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옐로우스톤의 이 분화구.. 모두 속았다. 잘못 알려진 옐로우스톤

미국 대륙을 관통하여 솟아오른 거대한 마그마 방의 심장부, 옐로스톤 국립공원은 단순한 자연공원을 넘어선 지구의 역동적인 숨결을 간직한 곳입니다. 솔트레이크시티를 거쳐 진입한 이곳은 한 번의 폭발만으로도 전 지구적 재앙을 초래할 수 있는 초거대 화산 지대입니다. 변화무쌍한 기상 조건 속에서 만난 그리즐리 곰과 같은 야생 동물들은 이곳이 인간의 영역이 아닌 거대한 자연의 섭리가 지배하는 땅임을 실감하게 합니다. 공원 전체가 거대한 분화구라는 사실은 방문객들에게 경이로움과 동시에 자연에 대한 경외심을 불러일으킵니다. 광활한 바다처럼 펼쳐진 옐로스톤 호수는 그 자체로 거대한 칼데라의 일부일 가능성을 내포하고 있습니다. 호수 주변에서 발견된 지의류는 균류와 조류의 공생체로서 수백 년의 세월을 견디며 바위를 분해해 영양분을 얻는 강인한 생명력을 보여줍니다. 또한, 곳곳에서 뿜어져 나오는 황화수소 가스는 이곳이 여전히 살아 움직이는 화산임을 증명합니다. 흔히 유황 냄새라 불리는 이 독특한 악취는 지하 깊은 곳에서 일어나는 화학적 작용의 결과물이며, 공원 전체가 거대한 지열 시스템의 교과서임을 상기시켜 줍니다. 옐로스톤의 백미인 간헐천은 열과 물, 그리고 단단한 지하 암석이라는 세 가지 조건이 완벽하게 맞물려 탄생합니다. 지하 깊은 곳의 과열수가 압력밥솥의 원리처럼 지표면의 물에 눌려 에너지를 응축하다가, 한계치를 넘어서는 순간 폭발적으로 수증기를 내뿜는 과정은 그야말로 장관입니다. 이 지열 활동은 온천, 분기공, 진흙 화산 등 다양한 형태로 나타나며, 특히 머드 팟에서는 미생물이 황화수소를 먹고 황산을 배출하여 암석을 녹이는 경이로운 광경을 목격할 수 있습니다. 이는 지구가 끊임없이 변화하고 있음을 보여주는 생생한 증거입니다. 무지갯빛으로 빛나는 그랜드 프리즈매틱 스프링은 옐로스톤의 상징과도 같은 장소입니다. 중심부의 푸른색은 물 분자가 파란빛을 산란시켜 나타나며, 가장자리의 화려한 노란색과 붉은색은 고온에서도 생존하는 호열성 미생물들이 자외선으로부터 DNA를 보호하기 위해 내뿜는 카로티노이드 색소 때문입니다. 이 미생물들은 단순히 군집을 이루는 것에 그치지 않고, 상부와 하부가 에너지를 주고받는 하나의 완벽한 숲과 같은 생태계를 형성합니다. 극한의 환경에서도 생명이 꽃피울 수 있음을 보여주는 이 신비로운 광경은 과학적 호기심을 자극합니다. 옐로스톤의 뜨거운 온천에서 발견된 '테르무스 아쿠아티쿠스'라는 미생물은 인류 과학사에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 70도가 넘는 고온에서 버젓이 살아가는 이 균의 특수한 단백질 구조는 DNA를 복제하는 PCR 기술의 자동화를 가능하게 했습니다. 덕분에 현대 의학의 핵심인 코로나19 검사, 범죄 수사의 DNA 분석, 그리고 인류의 유전자를 해독한 인간 게놈 프로젝트가 현실이 될 수 있었습니다. 평범한 물웅덩이처럼 보였던 극한의 환경이 인류의 생존과 발전을 돕는 결정적인 열쇠가 된 셈입니다. 옐로스톤은 우리에게 자연의 신비와 과학의 위대함을 동시에 전해줍니다.

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도대체 유전자란 무엇인가?

2000년 6월, 인간 유전체가 완전히 해독되었다는 발표는 전 세계에 커다란 충격을 주었습니다. 당시 빌 클린턴 대통령은 이 성과를 인류가 달에 착륙한 것에 비견되는 위대한 업적이라 칭송했습니다. 초기 연구에서는 유전자 수를 약 3만 개로 추정했으나, 정교한 분석을 거친 현재는 약 2만 개로 정의하고 있습니다. 그렇다면 이 유전자는 구체적으로 어떤 역할을 할까요? '언어 유전자'라 불리는 FOXP2 유전자에 변이가 생기면 발음이 불명확해지고 문법 이해도가 떨어지는 언어 장애가 발생합니다. 이는 단 하나의 유전자가 인간의 신체 구조와 인지 능력에 얼마나 결정적인 영향을 미치는지 보여줍니다. 유전자는 본질적으로 특정 단백질을 생성하기 위한 정밀한 설계도라고 할 수 있습니다. FOXP2 유전자의 염기서열은 아미노산의 결합 순서를 결정하며, 이는 고유한 3차원 구조를 가진 단백질로 거듭납니다. 이렇게 형성된 단백질은 태아의 하악 구조를 형성하고 뇌의 언어 생성 회로를 구축하는 전사 조절 단백질로서 기능합니다. 식물의 경우에도 개화 시기를 조절하는 'LUMINIDEPENDENS'라는 유전자가 단백질 정보를 담고 있습니다. 최근에는 알파폴드(AlphaFold)와 같은 인공지능 기술의 발전 덕분에, 아직 명확히 밝혀지지 않은 수많은 단백질의 3차원 구조를 예측하며 생명 현상의 비밀에 한 걸음 더 다가가고 있습니다. 우리 몸의 시스템을 지탱하는 2만여 개의 구성 요소들은 저마다의 위치에서 고유한 생물학적 임무를 수행합니다. 산소를 운반하는 헤모글로빈이나 식물의 광합성을 돕는 루비스코, 그리고 신경 신호를 전달하는 이온 펌프처럼 모든 생명 현상은 단백질의 활동 결과입니다. 비록 단백질을 직접 암호화하지 않는 비암호화 RNA(non-coding RNA) 유전자들도 존재하지만, 이들 역시 적재적소에 필요한 양의 단백질이 만들어지도록 정교하게 조절하는 지원군 역할을 수행합니다. 결국 생명체의 모든 유전 정보는 단백질이라는 실체를 구현하고 그 기능을 최적화하기 위해 존재한다고 볼 수 있습니다.

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생명과학

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #013 | 최희정 서울대 생명과학 교수

구조생물학은 단백질과 같은 생체 분자의 3차원 구조를 규명하여 생명 현상의 근본적인 원리를 이해하는 학문입니다. 그중에서도 세포막에 존재하는 G 단백질 결합 수용체(GPCR)는 외부에서 오는 다양한 신호를 세포 내부로 전달하는 핵심적인 통로 역할을 수행하며, 인간이 가진 막 단백질 중 가장 큰 가족을 형성하고 있습니다. GPCR은 암, 당뇨, 신경 질환 등 수많은 질병의 주요 표적이 되기에 그 구조를 밝히는 일은 현대 의학에서 매우 중요합니다. 특히 단백질의 비활성 상태와 활성 상태를 모두 규명함으로써 리간드 결합에 따른 정교한 구조적 변화를 시각적으로 이해할 수 있게 되었으며, 이는 새로운 치료제 개발을 위한 핵심적인 기초 데이터로 활용되고 있습니다. 생체 분자의 정밀한 구조를 결정하기 위해서는 X선 결정학, NMR, 그리고 최근 비약적으로 발전한 초저온 전자현미경(Cryo-EM) 기술이 사용됩니다. 과거에는 단백질을 순수하게 정제하여 결정화한 뒤 X선 회절 패턴을 분석하는 방식이 주를 이루었으나, 이는 시료의 양이 많이 필요하다는 한계가 있었습니다. 반면 최근 노벨상을 통해 주목받은 Cryo-EM은 샘플을 급속 냉동하여 분자 고유의 형태를 직접 이미징함으로써, 결정화가 어려운 막 단백질 연구에 혁신적인 전기를 마련했습니다. 이러한 실험 기법들은 각기 다른 해상도와 장단점을 지니고 있어, 연구자들은 단백질의 크기와 상태에 맞춰 여러 기술을 상호 보완적으로 활용하며 복잡한 생체 시스템의 비밀을 하나씩 풀어나가고 있습니다. 인공지능 기술의 비약적인 성장은 실험 위주였던 구조생물학 분야에 새로운 지평을 열어주었습니다. 과거에는 아미노산 서열 정보만으로 복잡한 3차원 구조를 예측하는 것이 불가능에 가깝다고 여겨졌으나, 알파폴드와 같은 혁신적인 알고리즘의 등장으로 예측의 정확도가 획기적으로 향상되었습니다. 현재 구조생물학자들은 AI를 단순히 경쟁 상대로 보는 것이 아니라, 실험 설계를 최적화하고 복잡한 단백질 복합체의 구조를 사전에 가늠해보는 유용한 도구로 적극 활용하고 있습니다. 특히 실험을 통해 얻은 정교한 데이터는 다시 AI 모델의 성능을 높이는 학습 자료가 되어 선순환 구조를 형성합니다. 이러한 협력은 신약 후보 물질을 효율적으로 발굴하고 완전히 새로운 기능의 단백질을 디자인하는 분야의 발전을 가속화하고 있습니다. 현재의 구조생물학이 단백질의 정지된 찰나를 포착하는 데 집중하고 있다면, 미래의 연구 방향은 실제 살아있는 세포 내부의 맥락에서 단백질이 어떻게 역동적으로 움직이는지를 관찰하는 것으로 향하고 있습니다. 단순한 정적 이미지를 넘어 시간이 흐름에 따라 변화하는 단백질의 역동성을 파악하고, 세포 내부 환경에서의 구조와 기능 사이의 상관관계를 명확히 규명하는 것이 궁극적인 목표입니다. 이를 위해 초저온 전자 단층 촬영(Cryo-ET)과 같은 첨단 기술이 도입되고 있으며, 이는 세포 생물학적 현상을 분자 수준의 고해상도 구조로 직접 확인하게 해줍니다. 이러한 변화는 생명 현상을 단순히 추론하는 단계를 넘어, 우리가 원하는 시간에 일어나는 분자들의 상호작용을 직접 눈으로 보고 설명할 수 있는 시대를 열어줄 것입니다. 과학 연구의 여정은 수많은 병목 현상을 극복하며 자신만의 노하우를 쌓아가는 과정입니다. 특히 구조생물학은 단백질 하나를 규명하기 위해 수십 개의 디자인을 시험하고 최적의 조건을 찾아야 하는 끈기가 필수적입니다. 연구자가 직면한 문제에 대해 꿈속에서도 고민할 정도의 몰입과 열정은 불가능해 보이던 실험의 돌파구를 찾는 원동력이 됩니다. 또한 급변하는 과학적 조류 속에서 자신의 전공 분야에만 매몰되지 않고, 타 학문과의 활활발한 소통을 통해 새로운 기술을 유연하게 수용하는 태도가 중요합니다. 기초 과학의 토대 위에서 응용 분야와의 가교 역할을 충실히 수행할 때, 연구자는 생명 현상의 본질적인 신비를 밝히는 동시에 사회적으로 기여할 수 있는 가치 있는 성과를 거둘 수 있을 것입니다.

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생명과학
융합

[강연] 제 33회 서울대 자연과학 공개강연_'과학 그리고 인공지능' by 백민경, 황호성, 정하웅, 윤성로, 이현숙, 김유빈 l 서울대학교&카오스재단

인공지능은 이제 단순한 기술적 보조를 넘어 자연과학의 패러다임을 근본적으로 바꾸는 핵심적인 동력으로 자리 잡았습니다. 서울대학교 자연과학대학에서 진행된 이번 논의는 '과학 그리고 인공지능'이라는 주제 아래, 생명과학부터 천체물리학에 이르기까지 AI가 미지의 영역을 개척하는 생생한 현장을 조명합니다. 우리는 지금 AI가 인간 지능의 단순한 도구로 남을 것인지, 아니면 인간의 역할을 완전히 대체하는 주체가 될 것인지라는 중요한 질문 앞에 서 있습니다. 이번 강연은 인공지능이 자연과학 연구의 방법론을 어떻게 혁신하고 있으며, 우리가 그려갈 미래 과학의 지형이 어떤 모습일지를 깊이 있게 탐구합니다. 생명과학 분야에서 인공지능은 생명의 설계도를 직접 쓰는 '창작자'의 시대를 열었습니다. 과거의 생명 설계가 수만 년에 걸친 인위 선택이나 기존 유전자를 뜯어고치는 편집에 의존했다면, 이제는 단백질 구조 예측 AI인 알파폴드나 로제타폴드를 통해 원하는 기능을 수행하는 생체 분자를 직접 설계할 수 있게 된 것입니다. 50년 동안 생명과학계의 난제로 남아있던 단백질 접힘 문제를 AI가 해결함으로써, 바이러스를 무력화하는 단백질이나 환경 문제를 해결할 플라스틱 분해 효소 설계가 가능해졌습니다. 이는 생명을 관찰의 대상에서 정밀한 설계의 대상으로 변화시킨 획기적인 전환점이라 할 수 있습니다. 생명 설계의 지평은 단일 분자를 넘어 세포 전체를 컴퓨터상에 구현하는 가상 세포 시뮬레이션으로 향하고 있습니다. 세포라는 복잡한 시스템을 디지털 트윈으로 구축하면, 신약 개발 과정에서 발생하는 수많은 동물의 희생을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 개인별 특성에 맞춘 정밀한 맞춤형 치료가 가능해집니다. 하지만 이러한 강력한 기술은 암이나 희귀 질환을 극복하는 축복이 될 수도 있는 반면, 잘못된 의도로 사용될 경우 생화학 무기 제조와 같은 재앙이 될 수도 있는 양날의 검입니다. 따라서 기술의 발전 속도에 맞춰 이를 어떤 방향으로 활용할지에 대한 인류의 윤리적 책임과 선택이 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 우주의 비밀을 탐구하는 천문학에서도 인공지능은 방대한 항해를 돕는 지능형 가이드 역할을 수행합니다. 인류가 알고 있는 우주의 모습은 전체의 단 5%에 불과하며, 나머지 95%는 암흑 물질과 암흑 에너지라는 미지의 영역으로 남겨져 있습니다. 천문학자들은 루빈 천문대 등에서 쏟아지는 거대한 빅데이터를 처리하고, 은하의 분포를 통해 보이지 않는 암흑 물질의 지도를 그리는 데 AI를 적극적으로 활용하고 있습니다. 물리 법칙을 바탕으로 구현된 가상 우주 시뮬레이션과 인공지능의 학습 능력이 결합하면서, 인류는 우주가 어떻게 탄생하고 진화해 왔는지에 대한 철학적인 질문에 대해 과학적인 답을 더욱 정교하게 찾아가고 있습니다. 최근 노벨 물리학상이 인공지능 연구자들에게 수여된 사건은 물리와 정보 과학의 경계가 허물어졌음을 상징적으로 보여줍니다. 홉필드 네트워크나 볼츠만 머신과 같은 초기 AI 모델들은 통계 물리학의 에너지 모델과 전자의 스핀 개념에서 영감을 얻어 탄생했습니다. 이는 '정보' 자체가 물리학의 핵심적인 탐구 대상이 되었음을 선언한 것과 같습니다. 또한 현대의 물리학자들은 새들의 군무와 같은 복잡계 현상을 연구할 때 AI를 동료 연구자로 활용하여 새로운 물리 법칙을 발견하기도 합니다. AI는 이제 단순한 계산 도구를 넘어, 복잡한 데이터 이면에 숨겨진 자연의 패턴을 찾아내는 강력한 학문적 파트너로서 기능하고 있습니다. 인공지능의 급격한 발전 속에서 인간만이 가질 수 있는 고유한 가치에 대한 고민도 깊어지고 있습니다. 챗GPT와 같은 생성형 AI가 지식 전달과 데이터 처리를 완벽하게 수행하더라도, 그 지식을 바탕으로 깊은 통찰을 얻고 윤리적 균형을 유지하며 결정을 내리는 '지혜'는 여전히 인간의 영역으로 남아있습니다. 교육 현장에서도 단순한 지식 습득이나 기술적 활용법보다는 수학과 통계학 등 학문의 근본적인 원리로 돌아가는 태도가 강조되고 있습니다. 결국 인공지능 시대에 우리가 갖춰야 할 핵심 역량은 AI가 제시하는 답을 맹목적으로 수용하는 능력이 아니라, 현상을 비판적으로 바라보고 세상에 더 나은 질문을 던지는 힘에 있습니다. 과학은 결국 인간과 자연이 나누는 끊임없는 대화이며, 인공지능은 그 대화를 더욱 풍성하고 정교하게 만들어주는 혁신적인 매개체입니다. 우리가 마주한 AI 기반의 과학 혁명은 인류의 지능을 확장하고 미지의 영역을 탐구할 용기를 주지만, 동시에 기술을 다루는 사람의 가치관과 책임감을 엄중히 요구합니다. 인공지능이 아무리 정교하게 발전하더라도, 그 도구를 활용해 어떤 미래를 설계하고 어떤 길을 걸어갈지 결정하는 주체는 결국 인간이기 때문입니다. 자연과학의 기초가 되는 끈기 있는 질문과 인공지능의 놀라운 계산 능력이 조화를 이룰 때, 우리는 비로소 삶과 우주의 근원적인 비밀에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있을 것입니다.

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물리학
화학
생명과학
천문학
수학
융합

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

우리 몸의 핵심 분자인 단백질은 생명 현상을 유지하는 가장 부지런한 일꾼입니다. 단백질의 3차원 구조를 파악하는 일은 그 기능을 이해하는 첫걸음이자 현대 생명과학의 핵심 과제입니다. 과거에는 단백질 구조 예측이 미지의 영역에 가까웠으나, 인공지능 기술의 발전과 함께 새로운 전기를 맞이했습니다. 특히 알파폴드와 같은 혁신적인 인공지능 모델은 단백질 구조를 정확하게 예측하며, 생명 현상을 더 깊이 있게 이해하도록 돕는 강력한 도구로 자리 잡았습니다. 인공지능이 도입되기 전, 단백질 구조를 밝히기 위해서는 엑스레이나 초저온 전자현미경(Cryo-EM)과 같은 복잡한 실험 기법에 의존해야 했습니다. 하나의 단백질 구조를 규명하는 데 수개월에서 길게는 10년 이상의 시간이 소요되기도 하여, 이는 연구자들에게 매우 고된 과정이었습니다. 하지만 이제는 인공지능을 통해 단백질의 형태를 사전에 예측하고, 이를 바탕으로 기능을 추론하는 가설 중심의 연구가 가능해졌습니다. 이러한 변화는 생명과학 연구의 속도를 비약적으로 높여주고 있습니다. 인공지능의 환각(할루시네이션) 현상은 일반적인 대화형 모델에서는 문제로 지적되지만, 단백질 설계 분야에서는 오히려 새로운 가능성을 열어주는 열쇠가 됩니다. 자연계에 존재하지 않는 전혀 새로운 단백질을 만들어낼 때, 인공지능의 창의적인 예측 능력이 유용하게 쓰이기 때문입니다. 이제 인간은 단순한 관찰자를 넘어, 특정 기능을 수행할 수 있는 단백질 부품을 정밀하게 설계하는 단계에 진입했습니다. 이는 질병 치료를 위해 생명의 오작동을 수정할 수 있는 정교한 설계도로 기능하게 됩니다. 단백질 설계 기술은 인류가 당면한 여러 난제를 해결할 핵심 열쇠입니다. 항체 치료제나 백신 개발은 물론, 플라스틱을 분해하는 효소를 설계하여 환경 문제를 해결하거나 친환경적인 생물 공정을 구축하는 데에도 활용될 수 있습니다. 다만 이 기술은 강력한 도구인 만큼 윤리적인 성찰이 반드시 동반되어야 합니다. 의도치 않은 바이러스 설계나 생화학 무기 제조와 같은 악용의 가능성을 경계하며, 이 도구를 인류에게 유익한 방향으로 이끄는 것은 결국 사용하는 사람의 책임에 달려 있습니다. 미래의 생명과학 연구는 실험실에서의 물리적인 활동과 컴퓨터를 이용한 계산 과학이 조화롭게 결합된 형태가 될 것입니다. 인공지능이 가진 강력한 연산 능력은 복잡한 생명 현상을 분석하는 데 필수적인 요소가 되었습니다. 따라서 연구자들은 새로운 기술을 두려워하기보다 적극적으로 학습하고 자신의 연구 분야에 접목하려는 열린 자세를 가져야 합니다. 기술이라는 새로운 날개를 달고 기존의 한계를 넘어설 때, 비로소 생명과학은 더 넓은 진리의 바다로 나아갈 수 있을 것입니다.

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생명과학
융합

[티저] 제 33회 서울대 자연과학 공개강연 티저

서울대학교 자연과학대학과 카오스재단이 협력하여 마련한 이번 공개강연은 과학의 대중화를 실천하기 위한 특별한 지식의 장입니다. 현대 최전선에서 연구하는 과학자들이 직접 강단에 서서 우리가 살아가는 복잡한 세상을 과학적인 시선으로 쉽고 명확하게 풀어내며 지식의 즐거움을 시민들에게 전달합니다. 일반 대중에게 과학은 때로 막막하고 어렵게 느껴질 수 있는 영역이지만, 이 강연은 일상 속의 작은 원리부터 우주의 거대한 질서에 이르기까지 폭넓은 주제를 다루며 과학과 대중 사이의 보이지 않는 장벽을 허물어가는 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 이번 강연 시리즈의 핵심적인 대주제는 바로 '과학 그리고 인공지능'입니다. 현대 문명과 산업 전반에서 인공지능은 더 이상 선택이 아닌 필수적인 도구로 자리 잡았으며, 데이터 분석과 정교한 예측을 통해 기존의 과학적 탐구 방식을 완전히 새롭게 정의하고 있습니다. 단순히 기술적인 발전을 넘어서, 인공지능이 우리 존재의 근원적인 생명 현상과 광활한 우주의 메커니즘을 탐구하는 새로운 관찰의 눈이 되어주는 과정을 심도 있게 조망합니다. 기술의 최전선에서 벌어지는 이러한 놀라운 변화를 과학적 관점에서 분석하며 현대인의 지적 호기심을 충족시키는 시간이 될 것입니다. 과학은 이제 인공지능을 단순한 효율 증대용 도구로 활용하는 단계를 넘어, 기술적 한계를 극복하고 인간의 지능을 정교하게 모사하는 고차원적인 지평을 향해 끊임없이 나아가고 있습니다. 인공지능의 진화와 새로운 과학적 발견 사이의 긴밀한 상호작용은 인류의 지적 자산을 풍요롭게 만드는 시대적 전환점이 될 것입니다. 강연 현장에서 활동 중인 전문가들은 자신들의 풍부한 연구 경험과 학문적 통찰을 바탕으로 인공지능 시대를 마주한 대중의 궁금증에 대해 명쾌한 해답을 제시하며 깊이 있게 소통합니다. 과학과 기술의 결합이 그려낼 새로운 미래의 청사진을 이번 기회에 꼭 확인해 보시기 바랍니다.

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생명과학
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어떻게 나만의 특징이 만들어질까?

우리는 부모와 닮았으면서도 동시에 자신만의 고유한 특징을 지니고 살아갑니다. 외모나 기질처럼 눈에 띄는 부분부터 보이지 않는 생리적 특성까지, 생명체가 가진 모든 신체적·기질적 특성을 '형질'이라고 부릅니다. 수많은 형질이 복합적으로 어우러져 '나'라는 유일무이한 존재를 구성하게 됩니다. 부모와 닮았다는 것은 그들의 수많은 형질 중 일부가 자녀에게 전달되었음을 의미하며, 이는 생명의 연속성을 보여주는 가장 기본적인 원리이자 우리가 서로를 구분하는 기준이 됩니다. 형질이 결정되는 방식은 크게 유전적 요인과 비유전적 요인으로 나뉩니다. ABO 혈액형처럼 오직 유전 정보에 의해서만 결정되는 형질이 있는가 하면, 감기처럼 주변 환경이나 개인의 컨디션 등 비유전적 요인에 더 큰 영향을 받는 경우도 있습니다. 하지만 대부분의 형질은 이 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 나타납니다. 이러한 형질을 결정하는 핵심적인 유전 정보는 우리 몸속 DNA에 A, C, T, G라는 네 가지 염기 서열의 형태로 저장되어 있으며, 이것이 생명의 설계도 역할을 수행하며 우리 몸의 모든 기능을 조절하는 근간이 됩니다. 인간은 약 30억 개의 염기 서열로 이루어진 '유전체(Genome)'를 가지고 있습니다. 부모로부터 물려받은 유전 정보가 결합하여 형성된 이 염기 서열은 개인마다 조금씩 차이가 납니다. 연구에 따르면 전체 염기 서열 중 약 0.1%에 해당하는 300만에서 400만 개의 염기 서열이 사람마다 다른데, 이를 '유전 변이'라고 부릅니다. 비록 0.1%라는 수치는 작아 보일 수 있지만, 이 미세한 차이가 모여 타인과 구분되는 나만의 독특한 개성과 신체적 특징을 만들어내는 결정적인 원동력이 되며, 우리가 각기 다른 모습으로 살아가는 이유를 설명해 줍니다. 유전 변이는 형태에 따라 크게 단일 염기 변이(SNV)와 구조 변이(SV)로 구분됩니다. 단일 염기 변이(SNV)는 특정 위치의 염기 하나가 다른 종류로 바뀌는 가장 흔한 형태이며, 구조 변이(SV)는 염기 서열의 일부가 삭제되거나 추가되고, 혹은 순서가 뒤바뀌는 등 더 큰 규모의 변화를 의미합니다. 구조 변이(SV)는 단일 염기 변이(SNV)에 비해 발생 빈도는 낮지만, 한 번에 수많은 염기 서열에 영향을 미칠 수 있다는 특징이 있습니다. 이러한 다양한 형태의 유전 변이들은 우리가 타인과 구별되는 고유한 생물학적 정보를 담는 그릇이 되며, 유전학자들은 이를 통해 인간의 복잡한 유전적 다양성을 깊이 있게 연구하고 있습니다. 현대 유전학의 가장 큰 과제는 이러한 유전 변이들이 구체적으로 어떤 기능을 수행하는지 밝혀내는 것입니다. 암이나 알츠하이머와 같은 난치성 질환의 원인을 규명하는 것부터 개인의 잠재력을 예측하는 일까지, 유전 변이 연구는 인류의 건강과 미래를 바꿀 열쇠로 주목받고 있습니다. 앞으로 유전 정보 해독 기술이 더욱 정밀해진다면, 우리는 염기 서열만으로도 개인의 형질을 예측하고 맞춤형 건강 관리를 실현하는 시대를 맞이하게 될 것입니다. 이는 인간의 다양성을 깊이 이해하는 중요한 이정표가 될 것이며, 인류가 스스로의 생물학적 운명을 더 잘 이해하고 관리할 수 있게 해줄 것입니다.

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생명과학

🎁댓글 이벤트🎁 이 세상에 불멸의 생물이 있을까? 💀인간은 왜 죽는가 Part.2 l 선을 넘는 과학자들

인간의 노화와 죽음은 오랜 시간 동안 자연스러운 현상으로 여겨져 왔습니다. 하지만 모든 생물이 반드시 죽음을 맞이하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 히드라와 해파리와 같은 일부 생물은 영생을 누릴 수 있다고 알려져 있습니다. 이들은 수명의 한계가 거의 없으며, 실제로 실험실에서 키우는 동안 죽는 모습을 본 적이 없을 정도입니다. 이러한 생물의 존재는 우리가 알고 있는 생로병사의 개념에 의문을 던지게 합니다. 특히 해파리는 유성생식과 무성생식을 모두 할 수 있는 독특한 생물입니다. 해파리는 정자와 난자를 통해 새끼를 만들고, 수정란에서 유생이 태어난 후 폴립 단계로 변합니다. 이 폴립 단계는 무성생식으로 개체 수를 늘리다가, 특정 조건에서 메두사 단계로 변태합니다. 메두사 단계는 다시 유성생식을 하며 새로운 개체를 탄생시키지만, 홍해파리의 경우 죽기 직전 폴립 단계로 되돌아가 다시 생을 이어갑니다. 이처럼 해파리는 회춘과도 같은 과정을 반복하며 영생을 영위할 수 있습니다. 이러한 영생 생물들의 공통점은 무성생식이 가능하다는 점입니다. 히드라와 해파리, 그리고 말미잘 등은 몸의 일부에서 새로운 개체가 자라나는 무성생식을 할 수 있습니다. 인간은 오직 유성생식만 가능하지만, 이들 생물은 무성생식과 유성생식을 모두 활용합니다. 무성생식은 자기 복제와도 같아서, 한 개체가 여러 개체로 빠르게 늘어날 수 있습니다. 이로 인해 해파리와 같은 생물들이 바다를 뒤덮을 정도로 번식할 수 있는 것입니다. 무성생식이 가능한 생물들은 진화적으로도 독특한 위치를 차지합니다. 유성생식 생물은 생식세포의 성공만이 중요하지만, 무성생식 생물은 체세포 전체가 생식에 관여할 수 있습니다. 따라서 몸 전체의 세포를 건강하게 유지해야 하며, 자연 선택은 이들에게 오래 살 수 있는 능력을 부여합니다. 이러한 특성 덕분에 무성생식 생물은 노화의 그림자가 거의 드리워지지 않고, 영생을 누릴 수 있습니다. 해파리는 무성생식과 유성생식, 그리고 노화와 영생을 모두 경험하는 특별한 생물입니다. 메두사 단계에서는 인간처럼 유성생식만 하며 노화와 죽음을 겪지만, 폴립 단계에서는 무성생식과 재생 능력을 통해 영생을 누립니다. 같은 DNA를 가지고도 환경과 생식 방식에 따라 전혀 다른 삶의 형태를 보이는 해파리는 생식과 노화의 숨은 고리를 보여줍니다. 이처럼 하나의 생물이 두 가지 삶을 오갈 수 있다는 사실은 생명의 신비로움을 다시금 일깨워 줍니다.

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생명과학

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #006 | 이준호 생명과학부 교수

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm도 되지 않는 아주 작은 생명체이지만, 현대 생명과학 연구에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 1960년대 시드니 브레너에 의해 도입된 이 모델 생물은 발생과 신경계의 신비를 풀기 위한 최적의 도구로 선택되었습니다. 대장균보다는 복잡하고 초파리나 생쥐보다는 단순한 구조 덕분에, 과학자들은 생명체의 신경망이 어떻게 형성되고 작동하는지를 세포 수준에서 정밀하게 관찰할 수 있게 되었습니다. 이러한 단순함은 복잡한 생명 현상의 근본 원리를 이해하는 열쇠가 됩니다. 신경 세포 300여 개의 모든 연결망을 의미하는 커넥톰 연구는 엄청난 시간과 노력이 필요한 작업입니다. 과거에는 전자현미경 사진을 일일이 수작업으로 분석해야 했기에 한 세대의 연구자들이 포기할 정도로 고된 과정이었습니다. 하지만 최근에는 인공지능 딥러닝 기술을 도입하여 신경 세포를 구분하고 시냅스를 예측하는 과정을 획기적으로 단축하고 있습니다. 인공지능은 사람이 수천 시간 걸려야 했던 작업을 단 몇 분 만에 처리하며, 기초 과학의 질문을 해결하고 연구의 지평을 넓히는 강력한 도구가 되고 있습니다. 염색체 말단에 위치한 텔로미어는 세포의 노화와 수명을 결정하는 핵심적인 구조물입니다. 선형 염색체를 가진 생명체는 복제 과정에서 끝부분이 조금씩 짧아지는데, 이것이 한계에 다다르면 세포는 분열을 멈추고 노화 단계에 진입합니다. 최근 연구에서는 기존 교과서에 실린 것과 다른 새로운 염기 서열의 텔로미어를 가진 선충을 발견하기도 했습니다. 이러한 발견은 노화 억제 전략이나 암세포의 무한 증식을 막는 항암 연구 등 인류의 건강과 직결된 다양한 분야로 확장될 가능성을 보여주며 생명 연장의 꿈에 다가서게 합니다. 기초 과학의 진정한 가치는 정답을 맞히는 것보다 올바른 질문을 던지는 데 있습니다. 예쁜꼬마선충의 히치하이킹 행동처럼 사소해 보이는 현상도 깊이 파고들면 그 이면에 숨겨진 복잡한 신경 기전을 발견할 수 있습니다. 연구 과정에서 무엇을 모르는지조차 모르는 혼란을 겪기도 하지만, 핵심적인 신경 세포 한 세트를 찾아내는 순간 새로운 질문들이 쏟아져 나오기 시작합니다. 인공지능을 통해 확보한 방대한 데이터는 결국 과학자가 더 깊고 본질적인 질문을 던질 수 있도록 돕는 밑거름이 되며 연구의 연속성을 보장합니다. 과학 연구는 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 다음 세대에게 사랑과 기회를 전하는 교육의 장이기도 합니다. 과거 독지가의 도움으로 연구에 전념할 수 있었던 경험은 학생들을 위한 장학금 마련과 연구 환경 개선이라는 실천으로 이어졌습니다. 과학은 혼자만의 성과가 아니라 구성원들이 서로 조금씩 양보하고 협력할 때 비로소 큰 시너지가 낼 수 있습니다. 따뜻한 경쟁과 협력이 공존하는 연구실 문화는 젊은 과학자들이 사회에 기여하는 훌륭한 연구자로 성장하는 든든한 토대가 되며, 이는 곧 과학계의 선순환을 만들어냅니다.

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[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #003 | 백민경 생명과학부 교수

백민경 교수는 서울대학교 생명과학부에서 인공지능을 활용해 단백질 구조의 비밀을 탐구하고 있습니다. 학부 시절 실험보다 계산화학에 매력을 느껴 연구의 길로 들어선 그는, 단백질과 유기 분자의 상호작용을 예측하며 신약 개발의 가능성을 엿보았습니다. 특히 박사 과정 중 알파고와 알파폴드의 등장을 목격하며 인공지능이 생명 현상을 이해하는 핵심 도구가 될 것임을 직감했습니다. 이러한 통찰은 그가 단백질 구조 예측이라는 난제에 도전하는 중요한 계기가 되었습니다. 박사 학위 취득 후 그는 단백질 디자인의 대가인 데이비드 베이커 교수 연구실에서 포닥 과정을 시작했습니다. 당시 베이커 그룹은 딥러닝을 연구에 막 도입하던 단계였으며, 베이커 교수 스스로도 인공지능을 배우기 위해 직접 프로젝트를 수행할 만큼 열정적이었습니다. 백 교수는 이 역동적인 환경에서 딥러닝 기술을 익히며 단백질 구조 예측의 새로운 지평을 열 준비를 마쳤습니다. 지도교수와의 긴밀한 소통과 기술적 피드백은 그가 인공지능 전문가로 성장하는 데 밑거름이 되었습니다. 2020년 구글 딥마인드의 알파폴드 2가 압도적인 성과를 발표했을 때, 백 교수는 위기를 기회로 바꿨습니다. 구체적인 코드나 방법론이 공개되지 않은 상황에서 그는 단 한 장의 발표 슬라이드에 담긴 아이디어를 단서로 로제타폴드(RoseTTAFold) 개발에 착수했습니다. 성공 가능성에 대한 확신과 베이커 교수의 전폭적인 지원 덕분에 불과 몇 달 만에 알파폴드 2에 필적하는 성능의 모델을 완성할 수 있었습니다. 이는 과학적 호기심과 끈기가 만들어낸 쾌거이자, 인공지능 연구의 속도감을 보여주는 사례입니다. 최근 인공지능 분야의 노벨상 수상은 생명과학과 화학 연구의 패러다임 변화를 상징합니다. 특히 단백질 디자인 기술은 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하여 질병 치료제나 백신 개발에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 이는 단순히 의학적 용도에 그치지 않고 환경 친화적인 생분해성 소재 개발 등 산업 전반으로 파급력을 넓히고 있습니다. 인공지능은 이제 기초 과학의 한계를 넘어 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결하는 강력한 엔진으로 자리매김하고 있습니다. 백 교수의 궁극적인 목표는 세포 내 모든 생체 분자 간의 상호작용 지도를 완성하는 것입니다. 인공지능이라는 강력한 도구를 통해 생명 현상의 근본적인 원리를 이해하고, 이를 바탕으로 질병의 메커니즘을 규명하여 정밀한 신약 개발에 기여하고자 합니다. 그는 미래의 연구자들에게 자신의 전공에 매몰되지 않고 다양한 분야와 소통하는 융합적 사고를 강조합니다. 복잡한 생명의 신비를 풀기 위해서는 화학, 생물학, 컴퓨터 공학을 아우르는 폭넓은 시야와 협력이 무엇보다 중요하기 때문입니다.

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[인터뷰] ABC가 뭐야? 바이오X인공지능 200억 프로젝트 | 이현숙 서울대 생명과학부 교수

바이오 인공지능 연구단(ABC)은 인공지능이 바이오 분야에 혁신을 가져올 것이라는 확신에서 출발했습니다. 과거 알파고의 등장은 많은 이들에게 충격을 주었지만, 동시에 인공지능이 생명과학과 결합했을 때 발휘할 엄청난 잠재력을 예견하게 했습니다. 단순히 바둑을 두는 기술을 넘어, 복잡한 생명 현상을 해석하는 도구로서의 인공지능은 이제 선택이 아닌 필수적인 연구 수단이 되었습니다. 이러한 흐름 속에서 ABC는 새로운 과학적 탐구의 시작을 알리는 고유 명사로 자리 잡고 있습니다. 과학계에서 수십 년간 연구에 매진해 온 전문가라 할지라도, 급변하는 기술의 흐름을 놓치면 도태될 수 있다는 위기감이 존재합니다. 특히 알파폴드의 등장은 기존의 연구 방식만으로는 해결할 수 없는 새로운 영역이 열렸음을 시사했습니다. 이에 대응하기 위해 연구자 개인이 모든 코딩 기술을 익히기보다는, 각 분야의 최고 전문가들이 모여 협력할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것이 중요해졌습니다. 서로 다른 전공의 인재들이 한자리에 모여 질문을 공유하고 답을 찾아가는 과정이 바로 혁신의 핵심입니다. 대규모 기부금은 연구단 출범의 결정적인 동력이 되었으며, 이는 고성능 GPU 클러스터와 같은 필수 인프라를 구축하는 밑거름이 되었습니다. 서울대학교 내 자연대, 공대, 의대 등 다양한 학문적 배경을 가진 인재들이 대학별 안배 없이 오직 실력만으로 선발되어 유기적인 연구 체계를 갖추었습니다. 인공지능 기술과 생물학적 데이터, 그리고 임상 현장의 목소리가 결합할 수 있는 마당이 마련된 것입니다. 이러한 환경은 단순히 기술을 모방하는 수준을 넘어, 독창적인 질문을 던지고 해결하는 기반이 됩니다. 연구단 내부에서는 서로 다른 분야의 지식이 만나 새로운 가치를 창출하는 흥미로운 협업이 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어, 미세유체역학적 힘을 측정하는 공학 기술을 세포 노화나 분열과 같은 생물학적 운명 결정 연구에 도입하는 시도가 대표적입니다. 생물학자가 미처 생각하지 못한 물리적 관점을 공학자가 제시하고, 이를 인공지능으로 분석함으로써 이전에는 보지 못했던 생명의 신비를 밝혀내고 있습니다. 이러한 진정한 의미의 학문적 케미스트리는 기존의 경계를 허물고 새로운 연구 분야를 개척하는 원동력이 됩니다. 바이오 인공지능 연구의 궁극적인 목표는 인류의 건강과 삶의 질 향상에 기여하는 것입니다. 질병의 조기 진단과 저비용 진단 기술, 그리고 환자 맞춤형 치료법 개발은 인공지능이 가장 잘 해낼 수 있는 영역 중 하나입니다. 또한, 이러한 첨단 과학의 성과를 연구실 안에만 가두지 않고 대중과 적극적으로 소통하며 공유하는 것은 과학자의 중요한 책무입니다. 미래 세대에게 영감을 주고 국가 R&D 정책의 올바른 방향을 제시함으로써, ABC는 지속 가능한 과학 기술 생태계를 조성하는 초석이 되고자 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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물리학
화학
생명과학

[강연] 사람이 곧 벌레라니: miRNA의 발견과 진화적 의미_by 이준호 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 3강

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm에 불과한 아주 작은 생물이지만, 현대 생물학에서 인간을 이해하는 데 결정적인 역할을 해왔습니다. 2024년 노벨 생리의학상은 이 작은 벌레에서 유전자 조절의 새로운 원리인 마이크로 RNA를 발견한 두 과학자에게 돌아갔습니다. 예쁜꼬마선충은 그 이름처럼 우아한 생명체는 아닐지 모르나, 단순한 구조 속에 복잡한 생명의 신비를 품고 있어 지금까지 네 차례나 노벨상의 주인공이 되었습니다. 이 작은 유기체를 통해 우리는 인간의 발생과 질병을 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 예쁜꼬마선충이 과학의 무대에 오른 것은 1960년대 시드니 브레너의 혜안 덕분이었습니다. 그는 발생과 신경계의 비밀을 밝히기 위해 대장균보다 복잡하면서도 연구하기 쉬운 모델로 이 벌레를 선택했습니다. 이후 과학자들은 수정란에서 성체에 이르기까지 모든 세포의 분열 과정을 기록한 '세포 계보'를 완성했습니다. 이는 생명체의 모든 세포가 언제, 어디서, 무엇이 되는지를 완벽하게 파악한 인류 최초의 성과였습니다. 이러한 기초 연구는 유전자가 생명 현상을 어떻게 조절하는지 탐구하는 든든한 토대가 되었습니다. 세포 계보를 연구하던 중 과학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 매번 똑같은 위치와 시간에 특정 세포들이 죽어 나가는 현상이 관찰된 것입니다. 이는 세포가 환경이 나빠서 죽는 것이 아니라, 유전적으로 결정된 '프로그램된 세포 사멸' 과정을 거친다는 것을 의미했습니다. 131개의 세포가 정해진 운명에 따라 사라지는 이 현상은 인간의 암이나 퇴행성 질환을 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 죽음조차 생명의 정교한 계획 일부라는 사실은 현대 의학에 엄청난 영감을 주었으며, 이는 예쁜꼬마선충 연구가 거둔 첫 번째 노벨상의 결실이었습니다. 예쁜꼬마선충 연구는 RNA 간섭 현상과 녹색 형광 단백질(GFP)의 활용이라는 혁신적인 도구들을 과학계에 선물했습니다. RNA 간섭은 특정 유전자의 기능을 억제하여 그 역할을 규명하는 강력한 방법론이 되었고, GFP는 살아있는 세포 안에서 단백질의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었습니다. 이러한 기술적 진보는 생명과학의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 각기 다른 분야를 연구하던 과학자들이 우연히 발견한 이 부산물들은, 결국 인류가 질병의 원인을 찾고 치료제를 개발하는 데 없어서는 안 될 필수적인 자산이 되었습니다. 올해 노벨상의 핵심인 마이크로 RNA의 발견은 발생의 '시간'을 연구하던 엉뚱한 호기심에서 시작되었습니다. 빅터 앰브로스와 게리 러브컨은 세포의 계보가 반복되거나 건너뛰는 돌연변이 유전자인 lin-4와 lin-14를 연구했습니다. 두 과학자는 서로의 연구 데이터를 공유하며 놀라운 사실을 알아냈습니다. 아주 작은 크기의 lin-4 RNA가 큰 lin-14 mRNA에 결합하여 단백질 합성을 방해한다는 것이었습니다. 이는 단백질 정보가 없는 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 정교하게 조절할 수 있다는 사실을 세상에 처음으로 알린 역사적 순간이었습니다. 마이크로 RNA의 발견은 생명과학의 근본 원리인 '생명 중심 원리(Central Dogma)'에 새로운 화살표를 추가했습니다. DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 정보의 흐름 속에, 마이크로 RNA라는 조절자가 개입하여 특정 단백질의 생성을 억제한다는 메커니즘이 밝혀진 것입니다. 처음에는 예쁜꼬마선충에게만 국한된 특이한 현상으로 치부되기도 했으나, 이후 let-7과 같은 마이크로 RNA가 인간을 포함한 다양한 생물종에 보존되어 있다는 사실이 확인되었습니다. 이로써 마이크로 RNA는 생명체의 발생과 분화를 조절하는 보편적인 원리로 자리 잡게 되었습니다. 과학의 역사는 때로 무지함이 축복이 될 수 있음을 보여줍니다. 게리 러브컨의 말처럼, 모르는 것을 하나씩 알아가는 과정에서의 즐거움과 끈질긴 호기심이 위대한 발견을 낳았습니다. 예쁜꼬마선충이라는 작은 벌레를 30년 넘게 들여다본 과학자들의 집념은 결국 인간을 이해하는 거대한 지표가 되었습니다. 바늘 하나로 코끼리를 쓰러뜨리듯, 작은 발견을 끝까지 추적하여 생명의 신비를 밝혀낸 이들의 여정은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 세상을 향한 끝없는 질문과 그 답을 찾아가는 즐거운 모험입니다.

