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#2_코로나19에 사용되는 항바이러스제_마취제와 항바이러스제, 그리고 백신ㅣ정승규 작가[달작한사이언스_11월 : 인류를 구한 12가지 약 이야기]

코로나19 바이러스는 비록 눈에 보이지 않을 만큼 작지만, 인체 세포에 침투하기 위한 매우 정교한 구조를 갖추고 있습니다. 바이러스 표면에 돌기처럼 튀어나온 스파이크 단백질은 우리 세포의 수용체와 결합하여 마치 열쇠처럼 세포의 문을 여는 역할을 합니다. 일단 내부로 침투한 바이러스 유전체는 세포 내의 자원을 이용해 자신을 복제하며 무서운 속도로 증식하기 시작합니다. 이러한 과정을 통해 증식된 바이러스는 결국 숙주 세포를 파괴하고 밖으로 나와 다른 사람에게 전파되는 매우 이기적인 특성을 지니고 있습니다. 바이러스는 크게 DNA와 RNA 바이러스로 나뉘는데, 코로나19 바이러스는 한 가닥의 사슬로 이루어진 RNA 바이러스에 해당합니다. 두 가닥의 나선 구조인 DNA 바이러스는 복제 과정에서 오류가 발생하면 이를 스스로 교정하는 효소가 있어 비교적 안정적이지만, RNA 바이러스는 구조적으로 불안정하여 돌연변이가 매우 빈번하게 발생합니다. 화학적으로도 반응성이 큰 구조를 가진 RNA 바이러스는 DNA보다 돌연변이 발생률이 약 천 배나 높습니다. 이러한 특성 때문에 바이러스는 끊임없이 모습을 바꾸며 인체의 면역 체계를 피하고 새로운 전염병의 원인이 됩니다. 신종 바이러스의 등장은 인간의 환경 파괴 및 기후 변화와 밀접한 관련이 있습니다. 박쥐와 같은 야생 동물의 서식지가 파괴되면서 인간과의 접촉이 잦아졌고, 이는 동물과 사람 사이에 전파되는 인수공통감염병이 확산되는 계기가 되었습니다. 특히 현대 사회의 도시 밀집화와 항공 교통의 발달은 특정 지역에서 발생한 바이러스가 순식간에 지구 반대편까지 전파되도록 만들었습니다. 야생 동물에서 시작된 바이러스가 중간 숙주를 거쳐 인간에게 도달하는 과정은 우리가 자연 생태계를 존중하고 환경 보호에 힘써야 하는 이유를 다시금 일깨워 줍니다. 바이러스 확산을 막기 위해 인류는 다양한 항바이러스제를 개발해 왔습니다. 과거 신종플루 유행 당시 타미플루라는 효과적인 치료제가 있었기에 대유행의 위기를 빠르게 극복할 수 있었습니다. 코로나19 상황에서도 에볼라 치료제로 연구되던 렘데시비르나 국내에서 개발된 항체 치료제인 렉키로나주 등이 사용되며 중증 발생률을 낮추는 데 기여했습니다. 항체 치료제는 바이러스의 스파이크 단백질을 중화시켜 세포 침투를 원천적으로 차단하는 원리를 이용합니다. 다만 주사제라는 형태의 한계로 인해 더 편리하게 복용할 수 있는 경구용 치료제의 도입이 절실한 상황이었습니다. 최근에는 바이러스의 복제 과정을 직접 차단하는 경구용 치료제가 등장하며 일상 회복에 대한 새로운 희망을 주고 있습니다. 신약 개발은 단순히 하나의 학문 분야에 국한되지 않으며 생물학, 화학, 물리학 등 기초 과학 전반의 융합적인 사고가 필요한 거대한 도전입니다. 바이러스의 생애 주기를 정밀하게 관찰하여 어느 단계를 차단할지 결정하는 타깃 설정이 신약 개발의 핵심이라 할 수 있습니다. 앞으로도 끊임없이 등장할 신종 바이러스 위협에 맞서기 위해서는 기초 학문에 대한 탄탄한 연구와 함께 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합 인재 양성이 무엇보다 중요합니다.

