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[강연] 2026 카오스 콘서트 '인긴-인간-인갼' | 두 번째 프로메테우스: 인공지능, 과학의 경계를 허물다_석차옥 교수(화학)

인류의 지능은 초기에는 생존을 위한 도구로 탄생했습니다. 우리 조상들은 경험을 통해 버드나무 껍질이 해열과 진통에 효과가 있다는 사실을 발견했으며, 이는 단순한 생존 지식을 넘어 원리를 탐구하는 과학의 시초가 되었습니다. 19세기에 유효 성분을 분리하고 20세기에 원자와 분자 수준의 작동 기제를 밝혀낸 과정은 인간의 끝없는 탐구욕을 잘 보여줍니다. 이처럼 깊어지고 세분화된 현대 과학은 이제 100여 개가 넘는 세부 분야로 나뉘어 자연의 신비를 더욱 정밀하게 파헤치고 있습니다. 과학이 고도로 전문화되었음에도 불구하고, 단백질 구조와 같은 복잡한 문제는 오랫동안 인류의 난제로 남아 있었습니다. 단백질은 전자와 원자핵이 모여 원자가 되고, 다시 아미노산을 거쳐 복잡한 입체 구조를 형성하는 ‘멀티스케일 복잡계’의 성격을 띠기 때문입니다. 우리는 물리학과 화학적 원리를 깊이 이해하고 있음에도 불구하고, 수많은 상호작용이 얽힌 이 거대한 퍼즐을 정확하게 계산해낼 수 없었습니다. 이러한 한계는 결국 인간의 지능만으로 기술하기에는 자연 현상이 지나치게 방대하고 복잡하다는 사실을 시사합니다. 2024년 노벨 화학상을 수상한 알파폴드는 이러한 복잡성의 벽을 허물며 과학의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 인공지능은 방대한 데이터를 바탕으로 인간이 계산하기 힘든 단백질 구조를 예측하는 데 성공했습니다. 특히 단순히 데이터를 학습하는 것을 넘어, 기존의 물리·화학·생물학적 원리와 직관을 모델에 녹여냄으로써 제한된 데이터로도 놀라운 성과를 거두었습니다. 이는 인공지능이 데이터로부터 경험을 쌓고 자연의 규칙을 이해하기 시작했음을 의미하며, 인류가 풀지 못했던 난제들을 해결하는 강력한 열쇠가 되고 있습니다. 앞으로 인공지능과 과학은 서로를 발전시키는 ‘공진화’의 과정을 거치게 될 것입니다. 특정 현상을 하나의 원리로 통합하여 이해하는 깊이가 깊어짐은 물론, 인체 전체를 모사하는 ‘디지털 트윈 휴먼’과 같은 거대한 도전도 가능해질 전망입니다. 또한 실험실에 적용된 물리적 인공지능은 자율적으로 실험을 수행하며 새로운 발견의 속도를 비약적으로 높일 것입니다. 이러한 변화는 단순한 도구의 진화를 넘어, 인공지능이 과학적 지식을 생성하고 소통하며 인공초지능으로 나아가는 중요한 토대가 되어줄 것입니다. 인류는 이제 ‘두 번째 프로메테우스’라 불리는 인공지능과 결합된 과학을 마주하고 있습니다. 과거의 과학이 인간의 통제하에 있었다면, 현재의 과학은 인공지능을 통해 인간의 지각 범위를 넘어서는 영역으로 확장되고 있습니다. 우주가 스스로를 이해하기 위해 지능을 탄생시킨 과정의 연장선에서, 인공지능은 어쩌면 우리가 던진 마지막 질문에 답을 줄 존재가 될지도 모릅니다. 이 강력한 과학적 불꽃을 어떻게 다루고 조화를 이루어 나갈 것인가는 이제 우리 인류가 직면한 가장 중요한 숙제이자 새로운 탐구의 여정이 될 것입니다.

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물리학
화학
생명과학
수학
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[강연] 눈에 보이지 않는 세계의 건축가: 금속-유기 골격체(MOF)_by 문회리 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