이준호

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생명과학

[강연] 인공지능과 단백질: 구조 예측에서 맞춤형 설계까지_by 백민경 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 2강

2024년 노벨 화학상은 인류의 생명 현상을 이해하는 핵심 열쇠인 단백질의 구조를 예측하고 설계하는 데 기여한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 데이비드 베이커 교수와 구글 딥마인드의 데미스 허사비스, 존 점퍼가 그 주인공입니다. 이들은 인공지능 기술을 생물학의 난제에 접목하여, 수십 년간 해결되지 않았던 단백질 구조 예측 문제를 획기적으로 해결했습니다. 이는 단순히 화학적 발견을 넘어 인류가 질병에 맞서고 새로운 물질을 창조하는 방식에 거대한 변화를 예고하는 역사적인 사건으로 평가받고 있습니다. 단백질은 우리 몸의 세포를 구성하는 기본 요소일 뿐만 아니라, 생명 유지에 필요한 거의 모든 화학 반응을 주도하는 일꾼입니다. 외부 병원체에 맞서 싸우는 항체, 영양소를 운반하는 택배원, 그리고 에너지를 생성하는 효소에 이르기까지 그 역할은 실로 무궁무진합니다. 이러한 단백질은 20가지 아미노산이 수천 개 이상 연결된 고분자 화합물로, 아미노산 서열이 어떻게 배열되느냐에 따라 독특한 3차원 구조를 형성합니다. 결국 단백질의 구조를 이해하는 것은 곧 생명의 작동 원리를 파악하는 것과 같습니다. 단백질 구조를 파악하는 것이 중요한 이유는 질병의 기전을 이해하고 치료제를 개발하는 데 결정적인 단서를 제공하기 때문입니다. 대표적인 예로 코로나19 바이러스의 돌기 단백질인 스파이크 단백질을 들 수 있습니다. 이 단백질이 인체 세포의 수용체와 결합하는 구조를 정확히 알게 되면, 그 결합을 방해하는 약물을 설계하거나 효과적인 백신을 만드는 것이 가능해집니다. 이처럼 단백질의 입체적인 형태를 알아내는 작업은 인류가 바이러스와 같은 위협에 맞서 싸울 수 있는 강력한 무기를 얻는 과정이라 할 수 있습니다. 과거에는 단백질 구조를 밝히기 위해 X선 결정법이나 극저온 전자 현미경 같은 실험 기법을 사용했지만, 이는 막대한 비용과 수년의 시간이 소요되는 고된 작업이었습니다. 하지만 구글 딥마인드가 개발한 알파폴드는 인공지능을 통해 단 몇 분 만에 높은 정확도의 구조를 예측해내며 패러다임을 바꿨습니다. 알파폴드는 진화 과정에서 보존된 아미노산 서열의 패턴을 학습하여, 실험 데이터가 부족한 상황에서도 단백질의 3차원 형태를 놀라운 정밀도로 재현해냈습니다. 이는 생물학 연구의 속도를 비약적으로 높인 혁명적인 성과입니다. 단백질 구조 예측이 서열로부터 구조를 찾아가는 과정이라면, 데이비드 베이커 교수가 주도한 단백질 디자인은 그 반대 방향의 도전입니다. 즉, 우리가 원하는 특정 기능을 수행할 수 있는 새로운 단백질 구조를 먼저 상상하고, 이를 구현할 수 있는 아미노산 서열을 설계하는 것입니다. 베이커 교수는 자연계에 존재하지 않는 완전한 인공 단백질인 'Top7'을 성공적으로 설계하며 그 가능성을 증명했습니다. 이는 인류가 자연의 진화에만 의존하지 않고, 목적에 맞는 생체 분자를 직접 창조할 수 있는 시대를 열었음을 의미합니다. 최근에는 생성형 인공지능 기술이 단백질 설계 분야에 도입되면서 연구 속도가 더욱 가속화되고 있습니다. 'RFdiffusion'과 같은 확산 모델 기반의 인공지능은 우리가 원하는 기능을 수행할 최적의 구조를 생성하고, 'ProteinMPNN'은 그 구조를 안정적으로 유지할 서열을 찾아냅니다. 이러한 기술적 진보 덕분에 과거 1% 미만이었던 단백질 설계 성공 확률이 비약적으로 상승했습니다. 이제는 전문적인 지식이 부족하더라도 인공지능을 활용해 누구나 목적에 맞는 단백질을 설계할 수 있을 정도로 기술적 장벽이 낮아지고 있습니다. 인공지능 기반의 단백질 설계 기술은 의료 분야를 넘어 환경 문제 해결에도 큰 기대를 모으고 있습니다. 플라스틱을 분해하는 강력한 효소를 설계하거나, 생분해성이 뛰어난 신소재를 개발함으로써 지구 환경을 보호하는 데 기여할 수 있기 때문입니다. 물론 단백질의 동적인 움직임을 완벽히 예측하거나 부족한 데이터를 보완해야 하는 과제가 남아있지만, 인류의 지식과 인공지능의 학습 능력이 결합한다면 불가능해 보였던 난제들도 하나씩 해결될 것입니다. 단백질 연구의 진화는 곧 인류의 더 나은 미래를 향한 여정입니다.

백민경

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화학
생명과학

[강연] 2024 '노벨상 해설강연' by 조정효, 백민경, 이준호 l 고등과학원&카오스재단

2024년 노벨 물리학상은 인공지능의 기초를 닦은 존 홉필드와 제프리 힌턴에게 돌아갔습니다. 이들은 물리학의 통계적 원리를 활용해 인공신경망이 정보를 저장하고 학습하는 초기 모델을 고안했습니다. 홉필드 모델은 물리학의 에너지 지평 개념을 도입하여 불완전한 정보에서 원래의 패턴을 복원하는 기억의 원리를 설명했습니다. 이는 현대 딥러닝의 이론적 토대가 되었으며, 물리학적 통찰이 어떻게 첨단 기술의 근간이 될 수 있는지를 보여주는 상징적인 사례로 평가받습니다. 인공신경망은 이제 단순한 계산 도구를 넘어 인간의 지능을 모사하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 제프리 힌턴은 홉필드의 아이디어를 확장하여 볼츠만 머신과 오차 역전파 알고리즘을 발전시켰습니다. 그는 데이터의 확률 분포를 학습하는 생성 모델의 원형을 제시하며, 인공지능이 단순한 분류를 넘어 새로운 정보를 생성할 수 있는 가능성을 열었습니다. 특히 층을 깊게 쌓은 심층신경망의 학습 가능성을 증명함으로써 오늘날의 생성형 AI 시대를 가능케 했습니다. 이러한 성과는 물리학적 통찰이 복잡한 데이터 처리 시스템의 효율성을 극대화하는 데 결정적인 역할을 했음을 시사합니다. 이는 인공지능 발전의 역사에서 물리학이 수행한 중추적인 역할을 다시금 확인시켜 줍니다. 노벨 화학상은 단백질 구조 예측과 설계 분야에서 혁신을 일으킨 데이비드 베이커, 데미스 허사비스, 존 점퍼가 수상했습니다. 단백질은 생명 현상을 수행하는 핵심 일꾼으로, 그 기능을 이해하려면 복잡하게 접힌 3차원 구조를 파악하는 것이 필수적입니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 인공지능을 활용해 수십 년간 난제로 남아있던 구조 예측 문제를 해결했습니다. 이는 실험에 수년이 걸리던 작업을 단 몇 분 만에 처리할 수 있게 함으로써 생명과학 연구의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이제 과학자들은 방대한 단백질 데이터를 바탕으로 생명의 신비를 더욱 빠르게 파헤치고 있습니다. 데이비드 베이커 교수는 인공지능을 활용해 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하는 데 성공했습니다. 그는 단백질이 형성되는 물리적 원리를 바탕으로 특정 기능을 수행할 수 있는 아미노산 서열을 계산해내는 '로제타'와 'RF디퓨전' 모델을 개발했습니다. 이를 통해 질병 치료를 위한 정밀 약물 전달체나 환경 오염을 해결할 플라스틱 분해 효소 등을 맞춤형으로 제작할 수 있는 길이 열렸습니다. 단백질 설계 기술의 발전은 인류가 직면한 난치병과 환경 문제를 해결할 강력한 무기가 될 것입니다. 이는 기초 과학의 원리가 인공지능이라는 도구를 만나 실질적인 인류의 혜택으로 전환된 사례입니다. 노벨 생리의학상은 예쁜꼬마선충 연구를 통해 마이크로RNA를 발견한 빅터 앰브로스와 게리 러브컨에게 수여되었습니다. 이들은 아주 작은 벌레인 선충의 발생 과정을 추적하던 중, 단백질 정보를 담고 있지 않은 아주 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 조절한다는 사실을 우연히 발견했습니다. 이는 기존의 생명 중심 원리에서 설명하지 못했던 새로운 유전자 조절 층위를 밝혀낸 것입니다. 아주 단순한 생명체에 대한 호기심이 생명 과학의 근본적인 원리를 뒤흔드는 거대한 발견으로 이어진 셈입니다. 이 발견은 생명체가 얼마나 정교한 시스템을 통해 스스로를 통제하는지 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 마이크로RNA는 선충뿐만 아니라 인간을 포함한 고등 생물에게도 진화적으로 잘 보존되어 있으며, 세포의 성장과 분화에 결정적인 역할을 합니다. 특정 마이크로RNA의 이상은 암이나 유전병 등 다양한 질병의 원인이 되기도 합니다. 이 발견은 유전자가 단순히 단백질을 만드는 설계도에 그치지 않고, 그 발현 시기와 양을 정밀하게 조절하는 복잡한 시스템임을 증명했습니다. 현재는 이를 활용한 새로운 진단 기술과 치료제 개발 연구가 활발히 진행되며 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 작은 분자 하나가 생명 현상의 거대한 흐름을 조절한다는 사실은 현대 의학에 새로운 지평을 열어주었습니다. 2024년 노벨상은 과학의 새로운 도구로서 인공지능의 위상을 공고히 하는 동시에, 기초 과학의 끈질긴 탐구 정신이 얼마나 중요한지를 일깨워 줍니다. 인공지능은 방대한 데이터를 분석하고 예측하는 강력한 도구이지만, 그 도구를 어디에 사용할지 결정하고 새로운 질문을 던지는 것은 여전히 인간의 몫입니다. 물리학, 화학, 생물학의 경계가 허물어지는 융합의 시대에서, 기초 과학에 대한 깊은 이해와 창의적인 상상력은 인류의 지식을 확장하고 미래의 난제를 해결하는 가장 확실한 열쇠가 될 것입니다. 과학자들의 끊임없는 도전은 인공지능이라는 날개를 달고 더욱 먼 미래를 향해 나아가고 있습니다.

백민경, 이준호, 조정효

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물리학
화학
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

[연구뭐하지?] 우리 몸은 침입 병원체를 어떻게 인식하고 방어하는가?_라젠드라 카르키(Rajendra Karki)교수 | 서울대학교 “선천면역 및 세포사멸 연구실”

우리 몸의 면역 체계는 외부에서 침입하는 바이러스나 박테리아와 같은 병원체를 인식하고 방어하는 복잡한 과정을 거칩니다. 서울대학교 면역학 연구실에서는 건강과 염증, 자가면역 질환의 조절 기저에 깔린 신호 전달의 수수께끼를 풀기 위해 매진하고 있습니다. 특히 병원체가 특정 수용체를 활용하여 면역 반응을 유도하는 방식을 이해하는 것은 감염병 대응 전략 수립의 핵심입니다. 선천 면역 신호 전달과 관련된 분자의 돌연변이는 다양한 염증성 및 대사 질환과 연결되어 있으며, 때로는 사이토카인 폭풍과 같은 치명적인 상태를 초래하기도 합니다. 이러한 분자적 기전을 규명하는 것이 연구의 출발점입니다. 연구의 범위는 단순히 감염병에 국한되지 않고 비만이나 암과 같은 현대인의 주요 질병으로 확장됩니다. 세포가 사멸할 때 어떤 유발 요인이 그 과정을 유도하는지 분석하며, 특히 비만 상태에서 지방 세포가 분화될 때 발생하는 염증 반응과 선천 면역 사이의 상관관계를 탐구합니다. 지방 세포의 변화가 어떻게 대사 질환을 유도하는지 밝히는 과정은 현대 의학의 난제를 해결하는 중요한 열쇠가 됩니다. 또한 암세포의 사멸 과정에서 선천 면역 분자가 수행하는 역할을 연구함으로써, 후천 면역 못지않게 중요한 선천 면역의 가치를 재조명하고 질병 치료의 새로운 가능성을 제시하고자 합니다. 면역학은 인류의 삶에 직접적인 변화를 가져오는 실천적인 분야입니다. 최근 전 세계를 휩쓴 코로나19에 대응하기 위한 mRNA 백신 개발부터 암 면역 요법, 유전자 편집 기술인 크리스퍼(CRISPR)에 이르기까지 면역학의 성과는 눈부십니다. 마이크로바이옴과 면역 체계의 상호작용이나 면역 대사학 같은 분야는 우리가 질병을 바라보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이러한 학문적 진보는 단순히 지식의 확장을 넘어 인류의 건강을 위협하는 다양한 요인들에 맞설 수 있는 강력한 무기를 제공하며 의학의 패러다임을 전환하고 있습니다. 복잡한 생명 현상의 기전을 연구하다 보면 예상치 못한 반전과 마주하게 됩니다. 수많은 실험과 실패를 거듭한 끝에 원하는 결과가 도출되는 순간의 성취감은 무엇과도 바꿀 수 없는 연구의 묘미입니다. 특히 흩어져 있던 데이터들이 하나의 일관된 기전으로 딱딱 맞아떨어질 때 느끼는 희열은 면역학 연구를 지속하게 하는 원동력이 됩니다. 면역학은 외울 것이 많은 까다로운 학문처럼 보일 수 있지만, 그 이면에 숨겨진 논리적인 구조를 이해하기 시작하면 세상에서 가장 흥미로운 탐구 대상이 됩니다. 끊임없이 질문하고 궁금해하는 호기심은 보이지 않는 생명의 원리를 밝혀내는 첫걸음입니다. 성공적인 연구를 위해서는 뛰어난 연구 역량뿐만 아니라 협력과 인내의 자세가 필수적입니다. 연구실의 핵심 가치인 'CODE'는 호기심(Curiosity), 관찰력(Observant), 헌신과 결단력(Dedication), 그리고 탁월함(Excellence)을 의미합니다. 각기 다른 강점을 가진 연구자들이 서로의 장점을 배우고 협력할 때 비로소 혁신적인 성과가 탄생할 수 있습니다. 순수하게 생명 현상의 기전을 밝히는 과정은 때로 고되고 인내심을 요구하지만, 열린 마음으로 소통하며 문제를 해결해 나가는 과정 자체가 과학의 본질입니다. 이러한 철학을 바탕으로 인류가 직면한 과학적 난제들을 하나씩 해결해 나가고자 합니다.

Rajendra Karki(라젠드라 카르키)

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생명과학

[강연] 제 31회 서울대 자연과학 공개강연_'세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래' (1) by 박건웅, 안광석 l 서울대학교&카오스재단 | 1부

서울대학교 자연과학 공개 강연은 1994년부터 시작된 대표적인 과학 나눔 프로그램으로, 올해 31회를 맞이했습니다. 이번 강연의 주제인 '과학자의 꿈과 도전'은 세상을 바꾼 과거의 과학적 성취를 돌아보고, 앞으로 다가올 미래를 과학이 어떻게 열어갈지 탐구하는 데 목적이 있습니다. 인공지능부터 전염병, 탄소 중립, 초전도체에 이르기까지 현대 과학의 핵심 화두를 다루며 청중들에게 과학적 설렘을 전달합니다. 특히 이번 강연은 단순한 지식 전달을 넘어, 과학적 사고가 우리 삶과 사회를 어떻게 변화시키는지 깊이 있게 성찰하는 기회를 제공합니다. 데이터는 현대 인공지능을 움직이는 핵심 원료입니다. 과거에는 실험을 통해 소수의 데이터를 얻었지만, 이제는 매분 엄청난 양의 정보가 쏟아지는 빅데이터 시대에 살고 있습니다. 이러한 데이터는 스마트 팩토리의 생산성을 높이고 마케팅 전략을 최적화하며, 심지어 스포츠 경기에서 승리 확률이 높은 위치를 예측하는 데 활용됩니다. 농구 선수 스테픈 커리의 사례처럼, 데이터를 기반으로 한 기대 득점 분석은 현대 스포츠의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 결국 데이터는 인공지능이 올바른 판단을 내릴 수 있도록 돕는 가장 중요한 기반이 됩니다. 인공지능은 인간의 지적 능력을 컴퓨터로 구현하는 기술로, 시행착오를 거치며 스스로 학습하는 과정을 통해 발전합니다. 자율 주차 프로그램이 수만 번의 사고를 겪으며 완벽한 주차 방법을 익히는 것처럼, 인공지능은 방대한 데이터를 바탕으로 인간의 업무를 효과적으로 대체해 나가고 있습니다. 현재의 인공지능은 시각과 청각을 넘어 후각, 미각, 촉각 등 오감을 정복하려 시도하고 있으며, 이는 궁극적으로 인간과 소통하고 공감하는 자율주행 시스템으로 이어질 것입니다. 이러한 기술적 진보는 인류의 노동을 획기적으로 줄여줄 것으로 기대됩니다. 하지만 현재의 인공지능은 데이터 편향성과 예측의 신뢰성이라는 한계에 직면해 있습니다. 특정 지역이나 문화권에 치우친 데이터는 잘못된 결과를 도출할 수 있으며, 복잡한 모델은 결과의 원인을 설명하지 못하는 '블랙박스 문제'를 야기합니다. 단순히 상관관계를 파악하는 것을 넘어, 사건의 인과관계를 추론하고 인간이 납득할 수 있는 설명을 제공하는 '해석 가능한 AI'의 개발이 시급합니다. 이를 위해서는 수학과 통계학 같은 기초 과학의 발전이 필수적이며, 미래의 인공지능 연구자들은 이러한 근본적인 문제들을 해결하는 데 도전해야 합니다. 인류의 역사는 전염병과의 끊임없는 전쟁이었습니다. 흑사병이나 천연두 같은 질병은 제국의 몰락을 가져오고 세계 지도를 바꾸는 결정적인 역할을 했습니다. 과거에는 과학적 지식의 부재로 기도나 무속 신앙에 의존했지만, 존 스노의 콜레라 역학 조사와 코흐의 세균 발견을 기점으로 전염병 대처 방식은 과학적으로 변모했습니다. 제너의 백신과 파스퇴르의 미생물학 연구는 인류의 평균 수명을 획기적으로 연장하는 기틀이 되었습니다. 이러한 과학적 성취 덕분에 인류는 보이지 않는 적에 맞서 싸울 수 있는 강력한 무기를 갖게 되었습니다. 현대 과학은 mRNA 기술을 통해 코로나19와 같은 팬데믹에 신속하게 대응할 수 있는 플랫폼을 구축했습니다. 하지만 기후 변화와 생태계 파괴로 인해 동물의 바이러스가 인간에게 전파되는 인수공통감염병의 위협은 더욱 커지고 있습니다. 앞으로의 과학은 변이 바이러스에도 대응할 수 있는 범용 백신과 코에 뿌리는 점막 백신 개발에 집중해야 합니다. 팬데믹은 더 이상 예기치 못한 사건이 아니라 충분히 예상 가능한 '회색 코뿔소'와 같습니다. 따라서 기초 과학 연구를 통해 새로운 병원체를 조기에 탐지하고 대응하는 능력을 기르는 것이 무엇보다 중요합니다. 과학의 발전은 단순히 기술의 진보를 의미하는 것이 아니라, 인류가 직면한 거대한 문제를 해결하려는 꿈과 도전의 과정입니다. 인공지능의 한계를 극복하고 새로운 전염병에 맞서기 위해서는 탄탄한 기초 과학 지식과 더불어 세상을 바라보는 넓은 시야가 필요합니다. '코이'라는 물고기가 환경에 따라 크기가 달라지듯이, 과학자의 꿈의 크기가 곧 인류 미래의 한계를 결정합니다. 미래를 이끌어갈 세대들이 기초 과학에 관심을 가지고 끊임없이 질문하며 도전할 때, 과학이 여는 미래는 더욱 밝고 풍요로워질 것입니다.

박건웅, 안광석

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학
수학

콩🫘이 숨을 쉬어요!! 콩(soybean)에서 이산화탄소가 나온다?!😮ㅣ별별실험실x국립과천과학관

우리가 흔히 식탁에서 마주하는 콩은 단순한 식재료 이상의 생명력을 품고 있습니다. 콩의 아랫부분에서 작은 뿌리가 돋아나는 과정을 '발아'라고 부르는데, 이는 식물이 성장을 시작하는 경이로운 순간입니다. 뿌리는 땅속에서 영양분을 흡수하는 중요한 역할을 담당하며, 싹이 트면서 색깔이 변하는 모습도 관찰할 수 있습니다. 처음에는 노르스름하던 콩이 지상으로 올라와 햇빛을 받으면 엽록소가 생성되어 초록색으로 변하며 광합성을 준비하게 됩니다. 만약 콩이 햇빛을 전혀 보지 못한 채 자라게 된다면 어떤 모습이 될까요? 빛이 차단된 환경에서는 광합성이 일어나지 않아 잎이 초록색으로 변하지 못하고 계속 노란색을 유지하게 됩니다. 대신 수분을 지속적으로 공급받으면 뿌리만 길게 자라나는데, 이것이 바로 우리가 즐겨 먹는 콩나물의 원리입니다. 식물은 환경에 따라 자신의 성장 방식을 조절하며, 빛의 유무는 식물의 형태와 색상을 결정짓는 결정적인 요인으로 작용합니다. 식물도 사람처럼 숨을 쉬며 생명을 유지한다는 사실은 매우 흥미롭습니다. 호흡이란 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내뱉는 과정을 말하는데, 발아 중인 콩은 일반 콩에 비해 훨씬 많은 양의 이산화탄소를 배출합니다. 이는 생명체가 성장을 위해 내부 에너지를 생성하고 있다는 증거이며, 눈에 보이지 않는 생명 활동이 콩 내부에서 역동적으로 진행되고 있음을 시사합니다. 식물의 호흡은 우리가 미처 인지하지 못하는 순간에도 끊임없이 이어지는 생존을 위한 필수적인 투쟁입니다. 이산화탄소 측정 센서를 활용하면 콩의 호흡량을 시각적인 그래프로 확인할 수 있습니다. 실험 결과, 싹이 트지 않은 일반 콩은 이산화탄소 배출량에 큰 변화가 없지만, 발아 중인 콩은 그래프가 가파르게 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 식물이 단순히 멈춰 있는 존재가 아니라 끊임없이 주변 환경과 기체를 교환하며 살아 움직이고 있음을 증명합니다. 첨단 장비를 통해 확인한 식물의 호흡은 자연의 신비로움을 직접 체감하게 해주는 흥미로운 지표가 됩니다. 생콩즙에는 '유레이스'라는 특별한 효소가 들어 있어 화학적 변화를 일으키기도 합니다. 이 효소는 요소를 분해하여 암모니아를 만들어내는데, 이 과정을 통해 식물은 성장에 필요한 질소를 얻습니다. BTB 용액을 활용한 실험에서 산성을 띠던 생콩즙이 요소를 분해하며 염기성인 파란색으로 변하는 모습은 매우 인상적입니다. 이러한 효소 활동은 식물이 척박한 환경에서도 스스로 영양분을 확보하고 생존해 나가는 위대한 생명력을 보여주는 사례라고 할 수 있습니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

화학
생명과학

I am 세포(cell)예요🧫 생명체를 이루는 기본적인 단위!ㅣ별별실험실x국립과천과학관

모든 생명체를 이루는 가장 기본적이고 고유한 요소는 바로 세포입니다. 우리 눈에는 보이지 않지만, 생명 활동의 근간이 되는 이 작은 단위를 관찰하기 위해 양파의 표피를 이용할 수 있습니다. 얇은 양파 표피를 받침 유리에 올리고 아세트산 카민 용액으로 핵을 염색하면, 현미경을 통해 벽돌을 차곡차곡 쌓아 올린 듯한 정교한 구조를 마주하게 됩니다. 이 규칙적인 배열 속에서 생명의 질서를 엿볼 수 있습니다. 양파 세포를 자세히 들여다보면 각 세포의 경계를 이루는 단단한 구조를 확인할 수 있습니다. 이는 식물의 형태를 유지하고 외부로부터 보호하는 중요한 역할을 수행합니다. 또한 세포마다 하나씩 자리 잡은 동그란 핵은 생명 활동의 중심지로서 붉게 염색되어 뚜렷한 존재감을 드러냅니다. 벌집이나 잠자리 날개처럼 보이는 이 미세한 구조들은 식물이 살아있음을 증명하는 기초적인 설계도와 같으며, 생명체의 정교함을 잘 보여줍니다. 검정말과 같은 수생 식물을 관찰하면 식물세포의 또 다른 신비로운 특징인 엽록체를 만날 수 있습니다. 현미경의 배율을 높이면 세포 안에서 초록색 알갱이들이 살아 움직이는 듯한 모습을 보이는데, 이것이 바로 광합성을 담당하는 기관입니다. 엽록체는 빛을 따라 세포 내부를 이동하며 에너지를 만들어내는 역동적인 과정을 수행합니다. 동물세포에서는 볼 수 없는 이 초록빛 움직임은 식물이 스스로 영양분을 만드는 생명력을 시각적으로 증명합니다. 백합의 잎에서는 기공을 조절하는 공변세포라는 독특한 구조를 관찰할 수 있습니다. 두 개의 세포가 마주 보고 있는 이 구조는 내부 압력의 차이에 따라 기공을 열고 닫으며 수증기를 내보내는 증산 작용을 조절합니다. 이러한 과정을 통해 식물은 체온을 조절하고 수분 균형을 유지하며 환경에 적응해 나갑니다. 단순히 멈춰 있는 것처럼 보이는 식물의 잎 이면에는 이처럼 정교한 생존 전략과 활발한 대사 활동이 현미경 너머에 숨어 있습니다. 식물세포와 달리 동물세포인 구강상피세포는 일정한 형태의 벽이 없어 비교적 자유롭고 유연한 모양을 띱니다. 메틸렌 블루 용액으로 염색된 상피세포의 핵은 마치 우주를 떠다니는 행성처럼 신비로운 분위기를 자아냅니다. 식물과 동물의 세포는 구성 요소와 구조에서 차이를 보이지만, 각자의 방식대로 생명을 유지하는 경이로움을 간직하고 있습니다. 현미경 너머로 마주한 작은 세포들은 우리 몸 자체가 하나의 거대한 우주임을 다시금 깨닫게 해줍니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

생명과학

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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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

[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

[인터뷰] 백민경 _ 우리만의 단백질 구조 분석법, AI 로제타폴드🧪🔬｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연

단백질은 우리 몸속에서 산소 수송, 음식물 소화, 에너지 대사, 그리고 외부 침입자에 맞서 싸우는 면역 과정에 이르기까지 거의 모든 생명 현상을 매개하는 핵심적인 생체 분자입니다. 이러한 다양한 기능이 가능한 이유는 단백질마다 각기 다른 고유한 3차원 구조를 형성하고 있기 때문입니다. 따라서 단백질의 구조를 명확히 규명하는 일은 생명체가 작동하는 원리를 깊이 있게 이해하는 첫걸음이며, 이를 바탕으로 질병의 원인을 파악하고 치료를 위한 신약 개발의 토대를 마련한다는 점에서 현대 생명과학의 매우 중요한 과제라고 할 수 있습니다. 최근 인공지능 기술의 비약적인 발전은 단백질 구조 예측 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 과거에는 실험을 통해서만 단백질 구조를 파악할 수 있었으나, 이제는 로제타폴드와 같은 인공지능 모델을 통해 아미노산 서열 정보만으로도 정교한 3차원 구조를 예측할 수 있게 되었습니다. 연구팀은 구글 딥마인드의 알파폴드2가 보여준 가능성에 자극받아 독자적인 알고리즘 개발에 착수했으며, 그 결과 수 초에서 수 시간 내에 고정확도의 구조 정보를 얻어내는 성과를 거두었습니다. 이는 인공지능이 복잡한 생물학적 난제를 해결하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 인공지능을 활용한 예측 기술은 단순히 기존 단백질의 형태를 알아내는 것에 그치지 않고, 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하는 '단백질 디자인' 연구로 확장되고 있습니다. 하지만 컴퓨터 계산을 통한 예측이 항상 완벽할 수는 없기에, 인공지능 모델은 반드시 실험적 검증과 병행되어야 합니다. 새롭게 설계된 단백질이 실제로 의도한 기능을 수행하는지, 혹은 인체에 주입했을 때 안전성에 문제는 없는지 확인하는 과정에서 컴퓨터 방법과 실험 방법은 서로를 보완하며 함께 발전해 나가는 필수적인 파트너 관계를 형성하고 있습니다. 현재 전 세계적으로 수억 개의 단백질 구조 데이터가 구축되면서 이를 활용한 응용 연구가 활발히 진행 중입니다. 구조 기반의 신약 개발은 물론이고, 환경 문제 해결을 위한 혁신적인 시도들도 이어지고 있습니다. 예를 들어 광합성 관련 단백질의 구조를 정밀하게 분석하여 빛 흡수 효율이 극대화된 새로운 단백질을 설계한다면, 태양광 발전의 효율을 획기적으로 높여 에너지 문제를 해결하는 데 기여할 수 있습니다. 이처럼 단백질 구조 연구는 의료 분야를 넘어 인류가 직면한 에너지와 환경 등 다양한 사회적 난제를 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 과학의 진정한 묘미는 서로 다른 기술과 사람이 만나 새로운 길을 만들어내는 '연결'에 있습니다. 양자역학에서 시작된 기초 과학이 반도체와 컴퓨터 기술을 거쳐 인공지능으로 진화하고, 다시 생명과학과 결합하여 혁신을 일으키는 과정은 기술 간 연결의 힘을 잘 보여줍니다. 또한 로제타폴드 개발 과정에서 화학, 인공지능, 생명과학 등 각 분야 전문가들이 긴밀하게 협업했듯이, 다양한 시각을 가진 과학자들의 소통과 연대는 현대 과학이 한계를 극복하고 다음 단계로 도약하게 만드는 가장 강력한 원동력이자 미래 과학이 나아가야 할 방향입니다.

백민경

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[대담] 과학이 연결하는 삶, 사회, 미래 l 제30회 서울대 자연과학대학 공개강연

코로나19 팬데믹은 우리 사회의 수많은 연결을 단절시켰지만, 동시에 연결의 진정한 의미를 되새기게 하는 계기가 되었습니다. 지난 2년여의 시간 동안 우리는 대면 접촉이 제한된 환경 속에서 온라인이라는 새로운 통로를 통해 소통을 이어왔습니다. 이러한 경험은 우리에게 단순한 지식의 전달을 넘어, 사람과 사람이 직접 만나 교감하는 것이 얼마나 소중한 가치를 지니는지 깨닫게 해 주었습니다. 이제 우리는 포스트 코로나 시대를 맞이하며, 과거의 연결 방식을 단순히 복원하는 것을 넘어 더 깊고 본질적인 연결을 고민해야 하는 시점에 서 있습니다. 대학 생활의 시작과 함께 팬데믹을 맞이한 이른바 '코로나 학번'들은 연결의 단절을 가장 직접적으로 경험한 세대입니다. 캠퍼스의 낭만 대신 모니터 앞에서의 비대면 수업에 익숙해져야 했던 이들은 교수님과의 교감이나 선후배 간 유대감 형성에 큰 어려움을 겪었습니다. 온라인 수업은 효율성 측면에서 장점이 있었지만, 공동체 의식을 느끼거나 인간관계를 확장하는 데에는 한계가 분명했습니다. 이러한 결핍의 경험은 역설적으로 오프라인에서의 만남과 실제적인 소통이 개인의 성장과 정서적 안정에 얼마나 필수적인 요소인지를 다시금 확인시켜 주었습니다. 현대 사회는 인터넷과 SNS의 발달로 인해 언제 어디서나 타인과 연결될 수 있는 초연결 사회로 진입했습니다. 하지만 이러한 과잉 연결은 때로 우리에게 심리적 부담과 강박을 안겨주기도 합니다. 알고리즘이 권하는 정보에 매몰되거나 타인의 삶과 자신을 끊임없이 비교하며 소외감을 느끼는 현상이 나타나고 있기 때문입니다. 우리는 더 많은 사람과 연결되어야 한다는 강박에서 벗어나, 어떤 연결이 진정으로 나에게 유익한지 선별할 수 있는 능력을 길러야 합니다. 무분별한 연결의 홍수 속에서 자신을 지키는 절제와 제어가 필요한 시대입니다. 네트워크 과학의 관점에서 볼 때, 가장 흥미로우면서도 다루기 어려운 연결 중 하나는 바로 자기 자신과의 연결인 '자기 연결(Self-link)'입니다. 외부 세계와의 연결이 과잉된 상태에서는 정작 내가 누구인지, 내가 진정으로 원하는 것이 무엇인지 고민할 시간이 부족해집니다. 일기를 쓰거나 명상을 하는 등 자신과 대화하는 시간을 갖는 것은 복잡한 네트워크 속에서 자아를 잃지 않기 위한 필수적인 과정입니다. 타인과의 관계를 잠시 끊어내고 고독을 즐길 줄 아는 능력은, 오히려 타인과 더 건강하고 깊이 있게 연결될 수 있는 단단한 내면의 기초가 됩니다. 연결의 개념은 인간 사회를 넘어 생태계 전체로 확장되어야 합니다. 우리가 무심코 사용하는 플라스틱이 남태평양 알바트로스의 생명을 위협하는 것처럼, 지구상의 모든 존재는 보이지 않는 끈으로 촘촘히 연결되어 있습니다. 21세기의 연결은 단순히 정보의 교환을 넘어, 우리의 행동이 자연과 비인간 존재들에게 어떤 영향을 미치는지 성찰하는 책임감을 포함해야 합니다. 보이지 않는 통로를 통해 전달되는 부정적인 영향력을 차단하고, 공존을 위한 새로운 연결망을 설계하는 것은 미래 세대가 짊어져야 할 중요한 과제이자 인류의 생존이 걸린 문제입니다. 새로운 시대의 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 단일 학문의 경계를 넘어선 학문 간 융합이 필수적입니다. 자연과학과 사회과학, 인문학이 서로 소통하며 지식의 지평을 넓힐 때 비로소 창의적인 해법이 도출될 수 있습니다. 한 분야에만 매몰되지 않고 다양한 학문의 세계를 여행하는 태도는 세상을 바라보는 시야를 넓혀줍니다. 실험실의 데이터가 사회적 맥락과 만나고, 철학적 사유가 과학적 발견과 결합할 때 우리는 더 나은 미래를 설계할 수 있는 힘을 얻게 됩니다. 학문 간 융합은 단순한 지식의 합을 넘어 새로운 가치를 창출하는 원동력이 됩니다. 결국 포스트 코로나 시대의 연결은 양적인 팽창보다는 질적인 깊이를 지향해야 합니다. 디지털 기술을 활용한 효율적인 연결과 대면을 통한 감성적인 연결이 조화를 이룰 때, 우리 삶은 더욱 풍요로워질 것입니다. 또한 자기 자신과의 연결을 통해 내면을 다지고, 타인 및 자연과의 관계에서 윤리적 책임을 다하는 태도가 필요합니다. 연결은 단순히 점과 점을 잇는 행위가 아니라, 서로의 존재를 인정하고 함께 성장해 나가는 과정입니다. 우리가 만들어갈 미래의 연결망이 더욱 따뜻하고 지속 가능한 모습이기를 기대하며, 새로운 소통의 여정을 시작해야 할 때입니다.

김홍중, 신석민

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학
융합

[강연] 제30회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학이 다시 연결하는...' (2) by 손상모, 백민경 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

서울대학교 자연과학 공개 강연이 어느덧 30주년을 맞이하며 과학 나눔의 소중한 가치를 되새기고 있습니다. 이번 강연의 핵심 주제인 '연결'은 과학이 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 보이지 않는 세계를 잇고 인류의 호기심을 현실로 만드는 가교임을 상징합니다. 거대한 우주의 기원부터 우리 몸속 미세한 단백질의 구조에 이르기까지, 과학은 서로 다른 영역을 하나의 맥락으로 묶어내며 인류가 나아갈 새로운 방향과 무한한 가능성을 제시하고 있습니다. 제임스웹 우주망원경은 인류가 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 혁신하고 있습니다. 허블 우주망원경의 뒤를 이어 더 멀리, 더 선명하게 우주 초기를 들여다보기 위해 설계된 이 망원경은 무려 135억 년 전의 빛을 추적합니다. 적외선 관측 기술을 통해 가시광선으로는 결코 볼 수 없던 우주 먼지 구름 너머의 별 탄생 과정과 초기 은하의 형성을 생생하게 포착함으로써, 우리는 우주의 기원과 인류의 뿌리에 대해 이전보다 훨씬 깊이 있는 이해를 얻게 되었습니다. 이 경이로운 망원경은 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 제2 라그랑주 점(L2)이라는 특수한 지점에서 임무를 수행합니다. 태양의 강력한 열기를 차단하는 테니스장 크기의 거대한 태양 차단막과 적외선을 효과적으로 반사하기 위해 순금으로 도금된 육각형 거울들은 현대 공학 기술의 정수를 보여줍니다. 영하 230도 이하의 극저온 환경을 유지하며 우주 끝에서 오는 미세한 신호를 포착해내는 기술력은 인류의 지적 탐구심이 도달할 수 있는 한계가 어디까지인지를 증명합니다. 거시적인 우주에서 시선을 돌려 우리 몸속의 미시 세계를 살펴보면 생명 현상의 핵심인 단백질이라는 경이로운 분자를 만나게 됩니다. 단백질은 우리 몸의 거의 모든 생체 반응에 관여하지만, 그 복잡한 3차원 구조를 정확히 밝혀내는 일은 과학계의 오랜 난제였습니다. 최근 인공지능 기술은 이 문제를 획기적으로 해결하며 생명과학의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 수개월에서 수년이 걸리던 구조 분석을 단 몇 시간 만에 정확히 예측해내며 신약 개발의 속도를 앞당기고 있습니다. 인공지능이 단백질 구조를 예측할 수 있는 비결은 수억 년에 걸친 진화의 역사 속에 숨겨진 패턴을 찾아내는 데 있습니다. 생명체가 생존을 위해 유지해온 단백질 서열의 변화를 분석하면, 특정 구조를 형성하기 위한 생물학적 규칙을 발견할 수 있습니다. 방대한 빅데이터와 인공지능 알고리즘의 결합은 복잡한 생물학적 원리를 데이터 과학의 언어로 재해석해냈습니다. 이러한 기술적 진보는 질병의 원인을 규명하고 맞춤형 치료제를 설계하는 데 있어 강력한 도구가 되고 있습니다. 현대 과학의 비약적인 발전은 단일 분야의 성과를 넘어 서로 다른 학문이 만날 때 비로소 가속화됩니다. 인공지능 전문가와 생물학자가 소통하며 새로운 알고리즘을 설계하고, 물리학과 화학의 원리가 정밀한 공학적 설계에 녹아드는 과정은 융합의 중요성을 잘 보여줍니다. 서로 다른 언어를 사용하는 전문가들 사이를 잇는 '브리징 피플'의 역할은 이제 필수적입니다. 학문 간의 경계를 허무는 유연한 사고와 협업이야말로 복잡한 현대 사회의 난제들을 해결하는 진정한 열쇠입니다. 포스트 코로나 시대를 맞이하며 우리는 단절되었던 관계를 회복하고 새로운 형태의 연결을 모색하고 있습니다. 과학은 과거의 빛을 통해 미래를 예측하고, 작은 분자의 구조를 통해 인류의 건강을 지키는 등 끊임없이 세상을 연결하는 역할을 수행합니다. 이번 강연은 과학이 단순한 학문적 유희를 넘어 우리 삶의 가치와 맥락을 잇는 소중한 매개체임을 다시 한번 일깨워주었습니다. 과학을 통해 넓어진 시야는 우리 각자가 꿈꾸는 미래를 더욱 선명하게 그려나가는 힘이 될 것입니다.

백민경, 손상모

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학
천문학

[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

[인터뷰] 신승관 _ 알고 보면 고마운 구더기 | 2022 '진화가 필요한 순간'

곤충은 우리 주변 어디에나 존재하지만, 많은 이들이 본능적인 거부감을 느낍니다. 서울대학교에서 20년 넘게 곤충의 진화와 유전체를 연구해 온 전문가의 시선으로 보면, 이러한 공포는 생존을 위해 필수적인 방어 기제였을 가능성이 매우 큽니다. 독이 있거나 질병을 옮기는 개체를 피하려는 본능이 학습과 경험을 통해 대를 이어 전달된 결과인 셈입니다. 곤충을 단순히 혐오의 대상으로만 보지 않고 그들의 생태적 가치와 진화 과정을 깊이 있게 이해한다면, 우리가 가진 막연한 두려움은 새로운 호기심과 존중으로 충분히 바뀔 수 있습니다. 곤충의 역사를 추적하는 데 있어 화석은 결정적인 단서를 제공합니다. 영화 속 장면처럼 나무 수액에 갇혀 굳어진 호박 화석은 수천만 년 전 곤충의 원형을 생생하게 보존하고 있습니다. 또한, 새우나 게와 같은 갑각류와 친척 관계인 곤충은 키틴질의 단단한 외골격을 가지고 있어, 점토층에 묻혀 강한 압력을 받으면 그 형태가 정교하게 남기도 합니다. 이러한 화석 기록들은 수억 년 전 초기 곤충들이 마디마다 다리가 있던 원시적인 구조에서 오늘날의 정교한 신체 구조로 어떻게 변화해 왔는지를 명확하게 보여주는 소중한 기록 유산입니다. 최근 미래 식량 자원으로 주목받는 식용 곤충에 대해서는 여전히 논란과 기대가 공존합니다. 메뚜기 튀김이나 누에나방 번데기처럼 이미 익숙한 경우도 있지만, 대중적인 주류 식품으로 자리 잡기까지는 넘어야 할 산이 많습니다. 가장 큰 장벽은 심리적인 혐오감과 더불어 엄격한 식품위생법상의 제한입니다. 곤충이 영양학적으로 우수하고 환경 친화적인 단백질 공급원인 것은 분명하지만, 대중의 입맛을 사로잡는 미식의 영역으로 들어오기까지는 시간이 더 필요해 보입니다. 가까운 미래에 주류 식량이 되기보다는 특별한 별미로서의 위치를 유지할 가능성이 큽니다. 우리가 흔히 혐오하는 해충이 때로는 생명을 구하는 익충으로 변모하기도 합니다. 대표적인 사례가 바로 파리의 애벌레인 구더기입니다. 불결함의 상징처럼 여겨지는 구더기 중 특정 종은 살아있는 조직은 건드리지 않고 썩은 살만 골라 먹는 특성이 있습니다. 이러한 성질을 이용해 당뇨 합병증 등으로 괴사한 상처 부위를 치료하는 의료용 구더기가 실제 임상에서 활용되고 있습니다. 이는 인간의 관점에서 규정한 '해충'이라는 정의가 상황에 따라 얼마나 상대적일 수 있는지를 보여주며, 자연계의 모든 생명체가 각자의 고유한 역할을 수행하고 있음을 시사합니다. 곤충의 신체 구조는 오랜 진화의 산물로, 일정한 규칙 안에서 다양성을 꽃피워 왔습니다. 초기에는 마디마다 다리가 달린 원시적인 구조였으나, 진화를 거듭하며 머리, 가슴, 배의 구분과 다리 6개, 날개 4개라는 정교한 신체 구조를 완성했습니다. 척추동물이 기본적인 골격 구조를 유지하며 변주되듯, 곤충 역시 이 기본 틀 안에서 코가 길어지거나 등이 넓어지는 등의 세부적인 변화를 통해 환경에 적응해 왔습니다. 이처럼 정교하게 완성된 생물학적 구조는 곤충이 지구상에서 가장 번성한 동물군으로 자리 잡을 수 있었던 핵심적인 비결이라고 할 수 있습니다.

