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기존 생물학의 상식을 파괴한 초파리의 정자

여름철 흔히 볼 수 있는 초파리는 아주 작지만, 그 정자의 길이는 무려 5cm에 달해 인간 체격으로 환산하면 30m에 이르는 거대한 크기를 자랑합니다. 인간 정자보다 1,000배나 긴 꼬리를 가진 이들이 좁은 몸속에서 엉키지 않는 비결은 매우 독특합니다. 연구에 따르면 정자들은 꼬리가 길어 엉키기 쉬운 구조임에도 불구하고, 특별한 움직임을 통해 충돌을 피합니다. 꼬리를 휘둘러 앞으로 나아가는 일반적인 방식이 아닌, 서로를 밀어내는 파동을 이용해 질서 있게 이동하며 목표를 향해 나아가는 것입니다. 초파리 정자는 개별적으로 돌진하는 대신 단체로 서로를 밀어내며 목표를 향해 나아갑니다. 이러한 정자의 신비로운 구조와 움직임은 스콧 피트닉 교수의 끈질긴 연구 끝에 밝혀졌습니다. 1992년 처음 거대 정자의 존재를 보고한 이후, 그는 15년이라는 긴 시간 동안 왜 초파리가 자신의 몸보다 훨씬 긴 정자를 가지게 되었는지 그 미스터리를 추적했습니다. 이는 작은 동물이 거대한 정자를 엉키지 않고 제 기능을 유지하도록 만드는 생물학적 메커니즘을 실시간으로 시각화한 최초의 사례로 평가받고 있습니다. 초파리 정자가 거대해진 진화적 이유는 치열한 생존 전략에 있습니다. 먼저 들어간 긴 정자는 암컷의 몸속을 가득 채워 다른 수컷의 정자가 침입하지 못하도록 철벽 방어하는 바리케이드 역할을 수행합니다. 또한, 암컷 초파리의 정자 보관 기관이 8cm 이상의 복잡한 미로 구조로 되어 있다는 점도 중요한 원인입니다. 결국 수컷은 이 험난하고 가혹한 경로를 끝까지 통과하여 난자에 도달하기 위해, 정자의 길이를 늘리고 튼튼하게 만드는 방향으로 진화할 수밖에 없었던 것입니다.

지식인미나니미나니의 스낵교양

물리학
생명과학

물질들의 오묘한 작용이 생물🦠 안에서 창발해내는 섬세하고 복잡한 생명현상을 탐구하다!🔍 | 2024 가족동반 진로탐색

생명과학은 생명이란 무엇인지를 탐구하는 광범위한 학문입니다. 생물의 구조와 기능은 물론, 기원과 진화, 생물 간의 상호작용을 깊이 있게 다룹니다. 세포생물학, 유전학, 생태학 등 다양한 세부 분야로 나뉘어 있으며, 각 분야는 생명을 이해하는 독특한 관점을 제공합니다. 이러한 지식은 의학, 농업, 환경과학 등 실생활과 밀접한 응용 분야에 기여하며 인류의 삶의 질을 높이는 데 필수적인 역할을 수행하고 있습니다. 최근 생명과학은 혁신적인 기술 발전을 통해 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 유전자를 정밀하게 편집할 수 있는 크리스퍼(CRISPR) 기술은 의학과 농업 분야에 혁명을 일으켰으며, 인공지능과 머신러닝은 복잡한 생물학적 빅데이터를 분석하여 새로운 발견을 가속화하고 있습니다. 또한 환자 개개인의 유전적 특성을 고려한 맞춤형 의학의 발전은 질병 치료의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 이러한 변화는 생명과학이 미래 사회의 문제를 해결하는 핵심 열쇠임을 보여줍니다. 생명과학 전공자들은 연구소나 기업에서 새로운 치료법과 백신을 개발하며 지식의 경계를 넓히는 과학자로 활약할 수 있습니다. 유전공학이나 단백질공학 기술을 활용해 산업적 혁신을 이끄는 전문가가 되기도 하며, 생태계 보호를 위해 힘쓰는 환경과학자의 길을 걷기도 합니다. 이외에도 지식을 전수하는 교육자나 대중과 소통하는 과학 커뮤니케이터 등 다양한 직업군이 존재합니다. 이는 생명과학이 가진 무한한 가능성과 사회적 영향력을 증명하는 대목입니다. 생명과학의 가장 큰 매력은 우리 자신을 포함한 생명체들의 오묘한 작용을 탐구하며 느끼는 지적 희열에 있습니다. 살아있는 생물을 깊이 있게 들여다볼수록 생명에 대한 깊은 경외감을 경험하게 됩니다. 학문적 즐거움뿐만 아니라, 기후변화 대응이나 감염병 예방, 식량 안보와 같은 지구촌의 시급한 과제들을 풀어나가는 데에도 이 학문은 중추적인 역할을 합니다. 인류의 지속 가능한 미래를 설계하는 데 있어 생명과학의 비중은 앞으로 더욱 커질 것입니다. 생명과학자가 되기 위해서는 논리적 사고와 창의성, 그리고 장기적인 연구를 견뎌낼 성실함이 필요합니다. 또한 타인과 협력하는 소통 능력과 윤리적 판단력도 중요합니다. 최근에는 수학, 통계학, 컴퓨터 과학 등 타 학문과의 융합이 활발하므로 폭넓은 학습이 권장됩니다. 청소년기에는 독서와 다큐멘터리 시청, 그리고 자연 속에서 생물을 직접 관찰하는 경험을 통해 호기심을 키우는 것이 좋습니다. 흥미를 느끼는 분야를 즐겁게 탐구하는 태도가 미래의 과학자로 성장하는 밑거름이 됩니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

생명과학
융합

백혈구에서 촉수가!? 살아있는 세포의 3D 이미지를 보는 현미경의 위력!