2025년 노벨 화학상은 새로운 형태의 분자 구조물인 금속-유기 골격체(MOF)의 기초를 세운 과학자들에게 돌아갔습니다. MOF는 금속 이온과 탄소 기반의 유기 분자가 결합하여 형성된 다공성 물질로, 내부에는 무수히 많은 미세한 기공이 존재합니다. 이 구조체는 눈에 보이지 않는 미세한 세계의 건축물과 같으며, 금속의 견고함과 유기물의 다양성을 결합해 현대 화학의 새로운 지평을 열었습니다. 이러한 신소재는 가스 저장, 촉매 반응, 환경 정화 등 다양한 분야에서 혁신적인 해결책을 제시하며 전 세계적인 주목을 받고 있습니다. MOF의 핵심 원리인 배위 결합은 한쪽 원자가 전자쌍을 일방적으로 제공하며 형성되는 특수한 공유 결합의 일종입니다. 1913년 알프레드 베르너가 정립한 배위 이론을 바탕으로, 과학자들은 금속 이온을 기둥으로 삼고 유기 리간드를 연결 다리로 사용하여 3차원의 거대한 골격 구조를 건축해 냈습니다. 연구자들은 단순한 화학 합성을 넘어 '건축' 혹은 '설계'라는 표현을 사용할 정도로 정밀하게 분자들을 배치합니다. 이를 통해 단위체가 무한히 반복되는 배위 고분자 형태의 골격이 만들어지며, 이는 다이아몬드 구조와 유사한 기하학적 아름다움을 보여주기도 합니다. 이 물질이 지닌 가장 놀라운 특징은 압도적인 표면적에 있습니다. MOF 내부의 수많은 기공 덕분에 단 2그램의 가루만으로도 축구장 하나를 가득 채울 정도의 넓은 면적을 확보할 수 있습니다. 이는 기존의 그 어떤 다공성 물질보다도 효율적인 공간 활용을 가능하게 합니다. 1그램의 미세한 부피 안에 숨겨진 거대한 표면적은 외부 분자들이 드나들고 머물 수 있는 최적의 환경을 제공합니다. 이러한 구조적 강점 덕분에 아주 작은 양의 소재만으로도 막대한 양의 가스를 저장하거나 특정 물질을 걸러내는 정밀한 작업이 가능해지는 것입니다. 오마르 야기 교수가 정립한 '망상 화학(Reticular Chemistry)'은 MOF 연구를 체계적인 학문의 반열에 올렸습니다. 망상 화학은 빌딩 블록을 조합하여 예측 가능한 네트워크 구조를 설계하고 합성하는 전략을 의미합니다. 과학자들은 이제 우연에 기대지 않고, 목적에 따라 금속 클러스터와 유기 리간드의 종류를 선택하여 맞춤형 구조체를 설계할 수 있게 되었습니다. 현재 10만 개 이상의 서로 다른 MOF 구조가 보고되었으며, 리간드에 특정 기능을 부여하거나 기공의 크기를 조절함으로써 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 등의 정교한 조절이 가능해졌습니다. 키타가와 스스무 교수는 MOF가 단단한 결정을 넘어 생명체처럼 유연하게 움직일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 소위 '3세대 MOF'로 불리는 이들은 온도, 압력, 빛 등 외부 자극에 반응하여 구조가 변하는 '브리딩(Breathing)' 거동을 보입니다. 특정 기체가 다가올 때만 문이 열리는 게이트 오프닝(Gate-opening) 현상은 기체 분리의 효율성을 획기적으로 높여줍니다. 이러한 동적인 변화는 MOF가 단순한 저장 용기를 넘어 환경에 반응하는 스마트 소재로 진화했음을 의미하며, 복잡한 혼합 기체 사이에서 우리가 원하는 분자만을 정확하게 포착하는 능력을 부여합니다. MOF의 실질적인 응용은 인류가 당면한 환경 문제를 해결하는 데 집중되고 있습니다. 사막의 건조한 공기에서 밤사이 수분을 흡수해 식수를 만드는 수분 포집 기술이나, 공장 배기가스에서 미세한 농도의 이산화탄소를 포집하는 기술이 대표적입니다. 특히 공유 결합 유기 골격체인 COF를 활용한 탄소 포집 기술은 온실가스 감축을 위한 핵심 열쇠로 평가받고 있습니다. 이 외에도 수소 에너지 저장, 희토류 채굴, 약물 전달 시스템 등 무궁무진한 분야에서 MOF가 활용되고 있으며, 이미 일부 소재는 공장에서 양산되어 실제 산업 현장에 투입되고 있습니다. 화학의 미래는 결정 상태를 넘어 액체처럼 흐르거나 유리처럼 굳어지는 4세대 MOF의 시대로 향하고 있습니다. 가열해도 성질을 유지하며 녹는 액체 MOF(Liquid MOF)는 스마트 윈도우와 같은 혁신적인 기능성 유리를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 2023년 전 세계의 석학들이 모여 MOF의 현재와 미래를 논의했던 역사적인 순간처럼, 이 분야는 인류의 삶을 더욱 지속 가능하게 바꿀 준비를 마쳤습니다. 분자를 이용해 보이지 않는 새로운 공간을 창조해낸 과학자들의 열정은 이제 우리 주변의 일상을 바꾸는 기술로 구현되어 더 넓은 세상을 향해 나아가고 있습니다.

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화학
지구환경과학
융합

[과.수.다] 과학자들의 방과 후 수다 2025!! coming soon!!

현대 과학의 경계는 끊임없이 확장되고 있으며, 과거의 기준으로는 설명하기 어려운 변화들이 나타나고 있습니다. 특히 노벨 화학상의 선정 기준이나 생명과학 분야의 급격한 발전은 학문 간의 경계가 허물어지고 있음을 보여줍니다. 우리는 태양으로부터 에너지를 얻어 문명을 유지하고 있지만, 이러한 근본적인 에너지 활용 방식조차 새로운 과학적 시각에서는 재정의될 필요가 있습니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 우리가 세상을 바라보는 틀 자체를 근본적으로 뒤흔들며 진화하고 있습니다. 인류는 지구를 넘어 화성으로의 여정을 꿈꾸고 있지만, 그 과정에는 여전히 수많은 불확실성과 위험이 도사리고 있습니다. 우주선을 타고 다른 행성으로 이동하는 기술적 도전뿐만 아니라, 최근 발견된 지구 충돌 위험 소행성들은 인류의 생존을 위협하는 실질적인 과제가 되었습니다. 이에 대응하여 미사일을 이용한 궤도 수정 등 과학기술적 방어 수단을 강구하는 노력은 이제 선택이 아닌 필수가 되었습니다. 광활한 우주 속에서 인류 문명의 위치를 확인하고 보호하려는 시도는 계속될 것입니다. 시간의 흐름을 거스르려는 인류의 열망은 이제 '역노화'라는 구체적인 과학적 실험으로 이어지고 있습니다. 생체 나이를 되돌려 젊음을 회복하려는 시도는 단순한 상상을 넘어 실제 치료 가능성을 타진하는 단계에 이르렀습니다. 비록 국내외의 제도적 한계나 기술적 완성도에 대한 논의가 남아있지만, 노화를 질병의 관점에서 바라보고 이를 극복하려는 노력은 생명과학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 인간의 수명과 삶의 질을 근본적으로 바꿀 이 혁신적인 변화는 우리 미래의 모습을 결정짓는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

카오스재단과학자들의 방과 후 수다

[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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나야😳 단백질, 근데 이제 AI를 곁들인... 2024 노벨 화학상(with 한국화학연구원 최경민 선임연구원) | 요즘과학