신승관

카오스재단석학인터뷰

생명과학

죽음의 병마로부터 인류를 구한 사람들, 그들은 누구일까? | 과학쿠키 다큐 단편

천연두는 과거 인류에게 가장 공포스러운 질병 중 하나였으나, 에드워드 제너의 종두법 발견으로 인류는 처음으로 감염병을 완벽하게 제압하는 경험을 했습니다. 제너는 소젖을 짜는 여인들이 천연두에 걸리지 않는다는 사실에 주목하여 우두 바이러스를 이용한 인공 면역법을 고안해냈습니다. 이는 오늘날 백신이라는 개념의 시발점이 되었으며, 의학이 단순히 환자를 돌보는 수준을 넘어 과학적 원리를 통해 질병을 예방하고 제어하는 의과학의 패러다임으로 진화하는 계기가 되었습니다. 의과학은 생명현상의 근원을 탐구하는 생명과학과 질병 치료를 목적으로 하는 의학이 결합된 응용 학문입니다. 단순히 생물학적 지식에만 국한되지 않고 물리학, 화학, 통계학, 공학 등 다양한 학문적 성과를 집약하여 질병의 발생 기전을 이해하고자 노력합니다. 예를 들어 수학적 계산을 통해 유전체를 분석하거나 정밀한 이미지 처리를 통해 체내 세포의 움직임을 관찰하는 등 현대 과학의 정수가 모여 있습니다. 이러한 융합적 접근은 인류가 생로병사의 수수께끼를 풀어나가는 강력한 도구가 됩니다. 인류를 위협한 코로나19 팬데믹 상황에서 의과학의 가치는 더욱 빛을 발했습니다. 전례 없는 속도로 백신이 개발될 수 있었던 배경에는 바이러스의 구조를 규명한 구조생물학자, 면역 반응을 연구한 면역학자, 그리고 mRNA 기술을 보유한 기초 의과학자들의 긴밀한 협업이 있었습니다. 개별적인 진료 환경에서는 해결하기 어려운 거대한 보건 위기를 극복하기 위해, 다양한 분야의 전문가들이 '팀 사이언스'를 통해 인프라를 구축하고 새로운 해결책을 도출해낸 것은 현대 의과학이 지향해야 할 방향을 잘 보여줍니다. 실제 연구 현장에서는 질병의 기전을 밝히기 위해 정교한 동물 모델링과 실시간 관찰 기술이 활용됩니다. 유전자 변형 생쥐를 통해 비만이나 대사 질환의 원인을 분석하고, 특수 현미경을 이용해 패혈증 환자의 폐에서 혈류가 어떻게 막히는지 생생하게 관찰하기도 합니다. 이러한 과정은 단순한 관찰에 그치지 않고, 문제가 되는 특정 분자나 물질을 찾아내어 이를 제어하는 약물을 개발하는 전임상 단계로 이어집니다. 이는 임상 의사와 과학자의 시각이 결합될 때 가장 효율적인 성과를 낼 수 있는 영역입니다. 노벨 생리의학상의 역사를 살펴보면 의과학의 발전 과정을 한눈에 알 수 있습니다. CT 기술의 개발, 프리온 단백질의 규명, HIV 바이러스 발견 등은 모두 인간의 질병을 해결하기 위해 과학적 방법론을 성공적으로 적용한 사례들입니다. 따라서 노벨 생리의학상은 순수 생명과학보다는 의과학 분야의 공헌자들에게 수여되는 명예로운 훈장이라 할 수 있습니다. 이처럼 의과학의 진보는 인류의 건강을 증진시키는 기술적 토대가 되며, 이를 통해 우리는 보이지 않는 병원체와의 싸움에서 승리할 수 있는 전략을 마련합니다. 현재 우리나라의 우수한 인재들이 의과대학으로 집중되고 있지만, 이들이 환자를 진료하는 임상에만 머무는 것은 국가적으로 큰 손실일 수 있습니다. 전체 의사의 약 10% 정도는 연구에 전념하는 의사과학자로 성장하여 질병의 근본적인 해결책을 찾아내는 역할을 수행해야 합니다. 임상 현장에서 느끼는 의학적 질문을 과학적 탐구로 연결할 수 있는 연구 환경은 혁신적인 치료제나 진단 기술의 탄생을 가능케 합니다. 이를 위해 기초과학과 임상 의학을 잇는 가교 역할로서 의사과학자의 양성이 절실한 시점입니다. 의과학의 최종적인 목표는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어 인류의 보편적인 행복과 인권 향상에 기여하는 것입니다. 암이나 치매와 같은 난치성 질환을 정복하고, 건강한 수명을 연장하며, 개인의 유전적 특성에 맞는 맞춤형 정밀 의료를 실현하는 과정이 모두 여기에 포함됩니다. 모든 과학적 탐구가 결국 '인간에 대한 이해'로 수렴하듯이, 의과학은 우리가 더 건강하고 품격 있는 삶을 누릴 수 있도록 돕는 가장 핵심적인 학문입니다. 미래의 의과학은 상상 속의 기술을 현실로 만들어내며 인류의 복지를 책임질 것입니다.

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생명과학
융합

[인터뷰] 김영준 _ 후성유전학으로 슈퍼 휴먼을 만들 수 있을까? | 2022 카오스강연 '진화'

생명체는 단순히 부모로부터 물려받은 유전 정보의 집합체 그 이상입니다. 우리 몸을 구성하는 수조 개의 세포는 모두 동일한 DNA를 가지고 있지만, 각기 다른 기능을 수행하며 조화롭게 작동합니다. 이는 유전자가 단순히 설계도 역할을 하는 것에 그치지 않고, 상황에 따라 특정 부분이 켜지거나 꺼지는 정교한 조절 과정을 거치기 때문입니다. 이러한 생명의 신비는 현대 생물학의 핵심적인 연구 주제가 되고 있으며, 우리가 생명을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 최근 주목받는 후성유전학은 유전자 염기서열 자체의 변화 없이도 유전자 발현이 조절되는 현상을 다룹니다. 우리가 먹는 음식, 생활 습관, 그리고 처한 환경은 유전자에 일종의 '꼬리표'를 붙여 그 기능을 변화시킵니다. 이는 타고난 유전자가 운명을 결정짓는 절대적인 요소가 아님을 시사합니다. 즉, 후천적인 노력과 환경 개선을 통해 유전적 잠재력을 최적화하고 질병을 예방할 수 있는 가능성이 열려 있는 것입니다. 이러한 관점은 현대인의 건강 관리에 있어 매우 중요한 시사점을 제공합니다. 세포 내에서 유전자 발현을 조절하는 대표적인 기전으로는 DNA 메틸화와 히스톤 변형이 있습니다. DNA의 특정 부위에 메틸기가 결합하면 해당 유전자의 스위치가 꺼지게 되며, 히스톤 변형은 DNA의 응축 정도를 조절하여 유전 정보에 대한 접근성을 결정합니다. 이러한 화학적 변화들은 세포의 기억으로 남아 다음 세대로 전달되기도 하며, 노화나 암과 같은 다양한 생리적 현상과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이는 분자 수준에서 일어나는 매우 정교하고 복잡한 생화학적 반응의 결과물입니다. 노화 과정에서 나타나는 후성유전학적 변화는 생체 시계의 역할을 하기도 합니다. 나이가 들면서 특정 유전자의 메틸화 패턴이 변하는 현상을 분석하면, 실제 달력상의 나이와는 다른 생물학적 연령을 측정할 수 있습니다. 이는 개인의 건강 상태를 정밀하게 진단하고 맞춤형 관리를 제공하는 데 중요한 지표가 됩니다. 결국 건강한 노년은 유전적 요인과 후천적 관리가 결합된 결과물이라고 할 수 있으며, 이를 통해 우리는 더 건강한 삶을 설계할 수 있는 과학적 근거를 얻게 됩니다. 미래 의학의 핵심은 개인의 유전적 특성과 후성유전학적 상태를 동시에 고려하는 정밀 의료에 있습니다. 특정 질병에 취약한 유전자를 가졌더라도, 후성유전학적 조절을 통해 질병의 발현을 억제하거나 지연시키는 치료법이 개발되고 있습니다. 이러한 연구는 암 치료뿐만 아니라 대사 질환, 신경 퇴행성 질환 등 다양한 분야에서 혁신적인 돌파구를 마련할 것으로 기대됩니다. 인류는 이제 유전자의 지배를 받는 존재에서 유전자를 이해하고 조절하는 주체로 거듭나고 있으며, 이는 의학의 패러다임을 바꿀 것입니다.

김영준

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생명과학

[질문과 토론의 과학 #32] 🧬알파폴드, 단백질 구조 예측 분야 평정!

화학은 전통적으로 하얀 가운을 입고 실험실에서 수행하는 학문으로 인식되어 왔습니다. 하지만 물리학의 발전과 함께 분자라는 물리 현상을 설명할 수 있는 이론들이 정립되면서 물리화학이라는 분야가 탄생했습니다. 이제는 종이 위에서 이론을 푸는 단계를 넘어 컴퓨터를 활용해 분자의 성질을 밝혀내는 계산화학이 중요한 역할을 하고 있습니다. 양자화학이나 분자동역학 같은 분야를 통해 실험으로 관찰하기 어려운 미세한 현상이나 찰나의 순간을 예측하는 것이 가능해졌으며, 이는 현대 화학 연구의 필수적인 도구가 되었습니다. 단백질 구조 예측이 계산화학 분야에서 난제로 꼽히는 이유는 크게 두 가지입니다. 첫째는 수천 개의 원자로 구성된 단백질의 상호작용을 양자역학적으로 완벽하게 계산하기에는 현재의 컴퓨터 성능으로도 한계가 있기 때문입니다. 둘째는 단백질이 긴 사슬 모양으로 되어 있어 접힐 수 있는 경우의 수가 무수히 많다는 점입니다. 자연의 법칙을 최대한 단순화하여 근사치를 구하려 노력하지만, 실제 구조와 100% 일치하는 에너지 함수를 찾아내는 것은 여전히 복잡하고 어려운 과제로 남아 있어 전 세계 과학자들이 이 문제에 도전하고 있습니다. 단백질 구조 예측의 월드컵이라 불리는 CASP 대회에서 최근 가장 큰 화두는 구글 딥마인드의 알파폴드였습니다. 바둑 인공지능인 알파고를 통해 축적된 노하우와 데이터 처리 기술이 단백질 구조 예측에 접목되면서 놀라운 성과를 거두었습니다. 알파폴드는 기존 과학자들이 정립한 개념과 엔지니어들의 기술력을 성공적으로 결합하여 새로운 돌파구를 마련했습니다. 이는 인공지능이 단순히 게임의 영역을 넘어 생명과학의 근본적인 문제를 해결하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사하는 중요한 사건이었으며, 과학계에 큰 자극을 주었습니다. 알파폴드의 성공 뒤에는 인공지능 기술뿐만 아니라 뛰어난 과학자들과의 협업이 있었습니다. 특정 연구자의 혁신적인 논문이 구글 딥마인드의 기술력과 만나면서 폭발적인 시너지를 낸 것입니다. 단백질은 우리 몸의 효소, 호르몬, 항체 등을 구성하는 핵심 물질이며, 그 복잡한 구조가 곧 생체 내에서의 기능을 결정합니다. DNA의 유전 정보가 아미노산 서열을 만들고, 이것이 입체적으로 꼬이고 접히며 완성되는 과정은 생명 현상의 신비 그 자체라고 할 수 있습니다. 구조가 기능을 결정한다는 원칙 아래, 단백질의 형태를 파악하는 것은 생명 과학의 핵심입니다. 인공지능의 발전으로 단백질 구조 예측의 정확도가 높아지면서 난치병 치료에 대한 기대감도 커지고 있습니다. 하지만 구조를 아는 것만으로 모든 질병이 해결되는 것은 아니며, 실제 치료와 연결되기 위해서는 여전히 넘어야 할 산이 많습니다. 최근에는 알파폴드 2를 기반으로 한 로제타폴드와 같은 프로그램들이 등장하며 연구의 저변이 확대되고 있습니다. 특히 한국인 과학자들의 활약도 두드러지는 이 분야는, 인공지능과 기초 과학의 융합을 통해 인류의 건강과 생명의 비밀을 풀어나가는 새로운 시발점이 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[인터뷰] 김유섭 _ '진화는 어떻게 일어나는가?'를 푸는 집단유전학 | 2022 카오스강연 '진화'

진화생물학은 생명체가 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 탐구하는 학문으로, 무생물과는 비교할 수 없을 만큼 복잡한 생명의 신비를 다룹니다. 이 분야의 매력은 연구 방법의 다양성에 있습니다. 자연 속에서 동식물을 관찰하는 현장 연구자부터 실험실에서의 정밀한 분석을 즐기는 학자, 그리고 고도의 수학적 모델을 설계하는 이론가까지 각기 다른 배경을 가진 이들이 모여 학문적 토대를 쌓아 올립니다. 이러한 다학제적 성격은 진화생물학만이 가진 독창적인 면모이자 연구자들을 매료시키는 핵심 요소입니다. 지구상의 거대한 생물다양성을 설명하는 핵심 열쇠임에도 불구하고, 그동안 국내 진화생물학계의 규모는 주요 선진국에 비해 상대적으로 작았습니다. 생물학 커뮤니티 내에서 진화생물학의 중요성은 인지되어 왔으나, 이를 뒷받침할 체계적인 학술 조직의 부재가 아쉬움으로 남았습니다. 다행히 최근 뜻을 함께하는 연구자들이 모여 한국진화학회를 창립하며 새로운 전기를 마련했습니다. 약 40여 명의 정회원이 힘을 모은 이번 학회 설립은 국내 진화생물학 연구의 구심점 역할을 할 것으로 기대됩니다. 현재 우리나라 진화생물학 분야에는 흥미로운 불균형이 존재합니다. 대중 과학 서적 시장에서는 진화생물학 관련 도서가 큰 인기를 끌고 독자들의 관심도 매우 높지만, 정작 새로운 지식을 창출하는 전문 연구 인력은 턱없이 부족한 실정입니다. 이는 마치 관객과 평론가는 넘쳐나는데 정작 영화를 만드는 감독과 배우가 부족한 영화계의 모습과도 같습니다. 따라서 이제는 연구자 간의 네트워크를 공고히 구축하고, 차세대 진화생물학자들을 체계적으로 육성하여 학문의 내실을 다지는 노력이 절실한 시점입니다. 진화생물학은 더 이상 다른 생물학 분야와 동떨어진 고립된 학문이 아닙니다. 유전체학, 분자생물학, 바이러스학 등 현대 생물학의 주류 분야들과 긴밀하게 상호작용하며 함께 발전하는 단계에 접어들었습니다. 특히 호모 사피엔스가 어떻게 독보적인 생존 능력을 갖추게 되었는지, 그리고 다른 호미닌 종들의 멸종과 현재의 생태계 변화에 어떤 영향을 미쳤는지를 이해하는 데 진화적 관점은 필수적입니다. 한국진화학회는 이러한 학문 간 경계를 허물고 다양한 협력 과제를 수행하며 진화생물학의 지평을 넓혀갈 계획입니다. 진화의 구체적인 기제를 다루는 집단유전학은 진화가 어떤 방식으로 일어나는지를 과학적으로 규명하는 학문입니다. 20세기 초중반 기초를 닦은 창시자들의 시대를 지나, 현재는 방대한 유전 데이터를 바탕으로 '집단유전학의 르네상스'라고 불릴 만큼 눈부신 발전을 거듭하고 있습니다. 집단유전학의 탄생 배경부터 그 과정에서 발생한 학술적 갈등, 그리고 오늘날 현대 생물학에서 꽃을 피우기까지의 전 과정을 살펴봄으로써, 진화라는 거대한 흐름을 이해하는 유익한 토대를 마련할 수 있습니다.

김유섭

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

[국립광주과학관 X GIST] 7월 과학스쿨 -디지털 세포

생명체의 기본 단위인 세포는 정보를 저장하고 처리하는 '디지털 세포'의 성격을 가집니다. 세포 내부에는 생명 활동을 조절하는 설계도가 정교하게 기록되어 있으며, 현대 생명과학은 이 데이터를 컴퓨터 알고리즘으로 분석하여 질병의 원인을 찾아냅니다. 이는 생명 현상이 논리적인 정보 처리 시스템에 기반하고 있음을 의미하며, 우리가 세포의 언어를 해독함으로써 인체의 신비를 풀어낼 수 있는 근거가 됩니다. 세포의 핵 안에는 인간을 구성하는 모든 설계도인 DNA가 이중나선 형태로 저장되어 있습니다. 약 30억 쌍의 염기서열로 이루어진 이 정보는 세포 하나당 약 2미터에 달하는 길이를 가지며, 우리 몸 전체의 DNA를 연결하면 지구와 달을 수천 번 왕복할 수 있을 만큼 방대합니다. 이처럼 작은 세포 안에 압축된 거대한 데이터는 생물학적 기능을 수행하는 근간이 되며, 과학자들은 이 정보의 바다를 읽어내어 세포의 역할을 정밀하게 추적합니다. DNA에 저장된 정보가 실제로 기능을 발휘하기 위해서는 RNA를 거쳐 단백질로 전환되는 과정이 필요합니다. 도서관의 모든 요리책이 DNA라면, 특정 요리를 하기 위해 필요한 페이지만 복사한 것이 RNA이며, 이를 바탕으로 만들어진 음식이 단백질에 해당합니다. 만약 이 정보 전달 과정에서 염기서열에 돌연변이가 발생하면 잘못된 단백질이 생성되어 질병으로 이어질 수 있으므로, RNA 정보를 정밀하게 해독하는 기술은 질병 기전 이해에 핵심적입니다. 흥미로운 점은 인체의 모든 세포가 동일한 DNA를 가졌음에도 불구하고 각기 다른 형태와 기능을 가진다는 것입니다. 이는 후성유전학이라 불리는 조절 기작 덕분에 가능합니다. DNA가 감긴 정도에 따라 어떤 유전자는 활발하게 읽히고 어떤 유전자는 잠재워지는데, 이러한 작동 매뉴얼의 차이가 세포의 정체성을 결정합니다. 일란성 쌍둥이가 환경에 따라 다른 특성을 보이는 이유도 유전자 발현 양상이 달라지기 때문이며, 이는 생명이 유연한 시스템임을 보여줍니다. 과거 수조 원의 비용이 들었던 인간 게놈 프로젝트는 이제 기술 혁신을 통해 단 며칠 만에 저렴한 비용으로 개인 유전체를 분석할 수 있는 수준에 도달했습니다. 시퀀싱 기술의 발전은 연구실의 거대 장비를 넘어 휴대용 진단 기기로까지 진화하여, 현장에서 즉각적으로 바이러스를 탐지하거나 개인의 질병 취약성을 분석하는 일을 가능하게 했습니다. 막대한 데이터를 컴퓨터로 분석하는 데이터 과학의 중요성이 커지면서 생명과학은 정밀한 정보 공학의 영역으로 확장되고 있습니다. 최근의 연구는 조직 전체를 분석하던 방식에서 벗어나, 세포 하나하나의 유전자 발현을 측정하는 '단일 세포 RNA 시퀀싱' 단계로 진입했습니다. 여러 과일이 섞인 스무디의 맛으로 성분을 추측하던 과거와 달리, 이제는 각각의 과일 조각을 따로 살펴보는 것처럼 정밀한 분석이 가능해진 것입니다. 이를 통해 과학자들은 인체의 모든 세포 상태를 기록하는 '휴먼 셀 아틀라스'를 구축하고 있으며, 이는 인체라는 미지의 지도를 완성하여 치료의 새로운 이정표를 제시할 것입니다. 디지털 세포 분석 기술은 미래의 개인 맞춤형 의료를 실현하는 핵심 동력이 될 것입니다. 동일한 암 환자라도 세포마다 유전적 특성이 다르기 때문에, 단일 세포 수준의 정보를 활용하면 각 환자에게 가장 효과적인 약물 조합을 찾아낼 수 있습니다. 환자의 소변이나 혈액 속 세포 정보를 분석하여 질병을 조기에 진단하고 최적의 치료법을 제시하는 정밀 의료는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니며, 인류가 질병을 극복하는 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다.

국립광주과학관강연&포럼

생명과학
융합

[질토과+짧강] 🧬생명현상과 엔트로피_by성재영｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강

통계역학의 관점에서 생명은 매우 특별한 상태입니다. 우리 주변의 공기 입자들이 갑자기 한쪽으로 쏠려 숨을 쉬지 못하게 될 확률은 거의 0에 가깝습니다. 이는 마치 원숭이가 타자기를 쳐서 지구상의 모든 정보를 우연히 기록할 확률만큼이나 희박한 일입니다. 생명체는 이처럼 무한히 낮은 확률을 뚫고 고도의 질서를 유지하는 존재입니다. 수많은 분자가 모여 하나의 생명체를 이루고 그 상태를 지속하는 것은 에너지를 끊임없이 소비하며 엔트로피 증가에 저항하는 경이로운 과정이라 할 수 있습니다. 우리가 세상을 보고 듣는 감각 현상 또한 정교한 화학 반응의 산물입니다. 눈의 망막에 있는 분자들은 빛을 받으면 구조를 바꾸며 전기 신호를 생성하고, 귀의 청각 세포들은 소리의 진동에 맞춰 움직이며 이온을 흐르게 합니다. 이러한 개별적인 효소 반응들은 겉보기에는 매우 무질서해 보일 수 있지만, 생명체 내부에서는 정교하게 설계된 체계를 통해 질서정연한 신호로 변환됩니다. 결국 생명 현상의 본질은 무질서한 분자들의 움직임을 조절하여 의미 있는 정보를 만들어내는 데 있습니다. 생명체가 질서를 구현하는 핵심 기제는 바로 효소 반응 네트워크에 있습니다. 대장균과 같은 단순한 단세포 생물조차도 수많은 단백질과 효소를 이용해 먹이를 찾고 독성 물질을 피하는 복잡한 판단을 내립니다. 개별 효소의 반응은 무작위적이지만, 이들이 얽혀 있는 네트워크는 전체적인 조화를 이루며 생명 기능을 수행합니다. 최근 연구에 따르면 이러한 반응 속도의 유동성과 무질서도를 설명하는 '화학 유동 법칙'이 존재함이 밝혀졌으며, 이는 생명이 어떻게 수학적 정교함을 바탕으로 유지되는지 보여줍니다. 유전자는 생명체가 질서를 유지하기 위해 참조하는 정보의 원천입니다. 부모로부터 물려받은 유전 정보는 세포 내 반응 네트워크를 설계하는 설계도 역할을 하며, 정보량이 많아질수록 시스템의 엔트로피는 감소하게 됩니다. 흥미로운 점은 같은 유전자를 가진 세포라도 단백질의 개수나 상태가 조금씩 다르다는 것입니다. 생명체는 이러한 미세한 무질서와 변동성을 오히려 이용해 세포의 기능을 다양화하고 환경에 적응합니다. 즉, 완벽한 통제보다는 적절한 불확실성을 활용하는 것이 생명의 생존 전략인 셈입니다. 생명체의 조절 능력이 한계를 벗어나 질서가 무너질 때 우리는 이를 질병이라 부릅니다. 암세포의 무분별한 증식이나 혈당 조절의 실패는 세포 내 화학 반응 네트워크의 균형이 깨진 결과입니다. 따라서 현대 과학은 시스템생물학적 관점에서 이러한 네트워크를 복구하고 엔트로피를 관리하는 치료법을 연구하고 있습니다. 노화 역시 엔트로피 증가에 따른 자연스러운 과정이지만, 에너지를 극도로 소비하여 젊음을 되찾는 일부 생명체의 사례는 우리가 생명의 가역성과 질서 유지에 대해 더 깊이 탐구할 여지를 남겨줍니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[명강리뷰] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강

에너지는 우리 주변의 모든 변화를 일으키는 근본적인 원동력입니다. 물리적인 상태 변화부터 복잡한 생명 현상에 이르기까지 에너지는 물질의 상태를 바꾸는 핵심적인 역할을 수행합니다. 흥미로운 점은 대부분의 화학 반응이 단순히 낮은 에너지 상태로 바로 이행하지 않는다는 것입니다. 반응물과 생성물 사이에는 일종의 '에너지 장벽'이 존재하여, 외부에서 열이나 에너지를 가해주어야만 비로소 변화가 시작됩니다. 이러한 화학적 에너지를 전문 용어로 '엔탈피'라고 부르며, 이는 대기압 상태에서의 에너지 변화를 의미합니다. 화학 에너지는 분자 내부에 잠재적으로 저장된 에너지로 이해할 수 있습니다. 높은 곳에 놓인 바위가 언제든 아래로 떨어질 잠재력을 가진 것처럼, 화학 결합 안에 내재된 에너지는 적절한 자극이 주어질 때 외부로 방출됩니다. 예를 들어 에탄올이 연소하면 이산화탄소와 물이라는 매우 안정한 물질로 변하며 막대한 에너지를 내놓습니다. 여기서 '안정하다'는 표현은 상대적인 개념입니다. 원자 상태로 해체되었을 때보다 결합된 상태가 에너지가 낮기 때문에 안정하다고 평가하며, 이러한 에너지 차이가 변화의 방향을 결정하는 중요한 지표가 됩니다. 생명체와 기계는 끊임없이 에너지를 소모하며 이산화탄소와 물 같은 안정적인 최종 산물을 배출합니다. 만약 지구가 이러한 소모 과정만 반복한다면 결국 모든 자원이 고갈되어 생태계가 유지될 수 없을 것입니다. 하지만 식물은 광합성이라는 놀라운 기술을 통해 이 흐름을 역전시킵니다. 태양 에너지를 이용하여 에너지적으로 쓸모없어진 물질들을 다시 고에너지의 유기물로 합성해 내는 것입니다. 이는 우주에서 유입되는 에너지를 활용해 지구상의 생명 활동이 지속될 수 있도록 만드는 마법 같은 순환 구조라고 할 수 있습니다. 변화의 방향을 결정하는 또 다른 중요한 요소는 '엔트로피'입니다. 향수 분자가 방 안으로 퍼지거나 물에 떨어진 잉크가 확산하는 현상은 에너지의 변화만으로는 설명하기 어렵습니다. 엔트로피는 체계의 무질서도를 나타내며, 자연은 항상 확률적으로 더 높은 상태인 무질서한 방향으로 흐르려는 성질을 가집니다. 수많은 입자가 한곳에 모여 있을 확률보다 골고루 퍼져 있을 확률이 압도적으로 높기 때문입니다. 이러한 확률의 법칙은 거창한 의지가 개입하지 않더라도 자연스럽게 무질서가 증가하는 현상을 명쾌하게 설명해 줍니다. 진화는 단순한 생명체에서 복잡한 구조로 나아가는 과정이기에 엔트로피 법칙에 어긋나는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 생명체는 외부와 끊임없이 에너지를 주고받는 개방계입니다. 우리는 음식을 섭취하고 대사 작용을 함으로써 스스로의 질서를 유지하고, 그 대가로 주변 환경의 엔트로피를 증가시킵니다. 프리고진과 같은 과학자들은 에너지 소모를 통해 새로운 구조가 만들어지는 '자기 조직화' 개념을 정립했습니다. 결국 생명은 우주의 무질서 속에서 에너지를 정교하게 사용하여 자신만의 질서를 구축해 나가는 경이로운 존재입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 숲과 임업 그리고 산림생명과학 _ 강규석 ㅣ 2022 카오스강연 '생명행성' 4강 | 4강

나무와 풀을 구분하는 기준은 형성층의 유무와 부피 생장의 여부에 있습니다. 대나무는 흔히 나무라 불리지만, 한두 달 만에 성장을 마치고 더 이상 굵어지지 않기에 엄밀히 말하면 풀에 가깝습니다. 반면 소나무 같은 나무는 매년 나이테를 만들며 단단해집니다. 특히 은행나무는 잎이 넓어 활엽수로 오해받기 쉽지만, 진화적으로는 겉씨식물이며 가도관(헛물관)을 가진 침엽수에 해당합니다. 이처럼 우리 주변의 나무들은 저마다의 생물학적 특징을 지니며 숲의 근간을 이룹니다. 숲은 단순한 나무들의 집합을 넘어 정교한 사회적 상호작용이 일어나는 공간입니다. 나무들은 피톤치드와 같은 타감 물질을 내뿜어 자신을 보호하거나 다른 식물과의 경쟁에서 우위를 점하기도 합니다. 한편으로는 뿌리나 가지가 합쳐지는 연리목처럼 서로 협력하며 영양분을 나누기도 합니다. 숲은 인간에게도 진정한 휴식과 안정을 제공하는 생태계의 보고입니다. 이러한 숲의 사회성과 공존의 지혜는 생명 행성을 유지하는 중요한 힘이 됩니다. 우리나라는 세계적으로 유례없는 산림녹화 성공국으로 꼽힙니다. 과거 황폐했던 산들을 경제 발전과 동시에 푸르게 가꾸어낸 성과는 유엔 식량농업기구(FAO)에서도 인정받았습니다. 하지만 현재 우리 산림은 40~50년 전 심은 나무들이 노령화되면서 목재 자급률이 16% 수준에 머물러 있습니다. 이제는 단순히 나무를 심고 가꾸는 단계를 넘어, 적절한 벌채와 이용을 통해 산림 자원의 선순환 구조를 만들어야 할 시점입니다. 자원 활용과 생태계 보전의 조화로운 균형이 미래 임업의 핵심 과제입니다. 목재는 흔히 불에 약하다는 편견이 있지만, 실제로는 철이나 콘크리트보다 우수한 특성을 지닙니다. 나무는 불에 탈 때 표면이 탄화되면서 내부로 열이 전달되는 속도를 늦춰 구조적 붕괴를 지연시킵니다. 또한 탄성이 있어 지진의 진동을 흡수하는 내진성도 뛰어납니다. 무엇보다 나무는 광합성을 통해 흡수한 탄소를 목재 내에 오랫동안 저장하는 ‘탄소 통조림’ 역할을 합니다. 고층 목조 건축의 확산은 기후 위기 시대에 탄소 중립을 실현하는 혁신적인 대안으로 주목받고 있습니다. 임목육종학은 우수한 형질을 가진 나무를 선발하고 개량하여 인류에게 유익한 자원을 제공하는 학문입니다. 우리나라의 리기테다소나무나 현사시나무는 과학적 교잡을 통해 탄생한 대표적인 성공 사례입니다. 척박한 땅에서도 잘 자라거나 성장이 빠른 품종을 개발함으로써 산림의 가치를 극대화해 왔습니다. 최근에는 분자육종 기술을 통해 광합성 효율을 높이거나 특정 성분을 강화한 신품종 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이는 목재 생산을 넘어 바이오 산업의 새로운 가능성을 열어주고 있습니다. 현대 산림생명과학은 유전체 연구와 조직 배양 기술을 통해 비약적으로 발전하고 있습니다. 소나무의 유전체 크기가 인간보다 7배나 크다는 사실은 생명의 신비를 더해줍니다. 또한 나무의 전형성능(Totipotency)을 이용한 조직 배양은 우량 묘목을 대량으로 복제할 수 있게 하며, 인공 종자 기술은 산불 피해 지역의 효율적인 복구를 돕습니다. 미래에는 실험실에서 세포를 배양해 목재 성분을 얻는 기술이 실용화되어, 자연을 훼손하지 않고도 필요한 자원을 얻는 시대가 올 것으로 기대됩니다. 산림은 인간의 생애 주기와 밀접하게 연결된 복지 자원입니다. 태교를 위한 숲 태교부터 유아 숲 체험, 청장년층의 레포츠, 노년기의 산림치유, 그리고 마지막 수목장에 이르기까지 숲은 우리 삶의 모든 순간에 함께합니다. 하지만 기후 변화로 인한 대형 산불과 병해충은 이러한 산림 생태계를 위협하고 있습니다. 나무가 우리에게 아낌없이 주는 만큼, 우리 또한 성숙한 산행 에티켓을 지키고 숲을 보호하려는 노력이 필요합니다. 건강한 숲이 곧 인류의 지속 가능한 미래이기 때문입니다.

강규석

카오스재단카오스강연

생명과학

[국립광주과학관xGIST] 6월 과학스쿨 - 미래를 바꾸는 유전자 가위

물리학자로서 생명 현상을 연구하는 과정은 거대한 우주를 관찰하는 망원경 대신, 보이지 않는 미시 세계를 들여다보는 현미경에서 시작됩니다. 머리카락 두께보다 훨씬 작은 세포와 그 안의 생체 분자들은 단순한 물질이 아니라 정교하게 움직이는 하나의 기계와 같습니다. 저는 빛을 이용해 이러한 생체 기계들의 움직임을 관찰하고, 우리 몸을 이루는 가장 기초적인 단위에서 어떤 원리가 작동하는지 탐구합니다. 과학자가 되기 위해서는 오랜 인내의 시간이 필요하지만, 작은 세계에서 발견하는 생명의 신비는 그 가치를 충분히 증명합니다. 우리 몸속에는 '키네신'이라 불리는 놀라운 생체 기계들이 존재합니다. 이들은 자기 몸집보다 수백 배 큰 가방을 메고 세포 안의 길을 따라 성큼성큼 걸어 다니며 필요한 물질을 운반합니다. 또한 DNA를 복제하는 기계는 시속 600km에 달하는 엄청난 속도로 작동하면서도, 수천 킬로미터를 이동하는 동안 단 한 번의 실수만 허용할 정도로 정밀합니다. 이렇게 빠르고 정확한 단백질들의 협동 덕분에 생명체는 복잡한 생존 활동을 이어갈 수 있으며, 이러한 미시적 활동은 현대 과학의 정밀한 관찰을 통해 비로소 드러나게 되었습니다. 생명의 설계도라 불리는 DNA는 부모로부터 물려받은 유전 정보를 담고 있는 아주 가늘고 긴 실입니다. 세포 하나에 들어 있는 DNA를 모두 펼치면 그 길이는 약 2미터에 달하며, 우리 몸 전체의 DNA를 이으면 태양계 끝까지 닿을 정도로 방대합니다. 과거에는 기술적 한계로 인해 유전 정보를 분석하는 것이 불가능에 가까웠으나, 오늘날은 기술의 비약적인 발전 덕분에 저렴한 비용으로 개인의 유전적 특성을 분석할 수 있게 되었습니다. 이는 우리가 스스로의 질병을 예측하고 관리하는 새로운 시대를 열어주는 중요한 열쇠가 되었습니다. 단순히 유전 정보를 읽는 것을 넘어, 이제는 유전자의 잘못된 부분을 직접 수정하는 '유전자 가위' 기술이 주목받고 있습니다. 특히 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위는 30억 개의 DNA 정보 중 원하는 특정 위치만을 정확하게 찾아내어 자를 수 있는 혁신적인 도구입니다. 이 기술은 유전 질환의 근본적인 원인을 교정할 수 있는 가능성을 제시하며 2020년 노벨 화학상을 수상하는 쾌거를 이루었습니다. 생체 기계인 유전자 가위는 복잡한 유전 정보의 숲속에서 정교하게 작동하며 현대 생명 공학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 유전자 가위 기술은 식량 문제 해결과 난치병 치료 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 건강 성분이 강화된 콩이나 스트레스를 줄여주는 방울토마토처럼 유전자가 교정된 작물들이 이미 상용화 단계에 접어들었으며, 근육량을 획기적으로 늘린 가축 연구도 진행 중입니다. 무엇보다 암세포를 더 잘 공격하도록 면역 세포의 유전자를 편집하는 방식의 항암 치료는 의료계의 큰 기대를 모으고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 인류가 직면한 생물학적 한계를 극복하고 더 건강한 삶을 영위할 수 있는 발판을 마련해 주고 있습니다. 하지만 유전자 편집 기술의 비약적인 발전은 우리 사회에 무거운 윤리적 질문을 던지기도 합니다. 영화 '가타카'에서 묘사된 것처럼 유전 정보에 의해 인간의 운명이 결정되거나, 부모가 원하는 특성만을 골라 아이를 설계하는 미래에 대한 우려가 존재하기 때문입니다. 실제로 최근 중국에서 발생한 배아 유전자 편집 사건은 과학계와 사회 전반에 큰 충격과 논란을 불러일으켰습니다. 기술의 안전성이 완벽히 검증되지 않은 상태에서 인위적으로 생명체의 근본을 바꾸는 행위는 인류의 존엄성과 생태계 질서에 예기치 못한 영향을 미칠 수 있습니다. 과거 세계 최초의 시험관 아기가 탄생했을 때도 인류는 커다란 사회적 혼란과 두려움을 겪었지만, 오늘날 그 기술은 난임 부부에게 희망을 주는 보편적인 의료 기술로 자리 잡았습니다. 유전자 가위 기술 역시 지금은 논란의 중심에 서 있지만, 인류가 지혜를 모아 적절한 법적·윤리적 가이드라인을 마련한다면 질병 정복을 위한 강력한 도구가 될 것입니다. 과학 기술 자체에는 선악이 없으며, 그것을 어떻게 정의하고 활용하느냐는 우리 사회의 합의에 달려 있습니다. 우리는 이제 유전자 가위가 열어갈 새로운 미래를 책임감 있게 맞이할 준비를 해야 합니다.

국립광주과학관강연&포럼

화학
생명과학
융합

[질문Q] 불면증을 예방하고 숙면을 취할 수 있는 방법은?｜2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강｜수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학

인간의 생체 시계는 정확히 24시간이 아니라 약 24.2시간의 주기를 가지고 있습니다. 우리는 매일 시교차상핵을 통해 들어오는 빛 정보를 바탕으로 이 미세한 오차를 수정하며 외부 환경에 적응합니다. 흥미롭게도 주행성 동물인 인간은 주기가 24시간보다 조금 길어 아침 해를 따라가려는 경향이 있고, 쥐와 같은 야행성 동물은 주기가 짧아 해가 지는 시간을 쫓습니다. 이러한 생물학적 리듬은 단순한 습관이 아니라 생명체가 자연의 변화무쌍한 계절과 환경에 맞춰 생존하기 위해 선택한 정교한 진화의 결과물입니다. 현대 과학에서 생물학적 현상을 이해하는 강력한 도구 중 하나는 미분방정식입니다. 과거에는 모든 의학적 결정을 실제 임상 실험에만 의존했지만, 최근에는 미국 FDA에서도 가상 실험 데이터를 일정 부분 인정할 만큼 수리 모델링의 위상이 높아졌습니다. 비행기 설계 시 수백만 번의 수치 실험을 거치는 것처럼, 생명 과학 분야에서도 복잡한 생체 반응을 수학적으로 예측하고 해석하려는 시도가 이어지고 있습니다. 이는 실험의 한계를 극복하고 미래를 예측하는 가장 확실한 도구로서 수학의 가치를 증명하는 과정이라 할 수 있습니다. 수학과 의학의 만남은 새로운 학문적 지평을 열어주고 있습니다. 암 연구나 심혈관계 질환, 감염병 확산 방지 등 현대 의학이 직면한 난제들을 해결하기 위해 수학자들과 의사들의 협력이 필수적입니다. 서로 다른 언어를 사용하는 두 분야가 소통하기 위해서는 상대방의 학문적 배경을 이해하려는 노력이 중요합니다. 수학적 사고를 갖춘 의료인이나 생물학적 메커니즘을 이해하는 수학자가 늘어날수록, 복잡한 생명 현상을 더욱 깊이 있게 통찰하고 실질적인 치료법을 찾아내는 속도는 더욱 빨라질 것입니다. 수리 모델링은 공공보건 정책을 수립하는 데에도 결정적인 근거를 제시합니다. 예를 들어 결핵과 같은 감염병 확산을 막기 위해 한정된 예산을 어디에 집중할지 결정할 때, 수리 모델은 정량적인 분석을 통해 최적의 대안을 찾아냅니다. 단순히 환자를 치료하는 것을 넘어 격리와 같은 방역 조치의 효율성을 수학적으로 입증함으로써 더 효과적인 정책 방향을 제안할 수 있습니다. 이처럼 숫자로 증명된 이론과 데이터 분석 결과는 막연한 추측이 아닌 과학적 근거에 기반한 사회적 의사결정을 가능하게 만듭니다. 수학이 가진 가장 위대한 힘은 복잡한 현상을 '단순화'하는 능력에 있습니다. 수백 개의 변수가 얽힌 생체 시계 모델이라도 수학자는 핵심적인 원리만을 추출하여 단 몇 개의 식으로 표현해낼 수 있습니다. 이러한 단순화 과정은 겉으로 드러나지 않던 생명의 본질적인 메커니즘을 직관적으로 파악하게 도와줍니다. 복잡함 속에 숨겨진 질서를 찾아내고 이를 명쾌한 논리로 정리하는 수학적 사고는, 우리가 세상을 바라보는 관점을 넓혀줄 뿐만 아니라 보이지 않던 진실을 발견하게 하는 강력한 렌즈가 되어줍니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 나무와 새 _ 박찬열 ㅣ 2022 카오스강연 '생명행성' 2강 | 2강

숲의 신록이 시작되면 나무와 곤충, 새는 치열한 생존 전략을 펼치며 긴밀한 관계를 맺습니다. 참나무류인 졸참나무와 굴참나무는 잎의 배열 구조부터 확연히 다른 생존 방식을 보여줍니다. 졸참나무는 잎이 촘촘하게 붙어 있어 새가 애벌레를 찾기 쉬운 구조를 택함으로써 천적의 도움을 받는 전략을 취합니다. 반면 굴참나무는 잎이 듬성듬성해 새의 접근이 어렵기에 스스로 타닌 같은 방어 물질을 더 많이 만들어내어 자신을 보호합니다. 이는 식물이 단순히 고정된 존재가 아니라 주변 생명체와 끊임없이 소통하며 진화해 온 결과입니다. 식물은 종자를 멀리 퍼뜨리기 위해 동물을 영리하게 이용하며 상호작용 네트워크를 형성합니다. 고추는 포유류가 기피하는 캡사이신을 만들어 매운맛을 느끼지 못하는 새에게만 열매를 내어줌으로써 씨앗을 멀리 이동시킵니다. 도토리 역시 다람쥐가 먹다가 쓴맛 때문에 버리는 부분에 배아를 숨겨 싹을 틔우는 전략을 사용합니다. 이처럼 식물은 이동의 한계를 극복하기 위해 특정 동물을 유인하거나 거부하는 정교한 메커니즘을 발전시켜 왔으며, 이러한 관계는 생태계의 풍요로움을 유지하는 핵심적인 동력이 됩니다. 기후 위기는 생태계의 정교한 시계태엽을 어긋나게 만들어 먹이망의 불일치를 초래합니다. 기온이 상승하면 식물의 개엽과 애벌레의 성장은 빨라지지만, 항온 동물인 새의 번식 시기는 이를 즉각적으로 따라가지 못하는 경우가 발생합니다. 애벌레가 새의 육추 시기보다 먼저 성충이 되어 날아가 버리면 새끼 새들은 심각한 먹이 부족에 시달리게 됩니다. 이러한 생물계절학적 불일치는 생물 다양성을 위협하는 요소가 되며, 자연의 조화로운 리듬이 무너질 때 생태계 전체가 겪게 될 위기를 예고하고 있습니다. 도시에 적응한 새들은 소음과 환경 변화에 맞춰 자신들의 삶의 방식을 유연하게 변모시킵니다. 숲 가장자리에 사는 박새는 자동차 소음을 뚫고 동종 간에 소통하기 위해 주파수를 높이거나 음절을 변조하는 전략을 취합니다. 또한 자연적인 둥지 재료가 부족한 환경에서 테니스공 껍질이나 담배 필터, 야자 섬유 등을 이용해 보금자리를 만들기도 합니다. 이는 생명체가 인위적인 환경 속에서도 생존을 위해 얼마나 치열하게 적응하고 소통하는지를 보여주는 사례이며, 도시라는 공간이 새로운 생태적 실험장이 되고 있음을 시사합니다. 숲의 둥지망에서 딱따구리는 다른 생명체들에게 집을 제공하는 핵심종 역할을 수행하며 생태계의 부동산업자 역할을 합니다. 딱따구리가 만든 나무 구멍은 스스로 집을 짓지 못하는 박새나 원앙, 소쩍새 같은 다른 새들의 소중한 보금자리가 됩니다. 특히 고사목은 단순히 죽은 나무가 아니라 딱따구리의 먹이 터이자 수많은 생물의 안식처로서 생과 사가 공존하는 공간입니다. 숲의 건강성을 유지하기 위해서는 썩은 나무조차 생태계의 일원으로 존중하며 둥지망의 연결 고리를 보존하는 정책적 배려와 인식의 전환이 필요합니다. 미래 도시에서 나무는 단순한 조경을 넘어 필수적인 초록 인프라로서 도시의 생존을 지탱하는 역할을 할 것입니다. 나무는 광합성을 통해 탄소를 흡수할 뿐만 아니라, 잎의 미세털과 왁스층을 이용해 미세먼지를 효과적으로 저감하는 필터 기능을 수행합니다. 또한 증산 작용을 통해 액체 상태의 물을 기체로 바꾸며 주변 온도를 낮추는 천연 에어컨 역할을 합니다. 이러한 식물의 기능은 기후 변화에 대응하고 인간의 삶의 질을 높이는 자연 기반 해결책으로서, 수직과 수평을 아우르는 미래 도시 설계의 핵심적인 요소가 됩니다. 인간은 자연과 연결될 때 정서적 풍요로움을 느끼는 바이오필리아 본능을 가지고 있으며, 이는 도시 생활에서 더욱 중요해집니다. 도시 숲의 혜택을 온전히 누리기 위해서는 새똥이나 벌레로 인한 작은 불편함을 감수하고, 다른 생명체와의 상호작용을 존중하는 마음가짐이 필요합니다. 한 그루의 나무를 심고 가꾸는 행위는 결국 우리 자신의 미래와 정서를 가꾸는 일과 같습니다. 자연을 정복의 대상이 아닌 공존의 파트너로 바라볼 때, 비로소 인간과 자연이 조화를 이루는 지속 가능한 생명 행성의 미래를 꿈꿀 수 있을 것입니다.