세포는 라틴어로 '방'을 의미하는 단어에서 유래했습니다. 17세기 로버트 훅이 현미경으로 코르크 마개를 관찰하며 작은 벌집 모양의 공간들을 발견한 것이 그 시작이었습니다. 그는 이 작은 공간들에 '세포(Cell)'라는 이름을 붙였고, 이는 곧 생명을 이루는 가장 작은 단위로 정의되었습니다. 현미경의 발명은 인류의 지적 지평을 우주만큼이나 넓혀주었습니다. 육안으로는 볼 수 없던 미생물의 세계를 발견함으로써 의학과 과학은 비약적인 발전을 이룩할 수 있었습니다. 현미경 기술은 단순히 사물을 확대하는 도구를 넘어, 생명 과학의 근본적인 원리를 탐구하게 해주는 창구 역할을 해왔습니다. 하지만 일반적인 광학 현미경으로는 세포 내부의 세포 소기관을 관찰하기가 매우 어렵습니다. 세포 소기관은 대부분 투명하여 빛을 그대로 투과시키기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 기존에는 세포를 특수한 염료로 물들이는 '염색' 과정을 거쳐야만 했습니다. 그러나 염색을 하기 위해서는 세포를 고정하고 보존하는 전처리 과정이 필수적이며, 이 과정에서 살아있던 세포는 죽고 맙니다. 살아있는 상태의 세포가 약물에 어떻게 반응하는지, 혹은 이상 세포가 어떤 행동 특성을 보이는지를 실시간으로 연구하고 싶은 과학자들에게는 세포의 사멸이 기술적인 한계점으로 작용해 왔습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 광학 회절 단층촬영(ODT) 현미경입니다. 이 기술은 우리에게 익숙한 병원의 CT 촬영 원리를 가시광선 영역에서 구현한 것입니다. CT가 X선을 이용해 신체 내부의 3D 이미지를 얻는 것처럼, ODT는 세포를 투과하는 빛의 아주 미세한 굴절률 차이를 계산하여 입체적인 영상을 만들어냅니다. 별도의 염색 과정 없이도 투명한 세포 내부를 선명하게 들여다볼 수 있다는 점이 이 기술의 핵심입니다. 세포에 아무런 처리를 하지 않기에 세포의 본래 기능을 유지한 상태로 관찰이 가능해졌으며, 이는 생명 과학 연구의 패러다임을 바꾸는 혁신적인 변화입니다. ODT 기술의 진가는 살아있는 세포의 역동적인 움직임을 관찰할 때 발휘됩니다. 예를 들어 백혈구의 일종인 호산구가 이물질을 공격하는 과정을 3D로 촬영하여 면밀히 분석할 수 있습니다. 기존 방식으로는 염색 과정의 스트레스로 인해 세포가 금방 사멸하여 관찰에 제약이 많았지만, ODT는 살아있는 상태 그대로의 거동을 보여줍니다. 이를 통해 정상인과 천식 환자의 호산구 특성을 비교하는 등 질병의 새로운 진단 기준을 마련하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 세포 하나의 세포 소기관을 3D 이미지로 정밀하게 분석할 수 있게 됨으로써, 질병의 원인을 규명하고 맞춤형 치료법을 개발하는 데 큰 기여를 하고 있습니다. 주목할 점은 이 혁신적인 ODT 현미경이 순수 국내 기술로 개발되었다는 사실입니다. 그동안 현미경 시장은 독일과 일본의 글로벌 기업들이 독점해왔기에 국산 장비의 설 자리가 좁았던 것이 현실입니다. 하지만 국내 기업이 세계 어디에도 없던 새로운 이미징 방식을 선도하며 틈새시장을 개척해 나가고 있습니다. 국산 연구 장비의 경쟁력 강화는 국가 과학 기술의 자립도를 높이는 중요한 발걸음입니다. 국내의 많은 연구자가 이러한 혁신 장비를 적극적으로 활용한다면, 헬스케어와 생명 과학 분야에서 우리 기술이 세계적인 시장 점유율을 확보하고 과학 강국으로 도약하는 계기가 될 것입니다.

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물리학
생명과학
융합

2023 신기한 의공학이야기(1회) : 빛쟁이가 들려주는 신경과학 이야기

빛은 현대 과학에서도 여전히 신비로운 존재로, 입자와 파동이라는 이중적인 성질을 지니고 있습니다. 생명 현상과 빛의 상호작용을 연구하는 바이오포토닉스(Biophotonics)는 이러한 빛의 물리적 특성을 관찰과 진단의 도구로 활용하는 학문입니다. 우리가 눈으로 보는 빛은 사실 전기장과 자기장이 서로 맞물려 진행하는 전자기파의 일종이며, 반사와 굴절, 간섭과 같은 파동의 성질을 통해 우리에게 세상의 시각적 정보를 전달하는 역할을 수행합니다. 빛의 성질 중 색은 파장의 길이에 의해 결정되는데, 파장이 짧을수록 에너지가 높고 푸른색을 띠며 파장이 길수록 붉은색을 나타냅니다. 인간은 가시광선이라 불리는 400에서 700나노미터 사이의 좁은 영역만을 볼 수 있지만, 자연계의 다른 생물들은 생존을 위해 그 너머의 빛을 적극적으로 활용합니다. 예를 들어 꿀벌은 꽃의 위치를 찾기 위해 자외선을 감지하며, 뱀은 먹잇감의 체온에서 나오는 적외선을 탐지하여 어둠 속에서도 정밀한 사냥을 이어갑니다. 인간의 눈은 현대 기술의 집약체인 카메라와 놀라울 정도로 유사한 구조를 가지고 있습니다. 수정체는 렌즈의 역할을, 홍채는 빛의 양을 조절하는 조리개 역할을 수행하며 망막은 영상이 맺히는 필름 역할을 합니다. 과학자들은 이러한 눈의 원리를 응용해 아주 작은 세상을 관찰하는 현미경을 발명했습니다. 대물렌즈와 접안렌즈를 통해 빛을 굴절시켜 상을 확대함으로써, 과거에는 육안으로 볼 수 없었던 미세한 세포 단위의 생태를 실시간으로 관찰하고 분석할 수 있게 되었습니다. 현미경의 발전은 생명과학의 비약적인 진보를 이끌어낸 핵심 동력이었습니다. 로버트 훅이 코르크 조직에서 '세포'라는 개념을 처음 발견한 이후, 현대 과학은 해파리의 유전자를 활용해 특정 단백질에 형광 색소를 입히는 단계까지 발전했습니다. 이를 통해 투명해서 식별이 어렵던 뇌 신경세포를 총천연색으로 시각화할 수 있게 되었으며, 이는 복합적인 신경 회로의 구조와 연결성을 정밀하게 분석하여 뇌의 작동 원리를 규명하는 데 결정적인 역할을 하고 있습니다. 빛은 단순히 관찰하는 도구를 넘어 신경 활동을 직접 제어하는 수단으로도 진화했습니다. 광유전학(Optogenetics)은 특정 파장의 빛에 반응하는 미생물의 단백질 유전자를 신경세포에 주입하여, 빛 조사를 통해 신경의 활성화를 조절하는 혁신적인 기술입니다. 이 기술을 이용하면 동물의 특정 행동을 유도하거나 억제하는 원격 제어가 가능해집니다. 이는 파킨슨병이나 우울증 등 다양한 난치성 뇌 질환의 원인을 규명하고 새로운 치료 경로를 탐색하는 신경과학 연구의 핵심 도구가 되었습니다. 우리 뇌는 체중의 2%에 불과하지만 몸 전체 혈액과 산소의 20%를 소비하는 고에너지 기관입니다. 따라서 뇌혈관이 막히거나 터지는 뇌졸중이 발생하면 단 1분 만에도 수백만 개의 신경세포가 사멸할 수 있는 위험에 처합니다. 뇌졸중의 전조증상인 얼굴 비대칭, 팔 마비, 언어 장애를 신속히 파악하는 'FAST' 수칙을 숙지하는 것은 생존율을 높이는 데 매우 중요합니다. 뇌의 건강을 유지하고 혈액 순환을 관리하는 것은 개인의 삶의 질을 결정짓는 필수적인 요소입니다. 통증은 신체를 보호하기 위한 필수적인 경고 신호이지만, 만성적인 병적 통증은 삶을 파괴하는 고통이 되기도 합니다. 현재 난치성 통증 치료에 흔히 쓰이는 마약성 진통제는 중독과 호흡 곤란 등의 심각한 부작용 문제를 안고 있어 전 세계적인 사회적 과제로 대두되었습니다. 이에 과학자들은 광유전학적 기법과 의공학적 도구를 결합하여 통증의 전달 경로를 정확히 파악하고, 부작용 없이 통증만을 선택적으로 억제할 수 있는 차세대 치료 기술 개발에 매진하고 있습니다.