서울시립과학관[강연] 과학강연

화학
생명과학
지구환경과학
융합

그린 바이오 산업의 전망ㅣ유전체 정보를 통해 보는 인삼의 진화 비밀ㅣ양태진(서울대학교)[토요과학강연#15-1부]

관악산의 사계절은 식물이 만들어내는 장엄한 경관의 변화를 우리에게 생생하게 보여줍니다. 봄의 화사한 꽃과 가을의 붉은 단풍은 단순히 시각적인 즐거움을 넘어, 각 식물이 고유하게 품고 있는 수십, 수백 가지의 화학 물질이 만들어낸 생명 활동의 결과물입니다. 전 세계에는 약 30만 종의 다양한 식물이 존재하며, 우리나라에만도 약 4천 종의 자생식물이 자라고 있습니다. 이 식물들은 각기 다른 환경에 적응하며 수만 년 동안 자신만의 독특한 생존 방식을 구축해왔습니다. 식물은 동물과 달리 한곳에 뿌리를 내리면 평생 이동할 수 없는 고착성 생물이라는 특징을 가집니다. 이러한 이동의 한계를 극복하기 위해 식물은 매우 정교하고 현명한 진화 시스템을 발전시켜 왔습니다. 스스로 움직여 짝을 찾을 수 없기에 화려한 꽃과 향기로 곤충을 유인하여 종자를 퍼뜨리고, 가혹한 환경 변화나 포식자의 위협으로부터 자신을 지키기 위해 강력한 방어 물질을 합성합니다. 이러한 생존 전략은 식물만이 가진 고유한 생명력의 원천이자 진화의 신비라고 할 수 있습니다. 식물이 생존을 위해 만들어내는 이른바 '이차 대사산물'은 인간에게는 약이나 독, 혹은 유용한 음식이 되기도 합니다. 수박이 빨간 과육으로 동물을 유혹해 씨앗을 널리 퍼뜨리고, 땅콩이 열매를 보호하기 위해 땅속으로 파고드는 행위는 모두 유전자에 각인된 전략적 선택의 결과입니다. 지구 상의 수많은 식물 종이 보유한 수천만 가지의 천연 화합물은 그 자체로 거대한 천연물은행과 같습니다. 이 무궁무진한 자원을 탐구하고 활용법을 찾는 과정은 현대 과학이 직면한 가장 흥미로운 과제 중 하나입니다. 식물 자원을 활용하여 인류의 난제를 해결한 대표적인 성공 사례로는 신종 인플루엔자 치료제인 타미플루를 꼽을 수 있습니다. 동남아시아의 향신료인 팔각회향에서 추출한 성분은 수많은 생명을 구하는 혁신적인 의약품이 되었습니다. 이 외에도 개똥쑥에서 유래한 말라리아 치료제나 주목에서 추출한 항암제 탁솔 등은 식물이 가진 무한한 잠재력을 증명하는 지표입니다. 이러한 천연물 유래 성분들은 현대 의학의 한계를 극복하는 핵심 소재로 사용되며, 오늘날 고부가가치를 창출하는 그린바이오 산업의 핵심 동력이 되고 있습니다. 현대 사회에서 식물 자원은 국가의 경쟁력을 결정짓는 중요한 전략 자산으로 평가받습니다. 특히 나고야 의정서와 같은 국제적 기준이 강화됨에 따라 우리나라 고유의 식물 자원을 체계적으로 확보하고 유전적 가치를 연구하는 노력이 더욱 절실해졌습니다. 현재 우리나라는 천연물 원료의 해외의존도가 높은 편이지만, 첨단 유전체 해독 기술을 활용해 인삼과 같은 약용식물의 진화 비밀을 밝혀낸다면 상황은 달라질 것입니다. 국내 자생식물을 기반으로 한 그린바이오 산업의 성장은 미래의 새로운 국가성장동력이 될 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

생명과학
융합

[명강리뷰] 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 by 조진원ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 5강