박찬열

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 인공지능으로 단백질 이해하기 by 백민경 ㅣ 대학과 함께하는 2022 UN 세계기초과학의 해 한국 선포식 특별강연

단백질은 흔히 필수 영양소로만 알려져 있지만, 실제로는 우리 몸의 거의 모든 생명 현상을 주도하는 핵심 생체 분자입니다. 헤모글로빈처럼 산소를 운반하거나 효소로서 물질을 분해하고 합성하며, 외부 바이러스에 맞서는 항체 역할까지 수행합니다. 약 2만 가지의 단백질은 20종의 아미노산이 사슬처럼 연결된 구조를 가지며, 이들의 배열 순서인 서열에 따라 고유한 3차원 구조를 형성합니다. 이러한 구조는 단백질의 기능을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용하며 생명의 신비를 푸는 열쇠가 됩니다. 단백질의 구조를 파악하는 것은 생명 현상을 이해하고 질병의 기전을 밝히는 데 필수적입니다. 예를 들어 코로나바이러스의 스파이크 단백질 구조를 정확히 알면 감염 경로를 차단하는 치료제나 백신을 더욱 효과적으로 설계할 수 있습니다. 하지만 현재 우리가 알고 있는 단백질 서열은 3억 개에 달하는 반면, 실험적으로 밝혀진 구조는 16만 개에 불과합니다. 엑스레이 결정학이나 극저온 전자현미경 같은 실험 방식은 정확하지만, 하나의 구조를 밝히는 데 수개월에서 수년의 시간과 막대한 비용이 소요된다는 한계가 있습니다. 물리화학적 원리에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션은 탐색해야 할 구조의 가짓수가 너무 많아 우주의 나이만큼의 시간이 걸릴 정도로 복잡합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 자연의 진화 데이터에 주목했습니다. 단백질이 기능을 유지하며 진화하는 과정에서, 서로 상호작용하는 아미노산들은 함께 변이하는 '공진화' 패턴을 보입니다. 인공지능은 이러한 방대한 서열 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 학습하여, 아미노산 간의 접촉 지점을 찾아내고 단백질의 3차원 구조를 놀라운 속도로 예측해내는 혁신을 이루었습니다. 최근 등장한 알파폴드2와 로제타폴드는 인공지능 기반 단백질 구조 예측의 새로운 지평을 열었습니다. 이 모델들은 과거 수년이 걸리던 작업을 단 몇 분 만에 실험 결과와 거의 일치하는 정확도로 수행합니다. 더 나아가 단일 단백질을 넘어 두 단백질이 결합하는 복합체 구조까지 예측할 수 있게 되었습니다. 이는 세포 내에서 일어나는 유전 정보의 전사나 번역, DNA 수리 등 복잡한 생체 반응들을 데이터에 기초하여 깊이 있게 이해할 수 있는 강력한 도구가 되어 생명공학 연구의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 인공지능 기술은 이제 구조 예측을 넘어 새로운 단백질을 디자인하는 단계로 진화하고 있습니다. 암세포의 증식을 억제하기 위해 특정 단백질 간의 결합을 방해하는 새로운 단백질 치료제를 설계하는 것이 대표적인 사례입니다. 이러한 혁신은 양자역학에서 시작된 컴퓨터 기술이 생명과학과 만나 탄생한 결과입니다. 기초과학 연구는 당장의 성과를 넘어 인류의 삶을 풍요롭게 할 무궁무진한 잠재력을 지니고 있으며, 앞으로도 다양한 질병 치료와 생명 현상 규명에 있어 가장 강력한 토대가 될 것입니다.

백민경

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생명과학

[인터뷰] 류충민_홀로바이옴? 미생물과 생물을 하나로 보는 관점 | 2022 카오스강연 '생명행성(Life planet)'

코로나19 팬데믹 상황에서 영장류 모델을 활용한 백신과 치료제 개발은 인류의 생존을 결정짓는 중요한 과제였습니다. 연구를 통해 개발된 항체 치료제와 백신은 실제 임상에서 큰 성과를 거두며 많은 생명을 구하는 데 기여했습니다. 바이러스는 생존을 위해 치명률과 전파력 사이에서 끊임없이 변이를 선택하는데, 최근의 흐름은 전파력은 높이되 치명률은 낮추는 방향으로 진화하고 있습니다. 이는 바이러스가 인간 사회에 적응해가는 과정으로 볼 수 있으며, 과학적 대응을 통해 충분히 관리 가능한 수준으로 나아가고 있음을 시사합니다. 미생물은 육안으로는 보이지 않지만 현미경을 통해 들여다본 세상 속에서 독자적인 생태계를 구축하며 살아가는 작은 생명체들입니다. 흔히 미생물을 병을 일으키는 존재로만 인식하기 쉽지만, 사실 대다수는 자연 상태에서 스스로 생존하며 지구 생태계의 균형을 유지합니다. 특히 이들은 특정 물질을 분비하여 주변 동료의 숫자를 파악하고, 일정 수치에 도달했을 때 비로소 특정한 행동을 개시하는 정족수 인식 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 미생물의 소통 방식은 오징어와의 공생 관계처럼 자연계의 신비로운 상호작용을 만들어내는 핵심 동력이 됩니다. 환경 오염의 주범인 플라스틱 폐기물 문제 해결의 실마리를 의외의 장소인 곤충 연구에서 찾기도 합니다. 꿀벌부채명나방 애벌레가 스티로폼 박스를 뚫고 탈출하는 현상을 관찰한 결과, 이들이 플라스틱을 먹고 소화하여 전혀 다른 물질로 분해한다는 사실이 밝혀졌습니다. 장내 미생물과 효소를 활용한 이 발견은 향후 플라스틱을 대량으로 분해할 수 있는 혁신적인 기술로 이어질 가능성이 큽니다. 난민 수용소와 같이 폐기물 처리가 어려운 환경에서도 간편하게 활용될 수 있는 분해 시설을 구축하는 것은 현대 과학이 지향해야 할 중요한 사회적 가치 중 하나입니다. 최근 과학계에서는 생명체와 미생물을 별개의 존재로 보지 않고 하나의 통합된 시스템으로 파악하는 '홀로바이옴' 개념이 주목받고 있습니다. 과거에는 분석적 접근을 위해 미생물과 숙주를 분리하여 연구했으나, 이제는 이들이 태초부터 긴밀하게 연결된 하나의 생태계라는 관점으로 변화하고 있습니다. 인간이나 식물을 미생물과 분리된 개체가 아닌, 서로 끊임없이 상호작용하며 공존하는 하나의 생명 공동체로 인식하는 것입니다. 이러한 관점의 전환은 질병의 치료나 생명 현상의 이해에 있어 기존과는 전혀 다른 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 지구 생명의 역사는 미생물, 특히 세균의 등장과 함께 시작되었습니다. 초기 지구에 산소를 공급하여 동식물이 살 수 있는 환경을 조성한 주역이 바로 미생물입니다. 광활한 우주의 시간 속에서 인간이 살아가는 백 년이라는 시간은 찰나에 불과하지만, 우리는 그 짧은 시간 속에서 생명의 근원을 탐구하며 존재의 의미를 찾아갑니다. 미생물이 지구 생태계의 밑거름이 되었듯, 과학적 탐구는 인문학적 성찰과 결합하여 우리가 누구인지, 그리고 어떤 미래를 만들어가야 하는지에 대한 답을 제시합니다. 거대한 우주적 시각에서 생명을 바라보는 태도가 필요한 시점입니다.

류충민

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생명과학

[강연] 꽃은 어떻게 피는가? _ 이일하 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 8강 | 8강

식물은 주변 환경의 변화를 놀라울 정도로 정교하게 감지하며 살아갑니다. 흔히 온도가 계절을 알리는 유일한 신호라고 생각하기 쉽지만, 실제로는 지구의 공전에 따라 규칙적으로 변하는 낮의 길이, 즉 광주기가 더욱 중요한 지표가 됩니다. 식물은 이러한 빛의 정보와 온도 변화를 통합적으로 분석하여 잎을 만드는 영양 생장에서 꽃을 피우는 생식 생장으로 전환할 최적의 시기를 결정하며 생존을 이어갑니다. 광주기가 개화 시기를 결정한다는 사실은 1920년대 메릴랜드 맘모스 담배 연구를 통해 처음으로 밝혀졌습니다. 여름 내내 꽃을 피우지 않고 거대하게 자라기만 하던 담배가 낮의 길이가 짧아지는 초겨울에 접어들어서야 꽃을 피우는 현상이 관찰된 것입니다. 이를 통해 식물은 장일 식물과 단일 식물 등으로 분류되었으며, 이후 연구를 통해 실제로는 낮의 길이보다 중단되지 않는 밤의 길이가 개화에 더 결정적인 역할을 한다는 사실이 증명되었습니다. 식물은 잎을 통해 광주기를 인식하며, 이때 파이토크롬과 같은 광수용체가 눈의 역할을 수행합니다. 잎에서 감지된 빛의 신호는 '플로리겐'이라 불리는 개화 유도 호르몬을 생성하게 만듭니다. 70년 가까이 베일에 싸여 있던 이 호르몬의 정체는 현대 분자유전학 연구를 통해 FT 단백질임이 밝혀졌습니다. 잎에서 만들어진 FT 단백질은 줄기 끝의 정단 분열 조직으로 이동하여 식물의 발달 단계에 극적인 변화를 일으키는 신호탄이 됩니다. 개화는 식물에게 있어 단순한 성장을 넘어 생식 단계로 진입하는 거대한 전환점입니다. 이 과정을 주도하는 핵심 유전자인 'LEAFY'는 정단 분열 조직에서 잎 대신 꽃 기관이 형성되도록 명령합니다. 나선형으로 잎을 만들던 조직이 환형 구조의 꽃을 만들기 시작하는 것입니다. 이 유전자는 진화적으로 매우 잘 보존되어 있어, 포플러나 오렌지 같은 나무에 강제로 발현시키면 어린 묘목 상태에서도 수개월 만에 꽃을 피우는 놀라운 결과를 보여줍니다. 꽃의 복잡한 구조인 꽃받침, 꽃잎, 수술, 암술이 형성되는 원리는 'ABC 모델'로 설명됩니다. 세 가지 유형의 유전자가 단독 혹은 조합으로 작용하여 각 기관의 정체성을 결정하는데, 이는 18세기 괴테가 제안했던 '꽃은 변형된 잎이다'라는 가설을 분자 수준에서 입증한 것입니다. 만약 이 유전자들이 모두 망가지면 식물은 꽃 대신 잎과 유사한 구조물을 만들게 되며, 이는 식물의 형태 형성이 얼마나 정교한 유전적 설계도에 의해 이루어지는지 보여줍니다. 식물의 개화 시기는 유전적인 엑셀과 브레이크 시스템에 의해 조절됩니다. 'CONSTANS(CO)' 유전자가 광주기에 반응하여 개화를 촉진하는 엑셀 역할을 한다면, 'FLC' 유전자는 개화를 억제하는 강력한 브레이크 역할을 합니다. 식물은 자신의 나이와 외부 환경 신호를 이 두 스위치를 통해 통합적으로 인지합니다. 엑셀이 밟히고 브레이크가 풀리는 정교한 균형점이 찾아왔을 때 비로소 식물은 에너지를 집중하여 꽃을 피우는 결단을 내리게 됩니다. 겨울을 거쳐야만 꽃이 피는 '춘화처리' 현상은 식물의 후성유전학적 기억 장치를 보여주는 대표적인 사례입니다. 겨울의 저온은 개화 억제 유전자인 FLC의 스위치를 꽉 잠가버리며, 이 기억은 날이 따뜻해진 뒤에도 유지되어 봄에 꽃이 필 수 있게 합니다. 하지만 최근 지구온난화로 인한 급격한 온도 변화는 이러한 식물의 오랜 리듬을 교란하고 있습니다. 개화 시기의 혼란은 결국 식물과 공생하는 곤충과 생태계 전체에 영향을 미치는 중대한 과제가 되고 있습니다.

이일하

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생명과학

[인터뷰] 이일하_꽃을 해부하면 꽃이 아니다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

식물학자의 시선으로 바라보는 식물은 분석의 대상인 동시에 경이로운 예술 작품입니다. 30년 넘게 식물의 개화를 연구해 온 학자에게 느티나무는 그 수려한 자태와 넉넉한 그늘로 특별한 안식처가 되어줍니다. 꽃을 해부하고 현미경으로 들여다보는 과정은 때로 꽃의 낭만을 앗아가는 것처럼 보일 수 있지만, 그 정교한 미세 구조를 마주할 때 느끼는 감동은 일반적인 관조를 넘어섭니다. 식물은 단순한 생명체를 넘어 기품 있는 형태와 섬세한 생명력을 지닌 존재로, 우리에게 깊은 영감과 편안함을 동시에 제공합니다. 식물이 제 계절에 맞춰 꽃을 피우는 원리는 '개화 유전자'라는 정교한 시스템에 의해 조절됩니다. 루미니디펜덴스와 같은 유전자는 식물이 언제 꽃을 피울지 결정하는 핵심적인 역할을 수행하지만, 그 구체적인 생화학적 기작은 여전히 현대 과학의 미스터리로 남아 있습니다. 최근 지구 온난화로 인해 봄꽃의 개화 시기가 앞당겨지고 가을꽃인 코스모스가 늦여름에 피는 현상은 이러한 유전적 조절 시스템이 환경 변화에 민감하게 반응하고 있음을 보여줍니다. 이는 기후 위기가 식물의 생애 주기에 직접적인 영향을 미치고 있다는 증거이기도 합니다. 식물은 인간과 같은 신경계나 감각 기관을 가지고 있지 않지만, 세포 수준에서 환경을 매우 정교하게 인지합니다. 특히 빛을 감지하는 능력은 인간보다 뛰어난 면이 있는데, 인간이 한 종류의 광수용체로 사물을 보는 반면 식물은 적색광, 청색광, 자외선 등을 각각 인지하는 네 종류 이상의 광수용체를 보유하고 있습니다. 이를 두고 식물이 '네 개의 눈'을 가졌다고 비유하기도 합니다. 이러한 감각 체계는 식물이 이동할 수 없는 한계를 극복하고 주어진 환경에서 최적의 생존 전략을 짜는 데 필수적인 토대가 됩니다. 인류 문명 1만 년의 역사 동안 식물은 의식주의 모든 요소를 제공하며 생존의 근간이 되어왔습니다. 다가올 2050년, 지구 인구가 100억 명에 육박할 것으로 예측되는 상황에서 현재의 작물 생산량으로는 심각한 식량 위기를 피하기 어렵습니다. 따라서 식물의 생명 현상을 깊이 이해하고 작물의 생산 효율을 높이는 연구는 인류의 미래를 지키는 필수적인 과제입니다. 식물학은 단순히 자연을 탐구하는 학문을 넘어, 다가올 위기에 대응하고 지속 가능한 인류의 삶을 보장하기 위한 핵심적인 열쇠를 쥐고 있습니다. 식물의 진화 과정은 광합성을 통한 에너지 자립과 고착 생활이라는 독특한 선택의 결과입니다. 광합성 세균과의 세포 내 공생을 통해 스스로 에너지를 얻게 된 식물은 움직일 필요가 없어졌고, 대신 포식자로부터 자신을 보호하기 위해 단단한 세포벽을 발달시켰습니다. 이러한 세포벽의 형성은 식물을 한곳에 머물게 했지만, 동시에 다세포 생물로서 독자적이고 다양한 진화의 길을 걷게 하는 동력이 되었습니다. 식물이 보여주는 생명력과 적응의 역사는 동물의 진화와는 또 다른 관점에서 생명의 신비로움을 우리에게 일깨워 줍니다.

이일하

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생명과학

[강연] 건축탐구 잎 _ by이유리 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 5강 | 5강

식물의 잎을 단순히 납작한 평면으로만 보던 시각에서 벗어나, 수많은 세포가 모여 사는 정교한 도시로 바라보면 새로운 세상이 열립니다. 잎은 외부 환경으로부터 자신을 보호하고 생존에 필요한 자원을 효율적으로 관리하기 위해 3차원적인 건축 구조를 갖추고 있습니다. 마치 성벽을 쌓아 도시를 지키듯, 잎의 가장 바깥쪽에는 표피 조직이라는 강력한 방어 라인이 형성되어 있습니다. 이러한 건축적 관점은 식물이 단순한 유기체를 넘어 고도의 전략을 가진 생명체임을 깨닫게 해줍니다. 도시의 성벽 역할을 하는 표피 조직은 세포벽만으로는 완벽한 방어를 수행하기 어렵습니다. 세포벽 사이사이에 존재하는 미세한 틈새들 때문인데, 식물은 이를 보완하기 위해 큐티클이라는 기름 성분의 코팅층을 활용합니다. 이 매끄러운 큐티클층은 외부의 병원균이나 곤충의 침입을 막을 뿐만 아니라, 수분 증발을 억제하여 식물의 생존을 돕습니다. 겉보기에는 연약해 보이는 잎의 표면이 사실은 철저하게 계산된 화학적 방어막으로 둘러싸여 있는 셈입니다. 연잎의 사례는 식물의 표면 구조가 얼마나 경이로운지를 잘 보여줍니다. 연잎은 더러운 연못에서도 항상 깨끗함을 유지하는데, 이는 미세한 돌기들이 이중으로 층을 이룬 독특한 구조 덕분입니다. 물방울이 스며들지 않고 또르르 굴러가며 표면의 먼지와 세균을 함께 씻어내는 이 '연잎 효과'는 현대 과학기술에도 큰 영감을 주었습니다. 방수 스프레이부터 자가 세정 페인트, 심지어 방수 메모리 소자에 이르기까지 식물의 지혜는 우리 삶 곳곳에 응용되고 있습니다. 식물은 수동적인 방어를 넘어 트라이콤이라 불리는 털 구조를 통해 적극적인 공격 무기를 갖추기도 합니다. 어떤 식물의 털은 곤충의 다리를 옭아매고 날카로운 끝으로 적을 찌르는 물리적 타격을 가합니다. 또한 토마토나 허브처럼 털끝에 화학 물질을 저장했다가 적이 건드리는 순간 분비하여 퇴치하는 화학 무기를 사용하는 경우도 많습니다. 우리가 즐기는 허브의 향기나 유용한 약물 성분 중 상당수가 사실은 식물이 자신을 지키기 위해 만들어낸 치열한 생존 투쟁의 결과물입니다. 트라이콤의 변신은 여기서 그치지 않습니다. 식충 식물인 파리지옥의 감각모는 먹잇감의 움직임을 포착하는 정밀한 센서 역할을 수행하며, 끈끈이주걱은 끈적한 액체를 분비해 곤충을 포획합니다. 또한 산길에서 옷에 달라붙는 도깨비바늘의 가시는 종자를 멀리 퍼뜨리기 위한 전략적 도구입니다. 이 가시의 갈고리 구조를 모방하여 탄생한 것이 바로 우리가 흔히 사용하는 벨크로입니다. 이처럼 식물의 미세 구조는 생존을 위한 기능적 완결성을 보여주는 훌륭한 모델이 됩니다. 도시의 성벽에 문이 필요하듯, 잎의 표피 조직에는 기공이라는 통로가 존재합니다. 기공은 광합성에 필수적인 이산화탄소를 받아들이는 입구인 동시에, 식물 내부의 수분이 밖으로 나가는 출구이기도 합니다. 식물은 빛의 양과 수분 상태, 심지어 외부 박테리아의 침입 여부까지 감지하여 이 문을 열고 닫는 시점을 정교하게 결정합니다. 한 쌍의 공변세포가 액포의 크기를 조절하며 기공을 움직이는 과정은 식물이 환경 변화에 얼마나 민감하고 유연하게 대처하는지를 잘 보여줍니다. 기공의 개수와 배치는 고정된 것이 아니라 대기 중의 이산화탄소 농도에 따라 유동적으로 조절됩니다. 과거 지구의 화석 기록을 살펴보면 이산화탄소가 풍부할 때는 기공의 밀도가 낮아지고, 부족할 때는 높아지는 경향을 확인할 수 있습니다. 현대 과학자들은 애기장대와 같은 모델 식물을 통해 이러한 조절 과정을 담당하는 유전자를 연구하고 있습니다. 기공이 아예 없거나 너무 많이 생기는 돌연변이 연구는 식물이 기후 변화에 어떻게 적응해 나갈지를 예측하는 중요한 열쇠가 됩니다.

이유리

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[강연] 식물 씨앗도 잠에 들고 깨어난다 _ by최길주 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 4강 | 4강

지구는 흔히 푸른 행성이라 불리지만, 그 푸름의 실체는 광활한 바다와 더불어 육지를 뒤덮은 식물의 생명력에서 기인합니다. 식물은 단순히 풍경의 일부가 아니라 지구 생태계의 근간을 이루는 존재입니다. 이들은 태양 에너지를 유기물로 변환하여 모든 생명체에게 에너지를 공급하는 생산자 역할을 수행합니다. 우리가 숨 쉬는 산소 또한 식물의 광합성 결과물이라는 점을 상기할 때, 식물 없는 지구는 상상조차 할 수 없습니다. 식물은 지구의 역사를 지탱해 온 가장 위대한 생존자입니다. 수억 년 전 식물이 바다에서 육지로 올라온 사건은 지구 역사상 가장 극적인 전환점 중 하나였습니다. 초기 육상 식물은 척박한 환경에 적응하기 위해 뿌리와 줄기, 잎이라는 정교한 구조를 발달시켰습니다. 이러한 진화 과정은 대기 중의 이산화탄소 농도를 조절하고 기후를 안정시키는 데 결정적인 기여를 했습니다. 식물의 등장은 다른 생명체들이 육지에서 번성할 수 있는 터전을 마련해주었으며, 오늘날 우리가 보는 풍요로운 자연의 시작이 되었습니다. 이는 생명 진화의 거대한 흐름을 바꾼 혁명이었습니다. 식물은 움직이지 못하기 때문에 수동적인 존재로 오해받기 쉽지만, 사실 그들은 매우 역동적이고 지능적인 생존 전략을 구사합니다. 주변 환경의 변화를 민감하게 감지하고, 빛의 방향이나 중력에 반응하며 최적의 성장 조건을 찾아냅니다. 또한 화학 물질을 분비하여 해충의 공격을 알리거나 이웃 식물과 정보를 교환하기도 합니다. 이러한 식물의 소통 방식은 우리가 미처 알지 못했던 생명의 신비로움을 보여주며, 식물을 바라보는 우리의 관점을 완전히 바꾸어 놓습니다. 그들은 정적인 존재가 아닌, 치열하게 소통하는 생명체입니다. 광합성은 지구상에서 일어나는 가장 경이로운 화학 반응 중 하나입니다. 식물은 엽록소를 통해 태양 에너지를 흡수하고, 물과 이산화탄소를 결합하여 포도당을 만들어냅니다. 이 과정에서 배출되는 산소는 지구 대기를 정화하고 모든 호흡하는 생명체의 생존을 가능하게 합니다. 식물이 수행하는 이 정교한 에너지 전환 시스템은 인류가 꿈꾸는 지속 가능한 에너지 기술의 궁극적인 모델이기도 합니다. 자연의 공장이라 불리는 식물의 잎 속에서는 지금 이 순간에도 생명의 기적이 쉼 없이 일어나고 있습니다. 생물 다양성의 관점에서 식물은 수많은 생명체에게 서식처와 먹이를 제공하는 안식처입니다. 숲의 거대한 나무부터 길가의 작은 풀꽃에 이르기까지, 각기 다른 식물들은 고유한 생태적 지위를 차지하며 복잡한 그물망을 형성합니다. 특정 식물 종의 멸종은 그와 연결된 곤충, 새, 포유류의 생존을 위협하며 결국 생태계 전체의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 따라서 식물의 다양성을 보존하는 것은 단순히 식물을 지키는 것을 넘어 지구 전체의 건강을 유지하는 필수적인 과제입니다. 식물은 생태계라는 거대한 건축물을 지탱하는 주춧돌입니다. 인류의 문명은 식물과 떼려야 뗄 수 없는 관계를 맺으며 발전해 왔습니다. 농경의 시작은 인류가 정착 생활을 하고 사회를 형성하는 계기가 되었으며, 식물로부터 얻은 식량과 약재, 목재는 인류 생존의 필수 자원이었습니다. 현대에 이르러서도 식물은 정서적 안정과 치유를 제공하는 반려 식물로서 우리 곁을 지키고 있습니다. 식물은 단순한 자원을 넘어 인류의 역사와 문화를 관통하는 동반자이며, 우리가 존중하고 보호해야 할 소중한 생명체입니다. 식물과의 공존은 인류가 지속하기 위한 필수적인 선택입니다. 기후 위기와 환경 파괴가 가속화되는 오늘날, 식물의 가치는 그 어느 때보다 중요하게 부각되고 있습니다. 이산화탄소를 흡수하고 지구 온난화를 늦추는 식물의 능력은 인류가 직면한 위기를 극복할 수 있는 가장 강력한 열쇠입니다. 우리는 식물이 보내는 신호에 귀를 기울이고, 그들이 건강하게 살아갈 수 있는 환경을 조성해야 합니다. 식물 행성 지구의 미래는 곧 우리 인류의 미래와 직결되어 있음을 명심해야 합니다. 자연과 공존하는 지혜를 배울 때 비로소 우리는 지속 가능한 내일을 꿈꿀 수 있으며, 식물은 그 길을 안내하는 이정표가 될 것입니다.

최길주

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 식물의 탄생과 진화 _ by김기중 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 1강 | 1강

지구는 흔히 푸른 행성이라 불리지만, 그 푸름의 실체는 광활한 바다와 더불어 육지를 뒤덮은 식물의 생명력에서 기인합니다. 식물은 단순히 풍경의 일부가 아니라, 지구 생태계의 근간을 이루는 가장 중요한 존재입니다. 이들은 태양 에너지를 유기물로 변환하여 모든 생명체에게 에너지를 공급하는 생산자 역할을 수행합니다. 우리가 숨 쉬는 산소 또한 식물의 광합성 산물이라는 점을 상기할 때, 식물 없는 지구는 상상조차 할 수 없습니다. 식물의 가장 경이로운 능력은 바로 광합성입니다. 잎 속의 엽록체는 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 포도당으로 바꿉니다. 이 과정은 현대 과학기술로도 완벽히 재현하기 어려운 정교한 화학 공정입니다. 식물은 이 에너지를 바탕으로 스스로의 몸집을 키우고, 열매를 맺어 다른 생명체들에게 먹거리를 제공합니다. 결국 지구상의 거의 모든 에너지는 식물이라는 통로를 거쳐 우리에게 전달되는 셈이며, 이는 생명의 순환을 가능케 하는 핵심 동력입니다. 수억 년 전, 식물이 바다에서 육지로 올라온 사건은 지구 역사상 가장 극적인 전환점 중 하나였습니다. 건조한 환경에 적응하기 위해 식물은 단단한 줄기와 뿌리, 그리고 수분 증발을 막는 큐티클층을 발달시켰습니다. 이러한 구조적 혁신은 식물이 거대한 나무로 성장하고 숲을 이룰 수 있게 했습니다. 숲은 다양한 생물들의 서식지가 되었고, 대기의 조성을 변화시켜 인류를 포함한 육상 동물이 진화할 수 있는 토대를 마련해 주었습니다. 흔히 식물을 정적인 존재로 생각하기 쉽지만, 이들은 주변 환경과 끊임없이 소통하며 반응합니다. 포식자가 나타나면 화학물질을 내뿜어 인근 식물들에게 위험 신호를 보내기도 하고, 뿌리를 통해 균류 네트워크와 정보를 교환하기도 합니다. 이러한 '식물의 지능'은 우리가 미처 알지 못했던 복잡하고 정교한 생존 전략을 보여줍니다. 식물은 소리 없이 움직이며 자신만의 방식으로 세상을 인지하고, 공동체를 형성하여 척박한 환경을 극복해 나갑니다. 식물의 번식 전략 또한 놀라울 정도로 다양하고 치밀합니다. 화려한 꽃과 달콤한 꿀로 곤충과 새를 유혹하여 수분을 돕게 하거나, 바람에 날리기 쉬운 씨앗을 만들어 멀리 퍼뜨리기도 합니다. 어떤 식물은 동물의 몸에 붙어 이동하거나, 물의 흐름을 이용해 새로운 서식지를 찾아갑니다. 이러한 전략은 종의 다양성을 유지하고 변화하는 환경 속에서 식물이 멸종하지 않고 살아남을 수 있게 하는 원동력이 됩니다. 기후 위기 시대에 식물의 역할은 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다. 식물은 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 지구 온난화를 늦추는 거대한 탄소 저장고 역할을 합니다. 하지만 무분별한 개발과 환경 파괴로 인해 많은 식물종이 사라지고 있으며, 이는 곧 생태계 전체의 위기로 이어집니다. 식물학 연구는 단순히 학문적 호기심을 넘어, 인류의 식량 문제와 환경 문제를 해결하기 위한 필수적인 열쇠를 쥐고 있다고 해도 과언이 아닙니다. ‘식물 행성’이라는 이름처럼 지구는 식물에 의해 빚어지고 유지되는 공간입니다. 우리는 식물을 정복의 대상이나 단순한 자원으로 보지 않고, 공존해야 할 동반자로 인식해야 합니다. 식물의 생명 현상을 깊이 이해하려는 노력은 결국 우리 자신과 우리가 살아가는 터전을 이해하는 과정과 같습니다. 이 강연을 통해 식물이 지닌 경이로운 세계를 탐구하고, 자연과 인간이 조화를 이루며 살아갈 수 있는 지혜를 얻는 소중한 시간이 되기를 바랍니다.

김기중

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[인터뷰] 김기중_인간처럼 개성이 뚜렷한 나무들!?! | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

식물학자의 시선으로 바라본 식물은 단순한 생명체 이상의 의미를 지닙니다. 아프리카의 척박한 환경에서 살아가는 바오밥나무를 관찰하다 보면, 나무마다 각기 다른 개성이 뚜렷하다는 사실을 깨닫게 됩니다. 이는 마치 인간이 저마다 다른 성격과 특징을 가진 것과 같습니다. 생텍쥐페리의 소설 속 바오밥나무가 우리에게 친숙한 것처럼, 식물은 우리 곁에서 고유한 생명력을 뽐내며 존재합니다. 식물을 깊이 이해하려는 노력은 결국 우리 인간의 지적 탐구 영역을 넓히는 과정이며, 알면 알수록 더 많은 궁금증을 자아내는 식물만의 독특한 매력에 빠져들게 합니다. 식물의 진화 과정에서 나타나는 변화는 인류의 기술 혁신과 닮아 있습니다. 라이트 형제의 초기 비행기가 오늘날의 거대한 항공기로 발전했듯, 식물 역시 작은 변화의 시도를 통해 거대한 진화의 물줄기를 만들어냈습니다. 특히 이동성이 없는 식물은 기후 변화에 매우 민감하게 반응하며 생존을 위한 혁신을 거듭합니다. 최근 한반도 남쪽의 식물들이 북상하거나 난대성 식물이 내륙에서 발견되는 현상은 기후 변화에 적응하려는 식물들의 치열한 노력을 보여줍니다. 이러한 적응 과정은 식물이 지구상에서 번성할 수 있었던 핵심적인 이유이자 진화의 원동력이 됩니다. 생명의 역사를 거슬러 올라가면 식물 세포의 탄생은 매우 흥미로운 과정을 거쳤음을 알 수 있습니다. 초기 지구 환경에서 초기 진핵 세포에 세균이 들어와 미토콘드리아가 형성된 동물성 세포가 먼저 등장했고, 이후 광합성을 하는 남세균이 공생하며 식물성 세포가 만들어졌습니다. 이는 식물이 에너지를 스스로 생산하기 이전에 이미 환경 속의 유기물을 이용하는 생명체들이 존재했음을 시사합니다. 이러한 세포 수준의 공생과 변화는 식물이 광합성이라는 강력한 생존 전략을 갖추게 된 결정적인 계기가 되었으며, 복잡한 생태계의 기초를 닦는 중요한 전환점이 되었습니다. 식물이 물속에서 육지로 진화하기 이전부터 이미 암수의 구분이 존재했다는 사실은 놀랍습니다. 조류 조상에서 시작된 이러한 생식 과정은 육상으로 이동하며 더욱 정교해졌습니다. 또한, 단세포에서 군체를 이루고 다세포 생물로 진화하는 과정에서 식물은 세포 간의 네트워크를 형성하며 구조적 완성을 이루었습니다. 특히 세균으로부터 전수받은 능력을 바탕으로 만들어진 세포벽은 식물 진화의 신의 한 수였습니다. 셀룰로스로 이루어진 세포벽은 외부 환경으로부터 세포를 보호하고 삼투압에 저항하며 식물이 육상 환경에 성공적으로 안착할 수 있도록 도왔습니다. 현재 지구상에는 약 40만 종의 육상 식물이 존재하며, 이들의 역사는 끊임없는 혁신과 적응의 연속이었습니다. 아널드 토인비가 인류 역사를 '도전과 응전'으로 정의했듯이, 식물의 6억 년 진화사 역시 새로운 환경에 대한 도전과 그에 따른 혁신적인 응전의 기록입니다. 끊임없이 새로운 기술을 개발해 생존하는 기업처럼, 식물 또한 변화하는 지구 환경에 맞춰 자신을 혁신해온 종만이 번성할 수 있었습니다. 식물의 진화 역사를 혁신과 적응의 관점에서 바라보는 것은 생명의 신비를 이해하는 동시에, 우리 삶과 사회가 나아가야 할 방향에 대해서도 깊은 통찰을 제공합니다.

김기중

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생명과학

[질문과 토론의 과학 #4] 👾🦠최초의 생명체 루카(LUCA)는 어떤 모습일까?

지구상의 모든 생명체는 거대한 시간의 흐름 속에서 하나의 뿌리를 공유하는 가족 공동체입니다. 인류의 조상인 루시를 넘어 영장류와 포유류의 기원을 거슬러 올라가면, 결국 모든 생명의 마지막 공통 조상인 '루카(LUCA)'를 만나게 됩니다. 루카는 'Last Universal Common Ancestor'의 약자로, 현재 지구에 존재하는 세균부터 인간에 이르기까지 모든 생물학적 계통이 갈라져 나오기 전의 공통 기원을 의미합니다. 이러한 관점은 생명의 다양성 이면에 존재하는 근본적인 통일성을 상기시켜 줍니다. 생명의 기원에 대해서는 다양한 가설이 존재합니다. 찰스 다윈은 화산 근처의 따뜻한 작은 연못에서 생명이 시작되었을 것이라고 추측했으나, 현대 과학에서는 심해 열수구 가설이 더욱 주목받고 있습니다. 열수구의 독특한 화학적 환경이 원시 세포 형성에 유리했기 때문입니다. 흥미로운 점은 루카 이전에 여러 형태의 조상이 동시다발적으로 탄생했을 가능성을 시사하는 '푸카(FUCA)' 가설입니다. 수많은 시도 끝에 단 하나의 계통만이 살아남아 오늘날 우리가 아는 루카가 되었을지도 모른다는 점은 생명 탄생의 신비로움을 더해줍니다. 최초의 생명체인 루카는 오늘날의 생물과는 사뭇 다른 극한의 환경에서 생존했을 것으로 추정됩니다. 당시 지구에는 산소가 없었기에 루카는 산소를 싫어하는 혐기성 생물이었을 것이며, 60도에서 100도에 이르는 뜨거운 열수구 근처에서 살아가는 호열성 생물이었을 가능성이 큽니다. 또한 태양 빛이 없는 심해에서 수소나 황 같은 무기 물질을 유기물로 전환하여 에너지를 얻는 자가 영양 방식을 취했을 것입니다. 이는 생명이 빛이 없는 어둠 속에서도 화학적 에너지만으로 충분히 번성할 수 있었음을 보여주는 증거입니다. 생명 진화의 역사에서 가장 결정적인 사건 중 하나는 서로 다른 두 미생물의 만남인 '세포 내 공생'입니다. 고세균과 세균이 결합하여 미토콘드리아를 가진 복잡한 진핵세포로 진화한 이 사건은 생물학적 대도약을 가능케 했습니다. 다윈주의적 관점에서는 점진적인 변이를 강조하지만, 세포 내 공생설은 두 생명체의 연합이라는 획기적인 변화를 통해 다세포 생물로 나아가는 발판을 마련했다고 설명합니다. 이러한 우연 혹은 필연의 만남이 없었다면 오늘날과 같은 복잡한 지적 생명체의 등장은 불가능했을지도 모릅니다. 만약 화성에 루카와 같은 미생물을 보낸다면 인간과 같은 고등 생명체로 진화할 수 있을까요? 이는 진화의 방향성과 환경적 제약을 동시에 고려해야 하는 문제입니다. 세균은 물리적인 구조상 에너지를 얻는 세포막의 면적 한계로 인해 무한정 커질 수 없으며, 진핵세포로의 도약 없이는 복잡한 구조를 갖추기 어렵습니다. 따라서 화성의 환경이 초기 지구와 유사하더라도, 세포 내 공생과 같은 역사적 사건이 재현되지 않는다면 그곳은 미생물만의 천국으로 남을 가능성이 큽니다. 생명은 환경에 적응하며 끊임없이 답을 찾아가는 존재이기 때문입니다.

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[강연] 제29회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학동행'1 by정충원, 송성주 l 서울대학교&카오스재단 | 1부

서울대학교 자연과학대학이 주최한 제29회 자연과학 공개 강연은 '과학자의 꿈과 도전: 과학 동행'이라는 주제 아래 인류와 과학이 걸어온 긴밀한 여정을 깊이 있게 조명했습니다. 1994년 첫 발을 내디딘 이래 대중과 소통하며 자연과학의 원리와 첨단 기술의 발전 경향을 알기 쉽게 전달해 온 이 강연은 우리 사회의 미래를 견인할 혁신적 가치 창출의 장으로 자리매김했습니다. 이번 행사는 환경, 인구 예측, 양자 세계, 기후 변화 등 현대 사회가 직면한 복잡하고 어려운 문제들을 과학적 시각에서 함께 고민하고 해결책을 모색하는 소중한 기회가 되었습니다. 첫 번째 강연에서는 집단 유전학이라는 학문적 도구를 통해 인류의 역사가 환경과 어떻게 상호작용하며 변화해 왔는지 살펴보았습니다. 과거 플라이스토세의 시베리아는 현재와 달리 '매머드 초원'이라 불리는 풍요로운 생태계를 유지하고 있었으며, 인류는 이러한 독특한 환경에 적응하며 자신들만의 생활 양식을 구축했습니다. 유전자 염기서열 분석 기술의 비약적인 발전은 화석과 유적 속에 숨겨진 고대 인류의 이동 경로와 혼합 과정을 정밀하게 추적할 수 있게 함으로써, 문헌에 기록되지 않은 잊힌 역사의 퍼즐을 맞추는 강력하고 객관적인 수단이 되어주고 있습니다. 특히 타림 분지의 미라 집단이나 보타이 문화의 말 사육 사례는 유전적 정보가 기존의 고고학적 가설을 어떻게 검증하고 때로는 반박할 수 있는지 명확히 보여줍니다. 외형적으로는 서구적 특징을 가졌으나 유전적으로는 주변 집단과 섞이지 않은 고립된 수렵채집인의 후손이었던 타림 분지 사람들의 사례는 문화적 교류와 유전적 계통이 반드시 일치하지 않음을 시사합니다. 이러한 연구 결과들은 인류가 급격한 기후 변화와 환경적 제약 속에서도 어떻게 생존을 도모하고 외부 문화를 수용하며 자신들만의 독자적인 문명을 발전시켰는지에 대한 깊은 통찰을 제공합니다. 이어지는 강연에서는 도박사의 소박한 호기심에서 시작된 확률론이 어떻게 현대 통계학으로 진화하여 사회의 불확실성을 관리하는 핵심 기술이 되었는지 논의되었습니다. 17세기 파스칼과 페르마의 서신 교환에서 싹튼 확률 개념은 오늘날 인구 조사와 미래 예측을 가능하게 하는 이론적 토대가 되었습니다. 통계학은 단순히 흩어진 숫자를 집계하는 것을 넘어, 방대한 데이터 속에 숨겨진 일정한 패턴을 읽어내고 미래의 위험을 정량적으로 평가함으로써 국가 정책 수립과 합리적인 사회적 의사결정을 내리는 데 있어 없어서는 안 될 필수적인 역할을 수행하고 있습니다. 인구 추계는 출생, 사망, 국제 이동이라는 세 가지 핵심 요인을 바탕으로 미래 사회의 구조적 변화를 그려내는 정교한 작업입니다. UN과 통계청은 코호트 요인 추계법과 확률적 모형을 활용하여 저출산과 고령화라는 인류 공통의 과제를 분석하고 대응 방안을 마련하고 있습니다. 미래 인구에 대한 정확한 예측은 식량, 자원, 환경 문제뿐만 아니라 연금이나 복지 정책의 방향성과도 직결됩니다. 따라서 통계적 불확실성을 과학적으로 이해하고 대비하는 과정은 우리 사회의 지속 가능성을 확보하기 위해 반드시 거쳐야 하는 가장 기본적인 준비 단계라 할 수 있습니다. 과학의 발전은 단일 학문의 고립된 성과에 그치지 않고 다양한 분야 간의 긴밀한 협력과 동행을 통해 완성됩니다. 인류 유전학이 진화의 수리 모형을 정립하기 위해 통계학을 필수적으로 활용하듯, 현대 과학은 학제 간 경계를 허물며 복잡한 현상을 다각도에서 분석하고 있습니다. 과학자들은 자신의 연구가 사회에 미칠 영향을 깊이 고민하며 진실한 태도로 연구에 임해야 하며, 대중 또한 과학적 탐구 과정에 지속적인 관심을 두고 참여해야 합니다. 이러한 상호 작용은 과학과 사회가 서로를 신뢰하며 더 나은 방향으로 나아가는 건강한 동행을 가능하게 합니다. 기초과학은 인류와 지구의 지속 가능한 발전을 가능하게 하는 가장 강력한 원동력이자 미래를 여는 열쇠입니다. 순수한 호기심에서 시작된 탐구는 수많은 시행착오와 인내의 시간을 거쳐 인류의 지평을 넓히는 위대한 발견으로 이어집니다. 이번 공개 강연은 과학이 단순히 교과서 속의 어려운 지식이 아니라, 우리의 삶과 역사를 이해하고 더 나은 미래를 설계하기 위한 필수적인 동반자임을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 과학과의 슬기로운 동행을 통해 우리는 직면한 위기를 새로운 기회로 바꾸며, 인류 사회를 위한 혁신적인 가치를 끊임없이 창출해 나갈 것입니다.