국립광주과학관강연&포럼

물리학
생명과학
뇌인지과학
융합

[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

[바이러스와의 찐한 만남] ‘슬기로운 바이러스 생활' 현장 강연

바이러스는 우리 상상보다 훨씬 작은 존재입니다. 사람의 세포 하나를 거대한 야구장 크기라고 가정한다면, 그 안에 침투하는 바이러스는 야구공 정도의 크기에 불과합니다. 이들은 마이크로미터보다 1,000배 더 작은 나노미터 단위의 세계에 존재하기 때문에 일반적인 현미경으로는 관찰조차 불가능하며 오직 전자현미경으로만 그 실체를 확인할 수 있습니다. 이렇게 극도로 작은 크기 때문에 바이러스는 스스로 에너지를 만들거나 대사를 할 수 있는 체계를 갖추지 못하고, 오직 자신의 유전 정보만을 담은 채 이동하는 특성을 보입니다. 바이러스는 생물과 무생물의 경계에 있는 기묘한 존재입니다. 세포 밖에서는 아무런 생명 활동을 하지 않는 바이러스 입자 상태로 존재하지만, 일단 숙주 세포 안으로 들어가면 생명 활동을 시작하며 자신을 복제합니다. 마치 영화 속 좀비처럼 정상적인 세포를 감염시켜 자신과 똑같은 좀비 세포로 만들어버리는 것입니다. 바이러스 입자 자체는 스스로 움직여 우리를 쫓아오지 못하지만, 감염된 숙주의 행동을 변화시키거나 타인과의 접촉을 통해 끊임없이 자신의 유전자를 퍼뜨리며 생존을 이어가는 전략을 취합니다. 우리가 바이러스에 감염되는 경로는 크게 호흡과 섭취로 나뉩니다. 특히 호흡기 바이러스는 숙주의 몸을 자극해 기침을 유발함으로써 더 멀리 퍼져나가는 진화적 전략을 사용합니다. 기침이나 대화 중에 튀어나오는 비말은 바이러스의 핵심 이동 수단이 되며, 가까운 거리일수록 비말 내 바이러스 수가 많아져 감염 위험이 급격히 높아집니다. 따라서 감염병이 유행하는 시기에는 타인과 밀접하게 접촉하여 대화하며 음식을 나누는 행위를 주의해야 합니다. 이는 바이러스가 새로운 숙주를 찾아가는 가장 효율적인 길목이기 때문입니다. 마스크는 바이러스의 침입을 막는 가장 강력하고 경제적인 방어막입니다. 흔히 바이러스 입자가 마스크 필터 구멍보다 작아서 효과가 없을 것이라 오해하지만, 마스크의 진짜 목적은 바이러스를 품고 있는 '비말'을 차단하는 데 있습니다. 바이러스는 수분이 마르면 표면 단백질 구조가 파괴되어 감염력을 상실하는 특성이 있습니다. 마스크는 축축한 비말이 직접 호흡기로 들어오는 것을 물리적으로 막아줌으로써, 우리 몸속으로 유입되는 바이러스의 양을 감염이 일어나지 못할 수준으로 현저히 낮춰주는 결정적인 역할을 수행합니다. 일상생활에서 손은 바이러스가 옮겨가는 주요 매개체입니다. 우리는 무의식중에 하루에도 수십 번씩 자신의 얼굴을 만지는데, 이때 손에 묻어 있던 바이러스가 눈, 코, 입의 점막을 통해 몸 안으로 침투하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 가장 중요한 습관은 흐르는 물에 손을 자주 씻는 것입니다. 비누는 계면활성제 성분을 통해 바이러스의 껍데기를 녹여버리는 강력한 항바이러스제 역할을 합니다. 겉보기에 깨끗해 보이는 물보다, 다소 지저분해 보이는 비누를 사용해 씻는 것이 현대 위생 관념에서는 훨씬 안전하고 효과적인 방역 방법입니다. 바이러스에 대항하는 우리 몸의 방어 체계인 면역을 건강하게 유지하기 위해서는 햇볕을 쬐는 것이 필수적입니다. 자외선을 통해 피부에서 합성되는 비타민 D는 면역 세포들이 서로 유기적으로 소통하고 협력하며 바이러스를 방어하는 과정에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 과거부터 여름철 야외 활동을 충분히 한 사람이 겨울철 감기에 덜 걸린다는 이야기는 과학적 근거가 있는 셈입니다. 현대인들은 실내 생활 비중이 높아 비타민 D가 부족해지기 쉬우므로, 적절한 야외 활동을 통해 면역 균형을 맞추는 노력이 바이러스 예방에 큰 도움이 됩니다. 마지막으로 균형 잡힌 영양 섭취는 면역 체계의 기초 공사와 같습니다. 우리 몸이 바이러스와 싸우기 위해 항체를 만들고 면역 세포를 재생하는 과정에는 단백질, 탄수화물, 비타민 등 다양한 영양소가 대량으로 소모됩니다. 특히 성장기 어린이는 면역 체계가 발달하는 과정에 있으므로, 특정 음식을 가리지 않고 골고루 먹는 습관이 무엇보다 중요합니다. 부모님이 챙겨주시는 다양한 식단은 단순히 성장을 돕는 것을 넘어, 외부의 침입자로부터 몸을 지킬 수 있는 튼튼한 군대를 양성하는 자양분이 됩니다. 올바른 식습관이 곧 슬기로운 바이러스 생활의 완성입니다.