탄수화물은 흔히 다이어트의 적으로 여겨지지만, 생명 현상을 유지하는 데 있어 필수적인 역할을 수행합니다. 가장 기본적인 단위인 포도당은 광합성을 통해 만들어지며, 이는 태양 에너지를 생명체에 전달하는 중요한 운반체 역할을 합니다. 단순히 에너지를 공급하는 영양소를 넘어, 탄수화물은 단당류, 이당류, 다당류 등 다양한 형태로 존재하며 생명의 근원적인 비밀을 담고 있는 분자입니다. 당생물학은 생명체 내 복합당질의 구조와 기능을 연구하는 학문으로, 최근 그 중요성이 더욱 강조되고 있습니다. 단백질이나 지방에 결합한 탄수화물 사슬인 '당사슬'은 세포막 표면에서 복잡한 정보를 전달하는 역할을 합니다. 특히 포도당 두 개가 결합하여 만들 수 있는 구조가 무려 11가지에 달할 정도로, 탄수화물은 단백질보다 훨씬 방대하고 정교한 생명 정보를 저장할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 세포막에 존재하는 당사슬은 바이러스나 박테리아가 세포를 인식하고 결합하는 통로가 되기도 합니다. 대표적인 독감 치료제인 타미플루는 이러한 원리를 이용한 것입니다. 독감 바이러스가 숙주 세포에서 복제된 후 밖으로 나갈 때, 세포막의 당사슬을 끊어주는 효소인 뉴라미니데이스의 활동을 억제함으로써 바이러스의 확산을 막습니다. 이는 탄수화물 연구가 질병 치료에 얼마나 결정적인 기여를 할 수 있는지 보여주는 사례입니다. 위염과 위암의 원인균으로 알려진 헬리코박터 파일로리 역시 위벽 세포의 특정 당사슬 구조를 인지하여 부착됩니다. 만약 우리가 이와 동일한 구조의 당사슬을 인공적으로 합성하여 투여한다면, 균이 위벽에 붙지 못하게 방해하여 질병을 예방할 수 있을 것입니다. 비록 탄수화물의 유기합성은 매우 까다롭고 어려운 분야이지만, 이를 정복한다면 인류 건강 증진에 획기적인 변화를 가져올 수 있는 무궁무진한 가능성이 열려 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 A, B, O형의 혈액형 또한 적혈구 표면에 붙어 있는 당사슬의 구조 차이에 의해 결정됩니다. 이처럼 탄수화물은 생명의 가장 기본적인 특성을 규정하는 핵심 요소입니다. 이미 19세기 말부터 연구가 시작되었음에도 불구하고 그 복잡성으로 인해 한동안 주목받지 못했으나, 21세기에 들어서며 생명과학의 새로운 지평을 열어갈 핵심 분야로 재조명받고 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[COVID-19_talk_10] COVID-19 therapeutics, things are due to atoms_Chaok Seok Professor | 10강

세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질, 핵산, 지질과 같은 분자들의 집합체입니다. 이러한 생명 현상의 핵심은 원자 간의 상호작용, 특히 물과 친한 친수성과 물을 멀리하는 소수성 상호작용에 있습니다. 바이러스 단백질은 소수성 원자들을 안으로 숨기고 친수성 원자들을 겉으로 드러내어 물속에서 특정한 입체 구조를 유지합니다. 이 때문에 바이러스는 비말이나 에어로졸 같은 물방울 형태에서만 안정적으로 존재할 수 있으며, 습도가 높아져 물방울이 무거워지면 지면으로 떨어져 전파력이 낮아지기도 합니다. 치료제의 원리는 바이러스의 특정 단백질에 약물 분자가 강하게 결합하여 그 기능을 마비시키는 데 있습니다. 독감 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질 구멍에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막습니다. 하지만 코로나19 바이러스에는 이와 유사한 단백질이 없기 때문에 타미플루는 효과가 없습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라 역시 코로나19의 프로테아제 단백질과 구조적으로 맞지 않아 기대만큼의 효과를 거두지 못했습니다. 결국 치료제 개발의 핵심은 바이러스 단백질의 정밀한 입체 구조를 파악하는 것입니다. 현재 사용되는 렘데시비르는 바이러스의 RNA 복제 과정을 방해하는 전략을 취합니다. 이 약물은 RNA를 구성하는 분자와 매우 흡사한 모양을 하고 있어, 바이러스의 RNA 중합효소를 속이고 RNA 사슬에 끼어들어 합성을 중단시킵니다. 한편, 많은 연구자가 주목하는 스파이크 단백질은 인간 세포의 수용체와 결합하여 침투의 관문을 여는 역할을 합니다. 이 단백질은 세 개의 동일한 부분이 모여 정삼각형 구조를 이루며, 특정 부분이 위로 올라가는 '업(Up)' 상태가 되었을 때만 인간 세포와 결합할 수 있는 독특한 메커니즘을 가지고 있습니다. 코로나19 바이러스가 사스보다 위협적인 이유는 변이를 통해 결합력과 면역 회피 능력을 동시에 강화했기 때문입니다. 사스와 비교했을 때 코로나19는 스파이크 단백질의 특정 아미노산이 변이되어 인간 수용체인 ACE2와 훨씬 더 강하게 결합합니다. 흥미로운 점은 결합 부위가 노출되는 빈도를 낮추어 인체의 면역 공격을 교묘히 피하면서도, 한 번 결합할 때는 매우 강력하게 달라붙는 전략을 사용한다는 것입니다. 이러한 정밀한 변이는 바이러스가 인간 사회에서 더욱 치명적이고 광범위하게 전파될 수 있는 원동력이 되었습니다. 계산 화학은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 복잡한 단백질 구조와 약물 간의 상호작용을 예측하는 학문입니다. 비록 현재의 예측 정확도가 완벽하지는 않지만, 수백만 개의 후보 물질 중 유망한 것들을 골라내어 실험 비용과 시간을 획기적으로 줄여줍니다. 특히 바이러스는 끊임없이 변이를 일으키므로, 이에 신속하게 대응하기 위해서는 인공지능과 머신러닝을 활용한 계산 화학의 역할이 필수적입니다. 앞으로 계산 화학이 발전한다면 기존 약물의 재창출은 물론, 변종 바이러스에 대비한 차세대 치료제와 백신 설계에 결정적인 기여를 할 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[코로나TALK-10] 코로나시대 빌게이츠가 주목한 분야, 앞으로 노벨상이 유력한 분야_석차옥 교수 | 10강