송성주, 정충원

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학
수학

[인터뷰] 명경재_손상된 DNA를 치료하는 기술은 어떤 수준인가요?

유전체 정보의 분석 기술은 현대 사회에서 범죄 수사와 질병 예방 등 다양한 분야에 혁신을 가져왔습니다. 개인마다 조금씩 다른 염기서열을 활용해 범인을 특정하거나 미래의 질병을 예측하는 일은 이미 현실이 되었습니다. 하지만 이러한 기술의 발전은 유전적 특징으로 인간의 가치를 판단하는 우생학적 위험이나 개인 정보 침해와 같은 윤리적 고민을 동반합니다. 영화 '가타카'에서 묘사된 것처럼 유전자가 직업과 신분을 결정짓는 사회가 되지 않도록, 기술의 혜택과 잠재적 부작용 사이의 균형을 맞추는 지혜가 필요합니다. 유전체 연구의 핵심 중 하나인 DNA 복구는 생명체가 생존을 위해 필수적으로 수행하는 자연적인 과정입니다. 현재 과학계는 이러한 복구 과정에 관여하는 다양한 효소들의 작용 원리를 깊이 있게 연구하고 있으나, 이를 실제 질병 치료에 응용하는 단계는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 특정 효소가 필요한 시점에 정확한 손상 부위로 이동하도록 정밀하게 제어하는 기술적 과제가 남아있기 때문입니다. 한국의 유전체 기술력은 이미 세계적 수준에 도달해 있으며, 이제는 단순한 기술 습득을 넘어 창의적인 아이디어로 무장한 연구자들의 역할이 더욱 중요해진 시점입니다. 기초과학연구원(IBS)은 연구자들이 창의적인 연구에 몰입할 수 있는 환경을 제공하며, 기술 사업화와 특허 출원을 적극적으로 장려하고 있습니다. 특히 미국 국립보건원(NIH)과 같은 해외 선진 연구 기관에서의 경험을 바탕으로, 더 큰 규모의 연구단을 구성하여 시너지를 내는 구조는 한국 기초과학의 경쟁력을 높이는 핵심 동력이 됩니다. 연구 단장으로서 연구의 질을 높이는 동시에, 연구원들이 독립적인 창업을 통해 기술을 사회에 환원할 수 있도록 돕는 체계적인 시스템은 과학 기술의 선순환 구조를 만드는 데 기여하고 있습니다. 새로운 과학적 발견은 때로 기존 학계의 강력한 편견과 부딪히며 시련을 겪기도 합니다. 포유류에게는 존재하지 않는다고 믿어왔던 DNA 복구 기작을 새롭게 발견했을 때, 권위 있는 학자들로부터 부정적인 평가를 받으며 논문 게재에 어려움을 겪었던 사례가 대표적입니다. 하지만 진실을 향한 끈기 있는 연구는 결국 시간이 흐른 뒤 수많은 인용과 후속 연구로 그 가치를 증명받게 됩니다. 이러한 과정은 신진 연구자가 독립적인 연구자로 성장하는 과정에서 겪는 가장 힘든 고비이자, 과학적 자부심을 형성하는 소중한 자산이 됩니다. 생명과학자와 임상 의사 사이의 원활한 소통은 기초 연구가 실제 의료 현장에 적용되기 위해 반드시 넘어야 할 산입니다. 서로 다른 전문 용어와 관점을 가진 두 집단이 협력하기 위해서는 잦은 만남과 대화를 통해 서로의 영역을 이해하려는 노력이 필수적입니다. 각자가 잘하는 분야에 집중하되 공동 연구라는 틀 안에서 서로의 부족한 점을 보완할 때, 비로소 과학적 발견이 질병 치료라는 실질적인 성과로 이어질 수 있습니다. 소통의 장을 넓히고 협력의 가치를 존중하는 문화야말로 미래 과학 기술 발전을 이끄는 진정한 힘입니다.

명경재

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[인터뷰] 노정혜_과학이 문화에 스며드는 사회의 품격

노정혜 교수는 한국연구재단 이사장직을 마치고 다시 연구 현장으로 돌아오며 큰 홀가분함과 행복을 느낀다고 전합니다. 재임 기간 동안 약 3만 개에 달하는 연구 과제를 관리하며 연구자들이 공정하고 전문적인 평가를 받을 수 있는 신뢰의 토대를 마련하고자 노력했습니다. 특히 연구자들이 창의적이고 자유롭게 연구할 수 있는 환경을 조성하기 위해 개인 연구 지원 비중을 높이고, 전체 연구 생태계의 건강성을 유지하는 데 주력했습니다. 이러한 노력은 단순히 성과를 내는 것을 넘어, 연구자들이 지속 가능한 연구를 이어갈 수 있는 든든한 기반이 되었습니다. 연구 과제 선정에서 가장 중요한 요소는 독창적인 연구 주제를 명확하게 표현하는 능력입니다. 선정률이 높지 않은 현실에서 연구자는 남들이 시도하지 않은 독창적인 연구 주제를 발굴해야 합니다. 아이디어가 애매하거나 이미 존재하는 것이라면 좋은 평가를 받기 어렵습니다. 따라서 연구자는 자신의 연구 목적과 가치를 논리적으로 설명할 수 있어야 하며, 이는 연구의 성패를 가르는 핵심적인 단계가 됩니다. 기술적인 실험 능력만큼이나 과학적 글쓰기 역량이 강조되는 이유입니다. 한국 과학은 지난 수십 년간의 축적을 통해 이제 본격적으로 열매를 맺는 단계에 진입했습니다. 과거에는 선진국의 연구 주제를 따라가는 경향이 있었으나, 이제는 세계 수준을 선도하기 위해 독창적인 연구 주제를 발굴하는 것이 필수적입니다. 또한 연구 결과를 논문으로 발표하는 데 그치지 않고, 국제 학계와 적극적으로 소통하며 교류하는 자세가 필요합니다. 국제 학술대회 참여나 해외 연구실과의 협력을 통해 한국 과학의 위상을 높이고, 우리만의 독특한 연구 성과를 세계 무대에 널리 알리는 노력이 한국 과학의 미래를 결정지을 것입니다. 카오스재단은 지난 10년 동안 훌륭한 과학자들을 대중 앞에 세워 과학 지식을 쉽게 전달하며 과학의 대중화에 앞장서 왔습니다. 율곡 이이의 '10만 양병설'처럼 과학을 깊이 이해하는 대중 10만 명을 양성하겠다는 목표는 이미 온라인 채널 구독자 20만 명을 돌파하며 가시적인 성과를 거두었습니다. 이제는 국내를 넘어 콘텐츠의 국제화를 도모해야 할 시점입니다. 영어 자막 제작이나 콘텐츠 가공을 통해 외국 유학생과 국제 커뮤니티에도 한국의 우수한 과학 콘텐츠를 제공한다면, 온라인 교육의 활성화와 맞물려 더 큰 파급력을 발휘할 수 있을 것입니다. 과학이 문화의 일부로 스며드는 것은 사회의 품격을 높이고 인간의 삶을 정확하게 이해하는 데 필수적입니다. 팬데믹이나 기후 변화와 같은 현대 사회의 복잡한 문제들을 객관적으로 바라보기 위해서는 기초 과학 지식이 탄탄한 기반이 되어야 합니다. 비록 짧고 감각적인 정보가 넘쳐나는 시대이지만, 깊이 있는 과학 콘텐츠를 지속적으로 생산하고 공유하는 활동은 우리 사회가 당당하고 풍요로운 미래로 나아가는 데 중요한 밑거름이 될 것입니다. 현상의 근본 원리를 이해할 때 우리는 비로소 세상을 더 넓고 깊게 바라볼 수 있는 안목을 갖게 됩니다.

노정혜

카오스재단석학인터뷰

생명과학
융합

[강연] 온도, 촉각 수용체 발견, 통증이 없는 삶 가능할까? by 오석배 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 1강

우리가 세상을 인지하는 가장 기본적인 방식은 오감을 통한 자극의 수용입니다. 그중에서도 온도와 촉각은 생존과 직결된 아주 중요한 감각입니다. 뜨거운 물체에 닿았을 때 즉각적으로 손을 떼거나, 부드러운 바람을 느끼는 과정은 우리 몸속의 정교한 센서들이 작동한 결과입니다. 오랫동안 인류는 이러한 감각이 어떻게 전기적 신호로 변환되어 뇌에 전달되는지 그 구체적인 메커니즘을 밝혀내고자 노력해 왔습니다. 이러한 탐구는 생명과학의 핵심적인 과제 중 하나였습니다. 2021년 노벨 생리의학상은 바로 이 감각의 수수께끼를 풀어낸 과학자들에게 돌아갔습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신을 활용해 우리가 열을 감지하는 원리를 규명했습니다. 그는 캡사이신에 반응하는 특정 유전자를 찾아내어 'TRPV1'이라는 이온 통로를 발견했습니다. 이 발견은 단순히 매운맛을 이해하는 것을 넘어, 우리 몸이 유해한 수준의 열을 어떻게 통증으로 인식하는지를 과학적으로 증명한 획기적인 사건으로 기록되었습니다. TRPV1은 특정 온도 이상에서 문이 열리며 이온을 통과시키는 단백질입니다. 이를 통해 열 자극이 전기 신호로 바뀌어 신경계를 타고 뇌로 전달됩니다. 흥미로운 점은 캡사이신 분자가 이 수용체에 결합하면, 실제 온도가 높지 않음에도 불구하고 우리 뇌는 뜨거움을 느낀다는 사실입니다. 이러한 연구는 온도감각과 통증이 분자 수준에서 어떻게 연결되어 있는지를 명확히 보여주었으며, 감각 생리학 분야에 새로운 지평을 열어주었다는 평가를 받고 있습니다. 온도뿐만 아니라 물리적인 압력을 감지하는 메커니즘 역시 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 아뎀 파타푸티안 교수는 세포에 물리적인 자극을 가했을 때 반응하는 유전자를 추적한 끝에 '피에조(PIEZO) 통로'를 발견했습니다. 피에조는 그리스어로 압력을 뜻하는 단어에서 유래했으며, 세포막이 눌리거나 당겨질 때 열리는 이온 통로입니다. 이 발견으로 우리는 가벼운 접촉부터 깊은 압박까지 다양한 촉각을 인지하는 생물학적 기초를 명확하게 갖게 되었습니다. 피에조 통로의 역할은 단순히 피부의 촉각에만 국한되지 않습니다. 우리 몸 내부의 혈압 조절이나 방광의 팽창 정도를 감지하는 등 내부 장기의 상태를 파악하는 데도 핵심적인 역할을 수행합니다. 또한 자신의 팔다리가 어디에 위치해 있는지 인지하는 고유수용감각에도 깊이 관여합니다. 이처럼 물리적 자극을 감지하는 시스템은 우리 몸의 항상성을 유지하고 복잡한 움직임을 제어하는 데 필수적인 요소임이 밝혀졌으며, 이는 인체 신비의 한 축을 담당합니다. 이러한 기초 과학적 발견은 현대 의학에서 통증 치료의 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 만성 통증이나 신경병증성 통증으로 고통받는 환자들에게 TRPV1이나 피에조 통로를 조절하는 약물은 혁신적인 치료제가 될 수 있습니다. 특정 감각 수용체만을 표적으로 삼아 부작용을 최소화하면서도 효과적으로 통증을 제어하려는 연구가 현재 활발히 진행 중입니다. 이는 감각의 원리를 이해하는 것이 곧 인류의 고통을 줄이고 삶의 질을 높이는 길임을 시사하는 대목입니다. 감각 수용체의 발견은 인간이 환경과 상호작용하는 근본적인 방식을 이해하게 해주었습니다. 우리가 느끼는 따뜻함, 시원함, 그리고 부드러운 촉감 뒤에는 수억 년의 진화 과정을 거쳐 완성된 정교한 분자 기계들이 숨어 있습니다. 노벨 생리의학상이 주목한 이 연구들은 생명과학의 근원적인 질문에 답을 던졌을 뿐만 아니라, 미래의 정밀 의료를 향한 중요한 이정표가 되었습니다. 앞으로도 감각의 신비는 계속해서 밝혀질 것이며 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것입니다.

오석배

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[인터뷰] 유주연_바이러스와의 공존, 어느날 일어나보니...? | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학자의 길을 걷다 보면 자연스레 '까칠하고 깐깐하다'는 평을 듣게 되곤 합니다. 이는 직업병이라기보다 사실에 기반한 사고를 지향하는 과학적 태도에서 비롯된 결과입니다. 주관적인 추정이나 근거 없는 가정을 철저히 경계하고, 오직 명확한 증거(Evidence)에 기반하여 의견을 개진하는 것이 연구의 기본이기 때문입니다. 이러한 비논리적인 행위를 피하려는 노력은 일상생활에도 영향을 미치지만, 결국 이는 현상을 왜곡 없이 바라보려는 과학자만의 정직한 시선이라고 할 수 있습니다. 스스로를 끊임없이 경계하며 질문을 던지는 태도야말로 진실에 다가가는 첫걸음이 됩니다. 처음부터 과학자를 꿈꿨던 것은 아니었습니다. 본래 질병을 고치는 의사가 되고 싶었으나, 우연한 기회에 접한 유전학 수업이 인생의 전환점이 되었습니다. 특히 '선천성 대사 이상'이라는 책과 겸상 적혈구 빈혈증에 대한 사례를 접하며 큰 전율을 느꼈습니다. 단순히 병을 치료하는 행위를 넘어, 특정 단백질의 아미노산 변이가 어떻게 질병으로 이어지는지 그 근원적인 기전을 이해하고 싶다는 강렬한 열망이 생겨난 것입니다. 병이 왜 생기는지를 탐구하는 과정에서 찾은 깨달음은 지금까지 연구의 길을 걷게 하는 가장 강력한 동력이 되었습니다. 연구라는 긴 여정에서 '희열'의 순간은 아주 간헐적으로 찾아옵니다. 그 짧은 찰나를 위해 연구자는 기나긴 인고의 시간을 열정으로 버텨내야 합니다. 하지만 열정은 가만히 둔다고 유지되는 것이 아니라, 마치 식물처럼 정성껏 물을 주고 가꾸어야 하는 대상입니다. 특히 정신력은 체력 상태와 밀접하게 연결되어 있습니다. 체력이 뒷받침되지 않으면 열정은 금방 시들기 마련이기에, 규칙적인 운동을 통해 최상의 몸 상태를 유지하는 것은 연구의 연장선이자 필수적인 과정입니다. 건강한 신체는 곧 창의적인 연구를 지속할 수 있는 든든한 버팀목이 됩니다. 복잡한 연구 데이터 속에서 길을 잃었을 때, 해답은 의외로 단순함에 있었습니다. '생각의 탄생'이라는 책을 통해 깨달은 것은, 핵심 아이디어를 찾기 위해 불필요한 것들을 과감히 버려야 한다는 점이었습니다. 모든 데이터를 끌어안고 이해하려 하기보다, 생명 현상의 본질을 흐리는 군더더기를 솎아내는 작업이 선행되어야 합니다. "버릴 것이 무엇인지 찾아야 한다"는 가르침은 연구실의 중요한 철학이 되었고, 이는 복잡한 현상을 명료한 법칙으로 설명해 내는 과학적 통찰력의 핵심이 되었습니다. 비우는 과정을 통해 비로소 현상의 진정한 의미가 보이기 시작합니다. 현재 우리는 바이러스와 함께 살아가는 시대를 지나고 있습니다. 바이러스의 변이는 두려움의 대상이 아니라, 생존을 위한 자연스러운 변화의 과정입니다. mRNA 백신은 우리 몸이 바이러스를 기억하고 빠르게 대응할 수 있도록 돕는 정교한 기술의 산물입니다. 궁극적으로 바이러스는 인간과 공존할 수 있는 평화로운 방향으로 진화해 나갈 것입니다. 마치 소설 '안드로메다 스트레인'의 결말처럼, 치명적이었던 존재가 어느 순간 우리와 공존 가능한 형태로 변모하기를 기대합니다. 연구의 즐거움을 잃지 않고 이 신비로운 생명 현상을 탐구하는 여정은 앞으로도 계속될 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] 우리 몸을 움직이는 에너지, 너의 정체는? by 정종경ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 7강

지구상의 모든 생명체가 살아가는 데 필요한 에너지의 근원은 태양입니다. 식물은 엽록체를 통해 태양의 빛 에너지를 흡수하고, 광합성이라는 경이로운 과정을 거쳐 이를 유기물인 포도당으로 전환합니다. 이 과정에서 이산화탄소와 물이라는 단순한 무기물이 에너지가 풍부한 영양분으로 탈바꿈하며, 빛 에너지는 화합물 사이의 화학 결합 에너지 형태로 저장됩니다. 결국 우리가 섭취하는 모든 음식의 에너지는 태양으로부터 시작되어 생태계를 순환하며 우리 몸에 도달하게 되는 것입니다. 우리가 섭취한 음식물은 소화와 대사 과정을 거쳐 세포가 직접 사용할 수 있는 형태인 ATP로 변환되어야 합니다. 아데노신 삼인산의 약자인 ATP는 아데노신에 세 개의 인산기가 결합한 구조를 가집니다. 실제 에너지는 이 인산기 사이의 화학 결합 속에 숨겨져 있으며, 마지막 인산이 떨어져 나가며 ADP로 변할 때 발생하는 에너지를 우리 세포가 사용합니다. ATP는 생명 활동을 위한 '에너지 화폐'와 같아서, 근육의 움직임부터 신경 전달까지 모든 생체 반응의 원동력이 됩니다. 우리 몸속에는 약 50g 정도의 ATP가 존재하지만, 이는 단 몇 분간의 생명 활동을 유지하기에도 부족한 양입니다. 따라서 세포는 사용한 ADP를 다시 ATP로 충전하는 리사이클링 과정을 끊임없이 반복합니다. 만약 청산가리와 같은 독극물이 ATP 생성을 방해하면 생명체는 즉각적으로 생존의 위협을 받게 됩니다. ATP가 에너지원으로 선택된 이유는 우리 몸에 풍부할 뿐만 아니라, 한 분자가 내는 에너지 수준이 세포 내 다양한 화학 반응에 필요한 에너지 크기와 절묘하게 일치하여 낭비 없는 효율적인 사용이 가능하기 때문입니다. 세포가 포도당으로부터 ATP를 수확하는 과정을 '세포 호흡'이라고 부릅니다. 우리가 숨을 쉬며 산소를 들이마시는 궁극적인 이유도 바로 이 세포 호흡을 위해서입니다. 흥미롭게도 세포 호흡은 식물의 광합성과 정확히 반대되는 역반응의 관계에 있습니다. 광합성이 에너지를 투입해 포도당을 만드는 과정이라면, 세포 호흡은 산소를 이용해 포도당의 화학 결합을 끊고 그 속에 저장된 에너지를 ATP로 추출해내는 과정입니다. 이러한 순환 구조는 지구 생태계가 에너지를 보존하고 활용하는 정밀하고 신비로운 메커니즘을 잘 보여줍니다. ATP 생산의 핵심적인 무대는 세포 내 기관인 미토콘드리아입니다. 포도당은 세포질에서 해당 과정을 거친 뒤 미토콘드리아 내부로 들어가 TCA 회로와 전자 전달계라는 복잡한 단계를 거칩니다. 이 과정은 마치 댐에서 물의 낙차를 이용해 전기를 생산하는 수력 발전과 유사합니다. 미토콘드리아는 막 사이의 수소 이온 농도 차이를 이용해 거대한 에너지를 만들어내고, 이를 통해 최종적으로 수많은 ATP를 합성합니다. 이렇게 만들어진 에너지는 세포의 분열, 합성, 신호 전달 등 우리가 살아 숨 쉬는 모든 순간에 사용됩니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[연구뭐하지] 박승범 교수_서울대학교 '화학생물학 연구실' | 화학부에서 분자생물학 연구를? 그래서 더 다채로운 바이오 연구를 할 수 있는 곳!

생명 현상은 신비롭고 복잡하지만, 그 본질을 들여다보면 단백질, DNA, RNA와 같은 분자들의 정교한 상호작용으로 이루어져 있습니다. 화학생물학은 이러한 분자 수준에서의 화학적 상호작용을 이해하고 조절함으로써 생명의 비밀을 풀어나가는 학문입니다. 서울대학교 화학부 화학생물학 연구실은 이러한 기초적인 이해를 바탕으로 질병을 치료할 수 있는 새로운 치료제를 개발하는 데 매진하고 있습니다. 분자 수준의 통찰력은 복잡한 생명 현상을 명확하게 규명하는 강력한 도구가 됩니다. 연구실에서는 유기화학적 지식을 기반으로 인체의 신비를 탐구하며, 특히 다양한 질병 모델을 활용한 표현형 기반 스크리닝을 진행합니다. 발굴된 화합물이 어떤 단백질을 표적으로 삼는지, 그리고 어떤 생리적 기전을 통해 치료 효과를 나타내는지 파악하기 위해 TS-FITGE와 같은 독창적인 연구 기법을 활용합니다. 이는 단순히 물질을 발견하는 것에 그치지 않고, 그 물질이 생체 내에서 작용하는 구체적인 경로를 과학적으로 입증하여 신약 개발의 가능성을 높이는 중요한 과정입니다. 이곳의 유기합성 연구는 일반적인 유기화학과는 차별화된 지향점을 가집니다. 단순히 새로운 반응론을 개발하는 것에 머물지 않고, 그 반응이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 끊임없이 자문합니다. 생물학적 활성이 기대되는 구조를 설계하여 합성하거나, 생명 현상을 실시간으로 관측할 수 있는 형광 분자를 제작하는 등 모든 합성 과정의 중심에는 생물학적 가치가 자리 잡고 있습니다. '왜 이 물질을 만드는가'에 대한 확고한 해답은 연구자들에게 강력한 동기를 부여하며 질병 치료라는 목표를 향해 나아가게 합니다. 연구의 효율성을 극대화하기 위한 아낌없는 지원과 최첨단 시설은 이 연구실의 큰 자랑입니다. 유기합성부터 바이오 실험까지 모든 단계를 한곳에서 마무리할 수 있도록 국내 최고 수준의 장비와 리소스를 갖추고 있습니다. 특히 연구자의 시간을 소중히 여기는 철학에 따라, 학생들이 연구에만 몰두할 수 있는 환경을 조성하는 데 지원을 아끼지 않습니다. 이러한 인프라는 학생들이 각자의 프로젝트를 독립적이면서도 전문적으로 수행할 수 있게 돕는 든든한 밑거름이 되어 줍니다. 다양한 전공 배경을 가진 인재들이 모여 협력하는 문화는 연구실을 더욱 풍요롭게 만듭니다. 교수님은 자신을 정원사에 비유하며, 학생들이 각자의 재능과 관심에 따라 스스로 성장할 수 있도록 돕는 조력자 역할을 자처합니다. 획일적인 방향을 강요하기보다 각자의 나무가 가장 예쁜 꽃을 피울 수 있도록 적절한 가지치기와 지원을 제공하는 것입니다. 미래의 유망한 분야를 쫓기보다 자신이 진정으로 좋아하는 것이 무엇인지 깨닫고 이를 깊이 있게 탐구할 때, 연구자로서의 진정한 성장이 시작됩니다.

박승범

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화학
생명과학

[연구뭐하지] 마틴 스타이네거 교수_서울대학교 '생물정보학 및 기계학습연구실' | 생물학 데이터 연구와 소프트웨어 개발 모두 가능!

서울대학교 생명과학부의 생물정보학 및 기계학습 연구실은 폭발적으로 증가하는 생물학적 데이터를 효율적으로 분석하기 위한 알고리즘을 개발합니다. 마틴 스타이네거 교수님은 컨설팅 분야에서 과학의 길로 들어서며, 수십억 개의 서열을 정렬하고 라벨링하는 빅데이터 처리의 매력에 집중하게 되었습니다. 현재 연구실은 유전체와 바이러스 서열 데이터가 기하급수적으로 늘어나는 상황에서, 이를 감당할 수 있는 속도와 효율성을 갖춘 분석 도구를 만드는 데 주력하고 있습니다. 이는 현대 생명과학의 난제를 해결하는 핵심적인 토대가 됩니다. 연구실의 대표적인 성과물인 MMseqs2는 수십억 개의 서열을 처리할 수 있는 고성능 알고리즘으로, 대규모 데이터셋 분석의 표준으로 자리 잡았습니다. 또한 단백질 구조 예측 분야에서 혁신을 일으킨 ColabFold와 같은 분석 도구들을 통해 딥러닝 커뮤니티에 기여하고 있습니다. 이러한 분석 도구들은 고처리량 단백질 데이터베이스를 구축하고 분석하는 데 필수적이며, 연구자들이 복잡한 생물학적 정보를 보다 빠르고 정확하게 파악할 수 있도록 돕습니다. 기술적 변화에 발맞춘 이러한 소프트웨어 개발은 생물정보학의 지평을 넓히고 있습니다. 연구실의 학생들은 구체적으로 단백질 구조 정렬과 원자 정보 데이터의 효율적인 압축 방법을 연구하고 있습니다. 또한 바이러스 유전체 정보를 활용하여 인플루엔자나 코로나바이러스와 같은 특정 바이러스를 탐지할 수 있는 DNA 서열을 설계하거나, 기존 유전 정보를 바탕으로 새로운 유전자를 예측하는 프로젝트를 수행합니다. 이러한 연구는 단순히 데이터를 처리하는 것을 넘어, 실제 질병 진단과 생명 현상의 이해를 돕는 실질적인 분석 도구를 만드는 과정입니다. 데이터의 성장을 기술적 기회로 바꾸는 것이 이들의 핵심 목표입니다. 생명과학의 근간인 센트럴 도그마(Central Dogma), 즉 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 이어지는 과정을 컴퓨터 알고리즘으로 구현하는 것은 매우 도전적인 과제입니다. 연구원들은 이 복잡한 생물학적 흐름을 어떻게 효율적으로 전산화할 수 있을지 고민하며, 기존 방식의 미흡한 점을 찾아 개선해 나갑니다. 생물정보학 분야는 여전히 탐험해야 할 영역이 많은 '블루오션'과 같으며, 정보 기술과 생명과학의 결합을 통해 새로운 발견의 가능성이 무궁무진합니다. 이는 연구자들에게 끊임없는 호기심과 탐구 동기를 부여하는 원동력이 됩니다. 이 연구실은 이론적인 사고를 즐기고 꼼꼼한 성격을 가진 학생들에게 최적의 환경을 제공합니다. 파이썬과 파이토치 같은 분석 도구를 활용해 생물학적 문제를 코딩으로 해결하며, 뛰어난 개발자이자 연구자인 교수님의 지도 아래 소프트웨어 개발 및 관리 능력을 키울 수 있습니다. 메타게놈 데이터를 분석하여 새로운 단백질 패밀리를 발견하고 인류의 건강에 기여하는 것은 이들의 궁극적인 지향점입니다. 복잡한 데이터를 분석하고 혁신적인 분석 도구를 만들고자 하는 열정이 있다면, 생물정보학의 미래를 함께 그려나갈 수 있을 것입니다.

마틴 스타이네거

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생명과학

[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

[질문Q] 우리 몸을 구성하는 물질은 크게 어떻게 나눌 수 있을까?ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 4강ㅣ단백질 : 3차원의 마술사

인간 게놈 프로젝트는 인류의 생로병사를 이해하려는 거대한 도전이었습니다. 초기 과학자들은 인간의 복잡성을 고려할 때 약 10만 개의 유전자가 존재할 것이라 예측했으나, 실제 결과는 2만여 개에 불과했습니다. 이 숫자는 단백질을 생성하는 협의의 유전자를 기준으로 하며, 연구에 따라 2만 1천 개에서 2만 3천 개 사이로 정의되기도 합니다. 유전자의 정확한 숫자를 확정 짓는 것보다 중요한 것은 생명체가 가진 유연성과 그 복잡한 설계도를 이해하려는 끊임없는 탐구 정신입니다. 유전자의 수와 실제 우리 몸에서 활동하는 단백질의 수 사이에는 거대한 간극이 존재합니다. 약 2만 개의 유전자가 어떻게 100만 가지 이상의 단백질을 만들어내는지에 대한 해답은 단백질의 역동성에 있습니다. 단백질은 생성된 이후에도 절단되거나 인산화, 아세틸화와 같은 다양한 변형 과정을 거치며 수많은 형태로 진화합니다. 이러한 현상을 'N-패러독스'라고 부르며, 이는 유전자가 단순히 호출하는 단계를 넘어 생명 현상이 얼마나 다채롭고 정교하게 조절되는지를 잘 보여줍니다. 생명체를 구성하는 본질적인 요소는 네 가지 거대한 고분자 화합물로 요약됩니다. 유전 정보를 담은 핵산인 DNA와 RNA, 생체 기능을 수행하는 단백질, 에너지원인 탄수화물, 그리고 세포막을 형성하는 지방이 그 주인공입니다. 이 네 가지 물질은 생명의 근간을 이루며, 우주에서 생명체의 흔적을 찾을 때 생물학자들이 가장 먼저 확인하는 지표가 되기도 합니다. 물질에서 생명으로 이어지는 신비로운 과정은 결국 이 고분자들이 상호작용하며 만들어내는 정교한 조화의 결과물이라 할 수 있습니다. 단백질의 분해 과정은 우리에게 유익한 발효와 해로운 부패라는 두 갈래 길로 나뉩니다. 두 현상은 종이 한 장 차이로 결정되는데, 부패의 경우 단백질이 아미노산을 넘어 질소나 유황 성분까지 완전히 분해되면서 불쾌한 냄새를 풍기게 됩니다. 자연은 우리 몸에 해로운 물질에서 역한 냄새가 나도록 설계하여 스스로를 보호하게 만들었습니다. 반면 적절히 분해된 아미노산은 우리 몸에 필요한 영양소가 되어 맛의 풍미를 더해줍니다. 이는 생명 현상이 생존을 위해 얼마나 효율적으로 진화했는지 보여주는 사례입니다. 프리온 단백질은 정상적인 구조가 변형되어 질병을 유발하는 특이한 사례로, 변형된 구조가 정상 단백질까지 오염시키는 특징을 가집니다. 단백질에 강한 열을 가하면 '변성'이라는 과정을 통해 고유의 입체 구조가 파괴되는데, 완전히 분해된 단백질이 다시 원래의 프리온 구조로 돌아가는 것은 불가능에 가깝습니다. 우리가 음식을 끓여 먹는 행위는 병원균을 사멸시키고 단백질을 아미노산 단위로 분해하여 안전하게 섭취하기 위한 과학적인 생존 전략입니다. 극한의 환경에서도 생명은 원자 단계의 분해와 재조합을 통해 순환합니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 단백질 : 3차원의 마술사 by 김성훈ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 4강

많은 이들이 단백질을 단순히 영양소나 먹거리로만 생각하는 경향이 있습니다. 하지만 생명과학의 관점에서 단백질은 유전자라는 2차원 설계도를 현실의 생명체로 형상화하는 핵심적인 존재입니다. DNA가 생명의 정보를 담고 있다면, 그 정보를 바탕으로 우리 몸의 구체적인 형태와 기능을 만들어내는 실체는 바로 단백질입니다. 유전자가 우리가 어떻게 살아갈 것인지를 말해주는 지침서라면, 단백질은 그 지침을 바탕으로 생명을 구체적으로 나타나게 하는 실질적인 주인공인 셈입니다. 생명체 내에서 단백질이 만들어지는 과정은 정교한 공장 시스템과 같습니다. DNA의 정보가 메신저 RNA를 통해 전달되면, 이른바 '단백질 공장'에서 암호가 해독되어 아미노산들이 결합하고 아름다운 3차원 구조를 형성합니다. 흥미로운 점은 전 세계 70억 인구 중 동일한 존재가 단 한 명도 없다는 사실입니다. 이는 우리 몸을 구성하는 약 100만 개의 단백질이 저마다 다른 조합과 모양을 갖추며 각자의 고유한 정체성을 형성하기 때문입니다. 단백질의 3차원 구조는 그 기능을 결정하는 결정적인 요소입니다. 만약 이 구조가 변성되면 광우병이나 퇴행성 신경 질환 같은 심각한 질병이 발생하며, 한 번 변성된 단백질을 정상으로 돌리는 것은 현대 과학으로도 매우 어려운 과제입니다. 반대로 단백질의 구조를 정확히 파악하면 질병의 원인을 찾아내어 글리벡과 같은 혁신적인 신약을 개발할 수 있습니다. 최근에는 화합물 대신 인슐린이나 항체와 같은 단백질 자체를 치료제로 활용하는 비중이 점차 커지고 있습니다. 우리가 섭취하는 단백질이 몸에 흡수되는 과정에는 흔한 오해가 존재합니다. 특정 부위에 좋다는 음식을 먹는다고 해서 그 성분이 그대로 우리 몸의 해당 기관으로 이동하는 것은 아닙니다. 고가의 단백질 치료제나 보양식을 먹더라도 소화 과정을 거치며 아미노산으로 쪼개진 후, 인체에 필요한 형태로 재구성됩니다. 결국 단백질 섭취의 본질은 신체를 구성하는 기초 재료를 공급받는 과정이며, 이를 통해 생명체는 끊임없이 자신을 유지해 나갑니다. 유전자가 생명의 악보라면 단백질은 그 악보를 연주하는 현실의 음악과 같습니다. 일란성 쌍둥이라도 생활 습관에 따라 외모와 건강 상태가 달라지는 것은 유전자가 같아도 단백질의 발현이 달라질 수 있음을 보여줍니다. 부모님께 물려받은 유전자는 바꿀 수 없지만, 우리가 어떻게 살아가느냐에 따라 우리 몸의 단백질과 인생의 모습은 충분히 변화할 수 있습니다. 즉, 단백질은 결정된 운명을 넘어 자신의 노력으로 삶을 가꾸어 나갈 수 있는 생물학적 근거가 되어줍니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[질문Q] '본성vs환경' 논쟁에서 환경적 요인이 더 크다고 봐야할까?ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 2강ㅣDNA : 생명체 번식과 다양성의 열쇠

유전자의 세계는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 다양하고 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 하나의 유전자가 가진 길이는 천차만별인데, 어떤 것은 염기가 만 개를 넘어가기도 하고 짧은 것은 수백 개에 불과하기도 합니다. 이에 따라 단백질을 구성하는 아미노산의 개수도 수백 개에서 수천 개까지 큰 차이를 보입니다. 평균적으로는 약 1,500개에서 2,000개 정도의 염기가 하나의 유전자를 이룬다고 볼 수 있지만, 이러한 수치적 평균보다는 각 유전자가 생명체 내에서 수행하는 고유한 역할과 그에 최적화된 구조를 이해하는 것이 유전학의 핵심적인 출발점이라 할 수 있습니다. 생명의 설계도는 이처럼 정교한 변주를 통해 완성됩니다. 획득 형질의 유전 여부는 현대 생물학에서 매우 흥미로우면서도 조심스러운 쟁점 중 하나입니다. 과거에는 환경에 의해 얻어진 형질이 후대에 전달되지 않는다는 견해가 지배적이었으며, 이는 우생학적 오용을 경계하는 사회적 분위기와도 맞물려 있었습니다. 하지만 최근 연구들은 특정 환경적 요인이 유전자의 직접적인 변형 없이도 후대에 영향을 미칠 수 있다는 증거들을 제시하고 있습니다. 물론 이러한 후성유전적 표지가 다음 세대로 명확히 전달되는 사례와 완전히 지워지는 사례가 공존하기 때문에, 이를 성급히 일반화하기보다는 현상이 매개되는 구체적인 메커니즘을 밝혀내는 과정이 현재 활발히 진행되고 있습니다. 인공 세포의 탄생은 생명체의 가장 큰 특징인 자기 재생산을 실험실 수준에서 구현하려는 시도에서 비롯되었습니다. DNA를 인공적으로 합성하여 세포 내에 도입함으로써 생명 현상을 일으키는 단계까지 도달한 것은 과학사적으로 큰 진전입니다. 영화 '쥬라기 공원'에서 묘사된 것처럼 기존 세포의 핵을 제거하고 새로운 DNA를 주입하는 방식은 이미 다양한 연구에서 활용되고 있습니다. 다만, DNA 복제와 단백질 합성을 돕는 효소 등 핵심적인 인프라는 여전히 기존 세포의 것을 빌려 써야 하기에, 이를 완전한 인공 생명체라 부르기보다는 반인공적인 상태로 정의하는 것이 더 정확한 접근일 것입니다. 이는 생명 창조를 향한 첫 번째 단추를 꿴 것과 같습니다. 인간의 DNA 중 단백질을 부호화하는 부위는 극히 일부에 불과하며, 과거에는 나머지 90% 이상의 영역을 아무런 기능이 없는 '비부호화 DNA'라고 치부하기도 했습니다. 그러나 연구가 거듭될수록 이 영역들이 유전자의 발현을 정교하게 조절하거나 염색체의 구조를 유지하는 등 생명 유지에 필수적인 역할을 수행한다는 사실이 밝혀지고 있습니다. 특정 유전자를 제거해도 생명체에 큰 변화가 없는 '유전자 적중' 실험의 사례처럼, 생명은 예상치 못한 중복성과 유연성을 가지고 있습니다. 진화의 흔적이자 미래의 가능성을 품은 이 비부호화 DNA는 생명의 신비를 푸는 새로운 열쇠가 되고 있으며, 우리가 아직 모르는 비밀이 그 안에 숨겨져 있을 것입니다. 모든 세포는 동일한 DNA 정보를 공유하지만, 각기 다른 조직과 기관으로 분화되는 과정은 정교한 프로그램에 의해 통제됩니다. 수정란이 분열하며 세포의 위치와 주변 환경에 따라 어떤 유전자를 발현시킬지 결정하는 '전사 조절'이 그 핵심입니다. 난자의 세포질에 포함된 단백질들과 조절 RNA들은 일종의 초기 구동 프로그램 역할을 하며, 세포가 놓인 위치적 특성인 '니치'와 상호작용하여 세포의 운명을 결정짓습니다. 결국 생명은 단순히 유전 정보의 나열이 아니라, 주어진 환경 속에서 특정 정보를 선택적으로 읽어내고 실행하는 역동적인 시스템의 결과물이라 할 수 있습니다. 이러한 복잡한 상호작용이 모여 하나의 완성된 생명체를 이룹니다.

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[명강리뷰] DNA : 생명체 번식과 다양성의 열쇠 by 조윤제ㅣ2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 2강

DNA는 생명체의 근본이자 기원을 담고 있는 물질로, 우리 몸의 설계도와 같습니다. 1953년 왓슨과 크릭이 발표한 이중나선 모델은 단순히 구조를 밝힌 것을 넘어 유전 정보가 어떻게 다음 세대로 전달되는지 그 복제 메커니즘을 암시했다는 점에서 혁명적이었습니다. 당시 과학계는 유전자가 어떻게 복제되는지 전혀 알지 못했으나, 이중나선 구조의 발견은 두 가닥이 각각 복제의 틀이 될 수 있음을 시사하며 생명 과학의 새로운 지평을 열었습니다. 왓슨과 크릭의 가설은 이후 메셀슨과 스탈의 실험을 통해 '반보존적 복제' 모델로 증명되었습니다. 이는 기존의 이중나선이 두 가닥으로 쪼개지고 각각을 기반으로 새로운 염기가 합쳐져 새로운 DNA가 합성된다는 원리입니다. 또한 콘버그는 이러한 복제 과정이 수천, 수만 개의 염기를 단 몇 초 만에 처리할 수 있도록 돕는 생체 촉매인 DNA 복제 효소를 발견했습니다. 이러한 효소의 존재 덕분에 우리 몸은 방대한 유전 정보를 신속하고 정확하게 복제하며 생명 활동을 유지할 수 있습니다. 유전자의 염기 서열은 단백질을 구성하는 아미노산의 종류와 조합을 결정하며, 이는 곧 단백질의 고유한 입체 구조와 기능으로 이어집니다. 우리 몸의 근육을 움직이는 마이오신이나 산소를 운반하는 헤모글로빈처럼, 단백질은 그 모양에 따라 각기 다른 생체 기능을 수행합니다. 결국 유전자의 미세한 염기 서열 차이가 단백질의 기능을 변화시키고, 이것이 생명체의 외형이나 특성 같은 다양한 현상을 좌우하게 되는 것입니다. 이는 생명체의 다양성이 분자 수준에서 어떻게 시작되는지를 잘 보여줍니다. 하지만 생명체의 모든 운명이 오직 유전자에 의해서만 결정되는 것은 아닙니다. 최근 주목받는 후생유전학은 동일한 유전자를 가졌더라도 환경이나 시기에 따라 유전자의 발현 정도가 달라질 수 있음을 설명합니다. 세포 내에서 DNA는 히스톤 단백질에 감겨 염색체 형태를 띠는데, 이 구조가 풀리고 닫히는 타이밍에 따라 유전 정보의 읽기 여부가 결정됩니다. 즉, 우리가 처한 환경과 생활 방식이 유전자의 스위치를 켜고 끄는 역할을 하며 생명체의 다양성을 더욱 풍성하게 만드는 것입니다. 현대 과학은 염기 서열을 읽는 단계를 넘어 이를 조작하고 치료에 활용하는 수준에 도달했습니다. 특정 염기 서열을 자르는 제한 효소의 발견은 유전자 재조합 기술을 가능하게 했으며, 이는 생명공학 분야의 비약적인 발전을 이끌었습니다. 나아가 건강한 유전자를 바이러스에 실어 환자의 세포에 전달하는 유전자 치료는 난치병 해결의 새로운 열쇠가 되고 있습니다. 이처럼 DNA에 대한 깊은 이해는 인류가 질병을 극복하고 생명의 신비를 응용하는 데 결정적인 기여를 하고 있습니다.