국립과천과학관👉기획·특별전

생명과학

[인터뷰] 이유리_식물도 욕망이 있다! | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

식물의 잎은 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하는 핵심적인 에너지 생성 공장입니다. 생존에 필수적인 광합성이 일어나는 장소인 만큼, 잎은 곤충이나 미생물 같은 생물학적 공격뿐만 아니라 가뭄과 바람 같은 물리적 환경 변화로부터도 스스로를 지켜내야 합니다. 식물은 이동할 수 없기에 도망치는 대신 정교한 방어 전략을 발달시켰으며, 이는 도시가 공격받았을 때 재건을 위해 노력하는 과정과 유사한 생존 본능을 보여줍니다. 식물은 손이 없어도 자신의 표면을 깨끗하게 유지하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 대표적인 사례인 연꽃잎은 더러운 환경에서도 방수 효과와 자정 작용을 통해 청결을 유지하는데, 이는 표면의 특수한 미세 구조 덕분입니다. 과학자들은 이러한 식물의 비밀을 파헤쳐 방수 페인트나 기능성 의류 제작에 응용하고 있습니다. 외부 환경으로부터 자신을 보호하고 스스로를 정화하는 식물의 지혜는 현대 공학 기술의 중요한 영감이 되고 있습니다. 식물은 동물과 달리 신체 부위를 자유롭게 새로 만들거나 떼어내는 유연한 생장 방식을 가집니다. 줄기세포가 곳곳에 잠자고 있다가 필요에 따라 새로운 줄기나 잎을 형성하며, 심지어 잘린 잎 하나에서도 뿌리가 내려 새로운 개체로 재분화되기도 합니다. 이러한 강력한 재분화 능력은 식물이 환경 변화에 적응하고 손상을 극복하는 핵심 동력입니다. 움직이지 못하는 한계를 극복하기 위해 식물은 끊임없이 자신을 갱신하며 생명력을 이어가는 독특한 전략을 선택했습니다. 진화의 역사에서 식물과 동물을 가른 결정적인 차이는 세포벽이라는 '갑옷'의 유지 여부에 있었습니다. 초기 세포들은 독립성을 지키기 위해 단단한 벽을 가졌으나, 다세포 생물로 진화하는 과정에서 동물은 움직임을 위해 이를 벗어던졌고 식물은 이를 유지하는 길을 택했습니다. 이 선택은 소통 방식의 차이로 이어졌습니다. 식물 세포는 벽을 사이에 두고 원거리 통신을 하듯 정보를 주고받으며, 이러한 독특한 체계가 식물만의 복잡한 생명 현상을 가능하게 만들었습니다. 현미경으로 들여다본 식물의 세계는 단순한 평면이 아니라 정교하게 설계된 3차원 건축물과 같습니다. 세포벽의 단단하고 질긴 특성 덕분에 식물 세포는 별 모양이나 뾰족한 모양 등 다채로운 형태를 띠며, 이들이 모여 견고한 구조물을 형성합니다. 식물은 성장 단계나 환경 변화에 맞춰 이 구조를 유연하게 리모델링하며 최적의 상태를 유지합니다. 눈에 보이지 않는 미세한 공간 속에서 벌어지는 이러한 건축적 변화는 식물이 가진 생명력의 신비로움을 잘 보여줍니다.

이유리

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 바이러스 감염, 어떻게 방어하는가? _ by유주연 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 8강 | 8강

바이러스는 가장 안쪽에 유전 물질을 가지고 있으며, 이를 단백질과 외막이 둘러싸고 있는 구조를 띱니다. 코로나19나 인플루엔자 같은 바이러스는 유전 물질로 RNA를 가지며, 가장 바깥쪽에 지질 성분의 외막이 존재하는 '외막 바이러스'에 해당합니다. 우리가 비누로 손을 씻는 행위가 효과적인 이유는 비누의 계면활성제가 바이러스의 외막을 분해하여 구조를 파괴하기 때문입니다. 이러한 단순한 구조적 특징은 바이러스가 숙주 세포에 침투하여 자신의 유전 정보를 전달하는 데 핵심적인 역할을 수행합니다. 모든 생명체는 스스로 유전 정보를 복제하여 증식하려는 본능을 가집니다. 하지만 바이러스는 유전 물질은 보유하고 있으나 스스로 복제할 수 있는 효소나 에너지를 생성하는 능력이 없습니다. 따라서 바이러스는 생존 전략으로 복제 시스템이 잘 갖춰진 숙주 세포를 선택하여 그 안으로 침투하는 방식을 택합니다. 숙주 세포의 자원과 시스템을 가로채어 자신의 유전 물질을 복제하는 이 과정을 우리는 '감염'이라고 부릅니다. 결국 감염의 본질적인 목적은 바이러스 유전 정보의 복제와 증식에 있습니다. 바이러스가 세포에 감염되기 위해서는 먼저 세포막에 안정적으로 부착되어야 합니다. 이때 바이러스의 외막 단백질은 숙주 세포 표면의 특정 수용체 단백질을 열쇠와 자물쇠처럼 특이적으로 인식하여 결합합니다. 예를 들어 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질은 우리 몸의 ACE2 수용체와 결합합니다. 이 수용체가 호흡기뿐만 아니라 소화기, 신장 등 다양한 장기에서 발현되기 때문에 바이러스가 여러 기관에 침투하여 손상을 입힐 수 있는 것입니다. 부착 후에는 막 융합 등을 통해 유전 물질을 세포 안으로 밀어 넣습니다. 세포질로 들어온 바이러스 유전 물질은 본격적인 복제 단계에 돌입합니다. 특히 RNA 바이러스는 복제 과정에서 단일 가닥이 이중 가닥으로 변하는 단계를 거치는데, 이때 바이러스 고유의 RNA 중합효소를 사용합니다. 문제는 이 효소가 복제 중 발생하는 오류를 교정하는 능력이 부족하다는 점입니다. 생명체는 정확성을 중시하지만, 바이러스는 진화 과정에서 정확도보다 빠른 복제를 선택했습니다. 이러한 '에러 프론(error-prone)' 특성 때문에 RNA 바이러스에서는 끊임없이 변이가 발생하며, 이는 백신이나 치료제 개발을 어렵게 만드는 요인이 됩니다. 숙주 세포는 바이러스의 침입에 무기력하게 당하고만 있지 않습니다. 세포는 '나에게 없는 패턴'이나 '위험한 상황'을 감지하여 침입자를 인식합니다. 이를 PAMP와 DAMP라고 부르는데, 예를 들어 우리 세포에는 없는 이중 가닥 RNA나 원래 핵 안에 있어야 할 DNA가 세포질에서 발견되는 상황이 이에 해당합니다. 세포 내의 패턴 인식 수용체인 PRR은 이러한 비정상적인 신호를 포착하여 즉각적인 방어 태세를 갖춥니다. 이것이 감염 직후 가장 먼저 작동하는 우리 몸의 선천 면역 체계입니다. 침입을 인지한 PRR은 핵으로 신호를 보내 인터페론이나 사이토카인 같은 방어 물질을 생성합니다. 이 물질들은 주변 세포에 감염 사실을 알려 방어막을 치게 하고, 면역 세포들을 불러모으는 역할을 합니다. 이때 면역 반응의 강도를 적절하게 조절하는 '미세 조정(fine-tuning)' 과정이 매우 중요합니다. 반응이 너무 미약하면 바이러스 증식을 막지 못해 조직이 손상되고, 반대로 너무 과도하면 '사이토카인 폭풍'이 일어나 오히려 우리 몸의 정상 세포를 공격하게 됩니다. 따라서 적정 수준의 면역 반응 유지가 건강 회복의 핵심입니다. 최근 연구에 따르면 선천 면역 시스템은 초기 조건에 따라 반응의 결과가 달라지는 복잡한 특성을 지니고 있습니다. 동일한 양의 바이러스가 침투하더라도 세포 내 수용체의 양이나 상태에 따라 면역 반응이 활발할 수도, 혹은 미미할 수도 있다는 것입니다. 이러한 분자 생물학적 메커니즘을 정확히 이해하는 것은 효과적인 치료제와 백신을 개발하는 밑거름이 됩니다. 바이러스와 우리 몸 사이의 치열한 정보전과 방어 기전을 연구함으로써, 인류는 보이지 않는 위협으로부터 스스로를 보호할 수 있는 더 정교한 과학적 무기를 갖추게 될 것입니다.