2024년 노벨 화학상은 인공지능과 생명과학의 결합이 인류에게 어떤 혁신을 가져올 수 있는지를 잘 보여주었습니다. 수상자로 선정된 구글 딥마인드의 데미스 허사비스와 존 점퍼, 그리고 워싱턴 대학교의 데이비드 베이커 교수는 단백질 구조 예측과 설계라는 난제를 해결한 공로를 인정받았습니다. 단백질은 우리 몸의 세포를 구성하고 생명 활동을 조절하는 핵심 요소로, 그 구조를 파악하는 것은 질병 치료와 신약 개발의 기초가 됩니다. 이번 수상은 인공지능 기술이 순수 과학의 영역에서 거둔 기념비적인 성과로 평가받고 있습니다. 단백질은 20종의 아미노산이 사슬처럼 연결된 후 복잡하게 접히며 3차원 구조를 형성합니다. 이 독특한 형태가 결정되어야 비로소 인슐린이나 헤모글로빈처럼 특정한 기능을 수행하는 '생체 로봇'으로서 역할을 할 수 있습니다. 따라서 아미노산 서열이 어떻게 3차원 구조를 만드는지 이해하는 것은 생명 현상의 비밀을 푸는 열쇠와 같습니다. 하지만 단백질 구조를 실험적으로 밝히는 데는 막대한 시간과 비용이 소요되어, 지난 수십 년간 인류가 알아낸 구조는 전체의 극히 일부에 불과했습니다. 딥마인드가 개발한 '알파폴드'는 이러한 한계를 인공지능의 패턴 인식 능력으로 돌파했습니다. 기존의 방식이 단순히 아미노산 서열 정보를 학습했다면, 알파폴드는 진화 과정에서 나타나는 단백질의 유사성과 아미노산 서열 패턴에 주목했습니다. 이를 통해 수억 개의 단백질 구조를 90% 이상의 높은 정확도로 예측하는 데 성공하며, 과학계의 50년 묵은 난제를 해결했습니다. 현재 전 세계 수백만 명의 연구자가 이 기술을 활용해 질병의 원인을 분석하고 있으며, 이는 생물학 연구의 속도를 비약적으로 높이는 계기가 되었습니다. 단백질 구조 예측이 기존의 것을 알아내는 과정이라면, 데이비드 베이커 교수가 주도한 단백질 설계 연구는 세상에 없던 새로운 단백질을 창조하는 영역입니다. 원하는 기능을 먼저 설정하고 그에 맞는 3차원 구조와 아미노산 서열을 역으로 계산해 내는 방식입니다. 이 기술을 활용하면 플라스틱을 분해하는 효소나 특정 암세포만을 공격하는 항체 등을 인위적으로 설계할 수 있습니다. 자연계의 한계를 넘어 인류가 직면한 환경 문제나 난치병을 해결할 수 있는 새로운 도구를 손에 넣게 된 셈입니다. 이러한 기술적 진보는 실제 신약 개발 현장에서 강력한 힘을 발휘하고 있습니다. 연구자들은 알파폴드를 이용해 질병과 관련된 단백질의 구조를 미리 파악하고, 여기에 결합할 유기 화합물 분자를 정밀하게 설계합니다. 자물쇠에 꼭 맞는 열쇠를 찾듯, 단백질의 특정 부위에 결합해 기능을 조절하는 약물을 컴퓨터 시뮬레이션으로 먼저 검증할 수 있게 된 것입니다. 이는 실험의 시행착오를 획기적으로 줄여주며, 암이나 치매와 같은 난치성 질환을 정복하기 위한 인류의 여정에 든든한 길잡이가 되어주고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

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[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

카오스재단카오스크로스

화학
생명과학

우리나라 최초의 노벨 화학상🔗 수상자가 탄생할 뻔?!😮 2023 노벨 화학상(Nobel Prize) | 요즘과학

정보분석 기업 클래리베이트는 매년 논문 인용 횟수와 정성 분석을 통해 노벨상 수상 가능성이 높은 후보자를 발표합니다. 지금까지 예측한 후보 중 71명이 실제 노벨상을 수상하며 '노벨상 족집게'라는 명성을 얻었습니다. 2020년에는 올해 노벨 화학상 수상자인 모운지 바웬디 교수와 함께 한국의 현택환 교수가 유력 후보로 선정되기도 했습니다. 비록 이번 수상 명단에 한국인 연구자가 포함되지는 않았지만, 세계적인 수준의 연구 역량을 인정받았다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 우리 과학계의 저력이 노벨상이라는 결실로 이어질 날이 머지않았음을 시사합니다. 양자란 전자나 빛처럼 불연속적인 에너지 상태로 운동하는 입자를 의미합니다. 원자 내부의 전자는 태양계의 행성들처럼 정해진 궤도에서만 존재하며, 외부에서 강한 에너지나 열을 받으면 궤도를 이탈해 운동하게 됩니다. 이때 전자는 연속적으로 움직이는 것이 아니라 궤도를 띄엄띄엄 건너뛰는 불연속적인 특징을 보입니다. 이러한 미시 세계의 독특한 에너지 상태와 입자의 운동을 통칭하여 양자라고 부릅니다. 우리가 일상에서 경험하는 물리 법칙과는 다른, 아주 작은 나노 세계에서만 관찰되는 현상이 바로 양자 역학의 기초가 됩니다. 양자점은 물질을 나노미터 수준으로 아주 작게 만들었을 때 양자 현상이 나타나는 입자를 말합니다. 보통 원자가 수십 개 정도 뭉치면 나노 크기가 되는데, 이때 물질은 본래 가지고 있던 성질과는 전혀 다른 새로운 특성을 보여줍니다. 예를 들어 금은 본래 황금색을 띠지만, 크기가 매우 작아지면 색깔이 변하는 등 물리적 성질이 달라집니다. 과거에는 단순히 나노입자로 불리기도 했으나, 크기에 따라 성질이 변하는 독특한 양자 역학적 특성 때문에 오늘날에는 퀀텀닷이라는 이름으로 더 널리 알려져 있습니다. 물질의 크기가 작아지면 내부의 에너지 궤도들이 겹치면서 에너지 밴드를 형성하고, 이 밴드 사이의 간격인 밴드갭이 변화합니다. 원자의 개수가 줄어들수록 밴드갭이 넓어지며, 이 차이에 따라 방출되는 빛의 색깔이 결정됩니다. 즉, 재료를 바꾸지 않고도 입자의 크기만 조절하면 원하는 색의 빛을 자유롭게 만들어낼 수 있는 것입니다. 이는 기존의 화학적 방식으로는 불가능했던 혁명적인 아이디어로, 미세한 공정 기술을 통해 입자의 크기를 정밀하게 제어함으로써 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 색 재현력을 극대화하는 핵심 기술이 되었습니다. 2023년 노벨 화학상은 양자점의 발견과 증명, 그리고 대량 합성 기술을 개발한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 예키모프 교수는 입자 크기에 따른 색 변화를 발견했고, 브루스 교수는 이를 실험적으로 증명했으며, 바웬디 교수는 균일한 나노입자 합성법을 확립했습니다. 현재 이 기술은 QLED TV와 같은 고성능 디스플레이에 상용화되어 있으며, 향후 차세대 태양전지나 의학용 조영제 등 활용 범위가 더욱 넓어질 전망입니다. 기초 과학의 발견이 공학적 혁신을 거쳐 우리 실생활을 풍요롭게 바꾸는 과정은 과학 기술이 가진 진정한 가치를 잘 보여줍니다.