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간암과 TM4SF5의 역할과 제어ㅣ만성적인 간질환의 발병을 막으려고 수행하는 연구ㅣ이정원(서울대학교)[토요과학강연 #11-4부]

TM4SF5는 간암, 대장암, 위암 등 다양한 암종에서 발견되는 단백질로, 전 세계적인 연구를 통해 그 발현량이 암 환자의 예후와 밀접한 관련이 있음이 밝혀졌습니다. 간암 환자의 조직을 분석해 보면 암 부위에서 이 단백질이 매우 높게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 암세포의 활발한 활동을 뒷받침하는 지표가 됩니다. 특히 TM4SF5는 세포막뿐만 아니라 지방이 낀 부위에서도 독특한 위치적 특성을 보이며 암의 진행 과정에 깊이 관여합니다. 이러한 데이터베이스 분석은 특정 유전자의 돌연변이가 암의 악성화를 어떻게 유도하는지 이해하는 데 중요한 기초가 됩니다. 동물을 이용한 실험 결과는 TM4SF5가 암 발생에 미치는 결정적인 역할을 입증합니다. 유전자 변형을 통해 해당 단백질을 과다 발현시킨 마우스는 일반적인 경우보다 훨씬 빠르게 간암이 발생하는 반면, 이 유전자를 제거한 넉아웃 마우스는 암 유발 약물을 투여해도 간이 깨끗하게 유지되었습니다. 또한 연구팀이 개발한 억제제인 TSH001을 투여했을 때 암 발생이 현저히 줄어드는 것을 확인했습니다. 이는 TM4SF5의 기능을 차단하는 것만으로도 암의 발생과 성장을 효과적으로 억제할 수 있다는 가능성을 시사하며, 새로운 항암 전략의 핵심적인 단서가 됩니다. 간암 세포는 생존을 위해 아르지닌이라는 아미노산에 절대적으로 의존하는 독특한 약점을 가지고 있습니다. 대부분의 간암 세포는 스스로 아르지닌을 합성하지 못해 외부에서 이를 반드시 공급받아야 하는데, TM4SF5가 바로 이 수송 과정을 돕는 핵심적인 역할을 수행합니다. TM4SF5는 아르지닌 수송 단백질과 결합하여 효율을 높여줌으로써 암세포가 굶지 않고 증식할 수 있는 환경을 조성합니다. 만약 억제제를 통해 이 결합을 방해하면 암세포는 필수적인 영양소를 확보하지 못해 결국 사멸하게 됩니다. 이러한 대사 경로를 차단하는 전략은 간암의 급소를 찌르는 효과적인 공격법이 됩니다. 암의 무서움은 원발 부위를 벗어나 다른 장기로 이동하는 전이에 있습니다. TM4SF5는 암세포가 혈관이나 림프절의 강한 흐름 속에서도 살아남아 이동할 수 있는 능력을 부여합니다. 실험을 통해 확인한 결과, 이 단백질을 보유한 암세포는 혈류 속의 충격인 전단력을 견디며 수 주일 동안 생존하여 새로운 정착지를 찾는 모습을 보였습니다. 반면 억제제를 사용했을 때는 암세포가 혈관을 타고 다른 부위로 퍼져나가는 신호가 눈에 띄게 감소했습니다. 이는 TM4SF5를 조절함으로써 암의 증식뿐만 아니라 생존 가능성을 낮추고 궁극적으로 전이성 암의 발생까지 막을 수 있음을 의미합니다. 간은 통증을 느끼지 못하는 '침묵의 장기'로 불리기 때문에 평상시의 예방과 관리가 무엇보다 중요합니다. 지방간이나 간염이 암으로 발전하지 않도록 적절한 운동과 식단 관리를 병행하며 간이 회복할 시간을 주는 생활 습관이 필요합니다. 연구의 과정 역시 이와 닮아있는데, 화려한 아이디어보다는 끈기 있는 열정과 성실함이 과학적 성취를 이루는 원동력이 됩니다. 끊임없이 소통하고 배우려는 자세로 연구에 매진할 때 비로소 간 질환 정복이라는 큰 목표에 다가설 수 있습니다. 건강한 삶을 유지하는 노력과 진실한 연구 정신이 합쳐질 때 질병으로부터 자유로운 미래를 기대할 수 있습니다.

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

생명과학
융합

[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
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세포지도 어디까지 그릴 수 있을까?ㅣ빅데이터를품은 인간세포지도ㅣ이혜옥(가톨릭대학교)[토요과학강연#7-2부]

현대 생명과학은 세포 하나하나의 RNA 전사체를 분석하여 정교한 '세포 지도'를 그려내는 단계에 도달했습니다. 연구자들은 건강한 상태의 참조 지도뿐만 아니라 질병 상태의 세포 지도도 활발히 구축하고 있습니다. 예를 들어 인간의 심장이나 간, 뇌 세포를 분리하여 얻은 방대한 유전 정보는 세포 지도로 시각화됩니다. 이 과정에서 수많은 세포는 유사성에 따라 군집화되며, 이를 통해 우리 몸을 구성하는 세포들의 복잡한 유형과 특성을 명확히 규명할 수 있게 되었습니다. 세포 지도의 2차원 평면 위 점들은 실제 신체 내부의 위치가 아니라 세포 간의 전사체 패턴 유사도를 의미합니다. 최근에는 세포마다 고유한 세포 바코드를 부여하는 기술을 활용하여, 시퀀싱 데이터가 어느 세포에서 유래했는지 정확히 추적합니다. 더 나아가 위치 바코드 기술을 접목하면 특정 세포가 장기의 어느 부위에 위치했는지까지 데이터와 연결할 수 있습니다. 이러한 고도화된 정보는 세포의 기능과 공간적 분포를 동시에 이해하는 데 결정적인 단서를 제공합니다. 참조 지도의 가장 큰 가치는 질병 상태와의 비교 분석에 있습니다. 최근 코로나19 사망자의 폐 조직을 분석한 연구가 대표적인 사례입니다. 연구 결과, 바이러스는 주로 가스 교환을 담당하는 'AT2 세포'를 공격하여 파괴하는 것으로 나타났습니다. 특히 환자의 몸이 손상된 조직을 보수하는 과정에서 정상적인 경로가 아닌 비정상적인 세포 분화가 일어난다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 단순히 현상을 관찰하는 것을 넘어, 질병의 원인을 분자 수준에서 파악하고 치료제 개발의 기초를 마련해 줍니다. 암 연구 분야에서도 세포 지도는 혁신적인 도구로 쓰입니다. 폐암 조직과 주변의 정상 조직을 비교하면, 암세포 주위의 면역 세포가 활력을 잃고 지쳐 있는 상태임을 확인할 수 있습니다. 또한 데이터 과학을 활용해 면역 세포와 혈관 세포 사이의 상호작용을 추론함으로써 암세포에 에너지가 공급되는 경로를 파악하기도 합니다. 비록 이러한 기초 정보가 즉각적인 신약 개발로 이어지기까지는 많은 과정이 필요하지만, 우리가 미처 알지 못했던 단백질의 변화나 새로운 치료 표적을 찾는 거대한 문을 열어줍니다. 세포 연구에 데이터 과학이 접목되면서 생명과학은 이제 거대한 융합 학문으로 진화하고 있습니다. 정교한 시퀀싱 장비의 화학적 원리와 컴퓨터 소프트웨어의 분석 능력이 결합하여 이전에는 불가능했던 방대한 세포 정보를 다룰 수 있게 된 것입니다. 앞으로 데이터 과학의 비중은 더욱 커질 것이며, 이를 통해 생명체의 기본 단위인 세포에 대한 이해는 비약적으로 깊어질 전망입니다. 미래의 컴퓨터 생명 과학자와 의과학자들이 이끄는 이러한 변화는 인류의 질병 정복을 향한 새로운 이정표가 될 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

생명과학
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[명강리뷰] 응답하라, 작은 것들의 세계여 : 현미경과 미시세계 by 김성근ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 5강

과학에서 관찰은 근대부터 현대에 이르기까지 지식을 형성하는 핵심적인 도구입니다. 우리가 일상에서 경험하는 거시 세계에서는 관찰 행위가 대상에 영향을 주지 않지만, 원자와 분자의 미시 세계로 내려가면 이야기가 달라집니다. 미시 세계에서는 관찰을 위해 투입한 광자가 전자를 교란하는 등 측정 자체가 대상의 상태를 변화시키는 양자역학적 원리가 지배합니다. 이러한 특성 때문에 미시 세계를 정확히 이해하기 위해서는 기존의 거시적 관점과는 다른 새로운 측정 개념과 접근 방식이 필수적으로 요구됩니다. 미시 세계의 규모는 우리의 상상을 초월할 정도로 방대하고 정교합니다. 눈물 한 방울 속에 담긴 물 분자 수를 전 세계 인구가 쉬지 않고 센다면 약 2,000년이 걸릴 만큼 그 수는 어마어마합니다. 이처럼 작은 세계에는 우리 몸의 시신경 혈관, 적혈구, 폐의 허파꽈리 등 생명 유지에 필수적인 구조들이 복잡하게 얽혀 있습니다. 이러한 미세 구조를 시각적으로 확인하는 것은 단순히 호기심을 충족하는 것을 넘어, 질병의 원인을 파악하고 해결책을 찾는 과학적 탐구의 출발점이 됩니다. 인류는 더 작은 것을 보고자 하는 열망으로 현미경의 역사를 발전시켜 왔습니다. 하지만 19세기 후반 물리학자 아베가 발견한 '회절 한계'는 광학 현미경의 발전에 거대한 벽이 되었습니다. 빛의 파동성 때문에 가시광선을 사용하는 현미경으로는 약 200나노미터 이하의 물체를 구분할 수 없다는 원리입니다. 이 한계는 100년 넘게 과학계의 정설로 받아들여졌으며, 많은 이들이 광학 현미경으로 그 이상의 미세한 세계를 보는 것은 불가능하다고 믿어 왔습니다. 2014년 노벨 화학상은 이러한 불가능의 벽을 깨뜨린 초고분해능 광학 현미경 기술에 수여되었습니다. 연구자들은 형광 분자를 개별적으로 켜고 끄거나, 도넛 형태의 레이저 빔을 이용해 관찰 면적을 극도로 좁히는 혁신적인 방법을 고안했습니다. 이를 통해 회절 한계를 극복하고 수 나노미터 수준의 분해능을 구현함으로써, 전자 현미경처럼 시료를 파괴하지 않고도 살아있는 세포 내부를 선명하게 관찰할 수 있게 되었습니다. 이는 광학 현미경의 새로운 시대를 여는 역사적인 전환점이 되었습니다. 미시 세계를 탐구하는 과학자들의 궁극적인 꿈은 살아있는 세포 내에서 일어나는 생명 현상을 실시간으로 관찰하는 것입니다. 특정 물질의 거동을 원자 수준의 분해능으로 직접 볼 수 있다면, 생명의 신비를 이해하는 방식은 근본적으로 변화할 것입니다. 과거의 과학자들이 눈으로 세상을 관찰하며 법칙을 찾아냈듯, 현대 과학 역시 초고분해능 기술을 통해 미시적 구조와 기능을 직접 확인하며 발전하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 인류가 생명의 본질에 한 걸음 더 다가가는 길을 열어줄 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강 리뷰] 식물은 빛을 어떻게 인지할까? - 광합성과 빛 by 최길주ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 4강

식물은 우리처럼 눈이 없지만, 주변 환경을 민감하게 인식하며 살아갑니다. 땅속에 심은 강낭콩이 싹을 틔워 지표면을 향해 올라오는 과정은 매우 신기한 현상입니다. 싹은 어둠 속에서 하염없이 자라기만 하는 것이 아니라, 지표면을 뚫고 나와 빛을 만나는 순간 성장을 조절합니다. 이때부터 잎을 펼치고 녹색으로 변하며 본격적인 생명 활동을 시작하는데, 이는 식물이 외부의 빛을 인지하고 그에 맞춰 자신의 행동을 결정하고 있음을 보여주는 증거입니다. 베란다의 식물이 창가 쪽으로 몸을 굽히는 굴광성 현상은 식물이 빛의 방향을 정확히 파악하고 있음을 잘 보여줍니다. 빛이 없는 환경에서 자란 식물은 마치 콩나물처럼 줄기만 길게 늘어지는데, 이는 흙 속을 빨리 벗어나 빛을 찾으려는 생존 전략입니다. 반면 빛을 충분히 받은 식물은 줄기 성장을 억제하고 잎을 넓게 펼쳐 광합성에 집중합니다. 이처럼 식물은 빛의 유무와 세기에 따라 자신의 형태를 능동적으로 변화시키며 최적의 생존 조건을 찾아갑니다. 식물이 빛을 보려고 노력하는 근본적인 이유는 생존에 필요한 에너지를 얻기 위해서입니다. 식물은 광합성을 통해 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하고, 이를 이용해 이산화탄소를 탄수화물로 바꿉니다. 엽록체 내부의 복잡한 단백질과 색소들은 태양 광선을 포획하여 물을 분해하고 에너지를 저장하는 역할을 수행합니다. 매년 지구상에서 광합성을 통해 저장되는 에너지는 인류가 사용하는 전체 에너지양을 압도할 정도로 거대하며, 이는 지구 생태계를 지탱하는 가장 기초적인 힘이 됩니다. 식물은 주로 청색광과 적색광을 흡수하여 광합성에 활용하며, 흡수되지 않고 반사된 녹색광 때문에 우리 눈에는 녹색으로 보입니다. 흥미로운 점은 식물이 자외선까지도 감지한다는 사실입니다. 자외선은 생물의 DNA를 파괴할 수 있는 위험한 광선이기에, 식물은 자외선 수치가 높아지면 스스로 자외선 차단 물질을 만들어내어 자신을 보호합니다. 이처럼 식물은 단순히 에너지를 얻는 것을 넘어, 다양한 파장의 빛을 감지하며 변화하는 외부 환경에 기민하게 대응하고 있습니다. 식물이 빛을 보는 원리는 '광수용체'라는 특수한 단백질에 있습니다. 적색광을 감지하는 파이토크롬이나 청색광에 반응하는 포토트로핀 같은 광수용체들은 빛을 흡수하면 그 구조가 변하며 생화학적 신호를 보냅니다. 이 신호는 유전자의 발현을 조절하거나 세포의 성장을 유도하여 식물이 빛을 향해 굽거나 꽃을 피우게 만듭니다. 결국 식물에게 '본다'는 것은 빛 에너지를 생물학적 정보로 전환하여 주변의 경쟁자를 파악하고 자신의 성장 방향을 결정하는 고도의 생존 기술인 셈입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[국립광주과학관xGIST] 2월 과학스쿨 - 노화연구의 최전선 : 예쁜 꼬마선충 이야기(광주과학기술원 의생명공학과 오창명 교수)

노화란 단순한 시간의 흐름에 따른 나이 듦이 아니라, 세포 수준에서 기능이 점차 소실되어 가는 복합적인 과정입니다. 대개 30대부터 시작되는 이 과정은 신체 활동의 저하와 근육 소실을 동반하며, 우리 몸의 생체 리듬을 근본적으로 변화시킵니다. 따라서 현대 과학이 주목하는 노화 연구의 핵심은 단순히 생명을 연장하는 것을 넘어, 세포의 손상을 줄이고 에너지를 효율적으로 사용하여 신체 기관의 기능을 최대한 보존하는 데 있습니다. 대한민국은 2024년을 기점으로 65세 이상 인구가 전체의 20%를 넘는 초고령 사회에 진입할 것으로 예측됩니다. 의료 기술의 발달로 기대수명은 남녀 평균 80세를 훌쩍 넘어서며 세계적인 장수 국가로 자리매김했습니다. 하지만 수명이 늘어난 만큼 노인성 질환의 발생 빈도 또한 가파르게 상승하고 있어 사회적 대비가 절실합니다. 이제는 얼마나 오래 사느냐보다, 증가한 수명을 어떤 신체적 상태로 영위하느냐가 인류의 새로운 과제로 부상했습니다. 단순히 오래 사는 '기대수명'과 아프지 않고 활동하며 사는 '건강수명' 사이의 격차를 줄이는 것이 중요합니다. 통계에 따르면 많은 이들이 생애 마지막 10년에서 20년 정도를 질병으로 고통받으며 보내곤 합니다. 특히 근육이 소실되고 체력이 급격히 떨어지는 '노쇠' 상태는 노년기 삶의 질을 결정짓는 핵심 요인입니다. 이를 방지하기 위해서는 50대 이후부터 꾸준한 근력 운동과 채소 중심의 소식, 그리고 균형 잡힌 영양 섭취를 통해 회복력을 유지해야 합니다. 과학자들은 노화의 비밀을 풀기 위해 '예쁜꼬마선충'이라는 작은 생명체에 주목하고 있습니다. 몸길이가 약 1mm에 불과한 이 벌레는 흙 속에 살며 수명이 3주 정도로 매우 짧아 노화 과정을 관찰하기에 최적의 조건을 갖추고 있습니다. 비록 아주 작은 존재지만, 유전 정보가 인간과 유사한 점이 많아 노화 메커니즘을 연구하는 데 있어 핵심적인 모델이 됩니다. 인간의 노화를 연구하려면 수십 년이 걸리지만, 이 모델을 통해서는 단 며칠 만에 유의미한 결과를 얻을 수 있습니다. 예쁜꼬마선충은 몸이 투명하여 현미경을 통해 내부 장기와 신경 세포의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 최근에는 유전자 조작 기술을 활용해 특정 유전자가 노화에 미치는 영향을 정밀하게 분석하고 있으며, 신경 세포 간의 연결망인 '커넥톰' 지도를 통해 신경계 노화 과정도 추적하고 있습니다. 이러한 데이터는 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 디지털 생명체 구현으로 이어져, 생명체의 움직임과 노화에 따른 변화를 예측하는 정밀한 과학적 토대가 됩니다. 최신 노화 연구는 미세유체칩 기술을 활용해 수천 마리의 개체를 동시에 분석하며 데이터의 정밀도를 높이고 있습니다. 이를 통해 항노화 후보 물질의 효능을 신속하게 검증하고, 세포 수준에서 일어나는 기능 저하를 막기 위한 대안을 제시합니다. 특정 유전자를 조작했을 때 수명이 비약적으로 늘어나는 현상은 인간에게도 적용 가능한 노화 억제 유전자를 찾는 단서가 됩니다. 이러한 시스템 생물학적 접근은 노화를 질병으로 인식하고 이를 치료하려는 현대 의학의 새로운 흐름을 주도하고 있습니다. 노화 예방의 실질적인 해결책은 결국 꾸준한 관리와 생활 습관의 개선에 있습니다. 일주일에 두세 번의 근력 운동은 기초 대사량을 유지하고 골격근을 강화하여 노화를 늦추는 가장 강력한 도구가 됩니다. 또한 비타민 D를 비롯한 필수 영양소를 적절히 섭취하여 뼈 건강과 면역력을 유지하는 것이 필수적입니다. 인간과 예쁜꼬마선충이 공유하는 생명 현상의 본질을 이해함으로써, 우리는 질병의 고통에서 벗어나 건강하고 존엄한 노년을 맞이하는 기술적 토대를 마련할 수 있을 것입니다.

국립광주과학관강연&포럼

생명과학

세상을 바꾼 작은 영웅들 (목정완 박사) [멘토링의 제왕 유튜브 라이브 공개 강연 4회차]

초파리는 인간과 외형은 매우 다르지만, 유전적 측면에서 약 60%를 공유하며 뇌 구조와 소화기관 등 주요 시스템을 모두 갖추고 있습니다. 심지어 실연의 아픔을 겪으면 알코올 섭취가 급증하는 등 정서적 반응과 행동 양식에서도 놀라운 유사성을 보입니다. 이러한 공통점 덕분에 초파리는 인간을 대신해 생명 현상의 비밀을 밝히는 유전학의 핵심 모델 생물로 자리 잡았습니다. 단순히 작은 곤충이 아니라 인간의 생물학적 기전을 투영하는 거울과 같은 존재인 셈입니다. 모델 생물로서 초파리의 가장 큰 장점은 압도적인 경제성과 효율성입니다. 생쥐 한 마리를 구입하고 관리하는 데는 막대한 비용이 들지만, 초파리는 좁은 공간에서 수백 마리를 저렴하게 기를 수 있으며 택배로 주고받을 정도로 연구 자원 공유가 활발합니다. 특히 생애 주기가 10일 내외로 매우 짧아 인간이라면 수천 년이 걸릴 200세대 이상의 유전 변화를 단 11년 만에 관찰할 수 있습니다. 이는 신속한 가설 검증이 생명인 과학 연구에서 무엇과도 바꿀 수 없는 강력한 무기가 됩니다. 유전자의 기능을 밝히는 가장 효과적인 방법은 특정 유전자를 없앤 '돌연변이'를 관찰하는 것입니다. 학급에서 반장이 부재할 때 어떤 문제가 생기는지 보고 반장의 역할을 유추하듯, 과학자들은 방사선을 이용해 유전자를 파괴한 뒤 나타나는 변화를 연구합니다. 날개가 두 쌍이 되거나 더듬이 자리에 다리가 돋아나는 기이한 변화를 통해 해당 유전자가 평소 어떤 조직의 형성을 억제하거나 조절하고 있었는지 깨닫게 됩니다. 이러한 기초적인 탐구가 모여 생명 설계도의 구체적인 작동 원리를 하나씩 완성해 나갑니다. 초파리 연구의 놀라운 점은 종의 경계를 넘나드는 호환성에 있습니다. 초파리의 특정 유전자를 망가뜨려 날개에 구멍이 난 개체에 인간의 유사 유전자를 주입하면, 다시 정상적인 날개로 회복되는 현상이 관찰됩니다. 이는 인간과 초파리의 유전자가 서로 대체 가능할 정도로 기능이 일치함을 시사합니다. 이러한 특성을 이용해 이름조차 붙여지지 않은 새로운 유전자의 생존 필수 기전을 밝히거나, 암 억제 유전자의 이상으로 발생하는 질병 모델을 구축하여 인간 질환의 근본적인 원인을 연구할 수 있습니다. 최근 초파리 유전학은 희귀 및 미진단 질환 환자들에게 새로운 희망의 빛을 던져주고 있습니다. 수억 원의 비용과 수십 년의 시간이 소요되는 신약 개발 과정에서, 초파리는 질병의 원인 유전자를 빠르게 찾아내는 징검다리 역할을 수행합니다. 원인조차 몰라 소외되었던 환자들에게 병명을 찾아주고 질병 기전을 밝히는 과정은 '아무도를 위한 누군가'가 되려는 과학자들의 헌신을 보여줍니다. 작은 초파리의 헌신은 결국 거대한 의학적 진보를 이끌어내며 소외된 이들의 생명을 구하는 영웅적인 서사를 완성합니다.

서울시립과학관[과학진로] 과학진로멘토링

생명과학

[강연] GATC로 만든 세계, 우리 몸의 설계도 by장혜식｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 3강

우리 몸의 모든 세포는 생명의 설계도인 DNA를 품고 있습니다. G, A, T, C라는 네 종류의 염기로 이루어진 이 설계도는 부모로부터 물려받은 유전 정보를 담고 있어, 우리의 조상이 어디서 왔는지 추적하는 중요한 단서가 됩니다. Y 염색체를 통해 부계 조상을, 미토콘드리아 DNA를 통해 모계 조상을 따라가다 보면 인류의 기원인 아프리카에서부터 전 세계로 퍼져나간 여정을 확인할 수 있습니다. 이러한 유전 정보는 단순한 혈통을 넘어 한국인으로서의 정체성을 명확히 구분해 줄 만큼 정교한 데이터를 제공합니다. DNA는 외모나 건강 상태에 대한 구체적인 정보도 담고 있습니다. 귀지의 상태나 손가락 길이, 탈모 가능성 같은 신체적 특징은 물론, 특정 질병에 걸릴 확률까지 예측할 수 있게 해줍니다. 대표적인 사례로 안젤리나 졸리는 유전자 검사를 통해 유방암과 난소암 발생 위험을 미리 인지하고 예방적인 조치를 취해 큰 화제가 되었습니다. 이는 유전체 정보가 단순한 호기심을 충족하는 수준을 넘어, 현대 의학에서 질병을 예방하고 관리하는 데 얼마나 결정적인 역할을 하는지 잘 보여주는 사례입니다. 유전체 정보는 희귀 유전 질환 치료에도 새로운 길을 열어주고 있습니다. 바텐병이라는 희귀 유전 질환을 앓던 '밀라'라는 아이의 사례가 대표적입니다. 기존 의학으로는 해결책이 없었지만, 유전자 분석을 통해 단 14글자의 염기 서열 이상이 병의 원인임을 밝혀냈습니다. 이를 바탕으로 단 한 명의 환자만을 위한 맞춤형 약물인 '밀라센'이 개발되었고, 아이의 상태는 기적적으로 호전되었습니다. 이는 유전체 지도가 난치병 환자들에게 희망을 줄 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 증명한 역사적인 사건이었습니다. 인간의 유전체는 약 31억 개의 글자로 이루어진 방대한 정보의 집합체입니다. 이를 종이에 인쇄한다면 바닥에서 천장까지 가득 채울 정도로 엄청난 양입니다. 과거 생물학자들은 이 거대한 정보의 바다에서 지도가 없어 큰 어려움을 겪었습니다. 이에 1990년, 전 세계 과학자들은 인류의 설계도를 완전히 읽어내기 위한 '인간 유전체 프로젝트'를 시작했습니다. 당시 기술로는 수만 년이 걸릴 것으로 예상되었던 무모한 도전이었지만, 인류는 생명의 신비를 풀기 위해 이 거대한 항해에 나섰습니다. 유전체 해독 과정은 공공 프로젝트 팀과 크레이그 벤터가 이끄는 민간 기업 사이의 치열한 경쟁으로 이어졌습니다. 벤터는 '전장 유전체 샷건 시퀀싱'이라는 혁신적인 방법을 제안하며 해독 속도를 획기적으로 높였습니다. 또한, 기존보다 10배 이상 성능이 뛰어난 자동 염기 서열 분석 장치의 등장은 이 경쟁에 불을 지폈습니다. 유전 정보의 특허권 문제로 갈등을 빚기도 했지만, 이러한 기술적 진보와 경쟁은 결과적으로 인간 유전체 해독을 예상보다 훨씬 앞당기는 원동력이 되었습니다. 2000년 6월, 마침내 인간 유전체의 초안이 완성되어 전 세계에 발표되었습니다. 이 과정에서 대학원생 짐 켄트는 유전 정보가 특정 기업에 독점되지 않도록 밤낮없이 코딩에 매달려 공공 유전체 지도를 완성하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 그 결과 탄생한 '유전체 브라우저'는 누구나 인터넷을 통해 인류의 설계도를 자유롭게 열람할 수 있게 해주었습니다. 이를 통해 우리는 인간의 유전자 수가 생각보다 적다는 사실과, 단백질을 만들지 않는 나머지 98%의 영역에도 중요한 비밀이 숨겨져 있음을 알게 되었습니다. 오늘날 유전체 기술은 우리 삶의 안전을 지키는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 코로나19 팬데믹 당시, 바이러스의 유전체 서열이 발견 일주일 만에 해독되어 전 세계에 공유된 것이 대표적인 예입니다. 이 정보를 바탕으로 단 이틀 만에 백신 설계가 완료되었고, 신속하게 진단 키트가 개발되어 수많은 생명을 구할 수 있었습니다. 이제 유전체 세계는 정보 과학과 결합하여 정밀 의료와 희귀병 진단 등 무궁무진한 가능성을 제시하고 있으며, 미래의 과학자들에게 새로운 탐험의 장이 되고 있습니다.

장혜식

카오스재단서울대자연과학공개강연

생명과학

[강연] 큰 분자 작은 우주, 효소의 세계 by송윤주｜2021 서울대 자연과학 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학' | 4강

효소는 우리 몸과 자연계에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 촉진하는 생체 촉매입니다. 단순히 소화를 돕는 물질을 넘어, 식물의 광합성부터 바이러스 진단, 신재생에너지 전환, 그리고 환경 문제 해결에 이르기까지 그 역할이 매우 방대합니다. 효소는 거대한 단백질 분자이지만, 그 내부에는 정교한 화학 반응의 원리가 숨어 있어 '작은 우주'라고 불리기도 합니다. 불확실한 세계 속에서 과학이 제시하는 명확한 해답 중 하나가 바로 이 효소의 메커니즘을 이해하고 활용하는 것입니다. 효소의 가장 놀라운 특징은 화학 반응의 속도를 비약적으로 높인다는 점입니다. 예를 들어, 우리가 먹은 음식물을 소화하는 데 효소가 없다면 약 500년이라는 긴 시간이 걸리겠지만, 효소 덕분에 단 몇 시간 만에 소화가 가능해집니다. 이는 효소가 기존의 어려운 경로 대신 새로운 반응 경로를 찾아내어 반응 속도를 수십억 배 이상 가속하기 때문입니다. 상온과 상압이라는 온화한 조건에서도 메탄을 메탄올로 바꾸는 것과 같은 고난도의 화학 반응을 효율적으로 수행하는 효소의 능력은 현대 과학이 추구하는 이상적인 촉매의 모습입니다. 효소는 20가지 아미노산이 특정 순서로 배열된 단백질로 구성됩니다. 만약 100개의 아미노산으로 이루어진 효소가 있다면, 그 조합의 수는 우주의 원자 수보다 많은 천문학적인 숫자가 됩니다. 이러한 복잡성 때문에 아미노산 서열이 어떻게 3차원 구조를 형성하고 특정 기능을 수행하는지에 대한 인과관계는 여전히 과학계의 거대한 난제로 남아 있습니다. 단 하나의 아미노산만 바뀌어도 헤모글로빈처럼 구조와 기능이 완전히 변할 수 있다는 사실은 효소 연구가 얼마나 정밀하고 어려운 영역인지를 잘 보여줍니다. 과학자들은 효소의 비밀을 풀기 위해 X선 결정법이나 초저온 전자현미경 등을 활용해 구조를 분석하고, 최근에는 인공지능을 도입해 구조 예측의 정확도를 높이지고 있습니다. 특히 프랜시스 아놀드 교수가 개척한 '유도 진화' 기술은 효소 연구의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 가속화하여 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 인위적으로 만들어내는 방법입니다. 서열과 기능 사이의 완벽한 법칙을 다 이해하지 못하더라도, 반복적인 변형과 선택을 통해 최적의 효소를 찾아내는 혁신적인 접근법입니다. 효소 연구의 실질적인 성과는 환경 오염 문제 해결에서도 빛을 발하고 있습니다. 과학자들은 페트병 재활용 공장 인근의 토양에서 플라스틱을 분해하는 미생물과 효소를 발견해냈습니다. 초기에는 분해 속도가 매우 느려 실용화에 한계가 있었지만, 유도 진화 기술을 적용해 효소의 구조를 개량한 결과 분해 시간을 획기적으로 단축하는 데 성공했습니다. 이처럼 무궁무진한 가능성을 지닌 효소의 세계를 탐구하는 것은 인류가 직면한 여러 난제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

송윤주

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 제28회 2021 서울대 자연과학 공개강연_'불확실한 세계, 그래서 과학'

현대 사회는 거대하고 복잡한 불확실성으로 가득 차 있습니다. 기후 변화부터 감염병의 확산까지, 우리가 마주하는 현실은 한 개인이 온전히 이해하기에는 너무나 방대합니다. 이러한 혼돈 속에서 과학은 단순한 지식의 나열을 넘어, 세상을 투명하게 바라보게 하는 나침반 역할을 수행합니다. 과학자들은 보편적 원리를 탐구함으로써 복잡한 현상 이면에 숨겨진 불변의 법칙을 찾아내고, 이를 통해 미래를 예측하며 인류가 나아갈 방향을 제시합니다. 불확실한 세계일수록 과학적 사고는 더욱 빛을 발하며 우리 삶의 근간을 지탱하는 강력한 도구가 됩니다. 수학은 불확실성 속에서 질서를 찾아내는 가장 강력한 언어입니다. 주사위를 던지는 사소한 행위부터 바이러스의 확산 경로를 예측하는 일까지, 수학은 '큰 수의 법칙'이나 '감염 재생산 지수'와 같은 개념을 통해 복잡한 데이터를 유의미한 정보로 변환합니다. 특히 확률적 모델을 통해 집단 면역의 임계점을 계산하거나 상전이를 이해하는 과정은 수학이 현실 세계와 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 잘 보여줍니다. 수학적 소양을 기르는 것은 단순히 공식을 외우는 것이 아니라, 세상의 겉모습에 현혹되지 않고 그 중심에 흐르는 보편적 원리를 꿰뚫어 보는 통찰력을 갖추는 과정입니다. 지구 표면의 대부분을 차지하는 바다는 여전히 인류에게 미지의 영역으로 남아 있습니다. 전 세계 바다의 80% 이상이 아직 탐사되지 않았으며, 심해의 지형은 달의 표면보다도 덜 알려져 있습니다. 하지만 아르고 플로트와 같은 첨단 무인 관측 장비와 인공위성을 활용한 현대 해양학은 바다의 운동과 기후 변화의 상관관계를 정밀하게 추적하고 있습니다. 바다는 지구에 축적된 열에너지의 90%를 흡수하며 기후 조절자 역할을 수행합니다. 해류의 흐름과 수온 변화를 이해하는 것은 엘니뇨와 같은 기상 이변에 대비하고, 해양 생태계와 인류의 공존을 도모하는 데 필수적인 과제입니다. 우리 몸의 설계도인 DNA는 G, A, T, C라는 네 종류의 염기로 기록된 방대한 정보의 집합체입니다. 31억 자에 달하는 인간 유전체를 해독하기 위한 '인간 게놈 프로젝트'는 생명과학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 유전체 지도를 확보함으로써 인류는 희귀 질환의 원인을 규명하고 환자 맞춤형 정밀 의료를 실현할 수 있는 기반을 마련했습니다. 특히 최근의 시퀀싱 기술 발전은 코로나19 바이러스의 정체를 신속히 파악하고 백신을 단기간에 설계하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 유전 정보의 해독은 생명의 신비를 밝히는 것을 넘어 인류의 건강과 생존을 지키는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 효소는 생명체 내에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 관장하는 정교한 촉매제입니다. 수백 년이 걸릴 수 있는 소화 과정을 단 몇 시간으로 단축하는 효소의 능력은 현대 과학 기술로도 완벽히 모사하기 어려울 만큼 경이롭습니다. 과학자들은 '유도 진화'와 같은 혁신적인 기법을 통해 자연계에 존재하는 효소의 기능을 개량하거나, 플라스틱을 분해하는 새로운 효소를 설계하는 등 환경 문제 해결에 도전하고 있습니다. 아미노산 서열의 미묘한 변화가 거대한 구조적 차이를 만들어내는 효소의 세계는 마치 작은 우주와 같습니다. 이러한 거대 분자에 대한 연구는 지속 가능한 미래를 위한 화학적 해답을 제시합니다. 현대 과학의 성과는 수학, 해양학, 생명과학, 화학 등 서로 다른 분야의 지식이 융합될 때 더욱 극대화됩니다. 수학적 모델링은 감염병 방역 정책의 근거가 되고, 해양 관측 데이터는 기후 위기 대응의 기초가 되며, 유전체 분석과 효소 공학은 신약 개발의 핵심이 됩니다. 과학자들은 각자의 영역에서 미지의 세계를 탐구하지만, 결국 그들의 목적지는 인류가 직면한 불확실성을 해소하고 더 나은 세상을 만드는 것이라는 점에서 일치합니다. 학문 간의 경계를 허무는 협력과 소통은 복잡해지는 지구촌 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 전략이며, 과학이 가진 진정한 힘은 바로 이러한 연결에서 나옵니다. 과학의 출발점은 주변 현상에 대한 사소한 호기심이며, 그 결실을 맺게 하는 동력은 포기하지 않는 끈기입니다. 보이지 않는 심해를 탐사하고, 보이지 않는 유전자를 읽어내며, 보이지 않는 분자의 세계를 설계하는 과정은 끊임없는 도전의 연속입니다. 불확실한 세계는 우리에게 두려움을 주기도 하지만, 동시에 과학이라는 도구를 통해 탐험할 수 있는 무한한 기회를 제공합니다. 질문을 멈추지 않고 진리를 찾아 나가는 과학적 태도는 미래 세대가 갖추어야 할 가장 소중한 가치입니다. 호기심을 잃지 않고 학문에 정진할 때, 우리는 비로소 불확실성을 확신으로 바꾸며 새로운 시대를 열어갈 수 있을 것입니다.

나한나, 서인석, 송윤주, 장혜식

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학
생명과학
지구환경과학
수학

[석학인터뷰] 송윤주_ 효소의 무궁한 가능성과 난제 | 2021 서울대 자연과학대 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학'

화학은 환경 오염의 원인이 되기도 하지만, 동시에 이를 해결할 열쇠를 쥐고 있습니다. 그 중심에는 생명체의 촉매인 효소가 있습니다. 효소는 20가지 아미노산의 조합으로 이루어진 단백질로, 다양한 화학 반응을 촉진하는 역할을 합니다. 최근에는 알파폴드 2와 같은 인공지능 기술이 도입되면서 효소 설계에 혁신이 일어나고 있습니다. 다만 효소는 정적인 구조에 머물지 않고 동적인 변화를 통해 반응을 이끌어내기에, 이를 완벽히 구현하기 위한 인공지능 연구가 더욱 활발히 진행되고 있습니다. 효소는 자연계에 존재하는 거의 모든 화학 반응에 관여한다고 해도 과언이 아닙니다. 우리가 숨을 쉴 때 필요한 산소가 식물 내 효소에 의해 합성되는 과정부터, 대기 중의 질소를 고정하는 반응까지 모두 효소의 손길을 거칩니다. 이처럼 효소는 모든 생명체가 생존하고 활동하는 데 필수적인 화학적 기반을 제공합니다. 생명 현상의 정교함은 곧 효소가 가진 탁월한 촉매 기능에서 비롯되며, 이는 현대 과학이 풀어내야 할 거대한 난제이자 무한한 가능성의 영역이기도 합니다. 오늘날 심각한 환경 문제로 대두된 플라스틱 오염 역시 효소를 통해 해결의 실마리를 찾을 수 있습니다. 플라스틱은 매우 안정적인 고분자 구조를 가지고 있어 자연 분해가 어렵지만, 효소 중에는 이러한 고분자의 단단한 결합을 끊어낼 수 있는 것들이 존재합니다. 마치 소화 효소가 음식물을 분해하는 것과 유사한 원리입니다. 최근 과학계에서는 플라스틱을 인식하고 분해하는 특정 효소를 발굴하거나 새롭게 합성하려는 연구가 이어지고 있으며, 이는 지속 가능한 지구를 위한 중요한 전환점이 될 것입니다. 하지만 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 설계하는 일은 결코 쉽지 않습니다. 20가지 아미노산으로 만들 수 있는 조합의 수는 우주 전체의 원자 수보다도 많을 정도로 천문학적이기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 제약 산업에서는 이미 인공 효소를 활용해 신약 개발의 효율을 높이고 있습니다. 기존의 독성 강한 화학 물질 대신 효소를 사용하면 정제 과정이 간소화되고 반응의 선택성도 높아집니다. 이러한 기술적 진보는 인류의 건강을 증진하는 동시에 화학 공정의 안전성을 확보하는 데 기여하고 있습니다. 결국 화학과 효소는 인류에게 이로움을 주는 동시에 예기치 못한 문제를 일으킬 수도 있는 양날의 검과 같습니다. 효소가 생명을 유지하기도 하지만 때로는 질병을 유발하듯, 화학 기술 역시 환경 오염이라는 부작용을 낳기도 했습니다. 그러나 플라스틱을 만들어낸 것이 인간의 화학 기술이듯, 그 문제를 해결할 수 있는 힘 또한 화학에 있습니다. 기술을 어떻게 활용하느냐는 결국 인간의 선택과 책임에 달려 있습니다. 화학의 힘을 빌려 오염을 해결하려는 노력은 우리가 마땅히 나아가야 할 길입니다.

송윤주

카오스재단석학인터뷰

화학

[연구뭐하지?] 윤태영 교수_서울대학교 '막단백질단분자 연구실' | 과학계의 신대륙, 막 단백질의 세계로 오세요

서구 문명이 콜럼버스의 신대륙 발견을 통해 비약적인 발전을 이룩했듯이, 과학 연구에서도 아무런 보장이 없는 새로운 분야를 개척하려는 개척자 정신은 매우 중요합니다. 서울대학교 막 단백질 단분자 연구실은 이러한 개척자 정신을 바탕으로 막 단백질이 형성되는 복잡한 과정을 탐구하고 있습니다. 특히 이곳에서 독자적으로 개발한 '단분자 자기 집게' 기술은 자석의 힘을 이용해 단백질 분자 하나를 정밀하게 조절하며 그 구조적 변화를 관찰할 수 있게 해줍니다. 이는 생명 현상의 근원을 단분자 수준에서 이해하려는 혁신적인 시도로 평가받으며 세계적인 주목을 받고 있습니다. 연구실은 크게 두 팀으로 나뉘어 각기 다른 접근 방식으로 생명과학의 난제를 풀어나갑니다. 한 팀은 암과 밀접하게 연관된 막 단백질을 중심으로 단백질 간의 상호작용을 형광 기술을 통해 실시간으로 관찰하며, 다른 팀은 단분자 자기 집게를 이용해 단백질에 물리적인 힘을 가함으로써 그 안정성과 에너지 상태를 분석합니다. 이러한 연구는 단순히 기초 과학에 머물지 않고 향후 신약 개발의 물리적 토대를 마련하는 데 기여합니다. 생물학뿐만 아니라 물리, 화학, 수학적 지식을 아우르는 다학제적 접근은 이 연구실이 가진 강력한 경쟁력 중 하나로, 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조명합니다. 자유로운 토론 문화와 자기주도적인 연구 환경은 학생들이 전문가로서 성장할 수 있는 훌륭한 밑거름이 됩니다. 스스로 문제를 찾고 해결하려는 의지를 갖춘 연구자들은 동료들과의 활발한 교류를 통해 지식의 스펀지처럼 성장해 나갑니다. 연구실 구성원들은 서로의 재능을 공유하며 남에게 도움을 구하는 것을 주저하지 않는 유연한 사고방식을 공유합니다. 남들이 가지 않은 새로운 길을 선택하여 자신만의 희소성을 확보하는 것, 그것이 바로 이 연구실이 지향하는 궁극적인 가치이자 지속 가능한 연구의 원동력입니다. 이러한 과정을 통해 연구자들은 단순한 지식 습득을 넘어 세상을 바라보는 깊이 있는 통찰력을 갖추게 됩니다.

윤태영

카오스재단연구뭐하지

생명과학

[술술과학] 건강과학(2) : 바이러스vs박테리아

바이러스는 생물과 무생물의 경계에 서 있는 아주 독특하고 애매모호한 존재입니다. 유전 물질인 RNA나 DNA를 단백질 껍질인 캡시드가 감싸고 있는 매우 단순한 구조를 가지고 있습니다. 스스로 단백질을 합성하거나 에너지를 만들 수 있는 설비가 전혀 없기에, 다른 생명체의 세포를 빌려야만 자손을 증식할 수 있는 절대 기생체입니다. 마치 컴퓨터 시스템을 해킹하는 칩처럼 세포의 공장을 점거하여 자신을 복제하는 특성을 지니고 있어, 생명 활동의 근간을 흔드는 위험한 존재로 인식되기도 합니다. 박테리아는 하나의 세포로 이루어진 독립적인 생명체입니다. 바이러스보다는 훨씬 복잡한 구조를 갖추고 있으며, 스스로 생명 활동을 유지할 수 있는 다양한 물질을 포함하고 있습니다. 17세기 레이우엔훅에 의해 처음 발견된 박테리아는 그 모양이 작은 막대기를 닮았다고 해서 붙여진 이름입니다. 흔히 박테리아라고 하면 해로운 존재로만 생각하기 쉽지만, 사실 우리 몸의 마이크로바이옴처럼 인체에 유익하거나 해가 없는 미생물이 대다수를 차지하며 생태계의 중요한 축을 담당하고 있습니다. 바이러스와 박테리아는 크기 면에서도 확연한 차이를 보입니다. 박테리아가 바이러스보다 대략 10배에서 100배 정도 더 크며, 이는 인체 세포 하나에 바이러스 천 마리를 일렬로 세울 수 있는 수준입니다. 이러한 미세한 존재들 중에는 인류에게 치명적인 위협이 되는 'A급 병원체'들이 존재합니다. 천연두와 에볼라 바이러스, 그리고 페스트균과 탄저균 같은 박테리아들이 여기에 속합니다. 이들은 역사적으로 엄청난 감염 속도와 높은 치사율을 기록하며 인류 사회에 극심한 공포와 공황 상태를 몰고 온 공통점이 있습니다. 역사상 가장 악명 높은 킬러로는 천연두와 흑사병을 꼽을 수 있습니다. 천연두는 20세기에만 3억 명 이상의 목숨을 앗아갔으며, 14세기 유럽을 휩쓴 흑사병은 당시 세계 인구의 절반 가까이를 감소시킬 정도로 참혹했습니다. 특히 흑사병은 몽골군이 사체를 성 안으로 던져 넣은 최초의 박테리아전에서 비롯되었다는 설이 있을 만큼 그 전파 과정이 극적이었습니다. 천연두는 현재 완전히 박멸되었으나, 흑사병은 여전히 세계 곳곳에서 간헐적으로 발생하며 인류를 위협하는 가공할 살상 능력을 증명하고 있습니다. 모든 미생물이 인류의 적은 아닙니다. 암세포만을 골라 공격하는 바이러스나, 박테리아를 잡아먹는 바이러스인 '박테리오파지'처럼 흥미로운 존재들도 많습니다. 특히 박테리오파지는 항생제 내성을 가진 슈퍼 박테리아를 퇴치할 대안으로 주목받으며 현대 의학의 새로운 희망이 되고 있습니다. 바이러스와 박테리아는 인간의 관점에서는 정복해야 할 대상일지 모르나, 사실 이들은 지구 생명체의 출발선에서 다채로운 생태계를 일궈온 위대한 개척자들입니다. 따라서 우리는 이들을 편견 없이 이해하려는 겸손한 자세가 필요합니다.

