리듯, 과학자들은 이제 질병 치료나 환경 문제 해결에 필요한 맞춤형 생체 분자를 자유자재로 설계할 수 있는 강력한 도구를 손에 쥐게 되었습니다. 더 나아가 미래에는 세포 전체를 컴퓨터 속에 구현하는 '가상 세포' 시뮬레이션인 제4세대 설계가 실현될 전망입니다. 이는 제조업의 '디지털 트윈' 개념을 생명체에 적용하는 것으로, 신약 후보 물질이 세포 내에서 어떤 반응을 보일지 가상 공간에서 미리 테스트할 수 있게 합니다. 이 기술이 완성되면 수억 마리에 달하는 동물 실험의 희생을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 개개인의 특성에 맞춘 정밀한 맞춤형 의료 시대가 본격적으로 열릴 것입니다. 인공지능이 이끄는 생명 설계 기술은 인류에게 무한한 가능성을 선사하지만, 동시에 무거운 책임감도 요구합니다. 이 기술을 어떻게 활용하느냐에 따라 난치병을 극복하는 축복이 될 수도, 치명적인 생화학 무기를 만드는 재앙이 될 수도 있기 때문입니다. 기술 그 자체는 방향성을 결정하지 않으며, 오직 인간의 선택만이 그 미래를 결정합니다. 인류 모두를 위한 축복의 길로 나아가기 위해 우리는 어떤 미래를 설계해야 할지 끊임없이 고민해야 합니다.

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[대담] 2024 '노벨상 해설강연' 과학톡!(TALK) by 조정효, 백민경, 이준호 l 고등과학원&카오스재단

최근 노벨 물리학상과 화학상이 인공지능 관련 연구에 수여되면서 과학계에는 새로운 바람이 불고 있습니다. 인공지능은 단순히 계산을 돕는 도구를 넘어, 기존 연구의 한계를 극복하고 지식의 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 특히 수학과 같은 기초 과학 분야에서는 인공지능을 활용해 수십 년간 풀리지 않던 난제들을 해결하려는 시도가 이어지고 있으며, 이는 연구의 시간과 비용을 획기적으로 절감하는 결과로 이어지고 있습니다. 이러한 변화는 과학 전반의 발전 속도를 가속화하며 연구 생태계를 더욱 풍부하게 만들고 있습니다. 연구 현장에서는 이미 'AI 사이언티스트'라 불리는 인공지능이 등장하여 큰 충격을 주고 있습니다. 이 인공지능은 스스로 논문을 읽고 연구 문제를 발굴하며, 코드를 짜고 실험 결과를 해석하여 논문까지 작성하는 수준에 도달했습니다. 단돈 15달러 정도의 비용으로 인간 연구자가 수행하던 절차적인 과정들을 대신 처리할 수 있게 된 것입니다. 이제 과학자들은 단순히 반복적인 업무에 매달리기보다, 인공지능이 아직 흉내 내기 어려운 인간만의 고유한 영역인 상상력을 발휘하는 데 더 집중해야 하는 시점을 맞이하고 있습니다. 생물학 분야에서도 인공지능의 도입은 연구실 문화를 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 과거에는 전자현미경 사진을 일일이 수작업으로 분석하며 수천 시간을 소모해야 했지만, 이제는 딥러닝 기술을 통해 훨씬 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있게 되었습니다. 또한 학생들은 프로그래밍 과정에서 인공지능에게 코드의 뼈대를 요청하거나 버그를 수정하는 등 효율적인 방식으로 연구를 진행합니다. 비록 인공지능의 결과물을 검증하는 인간의 역할은 여전히 중요하지만, 딥러닝을 제외하고는 이제 현대 과학 실험의 속도를 논하기 어려울 정도가 되었습니다. 인공지능의 급격한 발전은 인간의 지능을 뛰어넘을 것인가에 대한 철학적인 질문을 던집니다. 인공지능은 방대한 데이터에서 패턴을 찾아내는 데 탁월한 능력을 보이지만, 인간의 지능은 의식과 연결된 훨씬 복합적인 영역입니다. 과거 과학자들이 보편적인 규칙을 찾아내기 위해 고군분투했던 것처럼, 전혀 관련 없어 보이는 분야를 창의적으로 묶어내는 능력은 여전히 인간의 고유한 자산으로 남아 있습니다. 따라서 인공지능이 특정 과업에서 인간을 앞설지라도, 복합적인 사고와 가치 판단을 내리는 인간의 지능을 완전히 대체하기는 쉽지 않을 것으로 보입니다. 강력한 도구에는 그에 따르는 책임과 윤리적 고민이 필수적입니다. 단백질 디자인이나 유전자 가위 기술처럼 인류에게 큰 이득을 줄 수 있는 기술이 자칫 생화학 무기나 윤리적 문제를 일으키는 도구로 악용될 우려도 존재하기 때문입니다. 따라서 과학계는 인공지능 기술이 인류에게 위협이 되지 않도록 규제와 정책적 가이드라인을 마련하기 위한 사회적 합의를 지속적으로 이끌어내야 합니다. 인공지능이라는 새로운 도구를 주체적으로 활용하면서도, 인간으로서의 가치관과 윤리 의식을 지키는 것이 건강한 과학 기술의 미래를 만드는 길입니다.