유주연

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 빛의 한계를 뛰어넘는 분자의 슬기로운 감빵생활 _ by심상희 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 5강 | 5강

현미경의 역사는 생물학의 발전과 그 궤를 같이해 왔습니다. 17세기 로버트 훅은 직접 고안한 현미경으로 코르크 마개를 관찰하던 중, 작은 방들이 조밀하게 모여 있는 모습이 마치 수도원의 독방이나 감옥 같다고 느껴 '세포(Cell)'라는 이름을 붙였습니다. 이후 레벤후크는 미생물을 발견하여 미생물학의 토대를 닦았고, 카할은 신경 세포의 정교한 구조를 그려내며 뇌과학의 시작을 알렸습니다. 이처럼 현미경은 보이지 않는 미세 세계를 시각화함으로써 인류가 생명의 기본 단위를 이해하는 데 결정적인 역할을 수행해 왔습니다. 하지만 전통적인 광학 현미경은 물리적인 한계에 부딪혔습니다. 19세기 에른스트 아베는 빛의 파동성으로 인해 발생하는 회절 현상을 수식으로 정리하며 회절 한계를 규명했습니다. 가시광선을 사용하는 한, 약 200~300 나노미터보다 작은 물체는 서로 구분할 수 없다는 것입니다. 이로 인해 수 나노미터 크기에 불과한 단백질이나 바이러스는 현미경 아래에서 실제보다 훨씬 거대한 빛의 점으로 뭉개져 보일 수밖에 없었으며, 이는 오랫동안 광학계의 깨지지 않는 법칙처럼 여겨졌습니다. 전자 현미경은 짧은 파장의 전자빔을 사용하여 이 한계를 극복했지만, 세포를 아주 얇게 자르고 고정해야 하기에 살아있는 상태를 관찰하기 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 반면 형광 현미경은 특정 분자에만 빛을 내는 표지를 붙여 복잡한 세포 환경 속에서도 원하는 대상만을 선명하게 골라낼 수 있는 '분자 특이성'을 가집니다. 이러한 장점 덕분에 현대 생물학에서 형광 현미경은 세포 내 특정 분자의 위치와 움직임을 파악하는 데 있어 대체 불가능한 도구로 자리 잡게 되었습니다. 초고해상도 현미경은 형광 분자가 '반짝이며' 켜지고 꺼지는 스위칭 현상을 슬기롭게 활용하여 물리적 한계를 뛰어넘었습니다. 모든 분자가 동시에 빛을 내면 회절 무늬가 겹쳐 형체를 알 수 없게 되지만, 확률적으로 아주 적은 수의 분자만 번갈아 가며 빛을 내게 조절하면 개별 분자의 정확한 중심 위치를 파악할 수 있습니다. 이는 마치 어두운 밤하늘에서 수많은 반딧불이가 한꺼번에 빛날 때는 형체를 알 수 없다가, 하나씩 번갈아 빛날 때 그 위치를 정확히 찍어낼 수 있는 것과 같은 원리입니다. 이렇게 측정된 수만 개의 분자 위치 정보는 컴퓨터를 통해 하나의 정밀한 이미지로 재구성됩니다. 미술의 점묘화 기법처럼 수많은 점을 찍어 전체 형상을 만드는 이 방식은 기존보다 10배 이상 정밀한 나노미터 단위의 해상도를 제공합니다. 이를 통해 과학자들은 과거에는 뭉개져 보이던 세포 내부 구조를 실타래처럼 가느다란 가닥 하나까지 선명하게 구분할 수 있게 되었으며, 분자 수준에서 일어나는 생명 활동의 사생활을 직접 목격하는 새로운 시대를 열었습니다. 초고해상도 기술은 기존에 알지 못했던 생명의 비밀들을 속속들이 밝혀내고 있습니다. 신경 세포의 축삭 돌기에서 발견된 정교한 액틴 고리 구조나, 정자 꼬리에 배열된 칼슘 채널의 입체적인 모습은 이 기술이 아니었다면 영원히 베일에 싸여 있었을 것입니다. 또한 살아있는 세포 내에서 미토콘드리아가 역동적으로 움직이고 소포체와 상호작용하는 과정을 실시간으로 관찰함으로써, 질병의 원인을 규명하고 새로운 치료법을 찾는 연구에도 혁신적인 변화를 불러일으키고 있습니다. 과학의 비약적인 발전은 정립된 이론에 의문을 던지고 이를 극복하려는 끈기 있는 노력에서 비롯됩니다. 20년 넘게 해상도 한계에 도전한 슈테판 헬이나, 소속도 없이 거실에서 현미경을 조립했던 에릭 베치히의 사례는 과학적 탐구의 본질을 보여줍니다. 99%의 좌절 속에서도 단 1%의 희열을 위해 나아가는 과학자들의 열정은, 빛의 한계를 넘어 분자들의 세계를 탐험하는 원동력이 되었습니다. 이러한 슬기로운 탐구 정신은 앞으로도 우리가 생명의 신비를 풀어나가는 데 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