세상은 원자로 이루어져 있으며, 코로나19 바이러스 역시 단백질과 핵산 같은 분자들의 집합체입니다. 계산화학자는 실험 가운 대신 컴퓨터를 이용해 이러한 원자 간의 상호작용을 분석합니다. 특히 물 분자와의 관계인 친수성·소수성 상호작용은 바이러스의 형태를 유지하는 핵심적인 힘입니다. 바이러스가 비말이나 에어로졸 상태에서만 생존할 수 있는 이유도 물이 없으면 그 정교한 구조가 무너지기 때문입니다. 이러한 원자 수준의 이해는 치료제 개발의 가장 기초적인 토대가 됩니다. 효과적인 치료제인 타미플루는 인플루엔자 바이러스의 N 단백질에 결합하여 바이러스가 세포 밖으로 나가지 못하게 막는 원리로 작동합니다. 하지만 코로나19에는 타미플루가 효과가 없는데, 이는 유전체 구조상 해당 표적 단백질이 존재하지 않기 때문입니다. 단백질은 아미노산 서열이 3차원 구조로 접히면서 고유한 기능을 갖게 되는데, 약물은 이 구조의 틈새에 정확히 들어맞아야 합니다. 따라서 바이러스마다 다른 단백질 구조를 정확히 파악하는 것이 치료제 설계의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 에이즈 치료제인 칼레트라가 코로나19에 큰 효과를 보지 못한 이유도 단백질 구조의 차이에 있습니다. 두 바이러스 모두 프로테아제를 가지고 있지만, 그 입체적인 모양이 너무나 달라 약물이 제대로 결합하지 못했습니다. 반면 렘데시비르는 RNA 복제 과정을 방해하는 방식으로 어느 정도 성과를 거두었습니다. 바이러스의 RNA 중합효소를 속여 가짜 부품을 끼워 넣음으로써 유전체 합성을 중단시키는 전략입니다. 이처럼 치료제 개발은 원자 단위에서 벌어지는 정교한 속임수와 결합의 싸움입니다. 코로나19 바이러스의 표면에 돋아난 스파이크 단백질은 인간 세포 침투의 첫 관문입니다. 이 단백질의 핵심인 RBD는 평소에는 아래로 향해 면역 체계의 공격을 피하다가, 결합 시에만 위로 올라오는 영리한 전략을 사용합니다. 사스 바이러스와 비교했을 때 코로나19는 RBD의 아미노산 변이를 통해 인간 수용체와 훨씬 더 강하게 결합하도록 진화했습니다. 이러한 구조적 변화와 변이를 원자 수준에서 시뮬레이션하고 예측하는 작업은 변종 바이러스에 대응하기 위한 필수적인 연구 분야로 자리 잡고 있습니다. 현재 컴퓨터를 이용한 구조 예측 기술은 실험적 한계를 보완하며 신약 개발의 속도를 획기적으로 높이고 있습니다. 비록 현재의 정확도가 완벽한 수준은 아니지만, 수백만 개의 후보 물질 중 가능성 있는 것들을 추려냄으로써 막대한 시간과 비용을 절감해 줍니다. 인공지능과 머신러닝 기술의 도입은 이러한 계산화학의 지평을 더욱 넓히고 있습니다. 앞으로 계산화학은 바이러스의 변이를 실시간으로 예측하고, 그에 최적화된 진단제와 치료제를 설계하는 데 있어 인류의 가장 강력한 무기가 될 것입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[강연] 탄수화물의 달콤하고 끈적끈적한 비밀 (1) _ 조진원 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 5강 | 5강 ①