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생명과학

[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.

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생명과학

[그림으로 보는 과학뉴스] 2020 과학뉴스 TOP 5

2020년 한 해를 뒤흔든 가장 큰 과학적 성과는 단연 코로나19 백신 개발입니다. 보통 백신 개발에 10년이 소요되는 것이 상식이었으나, 전 세계 과학자들은 데이터 공유와 개방적 경쟁이라는 새로운 문화를 통해 이 기간을 2년 안으로 단축했습니다. 특히 화이자와 모더나가 선보인 mRNA 백신은 기존의 전통적인 방식에서 한 단계 도약한 기술적 진보를 보여주었습니다. 비록 콜드체인과 생산량 확보라는 현실적인 과제가 남아 있지만, 이는 인류가 팬데믹에 대응하는 속도를 혁신적으로 앞당긴 기념비적인 사건으로 기록될 것입니다. 유전자 변형 기술의 발전은 생태계 관리의 새로운 국면을 열었습니다. 미국 플로리다에서 실시된 유전자 변형(GM) 모기 살포 실험은 크리스퍼 유전자 가위 기술을 응용하여 특정 전염병을 매개하는 모기 개체 수를 조절하려는 시도였습니다. 이는 인간이 단순히 유전자를 관찰하는 단계를 넘어, 특정 생물 종의 운명을 결정할 수 있는 위치에 도달했음을 시사합니다. 비록 돌연변이 발생 가능성이나 생태계 영향에 대한 우려가 존재하지만, 이러한 기술적 시도는 과학이 인류의 보건 문제를 해결하기 위해 어디까지 확장될 수 있는지를 보여주는 중요한 사례가 되었습니다. 우주 탐사 분야에서도 놀라운 성과가 이어졌습니다. 일본의 하야부사 2호는 소행성 '류구'에 착륙하여 토양 샘플을 채취한 뒤 지구로 귀환하는 데 성공했습니다. 소행성은 태양계 형성 초기의 상태를 간직한 화석과 같은 존재로, 지구 생명체의 근원과 태양계의 역사를 밝힐 중요한 단서를 품고 있습니다. 수억 킬로미터 떨어진 작은 천체에 정확히 도달했다가 돌아오는 과정은 수학적 계산과 물리 법칙의 위대함을 증명했습니다. 이는 인류의 탐사 영역이 지구를 넘어 광활한 태양계로 뻗어 나가고 있음을 상징적으로 보여줍니다. 인공지능 기술은 생명과학의 난제를 해결하는 강력한 도구로 부상했습니다. 딥마인드의 알파폴드는 단백질의 3차원 구조를 예측하는 데 성공하며 생물학계에 혁명을 일으켰습니다. 단백질 구조를 파악하는 일은 질병 치료와 신약 개발의 핵심이지만, 그 복잡성 때문에 수십 년간 해결되지 못한 과제였습니다. 인공지능은 방대한 데이터를 학습하고 반복적인 계산을 수행함으로써 인간의 한계를 뛰어넘는 정확도를 보여주었습니다. 이제 생물학은 단순한 관찰의 영역을 넘어 데이터 과학과 물리학이 융합된 정밀 과학의 시대로 진입하고 있습니다. 기술의 눈부신 발전 이면에는 기후 위기라는 엄중한 현실이 놓여 있습니다. 전 세계적인 산불과 태풍, 그리고 해양 산호초의 백화 현상은 지구가 보내는 강력한 경고 신호입니다. 특히 해양 생태계의 보고인 산호초가 파괴되는 현상은 인류가 직면한 환경 위기의 심각성을 단적으로 보여줍니다. 코로나19로 인해 일회용품 사용이 급증하는 등 탄소 중립으로 가는 길은 더욱 험난해졌습니다. 하지만 과학자들은 기후 변화 예측 모델의 정교함을 높이며 우리가 대응해야 할 사회경제적 지점을 더욱 명확히 짚어내고 있습니다. 기후 위기에 대한 논의는 단순히 자연을 보호하자는 차원을 넘어 인류의 생존과 직결된 문제입니다. 지구라는 행성 자체는 수많은 멸종과 진화를 거치며 존속해 왔지만, 현재의 급격한 환경 변화는 호모 사피엔스의 생존 기반을 위협하고 있습니다. 과학 기술이 유전자를 변형하고 우주를 탐사하며 인공지능을 고도화하는 궁극적인 목적 역시 인류의 지속 가능한 미래를 확보하기 위함입니다. 따라서 우리는 과학적 성과에 환호하는 동시에, 기술이 생태계와 조화를 이루며 인류의 생존을 보장할 수 있는 방향으로 나아가고 있는지 끊임없이 성찰해야 합니다. 2020년은 예기치 못한 팬데믹으로 고통받은 한 해였지만, 동시에 과학 기술이 인류의 희망이 될 수 있음을 확인한 시간이기도 했습니다. 백신 개발의 속도전부터 우주 탐사의 드라마, 그리고 인공지능의 도약까지 과학은 멈추지 않고 전진했습니다. 다가오는 미래에는 이러한 기술적 성취들이 기후 위기와 같은 전 지구적 과제를 해결하는 데 더욱 적극적으로 활용되어야 할 것입니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 우리가 세상을 이해하고 더 나은 미래를 설계하는 가장 강력한 도구임을 잊지 말아야 합니다.

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생명과학
지구환경과학
천문학
뇌인지과학
융합

[강연] 무한에서 시작하는 수수께끼 _ by한상근｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 9강

우리는 세상을 살아가며 수많은 질문을 던집니다. 그중에서도 '도대체'라는 말로 시작하는 물음은 사물의 본질과 근원을 꿰뚫으려는 강렬한 지적 욕구를 담고 있습니다. 과학은 바로 이러한 근원적인 호기심에서 출발했습니다. 눈앞에 보이는 현상 너머에 숨겨진 원리를 찾고자 하는 노력은 인류 문명을 발전시킨 핵심 동력이 되었습니다. 우리는 이 질문을 통해 익숙한 세상을 낯설게 바라보고, 그 안에서 새로운 질서를 발견하는 즐거움을 누리게 됩니다. 질문은 멈추지 않는 탐구의 시작입니다. 고대 철학자들부터 현대의 과학자들에 이르기까지, 인류는 우주와 생명의 신비를 풀기 위해 끊임없이 탐구해 왔습니다. 밤하늘의 별을 보며 우주의 크기를 가늠하고, 아주 작은 원자의 세계를 들여다보며 물질의 구성을 이해하려 노력했습니다. 이러한 탐구 과정은 때로는 좌절을 안겨주기도 하지만, 미지의 영역을 하나씩 밝혀낼 때마다 인류의 지평은 넓어집니다. 과학적 사고는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어 세상을 객관적으로 바라보는 눈을 길러주며, 우리를 더 넓은 세계로 안내하는 나침반 역할을 합니다. 현대 과학은 그 범위가 매우 넓고 깊어져서 한 개인이 모든 분야를 완벽히 이해하기란 불가능에 가깝습니다. 물리학, 화학, 생물학 등 각 분야는 고도로 전문화되었으며, 최첨단 기술과 결합하여 매일 새로운 발견을 쏟아내고 있습니다. 하지만 이러한 전문화 속에서도 변하지 않는 가치는 바로 '질문하는 힘'입니다. 복잡한 수식과 실험 데이터 속에서도 우리가 진정으로 알고자 하는 것이 무엇인지 잊지 않는 태도가 현대 과학의 복잡성을 이겨내는 열쇠가 됩니다. 본질을 꿰뚫는 질문은 복잡함 속에서 길을 잃지 않게 도와줍니다. 최근의 과학적 성과들은 여러 학문 분야가 서로 경계를 허물고 협력할 때 더욱 빛을 발합니다. 뇌과학과 인공지능, 생명공학과 윤리학의 만남처럼 서로 다른 시각이 교차하는 지점에서 혁신적인 아이디어가 탄생합니다. 이러한 융합적 사고는 우리가 직면한 복잡한 사회 문제를 해결하는 데에도 필수적입니다. 과학은 고립된 섬이 아니라, 인문학적 성찰과 예술적 상상력이 함께 어우러질 때 비로소 인간을 위한 진정한 가치를 창출할 수 있습니다. 다양한 학문의 만남은 새로운 가능성의 문을 여는 열쇠가 됩니다. 대중과 과학이 소통하는 장은 과학의 대중화를 위해 매우 중요합니다. 전문가들만의 전유물로 여겨졌던 과학 지식이 강연과 매체를 통해 공유되면서, 많은 이들이 과학적 즐거움을 함께 나누고 있습니다. 과학 강연은 단순히 지식을 전달하는 자리가 아니라, 함께 고민하고 질문하며 사고의 폭을 넓히는 축제의 장입니다. 이러한 소통을 통해 과학은 우리 일상 속으로 깊숙이 들어오며, 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되어줍니다. 지식의 공유는 우리 모두를 지적으로 성장하게 만드는 소중한 기회입니다. 우리가 아직 알지 못하는 미지의 영역은 여전히 광활합니다. 암흑 물질의 정체나 생명의 기원, 의식의 본질과 같은 난제들은 여전히 과학자들의 도전 정신을 자극합니다. 모르는 것을 인정하고 그 너머를 궁금해하는 태도는 과학이 가진 가장 큰 매력 중 하나입니다. 정답을 찾는 것보다 중요한 것은 올바른 질문을 던지는 과정 그 자체에 있습니다. 불확실성 속에서도 진리를 향해 한 걸음씩 나아가는 과정은 그 자체로 숭고한 여정이며, 우리에게 겸손함과 동시에 무한한 가능성을 가르쳐 줍니다. 과학의 여정은 결코 끝이 나지 않는 마라톤과 같습니다. 하나의 답을 찾으면 그 뒤에는 또 다른 수많은 질문이 우리를 기다리고 있기 때문입니다. 하지만 이러한 끝없는 탐구야말로 인류를 진보하게 만드는 원동력입니다. 우리는 앞으로도 '도대체'라는 질문을 멈추지 않을 것입니다. 그 질문이 이끄는 곳이 어디든, 우리는 그 길 위에서 세상을 더 깊이 이해하고 사랑하는 법을 배우게 될 것입니다. 과학은 우리에게 세상을 향한 끝없는 설렘을 선사하며, 더 나은 미래를 꿈꾸게 하는 가장 강력한 도구입니다.

한상근

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수학

[석학인터뷰] 배상수_물리학도가 유전자가위를 연구하게된 이유

크리스퍼 유전자가위는 현대 과학사에서 인류가 불을 발견한 것에 비견될 만큼 획기적인 전환점으로 평가받고 있습니다. 과거에는 유전 정보를 그저 멀리서 관찰하는 데 그쳤다면, 이제는 생명의 설계도인 DNA를 직접 수정하고 교정할 수 있는 시대가 본격적으로 열린 것입니다. 이는 단순한 기술적 진보를 넘어 생명공학의 패러다임을 완전히 바꾸는 거대한 사건이라 할 수 있습니다. 크리스퍼 유전자가위의 등장은 질병 치료와 생명 현상 이해에 있어 이전과는 전혀 다른 새로운 세대를 예고하고 있으며, 전 세계 수많은 연구자가 이 도구를 필수로 활용하게 될 것입니다. 생명 현상을 탐구하는 데 있어 물리학이나 수학 등 다양한 학문적 배경은 새로운 관점을 제시하는 중요한 열쇠가 됩니다. 이론 물리학적 토대 위에서 세포를 관측하고 DNA를 다루는 연구에 뛰어들면, 생명 현상 이면에 숨겨진 근본적인 작동 원리와 메커니즘에 대해 더욱 깊은 의문을 갖게 됩니다. 크리스퍼 유전자가위가 어떤 원리로 DNA를 절단하고 작동하는지 분석하는 과정에서 기존 생물학과는 차별화된 접근이 가능해지는 것입니다. 이러한 학제 간 융합은 생명과학의 경계를 넓히고, 복잡한 생명 시스템을 보다 정밀하게 이해하는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 2012년 등장한 3세대 크리스퍼 유전자가위는 불과 8년 만에 노벨상을 거머쥐며 그 압도적인 파급력을 증명했습니다. 현재는 이를 기반으로 한 염기교정이나 프라임에디팅 기술로 끊임없이 진화하고 있으며, 머지않아 크리스퍼 유전자가위를 능가하는 4세대 기술의 등장도 충분히 예견되는 상황입니다. 이러한 기술적 진보는 난치성 희귀 유전 질환의 치료는 물론, 기후 변화 대응이나 농작물 품종 개량 등 인류가 직면한 거대한 과제들을 해결할 핵심적인 열쇠가 될 것입니다. 크리스퍼 유전자가위는 인류의 삶을 획기적으로 증진하며 의학적 한계를 극복하는 혁신의 아이콘으로 자리 잡을 것입니다. 새로운 기술의 도입에는 항상 윤리적 논의와 규제의 정비가 뒤따르기 마련입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 사회적 우려와 비판이 거셌지만, 현재는 법과 제도의 테두리 안에서 수많은 가정에 새로운 희망을 전하고 있습니다. 크리스퍼 유전자가위 역시 오프타겟 효과에 의한 부작용이나 사회적 불평등 심화와 같은 과제를 안고 있지만, 이를 무조건 막기보다는 사회 구성원들이 열린 자세로 논의를 시작해야 합니다. 치명적인 질환을 후대에 물려주지 않으려는 부모의 마음과 사회적 가치를 충분히 고려하여, 기술을 안전하고 유익하게 활용할 수 있는 합리적인 기준 마련이 시급합니다. 미래를 이끌어갈 젊은 세대들이 과학 기술의 진정한 가치를 깨닫고 이 분야에 과감히 도전하기를 진심으로 기대합니다. 과학 기술자는 단순히 지식을 습득하는 존재가 아니라, 세상에 없던 새로운 것을 창조하고 인류의 난제를 해결해 나가는 개척자이기 때문입니다. 크리스퍼 유전자가위와 같은 혁신적인 도구를 다루며 생명의 신비를 풀어나가는 과정은 그 어떤 일보다 가치 있고 보람찬 여정이 될 것입니다. 더 많은 인재가 원대한 꿈을 품고 과학의 세계로 뛰어들 때, 우리 사회는 기술적 진보를 넘어 더 나은 미래로 나아갈 수 있는 강력하고 지속 가능한 동력을 얻게 될 것입니다.

배상수

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화학
생명과학

[그림으로 보는 과학뉴스] 알파폴드 part 1

과거 이세돌 9단과의 바둑 대결로 전 세계를 놀라게 했던 구글 딥마인드가 이번에는 생물학의 거대한 난제를 해결하며 다시금 주목받고 있습니다. 바로 '알파폴드'라는 인공지능 프로그램을 통해 단백질 구조 예측 분야에서 혁신적인 성과를 거둔 것입니다. 이는 지난 50여 년간 수많은 과학자가 매달려온 생물학적 과제를 인공지능이 해결했다는 점에서 과학계에 엄청난 충격을 안겨주었습니다. 단백질 구조 연구는 생명 현상을 이해하는 핵심 열쇠로 평가받으며, 이번 성과는 컴퓨터 과학이 노벨상 수준의 기여를 할 수 있음을 보여주는 사례로 거론되고 있습니다. 생명의 설계도라 불리는 DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합을 통해 아미노산 서열을 결정합니다. 총 64가지의 조합 중 실제로 우리 몸을 구성하는 아미노산은 약 20가지 종류에 불과합니다. 이 아미노산들이 사슬처럼 길게 연결되어 하나의 단백질을 형성하게 되는데, 이것이 단순히 일렬로 늘어서 있는 상태는 에너지가 매우 높아 불안정합니다. 따라서 단백질은 자연스럽게 에너지가 가장 낮은 안정된 상태를 찾아 복잡한 단백질 접힘 과정을 거치게 됩니다. 이러한 물리적 변화가 우리가 흔히 말하는 생명 활동의 기초가 됩니다. 단백질이 어떤 모양으로 접히느냐는 그 단백질이 수행할 기능을 결정하는 결정적인 요소입니다. 예를 들어 우리 몸의 손톱이 딱딱한 성질을 유지하거나 면역 체계에서 항체가 특정 바이러스를 인식하는 기능은 모두 단백질의 3차원 구조에서 비롯됩니다. 즉, 단백질의 3차원 구조를 정확히 파악하는 것은 곧 생명체가 어떻게 작동하는지, 그리고 특정 질병이 왜 발생하는지를 이해하는 근본적인 토대가 됩니다. 구조가 곧 기능을 정의한다는 점은 생물학의 대원칙 중 하나이며, 이를 규명하는 것은 인류가 생명의 신비를 푸는 과정에서 반드시 넘어야 할 산이었습니다. 단백질 구조 연구는 생물학의 영역을 넘어 물리학과 컴퓨터 과학의 융합이 필수적인 분야입니다. 아미노산 서열이 3차원 구조로 변하는 과정은 원자와 분자 사이의 물리적인 힘과 에너지 최적화 원리에 기반하기 때문입니다. 물리학자들은 이러한 미시적인 관점에서 생명체를 구성하는 물질들이 어떻게 안정된 구조를 형성하는지 탐구해 왔습니다. 이는 생명 현상이 단순히 화학적인 반응을 넘어 정교한 물리적 메커니즘에 의해 통제되고 있음을 시사합니다. 학문 간의 경계를 허무는 이러한 다학제적 접근은 복잡한 생명 현상을 시뮬레이션하고 예측하는 데 있어 핵심적인 역할을 수행합니다. 과거에는 단백질의 구조를 밝히기 위해 막대한 시간과 비용이 드는 실험적 방법이 동원되었습니다. 하지만 인공지능을 활용한 시뮬레이션 기술의 발전으로 이제는 컴퓨터가 원자 간의 힘을 계산하여 단백질의 모습을 정밀하게 구현해낼 수 있게 되었습니다. 실험 데이터와 인공지능의 예측치가 일치할 때 연구자들은 생명의 신비를 한 꺼풀 더 벗겨냈다는 희열을 느낍니다. 이러한 기술적 진보는 향후 신약 개발이나 질병 치료 등 인류의 삶을 개선하는 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 이끌어낼 것으로 기대됩니다. 인공지능은 이제 단순한 도구를 넘어 과학적 발견의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

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[연구뭐하지?] 김빛내리 교수_서울대학교 'RNA 생물학 연구실' | RNA의 모든 것을 연구하고 싶다면 이곳으로!!!!

서울대학교 생명과학부 RNA 생물학 연구실은 유전자 조절의 핵심인 RNA를 전문적으로 연구하는 학문의 장입니다. 마이크로RNA와 mRNA, 그리고 바이러스 RNA가 어떻게 생성되고 기능하는지 그 근본적인 메커니즘을 규명하는 데 매진하고 있습니다. 연구진은 복잡한 생명현상 속에 숨겨진 명확한 질서를 찾아내어, 궁극적으로 인류가 직면한 다양한 질병을 극복하고 생명을 정교하게 제어할 수 있는 과학적 실마리를 제공하고자 합니다. 이곳은 세계적인 수준의 연구를 수행하기 위해 질량 분석기를 포함한 최첨단 실험 설비를 완벽하게 갖추고 있습니다. 생화학부터 세포 생물학까지 폭넓은 실험이 가능한 인프라는 연구원들이 RNA의 특성을 다각도에서 분석할 수 있도록 돕습니다. 또한 매년 모든 구성원이 국제 학회에 참석하여 세계적인 석학들과 토론하며 최신 지견을 나누는 기회를 가짐으로써, 연구에 대한 시야를 넓히고 새로운 동기를 부여받으며 스스로를 재충전합니다. RNA 생물학 연구실만의 특별한 점은 연구 대상인 RNA의 연약함을 배려하는 세심한 문화에 있습니다. RNA는 아주 작은 외부 자극이나 RNA 분해 효소에도 쉽게 분해되기 때문에, 연구원들은 실험 중 항상 마스크를 착용하고 대화를 자제하며 극도의 정숙을 유지합니다. 동료가 실험 중일 때는 뒤에서 조심스럽게 말을 걸어도 되는지 먼저 물어봐야 할 정도로, RNA의 무결성을 지키기 위한 이들의 노력은 일상 속에서 철저하게 지켜지고 있습니다. 연구실의 분위기는 이른바 '생물 덕후'라고 불릴 만큼 학문에 깊이 몰입하는 이들의 열정으로 가득 차 있습니다. 식사 시간조차 연구에 대한 토론으로 이어질 정도로 구성원 간의 학술적 교류가 활발하며, 이는 단순한 업무를 넘어 진심으로 탐구를 즐기는 문화로 자리 잡았습니다. 치열하게 고민하고 그 결과를 함께 나누는 '생각의 놀이터'로서의 환경은 연구원들이 창의적인 아이디어를 마음껏 펼치고 실험할 수 있는 든든한 토대가 됩니다. 스스로 질문을 던지고 해결책을 모색하는 독립적인 연구자들에게 이곳은 무한한 가능성의 공간입니다. 교수님의 전폭적인 지원 아래 풍부한 자원을 활용하여 자신이 원하는 실험을 주도적으로 수행하며 연구자로서의 역량을 키워나갈 수 있기 때문입니다. 비록 거대한 생명의 신비 중 작은 부분을 탐구하는 과정일지라도, RNA라는 핵심 고리를 통해 생명과학의 원대한 목표를 향해 나아가는 이들의 여정은 미래 의학의 새로운 지평을 열어갈 것입니다.

김빛내리

카오스재단연구뭐하지

생명과학

[석학인터뷰] 신현정_ 의료분야의 인공지능, 블루오션이죠 | 2020 가을 카오스강연 'Ai X'

인공지능과 바이오메디컬의 결합은 높은 진입 장벽만큼이나 독보적인 가치를 지닙니다. 명확한 논리로 구성된 IT 분야와 달리, 생물학은 정답이 정해져 있지 않은 복잡성을 지니고 있어 두 분야를 동시에 섭렵한 전문가는 희소성을 갖게 됩니다. 이러한 융합 연구는 단순히 기술을 적용하는 것을 넘어, 서로 다른 학문적 특성을 이해하고 조화시키는 과정에서 새로운 가능성을 발견하는 재미를 선사합니다. 낯선 분야에 도전하여 지긋이 연구를 이어가는 인내심은 결국 누구도 쉽게 넘볼 수 없는 유니크한 경쟁력이 됩니다. 산업공학을 전공하며 프로그래밍과 신경망 구축에 매진했던 경험은 인공지능 연구의 든든한 밑거름이 되었습니다. 특히 독일 막스 플랑크 연구소에서의 경험은 생물학이라는 학문에 매료되는 결정적인 계기가 되었습니다. 0과 1로 명확히 떨어지는 디지털 세계와 달리, 상황에 따라 결과가 달라질 수 있는 생물학의 유연함과 깊이 있는 용어들은 연구자로서 도전 의식을 자극하며 학문적 매력을 더해주었습니다. 이러한 배경은 데이터 중심의 사고방식을 생명 과학의 복잡한 현상에 접목하는 중요한 전환점이 되었습니다. 교육자로서 가장 큰 보람은 학생들의 성장을 지켜보는 데 있습니다. 이미 우수한 학생보다 조금은 부족했던 학생이 연구실에 들어와 학문적으로 발전하여 세계적인 학회에서 발표하는 모습을 볼 때 깊은 감동을 느낍니다. 일상에서는 반려견들과 시간을 보내며 단순하고 평온한 삶의 가치를 배우기도 합니다. 이러한 균형 잡힌 삶은 연구와 교육에 집중할 수 있는 에너지를 제공하며, 제자들이 사회에서 제 역할을 다할 수 있도록 돕는 원동력이 됩니다. 학생들의 잠재력을 끌어올리는 과정은 연구만큼이나 가치 있는 일입니다. 의료 분야에서 인공지능은 거대한 데이터의 바다를 항해하는 핵심적인 도구로 자리 잡았습니다. 인간이 처리하기 힘든 방대한 빅데이터를 효율적으로 분석하여 의료진의 최종 결정을 돕는 역할을 수행합니다. 건강하게 오래 살고자 하는 인류의 근원적인 욕구와 맞물려, 인공지능 의료 기술은 무궁무진한 기회가 잠재된 블루오션이라 할 수 있습니다. 복잡한 의료 정보를 쉽게 찾아주고 접근성을 높여주는 기술은 우리 삶의 질을 획기적으로 개선할 것이며, 이는 인공지능이 반드시 필요한 이유이기도 합니다. 인공지능은 신약 및 백신 개발 과정에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 수많은 후보 물질 중에서 가능성이 높은 대상을 선별하고 점수화함으로써 연구의 탐색 공간을 획기적으로 좁혀줍니다. 이는 질병의 원인이 되는 유전자를 특정하고, 그에 적합한 약물 구조를 설계하는 데 결정적인 도움을 줍니다. 앞으로 인공지능은 질병 정복을 위한 여정에서 연구자들에게 가장 강력하고 정밀한 조력자로서 그 역할을 더욱 확대해 나갈 것입니다. 개괄적인 소개부터 심도 있는 분석까지, 인공지능과 바이오메디컬의 만남은 계속될 것입니다.

신현정

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[정말 읽었니?#9] 송기원 교수_ '종의 기원', 지성에서 영성으로 가는 여정

찰스 다윈의 '종의 기원'은 단순한 고전을 넘어 현대 생명과학의 근간을 이루는 정수입니다. 많은 이들이 처음에는 이 방대한 기록을 지루하게 느낄 수 있지만, 생명의 원리를 깊이 탐구하다 보면 다윈이 보여준 집요함에 경외감을 느끼게 됩니다. 그는 수많은 사실을 수집하고 분석하여 생명 현상을 관통하는 하나의 논리를 세웠습니다. 연구가 막히거나 힘든 순간, 다윈의 집요함을 떠올리며 다시금 과학적 탐구의 힘을 얻게 되는 것은 그가 남긴 학문적 태도가 오늘날의 과학자들에게도 여전히 유효하기 때문입니다. 다윈 이전의 생물학은 단순히 생명체를 분류하고 수집하는 박물학의 수준에 머물러 있었습니다. 그러나 다윈은 모든 생명체가 동일한 원리에 의해 존재하게 되었다는 혁신적인 논리를 제시하며 근대 생물학의 문을 열었습니다. 그 핵심은 바로 '자연선택'입니다. 무작위적인 변이 속에서 자연 환경에 더 잘 적응한 개체가 살아남아 자손을 남기는 과정이 반복되면서, 아주 단순한 생명체로부터 오늘날의 다양하고 복잡한 생태계가 형성되었습니다. 이는 지구상의 모든 종이 같은 방법으로 탄생했음을 증명한 최초의 시도였습니다. 진화에는 정해진 방향이나 목적이 없다는 점은 다윈이 강조한 또 다른 중요한 개념입니다. '생명의 나무' 비유처럼 진화는 공통 조상으로부터 여러 갈래로 뻗어 나가는 우연의 산물이며, 만약 지구가 다시 태어난다면 지금과는 전혀 다른 생명체들이 존재할 수도 있습니다. 또한, 다윈은 생존에 불리해 보이는 화려한 특징들이 왜 나타나는지를 '성선택' 개념으로 설명했습니다. 포식자의 눈에 띄는 위험을 감수하더라도 번식을 위해 이성에게 매력을 어필하는 형질이 선택됨으로써 생명의 다양성은 더욱 풍성해질 수 있었습니다. 현대 과학은 다윈이 미처 알지 못했던 유전학과 분자생물학의 발전을 통해 진화의 과정을 더욱 정밀하게 이해하게 되었습니다. 특히 발생 과정에서의 유전자 발현 차이가 어떻게 다양한 형태의 생명체를 만드는지 연구하는 '이보디보(Evo-Devo)' 분야는 다윈의 이론을 현대적으로 확장하고 있습니다. 아주 단순한 유전자 세트가 어떻게 작동하느냐에 따라 경이로울 정도로 다채로운 생명체가 탄생한다는 사실은, 다윈이 '종의 기원' 말미에서 언급했던 생명의 장엄함을 과학적으로 뒷받침하며 우리에게 깊은 감동을 줍니다. 오늘날 우리는 인위적인 유전공학과 합성생물학의 시대를 살아가며 자연의 섭리에 개입하고 있습니다. 다윈이 강조한 '자연은 도약하지 않는다'는 원리와 생태계의 '공진화'를 되새겨볼 때, 인간에 의한 급격한 변화와 멸종의 가속화는 깊은 성찰을 요구합니다. 과학이란 결국 남들이 던지지 않은 질문을 찾아 답을 해나가는 영적인 여정입니다. 다윈이 보여준 자연에 대한 순수한 호기심과 겸허한 태도는, 우리가 앞으로 마주할 생명 윤리와 환경 문제에 대해 중요한 혜안을 제공해 줄 것입니다.

송기원

카오스재단읽다과학

생명과학

[노벨상 해설강연] 노벨화학상: 다가오는 유전자 교정 시대_ 배상수｜카오스재단 x 고등과학원 '2020 노벨상 해설강연' | 3강

지구상의 모든 생명체는 세포를 기본 단위로 하며, 그 안에는 생명 활동을 영위하고 정보를 전달하는 유전 물질인 DNA가 존재합니다. DNA는 아데닌, 구아닌, 사이토신, 티민이라는 네 가지 염기로 이루어진 일종의 문자열과 같습니다. 우리가 외국어를 공부하여 그 의미를 이해하듯, DNA의 서열을 읽고 쓰는 기술은 생명의 신비를 풀기 위한 핵심적인 도구입니다. 특히 유전자 가위 기술은 DNA를 직접 표적화하여 정보를 수정함으로써, 유전자의 기능과 원리를 규명하고 질병을 치료할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 유전자 교정의 역사는 1960년대 제한 효소의 발견으로부터 시작되었습니다. 초기에는 특정 염기 서열을 인식해 자르는 제한 효소를 이용해 인슐린을 대량 생산하는 등 유전공학의 혁명을 일으켰으나, 인간과 같은 복잡한 생명체에 적용하기에는 한계가 있었습니다. 인식하는 서열이 너무 짧아 원치 않는 부위가 함께 잘리는 문제가 있었기 때문입니다. 이후 단백질을 이용해 정밀도를 높인 1세대 징크 핑거와 2세대 탈렌 기술이 개발되었지만, 제작 과정이 까다롭고 비용이 많이 들어 대중적으로 활용되기에는 어려움이 따랐습니다. 3세대 기술인 크리스퍼 유전자 가위는 구조가 단순하고 제작이 쉬워 유전자 교정의 대중화를 이끌었습니다. 이 기술은 박테리아가 바이러스의 공격에 대항하기 위해 갖춘 후천적 면역 체계에서 착안한 것으로, 특정 DNA를 찾아가는 가이드 RNA와 절단 역할을 하는 단백질로 구성됩니다. 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 이 시스템을 인공적으로 재설계하여 효율적인 도구로 만들어낸 공로로 노벨 화학상을 수상했습니다. 이제 연구자들은 RNA 서열만 교체함으로써 원하는 유전자를 자유자재로 교정할 수 있는 강력한 수단을 갖게 되었습니다. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 기초 과학 연구부터 실생활 응용까지 광범위한 변화를 가져왔습니다. 실험실에서는 특정 유전자가 제거된 형질 전환 동물을 단기간에 만들어 질병 모델 연구에 활용하며, 농업 분야에서는 갈변하지 않는 버섯이나 기후 변화에 강한 작물을 개발하고 있습니다. 의료 분야에서는 환자의 세포를 체외에서 교정해 다시 주입하거나, 체내 특정 기관에 유전자 가위를 직접 전달하여 희귀 질환을 치료하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 심지어 멸종 동물의 복원이나 특정 유전자를 종 전체에 확산시키는 유전자 드라이브 기술까지 논의되고 있습니다. 유전자 교정 기술이 인간 배아에 적용되면서 사회적, 윤리적 논란이 제기되기도 했지만, 이는 기술의 발전 과정에서 반드시 거쳐야 할 숙제입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 많은 우려가 있었으나, 현재는 수많은 난임 부부에게 희망을 주는 보편적인 기술로 자리 잡았습니다. 유전자 가위 역시 법적, 제도적 틀 안에서 안전하게 관리된다면 인류의 건강과 복지에 크게 기여할 것입니다. 상상 속의 미래가 현실이 되는 시대에, 우리는 이 강력한 도구를 지혜롭게 통제하고 활용하여 더 나은 세상을 만들어가야 합니다.

배상수

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

예쁜꼬마선충과 나노기술의 만남ㅣ2부 질의응답ㅣ최신식(명지대학교) [토요과학강연]

예쁜꼬마선충을 활용한 바이오기술 연구는 생명 과학의 지평을 넓히는 중요한 역할을 하고 있습니다. 연구 과정에서는 단순히 과학적인 난제뿐만 아니라 생물 물질의 국가 간 이동을 제한하는 법적 제도와 같은 외부적 요인도 큰 도전 과제가 됩니다. 과거에 비해 생명체나 바이오물질을 공유하는 절차가 매우 엄격해졌기 때문입니다. 과학자들은 이러한 제도적 변화에 적응하며 연구를 지속하고 있으며, 법률 제정이 과학 기술의 발전 속도와 발맞추어 조화롭게 이루어지는 것이 중요합니다. 인류를 위한 기술 개발이라는 공통의 목적 아래 제도적 온도 차를 줄이는 노력이 필요합니다. 원천적인 생명 현상을 규명하는 것뿐만 아니라, 과학 기술이 실제 사람들의 건강과 행복에 기여할 때 그 공로를 인정받아 노벨생리의학상을 수상하기도 합니다. 예쁜꼬마선충 칩이 미래에 사람과 환경을 위협하는 요소들을 개선하는 도구로 성공적으로 개발된다면, 그 사회적 가치는 충분히 노벨상을 기대해 볼 만한 수준이 될 것입니다. 현재는 연구 단계에 있지만, 일반인들에게 보급되어 누구나 쉽게 질병을 진단할 수 있는 수준에 도달한다면 인류 역사에 남을 혁신적인 성과로 자리매김할 것입니다. 이는 기초 과학이 실용 기술로 전환되어 인류의 삶을 바꾸는 전형적인 사례가 될 것입니다. 예쁜꼬마선충은 경제적이고 효율적인 실험 동물로서 많은 장점을 지니고 있습니다. 동물 세포 배양보다 비용이 훨씬 적게 들며, 단단한 외피 덕분에 세균이나 곰팡이 오염으로부터 비교적 자유로워 안정적인 연구가 가능합니다. 특히 나노기술과 결합했을 때, 이 작은 생명체가 나노입자를 중금속이나 바이러스로 인식하여 반응하는 독특한 메커니즘을 발견하게 되었습니다. 이는 생명체가 미세한 외부 물질을 어떻게 받아들이고 대응하는지에 대한 새로운 시각을 제공하며, 바이오나노기술의 기초를 다지는 중요한 데이터가 됩니다. 이러한 특성은 복잡한 고등 생물의 반응을 예측하는 모델로서 큰 가치를 지닙니다. 암 진단 키트의 핵심은 특정 암세포가 내뿜는 냄새에 반응하도록 선충을 훈련시키는 것입니다. 폐암이나 위암 등 암의 종류에 따라 발생하는 냄새 물질이 다르기 때문에, 각 암종에 특화된 훈련을 받은 선충들을 칩에 배치하여 정밀한 진단을 수행합니다. 선충 한 마리의 크기는 1mm에 불과하지만, 수십 마리가 모여 특정 반응을 보이면 우리 눈으로도 확인할 수 있는 신호가 만들어집니다. 이러한 원리를 이용하면 병원을 방문하지 않고도 가정에서 간편하게 암 유무를 확인할 수 있는 혁신적인 진단 도구가 탄생할 수 있습니다. 훈련된 선충은 인간의 후각보다 훨씬 예민하게 질병의 신호를 포착해 낼 수 있습니다. 예쁜꼬마선충은 생존이 위협받는 극한 상황에서 '다우어(Dauer)'라는 동면 상태에 들어가 수명을 수개월 연장하는 신비로운 생물학적 특징을 보여줍니다. 더욱 놀라운 점은 특정 자극에 대한 학습 효과가 다음 세대로 유전될 수 있다는 사실입니다. 이러한 연구를 수행하기 위해서는 끊임없는 호기심과 쉽게 포기하지 않는 끈기가 필수적입니다. 연구는 수많은 실패와 유혹의 연속이지만, 끝까지 문제를 해결하려는 태도가 결국 인류를 구원할 과학적 발견으로 이어집니다. 과학자의 열정은 작은 선충을 통해 거대한 미래의 가능성을 열어가는 동력이 되며, 이는 곧 우리 사회의 건강한 미래를 담보하는 밑거름이 될 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 2020 토요과학강연

생명과학
융합

[연구뭐하지?] 천종식 교수 _서울대학교 '진화생명정보학 연구실' | 공생 세균을 연구하면 많은 질병을 예방, 치료할 수 있습니다!

서울대학교 진화생명정보학 연구실은 세균의 진화 과정을 추적하여 생명의 근원적 원리를 탐구하는 곳입니다. 천종식 교수님의 지도 아래, 이곳은 세균이 환경에 적응하고 변화하는 기전을 분석함으로써 병원균에 의한 질병을 깊이 있게 이해하고자 노력합니다. 미생물은 인간에 비해 진화 속도가 압도적으로 빠르기 때문에, 이들의 유전체 변화를 실시간으로 파악하는 것은 현대 의학에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 이러한 기초 연구는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 질병의 예방과 치료를 위한 실질적인 전략을 수립하는 데 결정적인 역할을 수행하고 있습니다. 또한, 우리 몸과 공생하는 미생물 집단인 마이크로바이옴을 연구하여 건강 증진의 새로운 가능성을 제시합니다. 이곳의 연구 환경은 흔히 '목장'에 비유될 만큼 높은 자율성을 자랑합니다. 교수님은 연구원들에게 넓은 탐구의 장을 제공하며, 학생들이 스스로 관심 있는 주제를 찾아 자유롭게 연구할 수 있도록 독려합니다. 통계학, 계산생물학, 컴퓨터공학 등 서로 다른 전공을 가진 인재들이 모여 협력하는 다학제적 분위기는 이 연구실만의 독특한 자산입니다. 학생들은 자신의 연구에 대해 책임을 지는 동시에, 필요한 자원을 전폭적으로 지원받으며 창의적인 연구자로 성장해 나갑니다. 이러한 자율적인 문화는 연구의 즐거움을 극대화하는 원동력이 됩니다. 연구원들은 각자의 전문성을 바탕으로 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조명하며 학문적 성취를 이뤄냅니다. 생명정보학 연구의 주된 과정은 방대한 유전체 데이터를 가공하고 분석하여 시각화하는 작업으로 이루어집니다. DNA 서열과 같은 복잡한 글자 나열에서 유의미한 패턴을 찾아내고, 이를 통해 미생물의 계통학적 위치를 규명하는 것이 핵심입니다. 특히 최근 주목받는 프로바이오틱스 연구 등은 모두 이러한 탄탄한 미생물 계통학적 이론 위에 세워져 있습니다. 화려한 분석 기술도 중요하지만, 그 근간이 되는 이론적 배경이 없다면 진정한 과학적 가치를 인정받기 어렵습니다. 따라서 연구원들은 기술적 숙련도와 함께 깊이 있는 학문적 토대를 닦는 데 매진하고 있습니다. 이러한 이론적 엄밀함은 데이터 분석의 신뢰성을 높이고 연구의 질적 수준을 보장하는 핵심 요소가 됩니다. 우리가 태어날 때부터 고정적으로 갖게 되는 유전체와 달리, 메타게놈은 식습관이나 스트레스 등 외부 요인에 따라 역동적으로 변화하는 특성을 지닙니다. 연구실에서는 이러한 오믹스 기반 기술을 활용하여 현대인의 건강을 위협하는 다양한 만성 질환과 미생물 사이의 연결 고리를 정밀하게 추적합니다. 이는 단순한 관찰을 넘어 질병의 근본 원인을 규명하고 새로운 치료 패러다임을 제시하는 중요한 열쇠가 됩니다. 특히 장내 미생물 데이터를 통해 질환의 발생 가능성을 가늠하는 연구는 정밀 의료를 실현하는 데 있어 매우 중요한 과학적 근거를 제공합니다. 이러한 연구는 개인 맞춤형 헬스케어 서비스를 실현하는 데 있어 매우 중요한 과학적 근거를 제공합니다. 연구실이 지향하는 이상적인 인재는 스스로 문제를 정의하고 해결해 나가는 '문제 해결형' 학생입니다. 단순히 논문 실적을 쌓는 것에 매몰되지 않고, 생명과학적 난제를 해결하기 위해 다양한 학문 분야를 유연하게 접목할 수 있는 태도가 요구됩니다. 현대의 연구 환경은 컴퓨터만 있다면 전 세계 전문가들의 강의를 통해 부족한 지식을 언제든 보충할 수 있는 열린 구조를 갖추고 있습니다. 따라서 특정 기술에 대한 선험적인 지식보다는, 목표를 달성하기 위해 끊임없이 배우고 도전하려는 의지가 연구의 성패를 가르는 가장 중요한 요소라고 할 수 있습니다. 이러한 도전 정신을 가진 학생들은 연구실의 자율적인 분위기 속에서 자신만의 독창적인 연구 영역을 구축해 나갑니다.