심상희

카오스재단카오스강연

화학

[명강리뷰] 세포막 : 경계와 소통 by 윤태영ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강

우리 몸을 구성하는 수많은 세포는 각자의 영역을 지키면서도 끊임없이 주변과 소통하며 생명을 유지합니다. 형광 현미경으로 관찰한 세포막은 붉은색의 선명한 경계선을 그리며 '나'와 '타자'를 구분 짓는 담장 역할을 수행합니다. 하지만 이 경계는 단순히 단절을 의미하지 않습니다. 다세포 생물로서 항상성을 유지하기 위해서는 세포 간의 긴밀한 협조가 필수적이며, 이러한 소통의 부재는 암과 같은 심각한 질병으로 이어지기도 합니다. 따라서 세포막은 생명체의 영토를 보호하는 동시에 외부 세계와 의견을 주고받는 역동적인 소통의 장으로서 존재합니다. 생명체는 자신의 외벽을 보호할 매체로 지질 이중막을 선택했습니다. 이는 정보 저장 매체로 DNA를, 기능 수행 기계로 단백질을 선택한 것만큼이나 중요한 진화적 결정입니다. 지질 분자는 친수성 머리와 소수성 꼬리로 구성되어 있어, 수분이 가득한 환경에서 자발적으로 지질 이중막을 형성합니다. 이러한 자발적 형성은 세포막에 놀라운 유연성과 강인함을 부여합니다. 외부의 압력에도 쉽게 터지지 않는 유연함을 갖추면서도, 아주 작은 이온조차 함부로 통과시키지 않는 철저한 방어력을 동시에 갖체게 된 것입니다. 세포막의 핵심적인 물리적 특성 중 하나는 바로 '2차원 유체'라는 점입니다. 지질 분자들은 제자리에 고정되어 있지 않고 액체처럼 끊임없이 위치를 바꾸며 이동합니다. 이러한 유동성은 우리가 섭취하는 지방산의 종류에 따라 큰 영향을 받습니다. 불포화 지방산은 꼬리 부분이 꺾여 있어 분자들이 빽빽하게 정렬되는 것을 방해하며, 덕분에 세포막은 낮은 온도에서도 굳지 않고 부드러운 상태를 유지할 수 있습니다. 반면 포화 지방산은 막을 딱딱하게 만들어 혈관 건강을 위협할 수 있으므로, 유연한 세포막을 유지하기 위해서는 건강한 지방 섭취가 필수적입니다. 1972년 정립된 '유동 모자이크 모델'은 세포막에 대한 현대적 이해의 기초를 제공합니다. 지질 이중막이라는 바다 위에 다양한 기능을 가진 막 단백질들이 모자이크처럼 박혀 있는 구조를 상상해 볼 수 있습니다. 세포막이 유동 상태를 유지하기 때문에, 이 단백질들은 막 위를 자유롭게 유영하며 외부 신호를 세포 전체로 퍼뜨릴 수 있습니다. 특정 지점에서 포착된 신호가 망망대해 같은 막을 따라 전파되는 과정은 생명체가 외부 환경에 기민하게 반응할 수 있게 합니다. 이는 단순한 경계를 넘어 고도의 정보 전달 시스템으로서의 면모를 보여줍니다. 세포 간의 소통은 신경전달물질의 분출이나 호르몬 수용체의 작동을 통해 구체화됩니다. 신경세포 말단에서 세포막 조각이 주머니 형태로 떨어져 나와 물질을 전달하고, 다시 외벽과 합쳐지는 과정은 세포막의 유연함이 만들어낸 경이로운 통신 기법입니다. 또한 5나노미터라는 아주 얇은 두께 속에 정교하게 배치된 막 단백질들은 현대 의학이 주목하는 진정한 '나노머신'이라 할 수 있습니다. 암을 비롯한 수많은 질병의 치료법이 바로 이 막 단백질의 제어에 달려 있는 만큼, 세포막은 생명 과학의 미래를 여는 핵심적인 열쇠가 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

'바이러스의 선물, 트로이의 목마' 분자바이러스 연구실(고려대)ㅣ연구현장속으로ㅣ[토요과학강연 홍보영상]

고려대학교 생명정보공학과의 분자바이러스 연구실은 인플루엔자나 코로나19와 같은 인수공통 감염병을 일으키는 바이러스를 깊이 있게 탐구합니다. 분자생물학 및 면역학적 기법을 통해 바이러스와 숙주 세포 간의 복잡한 상호작용을 분석하며, 특히 바이러스가 어떻게 면역 체계를 조절하고 세포 사멸을 유도하는지에 집중합니다. 이러한 기초 연구는 단순히 현상을 규명하는 데 그치지 않고, 항바이러스제와 백신 후보 물질을 발굴하여 인류의 건강을 지키는 실질적인 치료 전략으로 이어지고 있습니다. 연구실 내에서는 우리 생활과 밀접한 인플루엔자 바이러스를 제어하기 위해 천연 추출물의 효능을 검증하는 실험이 활발히 진행됩니다. 플라크 분석법(Plaque Assay)을 활용해 항바이러스 효과를 정밀하게 측정하며 치료제 개발의 새로운 가능성을 모색합니다. 또한 카포시 육종 연관 헤르페스 바이러스(KSHV)와 숙주 면역계 내 텔로미어 유지 단백질 사이의 상관관계를 분석하여 바이러스의 병원성 기전을 밝히는 등, 희귀 질환과 암세포를 유발하는 종양 바이러스 연구에서도 중요한 성과를 거두고 있습니다. 바이러스는 우리에게 공포와 위협의 대상이기도 하지만, 연구를 통해 그 원리를 이해한다면 새로운 치료의 기회를 제공하는 선물 같은 존재가 될 수 있습니다. 학문의 길에서 자신의 적성과 능력을 고민하는 이들에게 가장 중요한 것은 주저하지 않고 도전하는 마음가짐입니다. 비록 과정이 더디고 힘들더라도 바이러스 제어를 위한 끊임없는 탐구는 결국 인류를 구원할 열쇠가 될 것입니다. 바이러스 세상의 비밀을 풀어나가는 도전은 개인의 성장을 넘어 의학의 새로운 지평을 여는 숭고한 여정이 될 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 2020 토요과학강연

생명과학

[모모빅] 시즌2-1. 지구상의 모든 생명은 이것으로 이루어져있다!?!