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물리학
화학
융합

[강연] 양자점, 색에 대한 생각을 바꾸다_by 이광렬 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 3강

세상은 다채로운 색으로 가득 차 있지만, 이 색을 인지하기 위해서는 반드시 빛이 필요합니다. 2023년 노벨 화학상은 '양자점'이라 불리는 아주 작은 반도체 입자를 발견하고 발전시킨 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 양자점은 나노기술의 상징적인 물질로, 탄소 나노튜브와 함께 현대 과학의 지평을 넓힌 핵심 소재입니다. 빛의 파장과 진동수에 따라 에너지가 결정되듯, 양자점은 그 크기에 따라 독특한 광학적 성질을 나타내며 우리가 색을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 물질이 빛을 내는 원리를 이해하려면 원자 내부의 전자를 살펴봐야 합니다. 전자는 특정한 에너지 상태를 가진 '오비탈'이라는 공간에 존재하며, 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 이동할 때 그 차이만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출합니다. 수소 원자의 스펙트럼이나 밤하늘의 오로라 역시 전자가 에너지를 얻었다가 다시 안정된 상태로 돌아오며 내뿜는 빛의 결과물입니다. 이러한 현상은 분자나 네트워크 구조를 가진 고체 물질에서도 동일하게 나타나며, 물질의 고유한 색을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 수많은 원자가 모여 네트워크를 이루면 각각의 오비탈이 겹쳐지며 '전자띠'를 형성합니다. 전자가 가득 찬 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이의 간격을 '띠간격'이라고 부르는데, 이 간격의 크기에 따라 도체, 반도체, 부도체가 구분됩니다. 특히 반도체는 이 간격이 가시광선 영역에 걸쳐 있어 독특한 색을 띨 수 있습니다. 하지만 전통적인 과학에서는 물질의 색을 그 물질만이 가진 고유한 성질로 정의해 왔으며, 입자의 크기가 작아질 때 나타나는 변화에 대해서는 명확한 답을 내놓지 못했습니다. 리처드 파인만은 나노세계에 숨겨진 흥미로운 현상이 많을 것이라 예견했습니다. 나노입자는 수천에서 수만 개의 원자가 뭉쳐진 아주 작은 입자로, 현미경 기술의 발달 덕분에 비로소 그 실체가 드러나기 시작했습니다. 에키모프는 유리 속에서 자라나는 반도체 입자의 크기에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라진다는 사실을 발견했고, 브루스는 이를 이론적으로 증명했습니다. 입자가 작아질수록 전자가 움직일 수 있는 공간이 좁아지면서 띠간격이 넓어지고, 결과적으로 더 짧은 파장의 푸른 빛을 내게 되는 것입니다. 이론적 발견을 넘어 양자점을 실제로 활용하기 위해서는 입자의 크기를 정밀하게 조절하며 합성하는 기술이 필요했습니다. 바웬디 교수는 유기 용매 속에서 계면활성제를 이용해 나노입자의 성장을 제어하는 획기적인 방법을 개발했습니다. 이를 통해 과학자들은 원하는 크기의 양자점을 자유자재로 얻을 수 있게 되었으며, 빨간색부터 보라색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현하는 데 성공했습니다. 이는 기초 과학의 호기심이 실험실의 성과를 거쳐 우리 손안의 실질적인 물질로 탄생하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 양자점 기술이 대중화된 데에는 기업의 역할이 컸습니다. 특히 삼성은 카드뮴과 같은 유해 물질을 배제하면서도 효율이 높은 양자점을 개발하고, 이를 대량 생산하는 공정을 완성하여 세계 최초로 양자점 디스플레이를 상용화했습니다. 양자점은 빛의 순도가 매우 높아 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 백라이트의 빛을 효율적으로 변환하여 총천연색을 만들어냅니다. 이러한 상업적 성공은 나노기술이 단순한 이론에 머물지 않고 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 혁신적인 도구로 자리 잡았음을 증명하는 사례입니다. 양자점의 응용 분야는 디스플레이를 넘어 의료 진단과 센서 기술로 확장되고 있습니다. 특정 세포에 결합하는 항체를 양자점에 부착하면 암세포의 위치를 정확히 파악하거나 적외선 투시를 통해 정밀한 수술을 돕는 등 바이오 분야에서도 혁신을 일으키고 있습니다. 이 모든 성과는 '나노입자의 띠간격은 어떠한가'라는 순수한 기초 과학적 질문에서 시작되었습니다. 미래의 과학 기술 혁신 역시 이러한 나노과학의 토대 위에서 탄생할 것이며, 새로운 세대의 과학자들이 그 주인공이 될 것입니다.

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화학

한 번도 받기 힘들다는 노벨 화학상을 두 번이나??👏👏 2022 노벨 화학상ㅣ해썰이 있는 과학뉴스

현대 사회는 플라스틱과 의약품 등 수많은 화학 제품의 결과물로 이루어진 시대라고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 새로운 유용 물질을 개발하고 대량 생산하는 과정은 그리 간단하지 않습니다. 기존의 화학 합성 방식은 막대한 에너지를 소비해야 할 뿐만 아니라, 반응 과정에서 소음과 유독한 공해 물질, 그리고 어마어마한 양의 폐기물을 발생시키는 한계가 있었습니다. 2022년 노벨 화학상의 주인공인 '클릭 화학'은 이러한 복잡하고 위험한 공정을 획기적으로 개선하기 위해 등장한 새로운 화학적 패러다임입니다. 배리 샤플리스 교수와 모르텐 멜달 교수는 클릭 화학의 기초를 닦은 선구자들입니다. 이들은 구리를 촉매로 활용하여 '아자이드-알킨 클릭 반응'을 독립적으로 발표하며 화학계에 큰 반향을 일으켰습니다. 이 반응은 탄소 원자들을 직접 연결하기 어렵다는 기존의 난제를 질소와 산소 고리를 활용해 우회함으로써 해결했습니다. 재료의 손실이 거의 없고 불필요한 부산물을 최소화하면서도 원하는 화합물을 높은 수율로 얻어낼 수 있는 이 방식은 분자 조립의 효율성을 극대화했다는 평가를 받습니다. 캐롤린 버토지 교수는 클릭 화학의 지평을 살아있는 생명체 내부로 확장하는 데 성공했습니다. 기존의 구리 촉매 방식은 세포에 독성을 일으킬 수 있다는 치명적인 단점이 있었으나, 버토지 교수는 구리 없이도 생체 내에서 안전하게 작동하는 '생체 직교 화학'을 개발했습니다. 이는 세포의 정상적인 대사 과정을 방해하지 않으면서도 특정 분자만을 선택적으로 결합하는 혁신적인 기술입니다. 이로써 과학자들은 생명 현상을 실시간으로 관찰하고 제어할 수 있는 강력한 도구를 손에 넣게 되었으며 생명 과학 분야의 새로운 장을 열었습니다. 버토지 교수의 연구는 특히 세포 표면의 당사슬인 '글리칸' 연구에서 독보적인 성과를 거두었습니다. 글리칸은 면역 작용에서 핵심적인 역할을 수행하지만, 분석이 매우 까다로워 그동안 연구의 사각지대에 놓여 있었습니다. 그녀는 클릭 화학을 이용해 글리칸에 형광 물질을 부착함으로써 암세포가 면역 체계를 속이는 메커니즘을 시각화하는 데 성공했습니다. 이러한 성과는 암세포의 방어막을 깨고 신체의 면역 기능을 정상화하는 새로운 치료법 개발의 결정적인 단서를 제공하며 현대 의학계에 커다란 희망을 안겨주었습니다. 클릭 화학은 현재 신약 개발과 질병 극복을 위한 핵심 기술로 자리 잡으며 인류의 삶을 변화시키고 있습니다. 살아있는 세포의 활동을 방해하지 않으면서 새로운 기능을 도입할 수 있는 이 기술은, 부작용이 적고 효율이 높은 맞춤형 의약품 시대를 앞당기고 있습니다. 단순함과 효율성을 극대화한 이들의 연구는 복잡한 화학의 세계를 보다 명쾌하게 정의하며 인류의 건강한 미래를 설계하는 튼튼한 밑거름이 되었습니다. 노벨 화학상이 조명한 이 혁신적인 여정은 앞으로도 과학 기술의 한계를 끊임없이 넓혀갈 것입니다.