천종식

카오스재단연구뭐하지

생명과학

[과학책수다] 이중나선

제임스 왓슨의 '이중나선'은 DNA 구조 발견 과정을 다룬 과학 고전입니다. 흔히 과학 서적이라 하면 복잡한 화학식과 수식으로 가득할 것 같지만, 이 책은 오히려 과학자들의 지극히 인간적인 면모를 적나라하게 보여줍니다. 20대 초반의 젊은 과학자였던 왓슨이 영국으로 건너가 동료들과 함께 노벨상을 향해 달려가는 과정은 한 편의 드라마와 같습니다. 그는 단순히 지식을 전달하는 데 그치지 않고, 연구 과정에서 느꼈던 질투, 경쟁심, 그리고 성공을 향한 열망을 솔직하게 기록하여 독자들에게 신선한 충격을 줍니다. 왓슨은 DNA 이중나선 구조를 밝혀낸 공로로 노벨 생리학·의학상을 수상하며 미국의 스타 과학자로 떠올랐습니다. 하지만 그의 삶은 영광으로만 가득 차 있지는 않았습니다. 그는 인종차별적인 발언과 각종 망언으로 인해 사회적 지위를 박탈당하고 노벨상 메달을 매물로 내놓아야 했을 만큼 큰 시련을 겪기도 했습니다. 이러한 그의 행보는 과학적 업적과 인격적 성숙함이 반드시 비례하지 않는다는 사실을 일깨워줍니다. 책 속에서도 드러나는 그의 거침없는 성격은 과학계의 이면을 들여다보게 만드는 중요한 요소가 됩니다. 왓슨이 가장 경계했던 인물은 당대 최고의 과학자 라이너스 폴링이었습니다. 폴링은 노벨 화학상과 평화상을 모두 단독으로 수상한 유일한 인물로, 과학적 성취뿐만 아니라 사회적 책임감에서도 큰 발자취를 남겼습니다. 그는 핵무기 개발 프로젝트인 맨해튼 프로젝트 참여를 거절하고 핵실험 반대 운동에 앞장섰습니다. 비록 DNA 구조 발견 경쟁에서는 왓슨에게 뒤처졌지만, 과학자가 사회에 미치는 긍정적인 영향력이 무엇인지 몸소 보여준 인물입니다. 그의 삶은 왓슨의 인간적인 결점과 대비되며 깊은 울림을 줍니다. DNA 구조 발견의 결정적인 열쇠는 로잘린드 프랭클린이 촬영한 '사진 51'이었습니다. 그녀는 정밀한 사진 촬영 기술을 통해 DNA가 나선 구조임을 증명할 수 있는 데이터를 확보했습니다. 하지만 왓슨과 크릭은 그녀의 허락 없이 이 사진을 확인했고, 이를 바탕으로 이중나선 모델을 완성했습니다. 프랭클린은 당시 여성 과학자로서 겪어야 했던 차별과 냉대 속에서도 묵묵히 연구에 매진했으나, 안타깝게도 노벨상 수상 전 암으로 세상을 떠났습니다. 그녀의 업적은 사후에야 재조명되며 과학사의 비운의 주인공으로 기억되고 있습니다. 과학 연구는 단순히 진리를 탐구하는 숭고한 과정만이 아니라, 명예를 얻고 싶어 하는 인간의 욕망이 투영된 치열한 경쟁의 장이기도 합니다. '이중나선'은 과학자들 역시 우리와 다를 바 없는 평범한 인간임을 보여주며, 그들의 호기심과 지속적인 노력이 어떻게 위대한 발견으로 이어지는지 설명합니다. 노벨상은 그 자체가 목적이 아니라, 끊임없는 질문과 탐구의 결과로 주어지는 선물과 같습니다. 우리나라도 기초 과학에 대한 꾸준한 투자와 연구자들의 열정이 더해진다면, 머지않은 미래에 새로운 과학적 결실을 맺을 수 있을 것입니다.

국립과천과학관과학책📚수다

생명과학

이제 과학은 미생물도 만들 수 있습니다. | 세포를 '공장'처럼 활용하는 기술, 합성생물학이란 무엇일까? | 과학쿠키 다큐 단편

생명체는 세포라는 기본 단위 속에 무서울 정도로 정교한 질서와 시스템을 품고 있습니다. 특히 이 작은 세포 안에는 생명체 전체의 모든 정보를 담은 설계도인 DNA가 내재되어 있습니다. 세포는 리보솜이라는 공장을 활용해 DNA에 기록된 정보를 바탕으로 단백질과 효소를 생산하며 도시와 같은 유기적인 활동을 이어갑니다. 이처럼 정밀한 생명의 메커니즘을 이해하려는 노력은 단순히 생명 현상을 관찰하는 것을 넘어, 그 근간이 되는 설계도를 직접 해독하고 활용하려는 공학적 접근으로 이어지게 되었습니다. 합성생물학은 생물학적 시스템을 반도체 공정과 같은 공학적 관점에서 재정의합니다. 반도체가 0과 1의 이진법으로 정보를 처리하듯, 생명체는 A, C, G, T라는 네 가지 염기 서열을 통해 방대한 데이터를 구성합니다. 과거에는 생명체에서 필요한 물질을 추출하는 데 그쳤으나, 이제는 DNA 설계도를 직접 작성하여 세포가 원하는 물질을 생산하도록 명령할 수 있습니다. 이는 분자 단위에서 작동하는 나노 테크놀로지의 실현이며, 인류가 생명의 언어를 사용하여 새로운 가치를 창출하는 혁신적인 전환점이라 할 수 있습니다. 유전자를 자유롭게 편집하기 위해서는 정밀한 도구가 필요합니다. 초기에는 세균의 방어 체계에서 유래한 제한 효소를 유전자 가위로 사용했으나, 타깃 지점을 정확히 잘라내는 데 한계가 있었습니다. 이후 등장한 3세대 유전자 가위인 크리스퍼(CRISPR-Cas9)는 이러한 기술적 장벽을 획기적으로 낮추었습니다. RNA가 안내자 역할을 하여 원하는 DNA 서열을 정확히 찾아가 절단함으로써, 비전문가도 높은 정밀도로 유전자를 교정할 수 있는 환경이 조성되었습니다. 이 도구의 발전은 합성생물학 연구 속도를 비약적으로 가속화했습니다. 합성생물학의 응용 범위는 무궁무진합니다. 미생물 내에 인공 유전자 회로를 설계하면 특정 물질이 생성될 때 형광 빛을 내게 하여 생산 효율을 실시간으로 검수할 수 있습니다. 또한, 인체 내 미생물 생태계인 마이크로바이옴 연구와 결합하여 질병을 진단하고 치료하는 '스마트 미생물' 개발도 진행 중입니다. 몸속에서 염증 신호를 감지하면 자동으로 치료 물질을 분비하는 나노 머신을 구현하는 것입니다. 이러한 기술은 화학 산업을 보완하고 환경 친화적인 생산 방식을 제안하며 미래 의학의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 대규모 DNA 정보를 처리하고 실험을 가속화하기 위해 최근에는 '바이오 파운드리'라는 자동화 플랫폼이 주목받고 있습니다. 이는 반도체 제조 공정처럼 유전자 설계부터 합성, 제작까지의 전 과정을 로봇과 AI가 수행하는 시스템입니다. 바이오 파운드리는 백신 개발 속도를 높이고 산업적 수요에 유연하게 대응할 수 있는 핵심 인프라가 될 것입니다. 강력한 기술에는 책임이 따르듯, 바이오 에러나 윤리적 이슈에 대한 경계도 필요하지만, 올바른 태도로 연구를 이어간다면 합성생물학은 인류의 삶을 더욱 이롭게 할 것입니다.

과학쿠키과학쿠키 - 한국차세대과학기술한림원

화학
생명과학
융합

2020 온라인으로 만나는 과학관과 박물관이야기 : 미생물을 이겨라

개인 위생 관리가 그 어느 때보다 중요해진 요즘, 우리 눈에는 보이지 않지만 손에는 수많은 미생물이 살고 있습니다. 국립광주과학관에서는 이러한 미생물의 존재를 직접 확인해 볼 수 있는 흥미로운 실험을 소개하고 있습니다. 우리가 일상에서 자주 사용하는 손 소독제가 왜 필요한지, 그리고 손 씻는 행위가 우리 건강에 어떤 영향을 미치는지 과학적으로 접근해 보는 시간은 매우 의미가 깊습니다. 단순한 호기심을 넘어 질병 예방의 기본인 청결의 중요성을 스스로 깨닫고 실천하는 것이 이번 과학 실험의 핵심적인 목표라고 할 수 있습니다. 세균을 관찰하기 위해서는 미생물이 자랄 수 있는 환경인 '배지'를 먼저 만들어야 합니다. 실험을 위해서는 배지 분말, 계량컵, 샬레, 스틱, 파라필름 등 다양한 도구가 필요합니다. 실험을 시작하기에 앞서 약품을 함부로 먹지 않도록 주의해야 하며, 특히 가열 과정에서 화상을 입지 않도록 안전 수칙을 철저히 지키는 것이 무엇보다 중요합니다. 어린 학생들은 반드시 부모님과 함께 실험에 임하여 안전사고를 방지해야 하며, 준비된 재료들이 모두 있는지 꼼꼼하게 확인하는 습관을 들여 실험의 완성도를 높여야 합니다. 본격적인 배지 제작은 계량컵에 배지 분말 4g과 물 100ml를 넣고 잘 섞는 것으로 시작됩니다. 혼합된 용액은 전자레인지를 이용해 끓여주는데, 이때 용액이 갑자기 끓어 넘치는 것을 방지하기 위해 50초, 40초, 30초씩 세 번에 나누어 가열하는 지혜가 필요합니다. 가열된 용액은 샬레의 절반 정도만 평평하게 담아주며, 기포가 생기지 않도록 조심히 부어야 합니다. 너무 많이 담으면 배지가 제대로 굳지 않을 수 있으므로 적정량을 유지하는 것이 중요하며, 이후 10~15분 정도 실온에서 충분히 굳히는 시간을 가져야 합니다. 배지가 완전히 굳으면 씻지 않은 손과 깨끗이 씻은 손을 각각의 샬레에 찍어 비교 실험을 진행합니다. 실험이 완료된 샬레는 뚜껑을 덮고 파라필름으로 샬레의 둘레를 꼼꼼하게 밀봉하여 외부 오염을 차단해야 합니다. 관찰 시에는 뚜껑에 물방울이 맺혀 실험 결과 확인을 방해하지 않도록 샬레를 거꾸로 뒤집어서 실온에 보관하는 것이 바람직합니다. 시간이 흐른 뒤 두 샬레의 상태를 비교해 보면, 육안으로도 확연히 차이가 나는 세균 번식 상태를 직접 확인할 수 있습니다. 이는 평소 손 씻기 습관이 얼마나 중요한지 시각적으로 보여줍니다. 실험 결과에 따르면 손을 씻지 않은 상태에서 찍은 배지에는 세균이 활발하게 번식한 반면, 손을 깨끗하게 씻은 후에는 세균이 거의 관찰되지 않는 것을 알 수 있습니다. 물론 실험이 이루어지는 주위 환경이나 온도에 따라 결과에 미세한 차이가 있을 수는 있지만, 손 씻기라는 작은 실천이 질병 예방에 얼마나 큰 역할을 하는지는 명확하게 드러납니다. 이번 실험을 통해 미생물의 세계를 깊이 이해하고 올바른 위생 습관을 기르는 좋은 계기가 되었기를 바랍니다. 건강한 생활의 시작은 바로 우리 손을 청결히 관리하는 것에서부터 시작됩니다.

국립광주과학관교육프로그램

생명과학

[코로나 인터뷰] 석차옥 _단백질 구조 연구가 중요한 이유

단백질은 생명체를 구성하는 핵심적인 분자로, 우리 몸이라는 거대한 기계를 이루는 부품과 같습니다. 기계의 부품이 각기 다른 모양을 지녀야 제 기능을 하듯, 단백질 역시 고유한 단백질 구조를 형성해야만 생명 현상을 유지하는 역할을 수행할 수 있습니다. 따라서 단백질 구조를 명확히 파악하는 일은 생명 현상의 본질을 이해하는 첫걸음이자, 각종 질병의 치료제를 개발하는 데 있어 매우 중요한 토대가 됩니다. 하지만 인간의 직관만으로는 이 복잡한 단백질 구조를 예측하는 것이 거의 불가능에 가깝습니다. 단백질 구조를 예측하는 일은 수십 년간 과학계의 난제로 남아 있습니다. 최근 인공지능 기술인 알파폴드가 등장하며 큰 진전을 이루었지만, 여전히 한계는 존재합니다. 알파폴드는 기존에 축적된 아미노산 서열이 풍부한 경우에만 높은 정확도를 보이기 때문입니다. 아미노산 서열이 부족한 신종 바이러스 단백질의 경우, 인공지능이 제시하는 단백질 구조 중 상당수가 실제와 다를 가능성이 있어 여전히 인간의 정밀한 검토와 연구가 필요합니다. 인공지능은 어디까지나 연구를 돕는 도구로서 그 가치를 지닙니다. 실제 연구 현장에서는 초저온 전자현미경을 활용해 단백질 구조를 직접 관찰하기도 하지만, 이 과정에는 막대한 비용과 시간이 소요됩니다. 또한 이렇게 얻은 구조 정보조차 전체의 80~90% 수준에 그치는 불완전한 경우가 많습니다. 현재 진행 중인 연구는 이러한 불완전한 구조 정보의 빈틈을 메워 100%의 완성된 모델을 만드는 데 집중하고 있습니다. 이는 단백질이 실제로 어떻게 움직이고 상호작용하는지 정밀하게 분석하기 위한 필수적인 기초 작업이며, 계산과학이 실험의 한계를 보완하는 지점이기도 합니다. 과학자로서의 삶은 끊임없는 고민과 슬럼프의 연속이기도 합니다. 학문적 성취에 대한 압박이나 진로에 대한 불안감은 누구에게나 찾아올 수 있는 시련입니다. 하지만 생명의 탄생을 직접 경험하며 삶의 가치를 새롭게 발견하거나, 직책이라는 외적인 조건보다 과학 그 자체를 즐기려는 마음가짐을 가질 때 비로소 어려움을 극복할 수 있습니다. 내가 지금 과학을 하고 있다는 사실 그 자체에 집중하며 마음을 비우는 태도는 연구자로서 긴 여정을 지속하게 하는 가장 큰 원동력이 됩니다. 연구에 몰입하다 보면 신체적인 건강을 소홀히 하기 쉽지만, 건강한 몸은 곧 건강한 연구의 밑바탕이 됩니다. 척추 건강을 위해 시작한 달리기나 한국무용은 단순한 운동을 넘어 정신 수양의 도구가 되기도 합니다. 특히 한국무용은 자신의 몸을 깊이 들여다보게 하며 예술적 욕구까지 충족시켜 주는 훌륭한 활동입니다. 연구실 환경을 좌식으로 꾸미고 틈틈이 몸을 돌보는 등의 노력은 지속 가능한 연구를 위해 반드시 필요합니다. 몸과 마음의 균형을 찾는 과정은 결국 더 나은 연구 결과로 이어지기 마련입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[모두를 위한 모든 생명의 분자생물학] 04강. 단백질 구조 탐험

단백질은 생명체의 활동을 담당하는 가장 핵심적인 분자로, 그 기능은 전적으로 형태에 의해 결정됩니다. 따라서 단백질의 구조를 파악하는 것은 곧 해당 단백질이 생체 내에서 어떤 역할을 수행하는지 이해하는 지름길이 됩니다. 예를 들어 코로나바이러스가 어떻게 세포 내부로 침투하는지, 그리고 우리 몸의 항체가 어떤 방식으로 바이러스를 무력화하는지는 단백질의 입체적인 모양을 분석함으로써 구체적으로 밝혀질 수 있습니다. 이러한 구조 연구는 질병의 원인을 규명하고 효과적인 치료제를 개발하는 데 필수적인 기초 지식을 제공합니다. 복잡한 단백질의 3차원 구조를 규명하기 위해 과학자들은 다양한 물리화학적 기법을 사용해 왔습니다. 대표적으로는 단백질을 결정 상태로 만들어 X선의 회절 패턴을 분석하는 X선 결정학과, 단백질을 급속 냉동하여 전자현미경으로 촬영한 뒤 영상을 재구성하는 극저온 전자현미경(Cryo-EM)이 있습니다. 이 두 기술은 생명과학 발전에 기여한 공로를 인정받아 모두 노벨 화학상을 수상한 바 있습니다. 비록 구조 하나를 밝혀내는 데 정교하고 복잡한 과정을 거쳐야 하지만, 이는 생명의 신비를 푸는 가장 강력한 도구가 됩니다. 전 세계 연구자들이 밝혀낸 단백질 구조 데이터는 '단백질 구조 데이터베이스(PDB)'라는 공공 데이터베이스에 저장되어 누구나 접근할 수 있습니다. 단백질은 수많은 원자로 이루어진 거대 분자이기 때문에, 이를 효과적으로 표현하기 위해 리본이나 카툰과 같은 단순화된 시각화 모델을 주로 사용합니다. 이를 통해 복잡한 원자들의 배열 속에서도 알파 나선이나 베타 병풍 같은 2차 구조들이 어떻게 배치되어 전체적인 골격을 형성하는지 한눈에 파악할 수 있습니다. 이러한 모델링 기법은 복잡한 분자 세계를 직관적으로 이해하도록 돕습니다. 특정 단백질 구조를 정밀하게 탐색하기 위해서는 'ChimeraX'와 같은 전용 소프트웨어를 활용합니다. 사용자는 마우스 조작만으로 단백질을 3차원 공간에서 회전시키거나 확대하며 미세한 결합 부위를 꼼꼼하게 관찰할 수 있습니다. 이러한 도구들은 생물학 전공자뿐만 아니라 일반인들에게도 분자 수준의 생태계를 직접 체험하는 흥미로운 경험을 제공합니다. 입체 모델을 통해 단백질의 구성을 직접 확인하는 과정은 평면적인 그림으로만 보던 생명 현상을 훨씬 입체적이고 깊이 있게 이해할 수 있게 만들어 줍니다. 실제 분석 사례를 보면, 코로나바이러스의 스파이크 단백질이 인간 세포의 수용체와 결합하여 침투를 시도하는 정교한 과정을 확인할 수 있습니다. 또한 치료제인 렘데시비르가 바이러스의 RNA 중합효소에 결합하여 증식을 억제하는 원리도 분자 구조를 통해 명확히 증명됩니다. 이렇듯 단백질 구조를 연구하는 것은 생명의 기본 단위가 어떻게 작동하는지 원자 수준에서 파악하는 과정입니다. 이는 단순히 질병을 정복하는 수단을 넘어, 생명이라는 거대한 기계가 움직이는 근본적인 원리를 이해하는 현대 과학의 가장 중요한 열쇠입니다.

서울시립과학관

화학
생명과학
융합

[정말 읽었니?#5] 최재천 교수 "손잡지 않고 살아남은 생명은 없다!"

리처드 도킨스의 '이기적 유전자'는 단순한 과학 서적을 넘어 한 사람의 인생관과 세계관을 송두리째 바꿀 수 있는 강력한 힘을 지니고 있습니다. 이 책을 읽기 전과 후의 세상은 결코 같을 수 없으며, 유전자의 관점에서 세상을 바라보는 새로운 렌즈를 얻게 됩니다. 복잡하게 얽혀 있던 세상의 의문들이 유전자의 생존 전략이라는 틀 안에서 가지런히 정리되는 경험은 경이롭기까지 합니다. 이는 단순히 지식을 습득하는 과정을 넘어, 생명의 본질을 꿰뚫어 보는 통찰을 제공하며 세상을 보는 눈을 뜨게 합니다. '이기적'이라는 단어는 종종 오해를 불러일으키지만, 이는 유전자가 의식적인 의도를 가졌다는 뜻이 아닙니다. 도킨스는 유전자의 작용 결과가 이기적인 방식으로 나타난다는 점을 강조했습니다. 만약 그가 책을 다시 쓴다면 '불멸의 유전자'나 '영생의 유전자'라는 제목을 고려했을 만큼, 핵심은 유전자가 세대를 거쳐 자신을 보존하려는 속성에 있습니다. 우리는 이제 유전자가 단독으로 행동하는 것이 아니라, 전체 유전체 안에서 때로는 협력하고 때로는 갈등하며 복잡한 메커니즘을 수행한다는 사실을 잘 알고 있습니다. 유전자는 단순히 단백질을 만드는 정보를 담은 화학 물질에 불과하지만, 그들이 만들어내는 생명체는 환경과의 상호작용 속에서 고유한 존재로 거듭납니다. 일란성 쌍둥이조차 완벽하게 같지 않다는 사실은 생명이 유전자 결정론만으로 설명될 수 없음을 보여줍니다. 유전적 요인만큼이나 생태적 환경과 양육의 과정이 중요하며, 이는 법적·사회적 맥락에서도 '유전적 부모'와 '생태적 부모'를 구분해야 하는 이유가 됩니다. 생명은 유전자라는 설계도와 환경이라는 무대가 함께 만들어내는 장엄한 오케스트라와 같습니다. 윌리엄 해밀턴 교수는 유전자 수준에서의 선택이 어떻게 이타적 행동을 유발하는지 수학적으로 증명했습니다. 개미나 꿀벌 사회에서 일개미가 스스로 번식하지 않고 여왕개미를 돕는 행위는 개체 차원에서는 희생처럼 보이지만, 유전자 관점에서는 자신의 복사본을 더 많이 남기는 효율적인 전략입니다. 이러한 '친족 선택' 이론은 이타주의의 뿌리가 결국 유전자의 이기적 생존 본능에 닿아 있음을 설명합니다. 선택의 단위가 개체가 아닌 유전자라는 통찰은 진화 생물학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 최근 생물학계는 경쟁만큼이나 '협력'의 중요성에 주목하고 있습니다. 자연계에서 발견되는 수많은 공생 관계는 단순히 선의에 의한 것이 아니라, 치열한 생존 경쟁에서 살아남기 위한 고도의 전략입니다. 악어와 악어새의 관계처럼, 경쟁자가 없는 블루오션을 찾아 서로의 필요를 충족시키는 방식은 자연 선택의 결과입니다. 지구상에서 가장 성공한 생명체로 꼽히는 꽃 피는 식물과 곤충의 결합은 서로 손을 잡는 것이야말로 진화의 역사에서 가장 강력한 승리 공식이었음을 증명하는 생생한 사례입니다. 유전적 연관성이 없는 관계에서도 협력은 발생합니다. 로버트 트리버스의 '상호 호혜성 이론'은 우리가 왜 타인을 돕는지에 대한 실마리를 제공합니다. 자주 마주치는 동료를 돕는 행위는 언젠가 나에게 돌아올 도움을 기대하는 본능적 계산이 깔려 있을 수 있습니다. 이는 인간 사회뿐만 아니라 흡혈박쥐와 같은 동물 세계에서도 관찰되는 보편적인 현상입니다. 결국 이타주의는 사회적 관계망 속에서 유전자의 생존 가능성을 높이는 정교한 메커니즘으로 작동하며, 이는 공동체의 결속을 다지는 핵심적인 동력이 됩니다. 인류는 이제 '현명한 인간'이라는 자만에서 벗어나 다른 생명체와 공존하는 '호모 심비우스(Homo Symbious)'로 거듭나야 합니다. 기후 위기와 팬데믹 같은 전 지구적 과제는 더 이상 경쟁만으로는 해결할 수 없으며, 지구라는 생태계를 공유하는 모든 존재와의 연대가 필수적입니다. 자연은 결코 홀로 살아남은 자들의 무대가 아니라, 서로 손을 잡은 자들이 미처 손을 잡지 못한 자들을 밀어내며 이어온 역사입니다. 유전자의 이기적 속성을 이해하는 것은 역설적으로 우리가 왜 더 넓게 협력해야 하는지를 깨닫게 하는 출발점이 됩니다.

최재천

카오스재단읽다과학

생명과학

[랜선실험] SSC과학수사대 2편ㅣ 투머치토커의 DNA분석

현대 과학 수사에서 DNA 분석은 범인을 특정하고 사건의 실마리를 푸는 데 가장 강력한 도구로 활용됩니다. 유전자 분석의 첫 단계는 대상자의 구강 상피세포를 채취하는 것에서 시작됩니다. 면봉이나 전용 도구를 이용해 입 안쪽 벽을 긁어내어 세포를 얻는 과정은 간단해 보이지만, 분석에 필요한 충분한 양의 시료를 확보하는 것이 매우 중요합니다. 이렇게 채취된 상피세포 안에는 한 개인을 특정할 수 있는 고유한 유전 정보가 담긴 DNA가 포함되어 있으며, 이는 정밀한 과학적 검증을 위한 핵심 기초 자료가 됩니다. DNA 추출 과정에서 가장 경계해야 할 요소는 외부로부터의 오염입니다. 우리 주변의 일상적인 환경에는 유전 물질을 파괴하거나 분석을 방해하는 효소들이 다수 존재하기 때문에, 실험실 내의 모든 도구와 작업 환경은 철저한 소독 과정을 거쳐야 합니다. 알코올을 이용해 작업대를 청결히 유지하고 시료가 직접 닿는 집기들은 멸균 처리를 통해 DNA 분해 효소를 완전히 제거해야 합니다. 이러한 세밀한 관리와 준비 과정이 뒷받침되어야만 이후 진행되는 복잡한 분석 절차에서 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있습니다. 생물학적으로 세포는 지질과 단백질 성분으로 이루어진 막에 싸여 있으며, 그 내부의 핵 안에 우리가 찾고자 하는 DNA가 존재합니다. 따라서 순수한 유전 물질을 얻기 위해서는 세포막과 핵막을 효과적으로 분해하여 DNA를 밖으로 끌어내는 분리 과정이 필수적입니다. 이 단계에서는 정교한 분석 효소와 화학적 방법이 동원되는데, 세포의 복잡한 구조를 이해하고 유전 물질만을 선택적으로 추출해내는 것이 기술의 핵심입니다. 이 과정을 통해 비로소 육안으로는 보이지 않는 생명의 설계도를 분석 가능한 상태로 만들 수 있습니다. 추출의 효율을 극대화하기 위해서는 사용하는 시약의 순도가 매우 높아야 합니다. 특히 DNA를 침전시키고 불순물을 제거하는 단계에서 사용되는 에탄올은 시중의 일반적인 제품이 아닌, 유전 물질의 손상을 막을 수 있는 연구용 고순도 제품을 사용해야 합니다. 이후 엘루션 버퍼라 불리는 특수 용액을 소량 첨가하여 DNA를 안정적으로 녹여내면 비로소 추출 단계가 완성됩니다. 이처럼 까다로운 조건 속에서 정제된 유전 시료만이 다음 단계인 유전자 증폭 과정에서 오류 없는 결과물을 만들어낼 수 있는 자격이 주어집니다. 추출된 소량의 DNA는 PCR, 즉 유전자 증폭 기술을 거치며 분석에 필요한 만큼 양이 늘어납니다. PCR은 특정 유전 부위를 수백만 배로 복제하여 범인의 유전자형과 대조할 수 있도록 해주는 혁신적인 기술입니다. 복잡한 유전자 지도를 해독하고 용의자들의 데이터와 비교 분석하는 과정을 거치면, 비로소 수많은 가능성 속에서 진범을 가려낼 수 있게 됩니다. 과학적 근거를 바탕으로 한 이러한 정밀 분석은 수사의 객관성을 확보하고 정의를 실현하는 데 결정적인 역할을 수행하며 현대 사회의 안전을 지키는 밑거름이 됩니다.

서울시립과학관[교육] 랜선 과학실

화학
생명과학

[과학관 Life : 곤충쌤과 함께하는 곤충클레이] 슬기로운 나비생활

나비는 알에서 태어나 애벌레와 번데기 과정을 거쳐 성충이 되는 완전 탈바꿈 곤충입니다. 나비의 한살이는 생명의 신비로움을 관찰하기에 아주 좋은 주제입니다. 나비는 알을 낳을 때 애벌레가 깨어나자마자 바로 먹을 수 있는 식물 위에 알을 낳습니다. 알의 모양은 종류에 따라 동그란 형태부터 길쭉한 포탄 모양까지 매우 다양합니다. 클레이를 이용해 작고 흰 알을 나뭇잎 위에 올리는 것만으로도 생명의 시작을 생생하게 표현할 수 있습니다. 알에서 깨어난 애벌레는 부지런히 잎을 먹으며 성장합니다. 애벌레의 몸을 만들 때는 초록색 클레이를 길쭉한 타원형으로 만든 뒤, 도구를 사용해 여러 마디로 나누어 주는 것이 포인트입니다. 머리 부분에는 작은 눈과 입을 만들어 생동감을 더해줍니다. 겉으로는 잘 보이지 않지만 애벌레에게도 엄연히 다리가 존재하며, 이를 세밀하게 관찰하는 과정은 곤충의 구조를 이해하는 데 큰 도움이 됩니다. 조물조물 클레이를 반죽하며 애벌레의 통통한 질감을 살려보는 재미가 있습니다. 성장을 마친 애벌레는 번데기 단계에 접어듭니다. 번데기는 외부의 위협으로부터 자신을 보호하기 위해 주로 눈에 잘 띄지 않는 곳에 자리를 잡습니다. 갈색 클레이를 물방울 모양으로 빚고 가위로 윗부분을 다듬으면 사실적인 번데기 형태가 완성됩니다. 번데기는 가만히 멈춰 있는 것처럼 보이지만, 내부에서는 성충이 되기 위한 격렬한 변화가 일어납니다. 가끔씩 꿈틀거리며 살아있음을 알리기도 하고, 숨구멍을 통해 끊임없이 호흡하며 화려한 비상을 준비하는 인고의 시간을 보냅니다. 마침내 번데기를 뚫고 나온 나비의 몸은 머리, 가슴, 배의 세 부분으로 뚜렷하게 구분됩니다. 배 부분은 여러 개의 마디로 이루어져 있으며, 머리에는 꿀을 빨아먹기 위한 빨대 모양의 입이 돌돌 말려 있습니다. 이러한 세밀한 특징들을 클레이로 하나씩 구현하다 보면 곤충의 해부학적 구조를 자연스럽게 익힐 수 있습니다. 커다란 눈과 섬세한 다리를 붙여주면 나비의 전체적인 골격이 완성되며, 생명의 경이로움을 다시 한번 느끼게 됩니다. 나비의 가장 큰 매력은 화려한 날개에 있습니다. 곤충의 날개는 보통 네 개로 이루어져 있으며, 양쪽이 대칭을 이루도록 배치하는 것이 중요합니다. 파란색과 검은색 클레이를 섞어 날개의 기본 형태를 잡고, 그 위에 노란색으로 다채로운 무늬를 넣어주면 세상에 하나뿐인 나비가 탄생합니다. 이렇게 완성된 알, 애벌레, 번데기, 나비를 한자리에 모아놓으면 나비의 전체적인 한살이가 한눈에 들어옵니다. 직접 손으로 만들며 배우는 과정은 생태계의 순환을 이해하는 소중한 경험이 됩니다.

국립과천과학관곤충 Life🐝

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

[과학을 찾는 사람들] 김선자 연구사 2편 : SF영화 월드컵

영화 '컨테이젼'과 '감기'는 바이러스의 확산 과정을 생생하게 그려냅니다. '컨테이젼'은 박쥐를, '감기'는 조류독감을 소재로 하여 바이러스가 어떻게 인간 사회에 침투하는지 보여줍니다. 특히 박쥐는 포유류의 약 25%를 차지하며 1,116종이 넘는 다양한 종이 존재하는데, 이들은 약 130여 종의 바이러스를 보유하고 있으며 그중 60종은 인수공통 바이러스입니다. 인간의 무분별한 생태계 파괴로 서식지를 잃은 동물들이 인간과 접촉하며 원래 동물에게만 머물러야 했던 바이러스들이 인류를 위협하게 된 것입니다. 영화적 허구는 공포를 극대화하지만 실제 과학과는 차이가 있습니다. 치사율 100%의 바이러스가 순식간에 퍼지는 설정은 현실적으로 불가능에 가깝습니다. 대개 전파력이 강하면 치사율이 낮고, 치사율이 너무 높으면 숙주가 빨리 죽어 전파가 차단되기 때문입니다. 유일한 예외라면 이미 죽은 상태로 움직이며 바이러스를 퍼뜨리는 좀비뿐일 것입니다. 바이러스는 자신의 생존과 번식을 위해 숙주와 공생하거나 적절한 균형을 유지하는 방향으로 진화하는 특성을 가집니다. 현대 의학 기술이 눈부시게 발전했음에도 불구하고 바이러스와 관련된 허무맹랑한 가짜뉴스는 여전히 기승을 부립니다. 5G 기지국이나 무선 인터넷 전파를 통해 바이러스가 퍼진다는 주장이 대표적입니다. 하지만 바이러스는 반드시 살아있는 숙주 세포가 있어야만 활동할 수 있는 존재입니다. 공기 중에 노출되면 단 몇 시간 만에 사멸하며, 물리적인 파동이나 전파를 타고 이동하는 것은 과학적으로 전혀 불가능한 일임을 명확히 인지해야 합니다. 면역력 강화에 대한 오해도 바로잡을 필요가 있습니다. 특정 음식을 먹는다고 해서 바이러스가 즉시 완치되는 것은 아닙니다. 예를 들어 김치는 그 자체로 치료제는 아니지만, 포함된 유익균들이 장내 환경을 개선하여 전반적인 면역체계를 강화하는 데 도움을 줍니다. 우리 몸은 운동, 영양 섭취, 휴식 등이 복합적으로 작용하여 방어 체계를 구축합니다. 따라서 평소 건강한 생활습관을 유지하는 것이 보이지 않는 바이러스로부터 자신을 지키는 가장 확실한 방법입니다. 인류 역사상 가장 무서운 질병 중 하나였던 천연두는 백신을 통해 정복된 대표적인 사례입니다. 소의 젖을 짜는 여인들이 우두 바이러스에 노출되어 자연스럽게 항체를 형성했다는 사실에서 백신의 원리가 발견되었습니다. 이처럼 과학은 막연한 공포를 이성적인 대응으로 바꾸어 줍니다. 영화 '컨테이젼'이 주는 교훈처럼, 우리는 과학적 근거를 바탕으로 경각심을 가지고 예방수칙을 준수함으로써 바이러스가 초래하는 사회적 위기를 극복해 나갈 수 있습니다.

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[모두를 위한 모든 생명의 분자생물학] 01강. 생명이란 무엇인가? 살아있다는 것에 대한 과학적 의미

생명이란 무엇인가라는 질문은 직관적으로 보이지만 과학적으로 명확한 기준을 세우기는 매우 복잡한 문제입니다. 흔히 움직임이나 동적인 형태 변화, 혹은 대칭적인 구조나 추론 능력을 생명의 고유한 특징으로 꼽기도 합니다. 하지만 엔진처럼 움직이는 기계나 아름다운 대칭을 이루는 얼음 결정, 인간을 넘어서는 인공지능의 사례를 보면 이러한 개별적인 성질만으로 생물과 무생물을 완벽히 구분하기는 어렵습니다. 따라서 우리는 생명을 특정 성질로 정의하기보다 그 구조적 본질에 더 주목해야 합니다. 생명체는 세포라는 기본 단위로부터 시작하여 조직, 기관, 계통을 거쳐 하나의 개체로 이어지는 계층적으로 조직화된 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 이러한 점은 정밀하게 조립된 기계와도 매우 유사한 공통점을 가집니다. 세포 역시 생체 고분자라는 부품들로 정교하게 조립된 일종의 화학적 기계라고 볼 수 있으며, 물리와 화학의 법칙을 충실히 따르는 물질들의 총합체입니다. 결국 생명의 근본은 고도로 정돈된 복잡한 조직체라는 개념으로 설명할 수 있으며, 이러한 조직화된 상태를 유지하는 것이 생물학적 존재의 기반이 됩니다. 열역학 제2법칙에 따르면 모든 사물은 시간이 흐름에 따라 무질서한 상태로 나아가려는 경향이 있습니다. 생명체는 이러한 자연스러운 엔트로피의 증가를 극복하고 질서를 유지하기 위해 끊임없이 에너지를 소모합니다. 광합성을 통해 태양 에너지를 이용하거나 다른 생명체가 축적한 에너지를 섭취함으로써, 원자로부터 개체에 이르기까지 고도화된 조직 체계를 지탱하는 투쟁을 이어가는 것입니다. 즉, 생명 활동의 본질은 에너지를 투입하여 무질서도를 낮추고 자신만의 정교한 질서를 지속적으로 구축해 나가는 동적인 과정이라고 정의할 수 있습니다. 생명체는 물질과 에너지의 교환이 매우 빠르게 이루어지는 동적인 시스템입니다. 어제의 나를 구성하던 원자와 오늘의 나를 구성하는 원자는 서로 다르지만, 우리라는 개체의 정체성은 조직적인 연결 체계 덕분에 그대로 유지됩니다. 이는 마치 특정 조직의 구성원이 시간이 흐름에 따라 바뀌더라도 그 조직 고유의 체계가 보존되는 것과 같습니다. 생물과 기계는 모두 외부에서 에너지를 얻어 활동하며 복잡한 부품들이 상호작용하는 시스템이라는 점에서는 궤를 같이하지만, 생명에게는 기계가 결코 흉내 낼 수 없는 고유한 영역이 존재합니다. 생명 현상의 본질은 DNA에 저장된 정보가 RNA를 거쳐 단백질로 전달되는 일련의 흐름에 있습니다. 단백질은 생체 내에서 다양한 형태를 띠며 생명 유지에 필요한 기능을 수행하는 핵심 요소입니다. DNA는 이러한 단백질들의 구조를 결정하는 정보를 정교하게 담고 있으며, 모든 세포는 개체 성장에 필요한 모든 데이터를 완벽히 갖추고 있습니다. 결국 생명은 물리와 화학의 법칙을 기반으로 엄청난 복잡성을 구현해낸 고도의 시스템이며, 이를 이해하기 위해서는 분자 수준의 기초 화학 원리를 파악하는 것이 중요합니다.

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[랜선과학#집에서함께해요] 과학실험게임GTE 제2편 - DNA / 누가 내 칫솔을 쓴걸까

현대 과학 수사에서 DNA 감별은 결정적인 증거를 확보하는 핵심적인 과정입니다. 특히 칫솔이나 머리카락처럼 일상적인 물건에 남겨진 미세한 유전 정보를 분석하면 특정 개인을 정확히 식별할 수 있습니다. 실험을 위해서는 먼저 용의자의 신체 부위에서 유의미한 생체 시료를 확보하는 순발력과 세심함이 필요합니다. 이렇게 수집된 증거물은 과학적인 분석 과정을 거쳐 범인을 가려내는 결정적인 단서가 되며, 보이지 않는 진실을 밝혀내는 강력한 도구로 활용됩니다. 이 과정은 철저한 보안과 정확한 절차를 준수해야만 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있습니다. DNA를 크기별로 분리하기 위해서는 아가로스 겔을 직접 제작해야 합니다. 전자저울을 사용하여 정확히 0.2g의 아가로스 가루를 측정하고, 이를 20mL의 1X TAE 완충액과 혼합하는 정밀함이 요구됩니다. 혼합된 용액은 삼각 플라스크에 담아 전자레인지에서 가열하여 투명하게 녹여냅니다. 이때 발생하는 열이 매우 뜨거우므로 반드시 내열 보호 장갑을 착용해야 하며, 용액이 완전히 섞인 후에는 겔이 단단하게 굳을 때까지 약 20분에서 30분 정도의 인내심 있는 기다림이 필요합니다. 이 시간은 실험의 성패를 좌우하는 기초를 다지는 시간입니다. 굳어진 아가로스 겔은 전기영동 장치에 조심스럽게 장착됩니다. 겔이 장치에 고정되면 DNA가 이동할 수 있는 환경을 조성하기 위해 1X TAE 완충액을 다시 부어 줍니다. 이때 완충액의 양은 겔의 홈이 충분히 잠길 정도로 조절해야 실험의 정확도를 높일 수 있습니다. 전기영동 장치는 전기적 성질을 이용하여 DNA 조각들을 이동시키는 역할을 수행하며, 이 과정에서 완충액은 전류가 흐를 수 있게 돕는 전해질의 역할을 함과 동시에 실험 중 발생하는 겔의 온도 변화를 일정하게 유지해 주는 중요한 완충 작용을 담당하게 됩니다. 본격적인 분석을 위해 마이크로 피펫을 사용하여 DNA 시료를 겔의 홈에 주입합니다. 이때 피펫의 용량은 12 마이크로리터로 매우 미세하게 설정되어야 하며, 각 시료가 섞이지 않도록 정해진 순서에 따라 신경 써서 로딩하는 것이 중요합니다. 시료가 성공적으로 주입되면 DNA는 전하의 흐름에 따라 겔 내부를 이동하기 시작합니다. 과학적인 신뢰성을 확보하기 위해서는 시료를 다루는 모든 과정에서 외부 오염을 방지하고 정해진 규격과 양을 철저히 지키는 세심한 주의가 요구됩니다. 환경을 생각하는 마음으로 기구를 다루는 태도 또한 연구자가 갖추어야 할 소양입니다. 모든 준비가 끝나면 약 20분간 본격적인 전기영동을 진행합니다. DNA는 음전하를 띠고 있어 전류를 흘려주면 양극 방향으로 이동하게 되는데, 이때 조각의 크기에 따라 이동 속도가 달라집니다. 작은 조각은 겔 사이를 빠르게 지나가고 큰 조각은 상대적으로 느리게 이동하면서 독특한 띠 모양의 패턴을 형성하게 됩니다. 최종적으로 나타난 이 패턴을 용의자의 DNA 데이터와 비교하면 칫솔을 사용한 실제 범인이 누구인지 명확하게 판별할 수 있습니다. 이러한 긴 여정을 거쳐 도출된 결과는 과학적 증거로서 강력한 설득력을 가지게 됩니다.

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[인생과학책 #6] 종의 기원 VS 이기적 유전자! 역대 최고의 과학 베스트셀러, 정말 읽었니? (2)

찰스 다윈의 '종의 기원'은 현대 생물학의 근간을 이루는 기념비적인 저작입니다. 다윈은 진화라는 거대한 사건을 설명하기 위해 당시 사람들이 쉽게 이해할 수 있었던 '육종', 즉 품종 개량의 원리를 전략적으로 활용했습니다. 인간이 짧은 시간 동안 인위적 선택을 통해 새로운 품종을 만들어낼 수 있다면, 무한한 시간을 가진 자연이 생존에 유리한 형질을 선택하여 종의 변화를 이끌어내지 못할 이유가 없다는 논리였습니다. 이러한 '자연선택'의 개념은 당시 종교적 세계관이 지배하던 사회에 커다란 충격을 던졌으며, 합리적 사고의 새로운 지평을 열었습니다. 다윈은 '종의 기원'의 마지막 대목에서 생명의 역사를 장엄한 서사시로 묘사했습니다. 단순한 시작점에서 출발한 생명이 중력의 법칙에 따라 행성이 회전하는 동안 끊임없이 진화하여 경이롭고 아름다운 형태로 전개되어 왔다는 그의 통찰은 과학적 사실을 넘어선 감동을 줍니다. 비록 초판 이후 종교적 압박으로 인해 '창조주'라는 표현을 슬쩍 끼워 넣기도 했으나, 그의 본질적인 메시지는 흔들리지 않았습니다. 다윈이 탔던 비글호는 단순한 탐사선을 넘어 인간 지성의 대해를 누비는 합리적 정신의 보루가 되어 오늘날까지 우리에게 큰 영감을 주고 있습니다. 다윈의 진화론을 현대적 관점에서 재해석한 인물이 바로 리처드 도킨스입니다. 그의 저서 '이기적 유전자'는 생명을 바라보는 관점을 개체에서 유전자로 완전히 옮겨놓았습니다. 도킨스는 인간을 포함한 모든 생명체가 유전자의 생존을 위해 설계된 '생체 로봇'에 불과하다고 파격적으로 주장합니다. 이는 마치 네커 정육면체를 바라보는 시각에 따라 형체가 달라 보이듯, 진화의 주체를 개체가 아닌 유전자의 관점에서 바라볼 때 비로소 생태계의 복잡한 이타적 행동과 협력의 원리를 명확하게 이해할 수 있다는 신다윈주의적 통찰을 제시한 것입니다. '이기적 유전자'라는 제목은 종종 오해를 불러일으키지만, 도킨스는 유전자들 사이의 '협력'이 생존에 얼마나 중요한지를 강조했습니다. 이기적인 유전자들이 자신의 복제본을 널리 퍼뜨리기 위해 때로는 개체의 이타적 행동을 유도하며, 이러한 전략이 진화적으로 안정적인 상태를 유지하게 만든다는 것입니다. 또한 그는 '확장된 표현형' 개념을 통해 유전자의 영향력이 개체의 몸을 넘어 환경에까지 미친다는 독창적인 이론을 펼쳤습니다. 비록 학계 일각에서는 그를 대중 과학 저술가로 폄하하기도 했으나, 흩어져 있던 진화론적 아이디어들을 하나의 틀로 통합한 그의 공로는 부정할 수 없습니다. 과학은 미신과 광신에 대항하는 인류의 가장 강력한 무기입니다. 칼 세이건이 과학을 '어둠 속의 촛불'이라 불렀듯, 리처드 도킨스 역시 자신의 자서전 제목을 통해 그 정신을 계승하고자 했습니다. 다윈에서 도킨스, 그리고 세이건으로 이어지는 지적 계보는 우리에게 합리적 사고와 비판적 태도의 중요성을 일깨워 줍니다. 가짜 뉴스와 사이비 과학이 범람하는 현대 사회에서 이들의 고전은 단순한 지식의 전달을 넘어 세상을 바라보는 명확한 눈을 제공합니다. 짧은 수명의 촛불일지라도 어둠을 밝히려는 이들의 노력은 인류 지성의 대해를 밝히는 영원한 등불로 남을 것입니다.

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