백민경, 이준호, 조정효

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바나나🍌는 곰팡이가 참.. 밉다...😭 바나나 전염병 파나마병 | 요즘과학

우리가 일상에서 흔히 접하는 바나나는 사실 자연적인 번식 과정을 거친 결과물이 아닙니다. 전 세계에서 소비되는 대부분의 바나나는 '캐번디시'라는 단일 품종으로, 모든 개체가 유전적으로 동일한 복제본입니다. 씨가 없는 바나나를 만들기 위해 인위적으로 개량된 이 식물은 뿌리줄기를 잘라 심는 방식으로 번식합니다. 이러한 유전적 균일성은 대량 생산에는 유리하지만, 치명적인 질병이 발생했을 때 전체 종이 한꺼번에 멸종할 수 있는 위험성을 내포하고 있습니다. 과거 우리가 먹었던 바나나는 지금보다 훨씬 달고 향이 진했던 '그로 미셸' 품종이었습니다. 하지만 1950년대에 발생한 파나마병이라는 곰팡이 질환은 전 세계의 그로 미셸 농장을 초토화시켰습니다. 토양에 서식하는 이 곰팡이는 바나나 나무의 물관을 막아 말라 죽게 만드는데, 유전적으로 동일했던 그로 미셸은 아무런 저항력을 갖지 못했습니다. 결국 이 품종은 상업적 재배가 불가능해졌고, 우리는 그 대안으로 질병에 강했던 캐번디시를 선택하게 되었습니다. 캐번디시는 그로 미셸보다 맛은 덜하지만 파나마병에 저항력이 있어 전 세계 바나나 시장의 99%를 차지하게 되었습니다. 그러나 최근 '변종 파나마병(TR4)'이 등장하면서 상황은 다시 급변하고 있습니다. 과거의 질병을 이겨냈던 캐번디시조차 이 새로운 변종 앞에서는 속수무책으로 무너지고 있기 때문입니다. 아시아에서 시작된 이 병은 이제 아프리카와 남미까지 확산되며, 우리가 아는 노란 바나나가 식탁에서 사라질지도 모른다는 공포를 현실로 만들고 있습니다. 바나나의 위기는 현대 농업이 추구해온 단일 재배 방식의 한계를 극명하게 보여줍니다. 생산 효율성을 극대화하기 위해 특정 품종만을 대규모로 재배하는 방식은 생태계의 회복력을 약화시킵니다. 자연 상태의 야생 바나나는 수많은 씨앗과 다양한 유전자를 보유하고 있어 질병에 대응할 수 있는 능력이 있지만, 개량된 바나나는 그렇지 못합니다. 유전적 다양성의 결여는 결국 외부 환경 변화에 대한 대응력을 상실하게 만들며, 이는 식량 안보에 심각한 위협이 됩니다. 과학자들은 이제 바나나를 구하기 위해 유전자 편집 기술이나 야생종과의 교배 등 다양한 방법을 시도하고 있습니다. 질병에 강한 유전자를 찾아내어 캐번디시에 주입하거나, 아예 새로운 품종을 개발하여 시장에 보급하려는 노력이 이어지고 있습니다. 우리가 미래에도 바나나를 즐기기 위해서는 단순히 기술적인 해결책을 넘어, 생물 다양성의 가치를 보존하려는 근본적인 태도 변화가 필요합니다. 멸종의 문턱에 선 바나나는 우리에게 자연과의 공존이라는 중요한 숙제를 던져주고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

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우리에게 치매🧠를 극복할 힘이 있는가?? 알츠하이머의 원인과 현재 연구상황👩‍🔬ㅣ2023 미래 과학 트렌드 출간기념 강연