지구상의 모든 생명체는 세포라는 기본 단위로 이루어져 있으며, 세포 없이 존재하는 생명은 단 하나도 없습니다. 세포는 우리 몸을 구성하는 물리적인 구조적 단위일 뿐만 아니라, 인슐린 분비나 전기 신호 전달과 같은 핵심적인 생화학적 기능을 수행하는 기능적 최소 단위이기도 합니다. 또한 세포는 그 자체로 영양분을 섭취하고 배설하며 내부 환경을 일정하게 유지하는 등 독립적인 생명 활동을 영위하는 주체입니다. 이처럼 세포는 구조와 기능, 그리고 생명 활동의 모든 면에서 생명 과학의 가장 근본적인 토대를 형성하고 있습니다. 세포가 독립된 생명체로서 존재할 수 있게 하는 핵심적인 요소는 바로 세포막입니다. 세포막은 주로 인지질 이중층으로 구성되어 있으며, 그 사이사이에 다양한 기능을 가진 막 단백질이 박혀 있는 정교한 형태를 띠고 있습니다. 인지질은 포화 지방산과 불포화 지방산의 끝에 인산 이온이 결합한 형태를 말하며, 이는 세포 내외부의 액체 성분이 무분별하게 섞이지 않도록 차단하는 역할을 합니다. 이러한 인지질 이중층의 존재 덕분에 세포는 외부 환경의 급격한 변화에 휘둘리지 않고 내부의 항상성을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 세포막은 단순히 외부를 차단하는 벽에 그치지 않고, 외부 세계와 끊임없이 정보를 주고받으며 물질을 소통시키는 입구 역할을 담당합니다. 인지질 층에 박혀 있는 막 단백질은 마치 건물의 문이나 창문처럼 작용하여 필요한 물질들이 적절한 시기에 드나들 수 있도록 돕습니다. 물과 친한 친수성 단백질과 물을 멀리하는 소수성 단백질은 각자의 성질에 따라 세포막의 표면이나 관통하는 형태로 위치하며 통로를 형성합니다. 이러한 단백질들은 특정 물질의 이동 통로가 되거나 통로의 개폐를 조절하는 정교한 스위치 역할을 수행하며 세포의 대사를 조절합니다. 세포막을 통한 물질 이동 방법 중 에너지를 전혀 소모하지 않는 방식으로는 확산과 삼투가 있습니다. 확산은 물질의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 분자가 자연스럽게 퍼져 나가는 현상으로, 포도당이나 산소 같은 작은 분자들이 막 단백질의 통로를 이용해 이동하는 촉진 확산이 대표적입니다. 반면 삼투는 용질이 아닌 물이 직접 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하는 현상을 말합니다. 적혈구가 주변 용액의 농도 변화에 따라 쪼그라들거나 팽팽하게 부풀어 오르다 결국 터져버리는 용혈 현상은 이러한 삼투압의 원리를 명확하게 보여주는 생물학적 사례입니다. 때로는 농도 차이를 거슬러 물질을 이동시켜야 하는데, 이때는 ATP라는 생체 에너지를 사용하는 능동 수송이 필요합니다. 나트륨-칼륨 펌프는 세포 내외부의 이온 농도를 조절하여 생존에 필요한 환경을 구축하는 핵심 장치입니다. 또한 단백질처럼 덩치가 큰 물질은 일반적인 통로를 지날 수 없기에 세포막 자체를 변형시켜 감싸거나 내보내는 내포 작용과 외포 작용을 이용합니다. 백혈구가 외부 세균을 감싸 안아 파괴하거나 신경 세포가 신호 전달 물질을 분비하는 과정 역시 에너지를 투입하여 생명 활동을 이어가려는 세포의 치열하고 정교한 노력의 결과입니다.

서울시립과학관[모모빅] 모두를 위한 모든것의 역사, 빅히스토리

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] 류형돈_인간은 왜 늙고 노화할까요? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

생물학적 관점에서 노화는 엔트로피에 의해 신체 부속품이 망가지는 속도와 이를 수리하는 속도 사이의 균형으로 설명됩니다. 불로장생하거나 장수하는 생물들은 대개 뛰어난 수리 능력을 갖추고 있습니다. 반면, 수리보다는 다른 기능에 에너지를 집중하는 생명체들은 상대적으로 빨리 늙는 경향이 있습니다. 예를 들어 말미잘은 손상된 부위를 완벽하게 고치며 노화를 억제하지만, 그 대가로 뇌나 근육 같은 복잡한 기관을 발달시키지 못했다는 특징이 있습니다. 성장과 노화의 상관관계는 생물 종마다 다르게 나타납니다. 박테리아처럼 성장이 노화로 이어지지 않는 경우도 있지만, 포유류를 포함한 많은 유성생식 생명체에서는 성장이 빠를수록 노화도 촉진되는 특성을 보입니다. 같은 종 내에서도 덩치가 큰 개체들이 더 빨리 늙는 사례가 많으며, 인간의 경우에도 과도한 성장을 유발하는 거인증 환자들이 젊은 나이에 각종 질환에 시달리는 반면, 저신장증을 가진 이들은 노화 관련 질병의 빈도가 낮다는 연구 결과가 존재합니다. 현재 인류의 최대 수명은 약 120세 정도로 추정되며, 이는 통계적으로 벨 커브 형태의 분포를 보입니다. 사회가 건강해짐에 따라 120세에 도달하는 사람들의 숫자는 점차 늘어날 수 있겠지만, 생물학적 한계 자체가 단기간에 확장될 징후는 뚜렷하지 않습니다. 따라서 수명의 한계를 무리하게 늘리는 것보다는 주어진 시간 동안 얼마나 건강하게 삶을 유지하며 노화 관련 질병을 예방하느냐가 현대 과학의 중요한 화두가 되고 있습니다. 과학적 발견의 과정은 때로 스릴러 영화처럼 흥미진진한 전개를 보여주기도 합니다. 제임스 왓슨의 저서 '이중나선'은 DNA 구조를 발견하기까지의 치열한 경쟁과 갈등을 생생하게 묘사하여 많은 젊은 과학자들에게 영감을 주었습니다. 이러한 기록들은 발견이 단순히 실험실 안의 정적인 작업이 아니라, 때로는 타인의 데이터를 참고하거나 경쟁하는 것과 같은 인간적인 욕망과 열정이 뒤섞인 역동적인 과정임을 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 대중에게 과학적 원리를 전달하는 것은 연구만큼이나 가치 있는 일입니다. 전문적인 논문을 쓰는 것에서 나아가, 일반인들이 노화의 과학을 쉽게 이해할 수 있도록 일상적인 일화와 옛날이야기를 곁들인 서적을 집필하는 시도가 이어지고 있습니다. 과학적 지식이 상아탑 안에만 머물지 않고 대중의 흥미와 결합할 때, 비로소 더 많은 이들이 과학적 사고의 즐거움을 느끼고 건강한 삶에 대한 통찰을 얻을 수 있게 되며 연구자 또한 보람을 느끼게 됩니다.

류형돈

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 성장과 노화의 연결고리 _ by류형돈｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 6강