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화학
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[질문과 토론의 과학 #33] 🙋‍♀️🙋‍♂️인간도 페로몬을 사용할까?

2008년 노벨 화학상은 녹색 형광 단백질(GFP)을 발견하고 이를 응용할 수 있는 길을 연 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. GFP는 1962년 일본의 해양생물학자 시모무라 오사무가 해파리를 연구하던 중 우연히 발견한 물질로, 특정 빛을 받으면 선명한 녹색 빛을 내는 성질을 가지고 있습니다. 이는 높은 에너지를 가진 자외선을 흡수하여 에너지가 낮은 가시광선으로 방출하는 원리로 작동합니다. 보이지 않는 자외선을 눈에 보이는 빛으로 변모시키는 이 신비로운 단백질은 발견 당시만 해도 단순한 해양 생물의 특성으로 여겨졌으나, 이후 현대 생물학의 지형을 완전히 바꾸어 놓았습니다. GFP가 '21세기의 현미경'이라 불리며 극찬을 받는 이유는 살아있는 생명체의 세포 내 활동을 실시간으로 확인할 수 있게 해주기 때문입니다. 연구하고자 하는 특정 유전자에 GFP 유전자를 연결하면, 해당 유전자가 발현될 때 단백질이 함께 빛을 내어 그 위치와 이동 경로를 시각적으로 추적할 수 있습니다. 특히 독성이 없다는 장점 덕분에 암세포의 성장과 전이 과정을 생물체를 해부하지 않고도 관찰할 수 있는 혁신적인 도구가 되었습니다. 이처럼 기발한 아이디어와 결합한 GFP는 보이지 않는 미세 세계를 탐구하는 과학자들에게 강력한 등불이 되어주고 있습니다. 생명체는 빛뿐만 아니라 화학 물질인 페로몬을 통해서도 정교한 소통을 이어갑니다. 페로몬은 곤충이나 포유류가 수 킬로미터 밖의 짝을 찾거나 정보를 전달할 때 분비하는 물질로, 종의 번식과 생존에 결정적인 역할을 합니다. 북극곰이 광활한 설원에서 냄새만으로 짝을 찾아내고, 곤충들이 복잡한 환경 속에서도 서로를 인지하는 것은 모두 이 화학적 신호 덕분입니다. 인간의 경우 페로몬의 영향이 명확히 규명되지는 않았으나, 후각 정보가 이성 간의 상호작용이나 정서적 반응에 일정 부분 기여한다는 연구 결과들이 지속적으로 보고되고 있습니다. 자연계에서는 이러한 화학적 신호를 역이용한 놀라운 속임수도 빈번하게 발생합니다. 어떤 식물은 암말벌의 외형과 페로몬을 완벽하게 흉내 내어 수말벌을 유인함으로써 수분을 시도하기도 합니다. 인간은 이러한 생물의 생존 전략을 농업에 응용하여, 해충의 페로몬을 인공적으로 합성해 짝짓기를 방해하거나 특정 장소로 유인하여 포획하는 친환경 방제 기술을 발전시켰습니다. 또한 바이러스가 세포막의 수용체를 속여 내부로 침투하는 과정 역시 생존을 위한 고도의 정보전이라 할 수 있습니다. 이처럼 생태계는 속고 속이는 치열한 신호의 전쟁터이기도 합니다. 최근 과학계는 형광 단백질과 발광 메커니즘을 예술과 결합한 '바이오 아트'라는 새로운 분야를 개척하고 있습니다. 유전공학을 통해 형광을 띠는 토끼를 탄생시키거나, 스스로 빛을 내는 미생물을 이용해 캔버스 위에 살아있는 작품을 구현하는 시도들이 이어지고 있습니다. 이러한 혁신은 결국 바닷가 해파리를 관찰하던 한 과학자의 순수한 호기심에서 시작되었습니다. 당장의 쓸모를 따지기보다 자연의 원리를 깊이 있게 탐구하는 기초 과학의 힘이, 훗날 인류의 의학적 진보와 예술적 영감으로 이어지는 거대한 결실을 본 것입니다.