치매의 원인 중 하나로 알려진 베타 아밀로이드 단백질은 이미 1906년에 발견되었지만, 여전히 획기적인 치료제는 개발되지 않았습니다. 이는 노화 자체가 단순한 생리적 변화가 아니라 질병으로 간주되기 시작했기 때문입니다. 2018년 세계보건기구(WHO)는 노화를 신체 쇠약 현상으로 분류하며 새로운 질병 코드까지 부여했습니다. 하지만 노화가 질병인지에 대한 논쟁은 여전히 이어지고 있으며, 일부 연구자들은 노화가 분자적 변화의 축적일 뿐 그 자체로 질병은 아니라고 주장합니다. 이처럼 노화의 정의와 치료 가능성에 대한 논의는 여전히 활발하게 이루어지고 있습니다. 노화가 진행되면서 신체 내 줄기세포의 수가 급격히 감소하는 현상이 관찰됩니다. 특히 70세 이상에서는 혈액을 만들어내는 줄기세포의 비율이 현저히 줄어들고, 이로 인해 새로운 세포의 생성이 제한됩니다. 줄기세포에 운전자 돌연변이가 발생하면, 특정 돌연변이 줄기세포가 혈액세포의 다양성을 저해하고 비정상적인 세포를 대량 생산하게 됩니다. 이러한 변화는 노화의 주요 원인 중 하나로 지목되며, 65세 이상에서는 소수의 돌연변이 줄기세포가 전체 혈액세포의 절반 이상을 만들어내는 현상이 보고되고 있습니다. 세포의 수명과 관련된 또 다른 중요한 요소는 텔로미어입니다. 텔로미어는 세포 분열이 반복될수록 점차 짧아지며, 일정 횟수 이상 분열하면 더 이상 세포가 분열하지 못하게 됩니다. 이는 세포 노화의 시계로 불리며, 2009년 노벨상 수상 연구로 그 중요성이 인정되었습니다. 텔로미어가 짧아지면 세포는 수명을 다하고, 이 과정에서 좀비세포라 불리는 노화된 세포가 정상 세포까지 노화시키는 악영향을 미치기도 합니다. 이러한 좀비세포의 제거는 노화 치료의 새로운 방법으로 주목받고 있습니다. 치매의 대표적 원인으로는 알츠하이머와 파킨슨병이 있으며, 이 중 알츠하이머가 치매 환자의 약 70%를 차지합니다. 알츠하이머의 원인으로는 베타 아밀로이드와 타우 단백질의 축적이 꼽힙니다. 베타 아밀로이드는 신경세포 사이에 쌓여 신경전달을 방해하고, 타우 단백질의 변형은 신경세포의 구조적 지지체를 파괴하여 신경전달물질의 이동을 어렵게 만듭니다. 또한, 뇌 내 별세포와 근림프 시스템은 신경세포의 폐기물 처리와 청소 역할을 담당하지만, 깊은 수면이 부족할 경우 이 기능이 저하되어 알츠하이머 위험이 높아질 수 있습니다. 최근 연구에서는 베타 아밀로이드와 타우 단백질의 축적이 치매의 직접적 원인이 아닐 수 있다는 논란도 제기되고 있습니다. 실제로 이 단백질들을 제거해도 증상이 개선되지 않는 사례가 보고되었으며, 반대로 많은 양이 축적되어 있음에도 치매 증상이 없는 경우도 있습니다. 이는 뇌세포 내 기능이 매우 복잡하며, 단일 원인만으로 치매를 설명하기 어렵다는 점을 시사합니다. 따라서 치매 치료제 개발이 지연되는 이유도 이러한 복합적인 원인 구조에 기인합니다.

국립과천과학관책📖저자강연

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[강연] 진화의 원동력, DNA _ by이현숙 ㅣ 2022 '진화가 필요한 순간' 8강 | 8강