노화는 단순히 시간이 흐르는 과정이 아니라, 분자적 수준에서 발생하는 마모와 부식의 결과입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 계의 무질서도인 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 흐릅니다. 우리 몸의 설계도인 DNA 역시 외부의 도움 없이 방치되면 산산조각이 나기 마련입니다. 하지만 생명체는 에너지를 섭취하여 끊임없이 스스로를 수리하며 이 법칙에 저항합니다. 이러한 복구 기전 덕분에 생명은 수천만 년 동안 유전 정보를 보존하며 이어져 올 수 있었습니다. 모든 생명체가 반드시 노화해야 하는 것은 아닙니다. 말미잘처럼 무성 생식을 하는 생물은 모든 세포의 건강을 완벽하게 유지하여 노화 없이 영생에 가까운 삶을 살기도 합니다. 반면 인간과 같은 유성 생식 생물은 한정된 자원을 종족 번식에 집중하는 전략을 선택했습니다. 생식 세포의 품질 관리에는 막대한 에너지를 쏟아붓지만, 그 대가로 신체를 구성하는 체세포의 관리는 소홀해지게 됩니다. 결국 노화는 종의 번영을 위해 개체의 신체를 소모품으로 사용하는 진화적 선택의 결과라고 볼 수 있습니다. 우리를 늙게 만드는 주범 중 하나는 생존에 필수적인 산소와 에너지 대사 과정에서 발생하는 활성산소입니다. 포도당을 산화시켜 에너지를 만드는 과정에서 전자가 무질서하게 튀어나가면, 불안정한 활성산소가 형성되어 세포 내 단백질과 DNA를 공격합니다. 이는 마치 자동차가 시간이 지나며 녹이 슬어가는 과정과 흡사합니다. 자외선 역시 분자의 화학 결합을 끊어 활성산소 생성을 촉진하며, 피부의 탄력을 유지하는 콜라겐과 엘라스틴을 파괴하여 노화를 가속화하는 외적 요인으로 작용합니다. 장수 마을의 사례와 수많은 동물 실험을 통해 증명된 가장 확실한 노화 지연 방법은 칼로리 제한, 즉 소식입니다. 영양 공급을 줄이면 세포는 성장을 멈추고 비상 체제로 전환되어 스스로를 보호하고 수리하는 유전자를 활성화합니다. 초파리부터 원숭이에 이르기까지 적게 먹은 집단은 더 건강하고 긴 수명을 누린다는 사실이 확인되었습니다. 이는 단순히 체중의 문제가 아니라, 세포 내부의 신호 전달 체계가 변화하여 무질서한 산화 반응을 억제하고 신체의 내실을 다지는 복구 기전이 강화되기 때문입니다. 현대 생물학은 인슐린과 성장 호르몬이 노화의 속도를 결정하는 핵심 인자임을 밝혀냈습니다. 음식을 많이 섭취하여 인슐린 신호 전달 체계가 강해지면 세포는 성장에만 집중하게 되고, 그 과정에서 노화가 촉진됩니다. 반대로 이 신호 전달 체계를 적절히 억제하면 세포는 배고픈 상태를 인지하며 항산화 유전자를 발현시키고 수명을 연장합니다. 성장과 노화는 동전의 양면과 같아서, 몸집을 키우고 빠르게 성장하는 데 자원을 많이 쓸수록 신체의 복구와 유지 보수 기능은 상대적으로 약화될 수밖에 없는 구조적 한계를 지닙니다. 인류는 역사의 대부분을 굶주림 속에서 보냈기에, 우리 몸은 에너지를 최대한 저장하고 식욕을 자극하는 방향으로 진화했습니다. 하지만 불과 100년 전부터 시작된 식량 혁명으로 인해 인류는 유례없는 풍요의 시대를 맞이했습니다. 진화의 속도가 환경의 변화를 따라잡지 못한 결과, 굶주림에 최적화된 우리 체질은 과잉 영양 상태에서 각종 퇴행성 질환과 빠른 노화에 직면하게 되었습니다. 따라서 현대인에게 소식은 단순한 다이어트가 아니라, 진화적 불일치를 극복하고 신체의 균형을 되찾는 과학적인 생존 전략입니다. 수명 연장은 의학의 발전뿐만 아니라 상하수도 정비와 같은 위생 환경의 개선에 큰 빚을 지고 있습니다. 또한 성호르몬이 수명에 미치는 영향에 대한 역사적 연구는 남녀의 수명 차이를 설명하는 중요한 단서를 제공합니다. 최근에는 노화된 세포만을 선택적으로 제거하거나 특정 약물을 통해 노화를 역전시키려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 노화는 피할 수 없는 운명이 아니라 조절 가능한 생물학적 과정으로 이해되고 있으며, 과학은 이제 인간이 건강하게 오래 살 수 있는 새로운 가능성의 문을 열고 있습니다.

류형돈

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[강연] 암의 기원 (1) - 암이란 무엇인가? _ 이현숙 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 9강 | 9강 ①

암은 세포가 본래의 조절 능력을 상실하고 무분별하게 분열을 거듭하며 발생하는 질병입니다. 과학자들은 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 정상적인 세포가 어떤 과정을 거쳐 암세포로 변모하는지에 대한 근본적인 호기심에서 연구를 시작합니다. 생명체의 복잡한 메커니즘 속에서 질서를 찾는 과정은 물리학이나 화학과는 또 다른 생물학만의 독특한 영역입니다. 암의 기원을 이해하는 것은 곧 생명의 본질적인 작동 원리를 파악하는 것과 맞닿아 있습니다. 현대 사회에서 암은 사망 원인의 상위권을 차지하는 치명적인 질병으로 인식되지만, 생물학적 관점에서 암은 노화와 밀접하게 연결된 현상입니다. 인류의 수명이 연장됨에 따라 세포 내의 오류가 축적될 가능성이 커지면서, 암은 우리가 오래 살게 됨에 따라 마주할 수밖에 없는 숙명적인 질환이 되었습니다. 따라서 암을 완전히 정복해야 할 대상으로만 보기보다는, 과학적 이해를 바탕으로 어떻게 건강하게 다스리고 관리하며 살아갈 것인지가 중요한 화두로 떠오르고 있습니다. 암에 대한 기록은 인류의 역사와 궤를 같이합니다. 기원전 1600년경 이집트의 파피루스에는 이미 유방암에 대한 기록이 남아 있으며, 히포크라테스는 종양 주변으로 뻗어 나간 혈관의 모습이 게의 다리와 닮았다고 하여 이를 '캔서'라고 불렀습니다. 동양에서도 은나라 시대의 갑골문자나 황제내경을 통해 암의 특징을 바위처럼 딱딱하거나 층층이 쌓이는 형상으로 묘사했습니다. 이러한 고대의 관찰 기록들은 암이 아주 오래전부터 인류를 괴롭혀온 보편적인 질병이었음을 시사합니다. 암세포는 일반적인 세포와 달리 무한히 증식하며, 스스로 생존하기 위해 주변에 새로운 혈관을 만들어 영양분을 흡수하는 치밀함을 보입니다. 더욱 놀라운 점은 암세포가 발생 부위에 머물지 않고 혈관을 타고 이동하여 다른 장기로 침투하는 전이 능력을 갖추고 있다는 사실입니다. 같은 종양 덩어리 안에서도 세포들의 성상이 제각각이며 끊임없이 변하기 때문에, 암은 단일한 방법으로 정복하기 매우 까다로운 존재입니다. 이러한 변신의 귀재와 같은 특성이 암 연구를 어렵게 만드는 핵심 요인입니다. 20세기 초, 과학자들은 암의 원인을 규명하기 위해 다양한 가설을 세웠으며 그중 대표적인 것이 바이러스 설입니다. 1910년 페이턴 라우스는 닭의 육종 조직을 갈아 필터로 거른 액체를 건강한 닭에게 주입하여 암이 전염되는 현상을 발견했습니다. 이를 통해 암을 유발하는 '라우스 육종 바이러스'의 존재가 세상에 알려졌으며, 이는 암의 발생 기전을 분자 수준에서 이해하려는 현대 암 생물학의 시초가 되었습니다. 비록 모든 암이 바이러스로 설명되지는 않지만, 이 발견은 암 연구의 새로운 지평을 열었습니다.

이현숙

카오스재단카오스강연

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