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[명강리뷰] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강

화학은 흔히 무언가를 만드는 분자 공학으로 알려져 있지만, 본질적으로는 원자들이 모여 새로운 성질을 나타내는 공간을 탐구하는 학문입니다. 현재 화학 초록 서비스에 등록된 화학물질은 약 1억 4,300만 개에 달할 정도로 방대합니다. 이처럼 수많은 물질이 이미 존재함에도 불구하고 화학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계하고 만드는 이유는, 분자가 단순히 평면적인 존재가 아니라 입체적인 구조를 가진 공간의 산물이기 때문입니다. 따라서 화학은 만드는 학문을 넘어 공간을 이해하는 학문이라 할 수 있습니다. 입체화학의 핵심은 분자가 평평하지 않다는 사실에서 출발합니다. 탄소 주변에 네 개의 서로 다른 원소가 결합하면 거울에 비친 모습과 실제 모습이 서로 겹쳐지지 않는 비대칭성이 나타나는데, 이를 '키랄성'이라고 부릅니다. 마치 왼손과 오른손이 거울상이지만 서로 포개어질 수 없는 것과 같은 원리입니다. 이러한 미세한 구조적 차이는 물질의 성질을 완전히 바꾸어 놓으며, 생명 현상의 근간을 이루는 중요한 요소로 작용합니다. 화학자들은 이 보이지 않는 공간의 대칭성을 연구하며 물질의 본질에 다가갑니다. 키랄성의 차이는 실생활에서 맛이나 향, 심지어 약효의 차이로 극명하게 나타납니다. 인공감미료인 아스파탐의 한쪽 거울상 이성질체는 단맛을 내지만, 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내는 것이 대표적인 예입니다. 또한 겨드랑이 미생물이 만들어내는 특정 분자는 구조에 따라 양파 냄새나 자몽 냄새로 다르게 인식되기도 합니다. 약물의 경우 한쪽은 치유 효과가 있지만 다른 쪽은 독성을 가질 수도 있어, 원하는 거울상 이성질체만을 선택적으로 합성하는 기술은 현대 화학에서 매우 중요한 과제입니다. 최근 화학계는 일반적인 화학 결합을 넘어 분자들이 기계적으로 엮인 '분자 기계' 연구에 주목하고 있습니다. 두 개의 고리가 사슬처럼 연결된 카테네인과 같은 구조는 단순히 원자를 붙이는 것이 아니라, 금속 이온을 템플릿으로 활용해 분자를 특정 위치에 고정시킨 뒤 연결하는 정교한 설계가 필요합니다. 이러한 기계적 결합의 합성은 화학자의 설계 능력과 합성 기술이 결합된 정점으로, 분자 수준에서 움직임을 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열어주며 노벨 화학상의 영예를 안겨주기도 했습니다. 유기합성의 거장 R.B. 우드워드는 복잡한 비타민 B12를 합성하며 화학 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술'의 경지로 끌어올렸습니다. 100명이 넘는 연구자가 13년 동안 매달려 이룬 이 성과는 단순히 물질을 얻기 위함이 아니라, 그 과정에서 새로운 화학 법칙을 발견하고 학문의 지평을 넓히는 데 의의가 있었습니다. 화학 합성은 당면한 문제를 해결하는 도구이자 창의적인 사고를 훈련하는 길입니다. 원자와 원자를 잇는 정교한 작업을 통해 우리는 물질의 세계를 이해하고 새로운 가치를 창조해 나갑니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[질문Q] 우리는 대체 언제쯤 노벨상을 받을 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

효소는 단백질로 이루어진 복잡한 생체 고분자로, 화학 반응에서 촉매 역할을 수행하며 생명 현상을 유지하는 핵심적인 존재입니다. 인공적으로 이러한 효소의 기능을 완벽히 구현하는 것은 매우 어려운 과제이지만, 현대 과학은 기존 효소의 구조를 개질하여 필요한 반응을 유도하는 '유도 진화(Directed Evolution)'라는 혁신적인 방법을 찾아냈습니다. 이는 자연의 진화 과정을 실험실에서 재현하여 인류에게 유용한 촉매를 설계하는 학문으로, 기초 과학의 무한한 가능성을 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 기초 과학의 성과는 단순히 연구비 투입만으로 단기간에 이루어지는 것이 아니라, 과학적 사고가 사회 전반에 뿌리내린 오랜 전통 속에서 꽃을 피웁니다. 서구의 경우 대중과 과학이 소통해 온 역사가 수백 년에 달하지만, 우리나라는 세계적인 수준의 연구를 본격적으로 수행한 역사가 상대적으로 짧은 편입니다. 과학적 사고방식이 널리 퍼지고 기초 과학의 전통이 축적되는 과정은 절대적인 시간이 필요한 일이며, 이러한 문화적 토양이 마련될 때 비로소 지속 가능한 과학 발전의 기틀이 형성될 수 있습니다. 최근 우리나라의 정부 연구비는 비약적으로 증가하여 GDP 대비 세계적인 수준에 도달했습니다. 하지만 누적된 투자 규모를 선진국과 비교해 보면 여전히 큰 격차가 존재하는 것이 현실입니다. 과학 기술의 성과는 축적의 시간이 필요하기에, 지금의 집중적인 투자가 결실을 보기까지는 앞으로 10~15년 정도의 시간이 더 필요할 것으로 보입니다. 현재 최고의 교육을 받은 차세대 연구자들이 현장에서 활약하고 있는 만큼, 머지않은 미래에는 우리나라도 일본과 같이 안정적인 과학 강국으로 자리매김할 것입니다. 과학자의 성장은 그가 속한 사회의 진보 및 자유의 확대와 궤를 같이합니다. 좋은 과학적 토양은 무엇이든 질문할 수 있고 어떤 의견이든 자유롭게 나눌 수 있는 환경에서 만들어지기 때문입니다. 노벨상과 같은 성과는 단순히 탁월한 개인의 업적을 넘어, 우리 사회가 얼마나 합리적이고 자유로운 사고를 수용할 수 있는지를 보여주는 인증 마크와도 같습니다. 우리 사회가 더 진보하고 자유로워질 때, 그 구성원인 과학자 또한 더욱 창의적이고 발전된 사고를 할 수 있게 되며 이는 곧 국가의 경쟁력으로 이어집니다. 본래 과학자는 '자연 철학자'라 불렸으며, 과학은 참과 거짓을 판단하기 위해 실험과 재현이라는 기준을 도입한 철학의 한 줄기에서 시작되었습니다. 오늘날 과학은 인류의 사고 체계를 지배하는 거대한 철학적 틀로 자리 잡았으며, 이는 원소의 발견과 같은 기초 연구에서도 잘 드러납니다. 118개의 원소 너머를 탐구하는 과정은 물리적인 한계를 극복하려는 노력이자, 찰나의 순간만 존재하는 존재를 어떻게 정의할 것인가라는 철학적 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 과학은 결국 우리가 세상을 이해하는 가장 정교한 방식입니다.