진화의 역사를 돌이켜볼 때, 찰스 다윈은 DNA라는 분자의 존재를 전혀 알지 못했음에도 불구하고 생명 진화의 가장 핵심적인 원리를 꿰뚫어 본 인물이었습니다. 그는 수많은 관찰과 기록을 통해 종의 기원을 탐구했으며, 생명체가 환경에 적응하며 변화해가는 과정을 '자연선택'이라는 개념으로 정립했습니다. 오늘날 우리가 이해하는 진화는 결국 DNA에 새겨진 정보의 변화와 그 궤를 같이하며, 다윈이 가졌던 의문들은 현대 분자생물학을 통해 그 해답을 찾아가고 있습니다. 1953년 왓슨과 크릭이 발표한 DNA 이중 나선 구조는 생명 과학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 로잘린 프랭클린의 엑스선 회절 데이터를 바탕으로 규명된 이 구조는 단순히 분자의 형태를 밝힌 것에 그치지 않고, 생명 정보가 어떻게 복제되고 다음 세대로 전달되는지를 시사했습니다. 불과 900자도 되지 않는 짧은 논문이었지만, 그 안에는 생명의 설계도가 가진 아름다움과 유전의 비밀을 푸는 열쇠가 담겨 있었으며 이는 현대 생물학의 위대한 시작이 되었습니다. 생명 현상의 중심에는 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 이어지는 '센트럴 도그마'라는 정보의 흐름이 존재합니다. DNA가 생명의 설계도라면, RNA는 그 정보를 전달하는 매개체이며 단백질은 실제로 우리 몸에서 다양한 기능을 수행하는 일꾼입니다. 최근에는 단백질을 만들지 않는 비부호화 RNA의 역할이 새롭게 조명되면서 생명 조절 기작의 복잡성이 더욱 드러나고 있습니다. 이러한 정보 전달 체계는 생명체가 생존을 유지하고 환경에 반응하는 근본적인 원동력이 됩니다. DNA는 복제 과정에서 끊임없이 변이를 일으키며, 이러한 불완전함이야말로 진화를 가능케 하는 핵심 요소입니다. 세포 분열 시 발생하는 수많은 복제 오류는 정교한 수선 기작을 통해 대부분 교정되지만, 일부 남겨진 변이들은 생명 종의 다양성을 풍부하게 만드는 원천이 됩니다. 만약 DNA가 한 치의 오차도 없이 완벽하게 복제되었다면 생명체는 변화하는 환경에 적응하지 못하고 멸종했을 것입니다. 즉, DNA의 미세한 오류는 생존을 위한 진화의 필연적인 선택입니다. 우리 몸의 면역 체계는 DNA의 변이와 수선 기작의 원리를 가장 적극적으로 활용하는 사례 중 하나입니다. 외부에서 침입하는 수억 개의 바이러스에 대항하기 위해 면역 세포는 DNA를 스스로 자르고 재조합하며 무한한 다양성을 가진 항체를 만들어냅니다. 이러한 과정은 마치 생태계의 진화가 압축적으로 일어나는 것과 같으며, 우리가 끊임없이 변화하는 병원균 사이에서 생존할 수 있는 이유이기도 합니다. DNA의 역동적인 변화 능력은 우리 몸을 지키는 가장 강력한 방패가 됩니다. 염색체의 끝단에 위치한 텔로미어는 생명체의 노화와 수명을 결정짓는 중요한 지표입니다. TTAGGG라는 특정 염기 서열이 반복되는 이 구조는 세포 분열 시 유전 정보가 손실되지 않도록 보호하는 역할을 합니다. 최근 연구에 따르면 텔로미어는 일반적인 이중 나선 구조 외에도 네 가닥이 꼬인 특이한 구조를 형성하며 유전체의 안정성을 유지합니다. 이러한 특수한 DNA 구조와 이를 관리하는 단백질들의 상호작용을 이해하는 것은 암과 같은 질병의 원인을 밝히는 데 중요한 단서가 됩니다. 현대 과학은 이제 DNA 염기 서열을 분석하는 수준을 넘어, 인공지능과 빅데이터를 결합한 맞춤형 의료 시대로 나아가고 있습니다. 차세대 염기 서열 분석(NGS)의 발전으로 개인의 유전 정보를 단 며칠 만에 해독할 수 있게 되었으며, 이를 통해 환자 개개인에게 최적화된 치료법을 제시하는 것이 가능해졌습니다. DNA라는 생명의 연대기를 깊이 있게 탐구함으로써 인류는 질병의 고통에서 벗어나 더 나은 복지를 누릴 수 있는 새로운 가능성을 열어가고 있습니다.