탄수화물은 우리 몸의 가장 기본적인 에너지원이자 생명 활동을 유지하는 데 필수적인 영양소입니다. 우리가 섭취하는 밥, 빵, 과일 등 다양한 음식에 포함되어 있으며, 체내에서 포도당으로 분해되어 뇌와 근육의 주요 연료로 사용됩니다. 하지만 탄수화물은 단순히 에너지를 공급하는 역할에 그치지 않고, 그 구조와 종류에 따라 우리 몸에 미치는 영향이 매우 다양합니다. 달콤한 맛 뒤에 숨겨진 탄수화물의 복잡한 화학적 성질을 이해하는 것은 건강한 삶을 위한 첫걸음이 됩니다. 탄수화물은 크게 단순 당질과 복합 당질로 나뉩니다. 설탕이나 시럽처럼 분자 구조가 단순한 단순 당질은 섭취 즉시 혈당을 빠르게 높여 일시적인 활력을 주지만, 곧바로 허기를 느끼게 만드는 특징이 있습니다. 반면 통곡물이나 채소에 풍부한 복합 당질은 식이섬유와 함께 천천히 소화되어 에너지를 일정하게 공급합니다. 이러한 차이는 인슐린 반응과 직결되며, 우리가 어떤 종류의 탄수화물을 선택하느냐에 따라 신진대사의 효율성과 전반적인 건강 상태가 결정됩니다. 우리가 음식을 씹는 순간부터 탄수화물의 분해는 시작됩니다. 침 속의 아밀레이스 효소는 복잡한 사슬 구조를 끊어내어 더 작은 단위로 만듭니다. 이후 소화 기관을 거치며 최종적으로 포도당의 형태로 혈액에 흡수됩니다. 혈액 속의 포도당 농도, 즉 혈당이 상승하면 췌장에서는 인슐린을 분비하여 세포가 이 에너지를 흡수하도록 돕습니다. 이 과정은 정교한 조절 시스템에 의해 운영되지만, 정제된 당분의 과도한 섭취는 이 시스템에 과부하를 주어 대사 문제를 일으킬 수 있습니다. 탄수화물의 '끈적끈적한 비밀' 중 하나는 바로 당화 반응입니다. 혈액 속에 포도당이 과도하게 오래 머물게 되면, 이 당분들이 단백질이나 지방과 결합하여 독성 물질을 형성합니다. 이를 최종당화산물이라고 부르며, 혈관 벽을 딱딱하게 만들거나 신체 곳곳에 염증을 유발하는 원인이 됩니다. 마치 설탕물이 마르면서 끈적하게 달라붙듯 우리 몸의 조직을 손상시킬 수 있다는 점이 탄수화물 과잉 섭취의 위험성을 경고합니다. 이는 노화와 만성 질환의 핵심 기전이기도 합니다. 사용되지 않고 남은 포도당은 간과 근육에 글리코젠 형태로 저장됩니다. 하지만 신체의 저장 용량에는 한계가 있어, 그 이상의 탄수화물은 중성지방으로 전환되어 체지방으로 축적됩니다. 이는 비만뿐만 아니라 지방간이나 대사 증후군의 직접적인 원인이 되기도 합니다. 따라서 탄수화물 섭취는 단순히 칼로리의 문제가 아니라, 우리 몸이 이를 어떻게 처리하고 저장하느냐의 대사적 관점에서 바라보아야 합니다. 적절한 활동량이 동반되지 않는 탄수화물 섭취는 몸에 부담을 줍니다. 현대인의 식단에서 정제된 탄수화물은 중독적인 특성을 보입니다. 단맛은 뇌의 보상 체계를 자극하여 도파민을 분비시키고, 이는 더 많은 당분을 갈구하게 만드는 악순환을 초래합니다. 이러한 현상은 혈당의 급격한 상승과 하락을 반복하게 하여 감정 기복과 만성 피로를 유발합니다. 우리가 탄수화물의 유혹을 이겨내기 어려운 이유는 개인의 의지력 문제라기보다 생물학적인 메커니즘에 기인한 경우가 많습니다. 이를 인지하고 식단을 조절하는 노력이 필요합니다. 건강한 탄수화물 섭취를 위해서는 '질'과 '양'을 동시에 고려해야 합니다. 가공되지 않은 자연 식품 위주로 식단을 구성하고, 식이섬유가 풍부한 음식을 먼저 섭취하여 혈당 상승 속도를 늦추는 지혜가 필요합니다. 탄수화물은 결코 우리 몸의 적이 아니며, 올바르게 이해하고 조절할 때 생명력을 지탱하는 가장 강력한 동력이 됩니다. 달콤한 유혹 속에 숨겨진 과학적 원리를 기억하며 균형 잡힌 식습관을 유지하는 것이 장기적인 건강을 지키는 핵심 비결입니다.

조진원

카오스재단카오스강연

생명과학