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[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

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사물배터리 BoT 시대ㅣ초연결시대의 심장 : 배터리ㅣ이상영(연세대학교)[토요과학강연#18-1부]

현대 사회를 지탱하는 세 가지 핵심 기술로 반도체와 디스플레이, 그리고 배터리를 꼽을 수 있습니다. 그중에서도 배터리는 기기를 움직이게 하는 원동력이라는 점에서 '기술의 심장'과 같은 역할을 수행합니다. 과거에는 단순히 에너지를 저장하는 보조적인 도구에 불과했다면, 이제는 모든 사물이 연결되는 시대를 가능케 하는 필수적인 기반 기술로 자리 잡았습니다. 에너지를 공급하는 심장이 멈추면 모든 첨단 기기가 무용지물이 된다는 점을 상기할 때, 배터리 기술의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 인류 역사의 궤적을 바꾼 산업혁명은 동력원의 변화와 항상 함께해 왔습니다. 1차 산업혁명이 증기기관을 통해 마차의 시대를 끝내고 기계화의 서막을 열었다면, 현재 우리가 마주한 4차 산업혁명은 내연기관차에서 전기차로의 전환을 의미합니다. 이러한 변화의 중심에는 모든 사물이 지능적으로 연결되는 '초연결 사회'가 있습니다. 스마트폰부터 가전제품, 신체에 착용하는 웨어러블 기기까지 서로 정보를 주고받기 위해서는 독립적인 전원인 배터리가 반드시 필요하며, 이는 현대 기술 혁신의 든든한 토대가 되고 있습니다. 배터리 산업은 이제 대한민국의 미래를 책임지는 국가적 전략 산업으로 확고히 부상했습니다. 과거 반도체가 우리 경제의 성장을 견인하며 효자 노릇을 톡톡히 해왔다면, 머지않은 미래에는 배터리가 그 자리를 대신할 것이라는 전망이 지배적입니다. 실제로 국내 주요 기업들은 글로벌 시장에서 압도적인 기술력을 바탕으로 시장을 선도하고 있으며, 관련 산업의 성장세는 매일 경제 뉴스의 중심을 차지하고 있습니다. 단순한 부품 제조를 넘어 국가 경쟁력을 결정짓는 '제2의 반도체'로서 배터리의 위상은 나날이 높아지고 있는 시점입니다. 배터리의 성능은 흔히 지속 시간으로 판단되지만, 여기에는 일회성 사용 시간과 반복 사용이 가능한 수명이라는 두 가지 의미가 함축되어 있습니다. 기술 개발의 흥미로운 점은 이러한 배터리의 수명이 스마트폰의 약정 기간과 같은 소비자 패턴과 맞물려 설계된다는 것입니다. 보통 수백 번의 충방전 이후에도 초기 용량의 80% 이상을 유지하는 것을 기준으로 삼으며, 이는 기술적 완성도와 비즈니스 모델이 결합된 결과물입니다. 효율적인 에너지 관리 시스템은 배터리의 수명을 극대화하고 사용자의 편의를 높이는 핵심 기술로 작용합니다. 미래 사회는 언제 어디서나 장소와 시간의 제약 없이 정보를 주고받는 유비쿼터스 환경을 지향합니다. 이러한 세상을 구현하기 위해서는 무선 전력 공급의 핵심인 '사물 배터리(BoT)' 개념이 필수적입니다. 이미 2019년 리튬 이온 배터리의 기틀을 닦은 석학들이 노벨 화학상을 수상하며 그 공로를 인정받았고, 테슬라와 같은 선구적인 기업들은 수천 개의 배터리를 연결하는 혁신적인 방식으로 전기차 시대를 앞당겼습니다. 기존의 고정관념을 깬 기술적 발상은 앞으로도 배터리 기술을 더욱 진화시키며 인류의 삶을 풍요롭게 만들 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

화학
융합

[강연] 비대칭 유기촉매반응, 촉매연구의 신대륙을 발견하다! by 송충의 ㅣ고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 4강