이현숙

카오스재단카오스강연

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[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

[페스티벌+어스] 종으로서의 인류: 유전 by 이현숙, 이준호 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

1953년 왓슨과 크릭이 DNA의 이중나선 구조를 밝혀낸 사건은 현대 생명과학의 흐름을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이 발견은 단순히 분자의 형태를 알아낸 것을 넘어, 생명체가 정보를 어떻게 저장하고 다음 세대로 전달하는지에 대한 근본적인 원리를 제시했습니다. 당시 로잘린드 프랭클린의 정교한 엑스선 회절 데이터는 이 위대한 발견의 결정적인 토대가 되었으며, 이는 인류가 생명의 설계도를 직접 읽기 시작한 역사적 전환점이 되었습니다. 생명의 본질을 이해하려는 열망은 이 짧은 논문 한 편을 통해 구체적인 과학적 사실로 증명되었습니다. DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합으로 이루어진 생명의 암호입니다. 이 정보는 전사 과정을 거쳐 RNA로 전달되고, 최종적으로 단백질로 번역되어 우리 몸의 다양한 생명 현상을 수행합니다. 이를 '중심 원리'라고 부르는데, 이는 모든 생명체가 공유하는 보편적인 언어와 같습니다. 결국 DNA는 단순한 물질이 아니라 생명체의 탄생부터 성장, 그리고 소멸에 이르는 모든 과정을 지휘하는 가장 정교한 통제 센터라고 할 수 있습니다. 이러한 암호 체계의 발견은 생명 현상을 분자 수준에서 해석할 수 있게 했습니다. 생명의 근원을 찾는 여정에서 수소 결합은 빼놓을 수 없는 핵심 요소입니다. DNA의 두 가닥을 연결하는 이 약한 결합은 필요할 때 쉽게 풀리고 다시 결합할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 DNA는 복제와 전사 과정을 효율적으로 수행하며 생명 정보를 유지합니다. 지구가 물로 덮여 있고 우리 몸의 대부분이 물로 이루어진 이유도 바로 이 수소 결합의 물리화학적 성질과 깊은 관련이 있습니다. 이는 생명 현상을 유지하는 가장 신비로운 비밀 중 하나로, 물이 있는 곳에 생명이 존재할 수 있다는 가설을 뒷받침하는 강력한 근거가 됩니다. 진화의 진정한 원동력은 완벽한 복제가 아니라 역설적이게도 그 과정에서 발생하는 미세한 변이에 있습니다. DNA 복제 과정에서 발생하는 오류는 교정 기작을 통해 대부분 수정되지만, 아주 드물게 남겨진 변이들이 개체 간의 다양성을 만들어냅니다. 이러한 다양성은 환경 변화에 적응하고 새로운 종으로 진화할 수 있는 토대가 됩니다. 즉, 유전은 정보를 정확하게 전달하는 안정성과 새로운 가능성을 열어두는 변이성이라는 동전의 양면과 같은 속성을 지니고 있습니다. 이러한 변이의 축적은 수억 년의 시간 동안 지구상의 다채로운 생명체들을 탄생시킨 근본적인 힘입니다. 염색체의 끝단에 위치한 텔로미어는 생명의 시계라고 불리며 세포의 노화와 수명을 결정하는 중요한 역할을 합니다. 세포가 분열할 때마다 조금씩 짧아지는 텔로미어는 유전 정보를 보호하는 캡과 같은 기능을 수행합니다. 만약 텔로미어가 비정상적으로 유지되면 암세포가 되기도 하고, 너무 빨리 짧아지면 조기 노화가 진행되기도 합니다. 텔로머레이스라는 효소는 이 끝단을 복구하여 세포의 생존력을 높이는데, 이는 현대 의학이 노화와 질병을 이해하는 데 있어 핵심적인 열쇠가 됩니다. 텔로미어의 구조와 기능을 밝혀낸 연구는 생명 연장의 꿈을 과학적 영역으로 끌어들였습니다. 최근 연구는 DNA가 전형적인 이중나선 구조 외에도 네 가닥이나 세 가닥의 복잡한 구조를 형성한다는 사실을 밝혀내고 있습니다. 특히 구아닌이 풍부한 지역에서 형성되는 네 가닥 DNA 구조는 암 억제 인자와 상호작용하며 세포의 항상성을 유지하는 데 기여합니다. 이러한 비전형적인 구조들은 유전자 발현 조절이나 질병 발생 메커니즘에서 중요한 변수로 작용합니다. 이는 우리가 알고 있던 생명의 설계도가 생각보다 훨씬 입체적이고 역동적인 체계임을 시사하며 새로운 연구 지평을 열어주고 있습니다. 구조의 다양성은 곧 생명 현상의 복잡성을 설명하는 중요한 단서가 됩니다. 인공지능 기술의 발전은 유전체 데이터를 해석하고 단백질 구조를 예측하는 방식에 혁신을 가져오고 있습니다. 방대한 유전 정보를 학습한 AI는 질병의 원인을 정밀하게 진단하고 환자 맞춤형 신약을 개발하는 데 결정적인 도움을 줍니다. 미래에는 개인의 DNA 특징을 기반으로 질병을 사전에 예방하고 관리하는 정밀 의료 시대가 보편화될 것입니다. 1953년의 작은 논문에서 시작된 혁명은 이제 디지털 기술과 결합하여 인류의 건강과 생명의 미래를 새롭게 설계해 나가고 있습니다. 과학적 호기심과 기술의 융합은 인류가 직면한 수많은 생물학적 난제들을 해결하는 열쇠가 될 것입니다.

이준호, 이현숙

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

생명과학

[해썰이 있는 과학뉴스]토마토가 부릅니다... 태양을 피하는 방법♬ 유전자 편집 토마토

비타민 D는 우리 몸에서 칼슘 흡수를 도와 뼈 건강을 유지하는 데 필수적인 영양소입니다. 하지만 현대인들은 실내 활동이 많아지면서 비타민 D 결핍을 겪는 경우가 흔해졌습니다. 비타민 D는 크게 식물성인 비타민 D2와 동물성인 비타민 D3로 나뉘는데, 우리 몸에서의 효율은 비타민 D3가 훨씬 높다고 알려져 있습니다. 보통은 햇빛을 통해 체내에서 합성되지만, 자외선 차단제 사용이나 미세먼지 같은 환경적 요인으로 인해 충분한 양을 얻기가 쉽지 않은 것이 현실입니다. 현대인의 비타민 D 결핍을 해결하기 위해 과학자들은 유전자 편집 기술에 주목했습니다. 이는 외부 유전자를 주입하는 GMO와 달리, 작물 고유의 유전자를 정밀하게 교정하여 원하는 영양 성분을 강화하는 방식입니다. 특히 토마토는 비타민 D3 전구체를 이미 가지고 있어 기술 적용에 매우 적합한 작물로 꼽힙니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 영양제를 섭취하는 것을 넘어, 일상적인 식사만으로도 필수 영양소를 충분히 보충할 수 있는 미래형 식단 구현을 목표로 하고 있습니다. 이 유전자 편집 토마토의 핵심 원리는 비타민 D3 전구체인 '7-디하이드로콜레스테롤'이 쌓이도록 만드는 것입니다. 원래 토마토는 이 전구체를 다른 물질로 변환시키는 효소를 가지고 있는데, 유전자 가위 기술인 크리스퍼(CRISPR-Cas9)를 이용해 이 효소의 기능을 차단했습니다. 그 결과 토마토에 비타민 D3 전구체가 축적되고, 여기에 자외선을 쬐어주면 식물에서도 동물성 비타민과 같은 효능을 가진 비타민 D3가 생성되게 됩니다. 이는 식물 기반의 영양 섭취에 새로운 지평을 열었습니다. 이번 연구가 주목받는 또 다른 이유는 기존에 버려지던 토마토 잎까지 활용할 수 있다는 점입니다. 유전자 편집을 거친 토마토의 잎에는 열매보다 더 많은 양의 비타민 D3 전구체가 포함되어 있어, 이를 추출해 보충제 원료로 재활용할 수 있습니다. 특히 동물성 원료를 기피하는 채식주의자들에게는 식물에서 추출한 고효율의 비타민 D3를 섭취할 수 있는 획기적인 대안이 될 것입니다. 이는 자원 순환과 영양 공급이라는 두 마리 토끼를 잡는 혁신적인 사례로 평가받고 있습니다. 물론 유전자 편집 식품이 시장에 안착하기 위해서는 넘어야 할 산이 많습니다. 미국이나 일본 등 일부 국가에서는 규제를 완화하는 추세지만, 인위적인 유전자 조작에 대한 심리적 거부감과 장기적인 안전성에 대한 논의는 여전히 진행 중입니다. 새로운 기술이 우리 식탁에 오르기까지는 과학적 검증뿐만 아니라 사회적 합의와 신뢰 구축이 필수적입니다. 유전자 편집 토마토가 현대인의 영양 불균형을 해결하는 안전한 먹거리로 자리 잡을 수 있을지 앞으로의 행보가 기대됩니다.