2021년 노벨 화학상은 유기 합성 화학 분야의 두 거장, 벤야민 리스트와 데이비드 맥밀런에게 돌아갔습니다. 유기 합성 화학은 마치 레고 블록을 조립하듯 원자들을 연결하여 세상에 없던 새로운 분자를 만들어내는 학문입니다. 이들은 탄소, 수소, 산소, 질소와 같은 흔한 원소들만으로 구성된 '유기 촉매'를 이용해 복잡한 분자를 정교하게 합성할 수 있는 길을 열었습니다. 이는 기존의 금속 촉매나 효소에 의존하던 화학계에 커다란 혁신을 불러일으켰으며, 인류가 필요한 화합물을 더욱 효율적이고 친환경적으로 생산할 수 있는 토대를 마련했습니다. 화학에서 가장 중요한 개념 중 하나는 '키랄성'입니다. 이는 오른손과 왼손이 서로 거울에 비친 모습과 같지만 결코 완전히 겹쳐질 수 없는 성질을 의미합니다. 분자 세계에서도 구성 원소와 결합 순서는 같지만 공간적 배향이 다른 '거울상 이성질체'가 존재합니다. 우리 몸을 구성하는 아미노산이나 당분은 단 한 종류의 키랄성만을 가지고 있기 때문에, 몸속에 들어오는 분자의 방향성에 따라 전혀 다른 생물학적 반응을 보입니다. 따라서 의약품을 만들 때 우리가 원하는 특정 방향의 분자만을 선택적으로 합성하는 기술은 생명과 직결된 매우 중요한 과제입니다. 과거 화학계에는 촉매가 반드시 금속을 포함하거나 복잡한 효소 형태여야 한다는 일종의 고정관념이 존재했습니다. 1912년 금속 촉매 연구로 노벨상이 수여된 이후, 수많은 과학자는 더 좋은 금속 촉매를 개발하는 데 매진해 왔습니다. 하지만 2000년 벤야민 리스트와 맥밀런은 아주 단순한 아미노산인 프롤린이나 작은 유기 분자만으로도 금속 없이 비대칭 촉매 반응이 가능하다는 것을 증명했습니다. 이는 마치 콜럼버스가 신대륙을 발견한 것과 같이, 이미 존재하고 있었으나 누구도 주목하지 않았던 유기 촉매라는 거대한 영역을 과학의 중심으로 끌어올린 사건이었습니다. 유기 촉매는 기존의 금속 촉매나 효소가 가진 단점들을 보완할 수 있는 훌륭한 대안입니다. 효소는 반응성이 뛰어나지만 특정 기질에만 작용하고 다루기 까다로운 반면, 유기 촉매는 구조가 단순하면서도 다양한 반응에 적용할 수 있습니다. 또한 고가의 희귀 금속을 사용하지 않아 경제적이며, 금속 오염의 걱정이 없어 의약품이나 전자 재료 생산에 매우 유리합니다. 초기에는 유기 촉매의 반응성이 낮고 많은 양을 사용해야 한다는 한계가 지적되기도 했으나, 최근 연구를 통해 아주 적은 양으로도 수백만 배의 생성물을 얻을 수 있는 기술적 진보가 이루어졌습니다. 비대칭 유기 촉매 기술의 진가는 제약 산업에서 극명하게 드러납니다. 과거 '탈리도마이드' 사건은 거울상 이성질체 중 하나는 약이지만 다른 하나는 치명적인 독이 될 수 있음을 보여준 비극적인 사례였습니다. 오늘날에는 모든 의약품 허가 시 특정 이성질체만을 순수하게 분리하거나 합성해야 합니다. 여성 항암제인 탁솔이나 고지혈증 치료제 리피토와 같은 블록버스터급 의약품들은 모두 이러한 비대칭 합성 기술을 통해 생산됩니다. 유기 촉매는 이처럼 복잡한 구조의 약물을 저렴하고 안전하게 대량 생산할 수 있게 함으로써 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 최근 전 세계를 위협한 코로나19의 치료제 개발 과정에서도 비대칭 합성 기술은 핵심적인 역할을 수행했습니다. 먹는 코로나 치료제로 알려진 팍스로비드와 같은 약물은 수십 개의 거울상 이성질체가 존재할 수 있는 복잡한 구조를 가집니다. 만약 이들이 뒤섞인 채로 체내에 들어간다면 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있습니다. 합성 화학자들은 비대칭 촉매를 활용해 수많은 가능성 중 치료 효과가 있는 단 하나의 분자만을 정교하게 골라내어 합성합니다. 이는 단순한 화학 실험을 넘어, 질병과의 싸움에서 인류가 승리할 수 있게 돕는 강력한 무기가 됩니다. 유기 촉매의 발견은 화학 연구의 지평을 넓혔을 뿐만 아니라 젊은 과학자들에게 새로운 영감을 주었습니다. 벤야민 리스트와 맥밀런이 서른 초반의 젊은 나이에 혁신적인 논문을 발표하고 이를 전폭적으로 지원받아 연구를 이어간 사례는 과학계의 중요한 귀감이 됩니다. 이제 화학자들은 금속과 효소라는 기존의 경로 외에 '유기 촉매'라는 제3의 고속도로를 갖게 되었습니다. 앞으로 빛을 이용한 광촉매 반응 등 더욱 진보된 기술들이 결합한다면, 인류는 자연이 분자를 만드는 방식을 더욱 완벽하게 모방하고 통제하며 지속 가능한 미래를 설계해 나갈 수 있을 것입니다.

송충의

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

화학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 2021 노벨 화학상

화학 산업에서 촉매는 전자 산업의 반도체와 같은 핵심적인 역할을 수행합니다. 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 손이라 불리는 촉매는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지인 활성화 에너지를 낮추어 반응이 원활하게 진행되도록 돕습니다. 마치 연금술사들이 값싼 금속을 금으로 바꾸기 위해 사용했던 '현자의 돌'처럼, 가치 없는 화합물을 유용한 물질로 탈바꿈시키는 마법 같은 도구라고 할 수 있습니다. 촉매는 그 자체로 화학 공정의 효율성과 경제성을 결정짓는 가장 중요한 요소입니다. 유기 화학에서 '비대칭성' 혹은 '카이랄성'은 매우 중요한 개념입니다. 이는 거울에 비춘 모습이 실제 모습과 겹쳐지지 않는 성질을 의미하며, 우리의 왼손과 오른손의 관계와 같습니다. 겉보기에는 구조가 같아 보이지만 방향이 다르기 때문에 화학적 성질이나 생물학적 반응에서 완전히 다른 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어 인공 감미료인 아스파탐은 한쪽은 단맛을 내지만 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 냅니다. 이러한 미세한 구조적 차이가 물질의 가치와 용도를 결정짓는 핵심 요소가 됩니다. 비대칭 화합물의 선택적 합성이 중요한 이유는 과거의 비극적인 사례를 통해 알 수 있습니다. 1950년대에 출시된 탈리도마이드는 입덧 완화제로 사용되었으나, 그 거울상 이성질체가 태아의 혈관 생성을 방해하여 수많은 기형아를 출생하게 만든 사건이 있었습니다. 한쪽은 유익한 약리 작용을 하지만 다른 한쪽은 치명적인 독성을 가질 수 있다는 사실은 화학자들에게 큰 경각심을 주었습니다. 이후 인류는 원하는 형태의 거울상 이성질체만을 선택적으로 추출하기 위한 정교한 도구를 끊임없이 갈구해 왔습니다. 2021년 노벨 화학상의 주인공인 유기 촉매가 등장하기 전까지, 화학계는 주로 금속 촉매와 효소 촉매에 의존해 왔습니다. 하지만 팔라듐이나 백금 같은 금속 촉매는 가격이 매우 비싸고 반응 후 제품에서 분리하기가 까다롭다는 단점이 있었습니다. 자연에서 얻는 효소 촉매는 친환경적이지만 열에 약하고 유기 용매 환경에서 변형되기 쉬워 대량 생산 공정에 적용하기에는 한계가 뚜렷했습니다. 이러한 기존 촉매들의 경제적, 환경적 제약을 극복할 수 있는 새로운 대안의 필요성이 점차 대두되었습니다. 벤야민 리스트와 데이비드 맥밀런 교수는 '비대칭 유기 촉매'라는 제3의 촉매 분야를 개척하여 화학 합성의 새로운 지평을 열었습니다. 유기 촉매는 금속을 포함하지 않는 작은 유기 분자로 구성되어 있어 친환경적이며 경제적입니다. 무엇보다 복잡한 분자 구조를 가진 의약품 등을 합성할 때 원하는 거울상 이성질체만을 정밀하게 만들어낼 수 있다는 점이 가장 큰 혁신입니다. 이들의 연구는 화학 공정의 효율성을 극대화했을 뿐만 아니라, 인류가 분자를 설계하고 제조하는 방식에 근본적인 변화를 가져왔습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

화학

[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] 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

[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

[노벨상 이야기 1] 좀 창피한 노벨상?!　　 | KAOS x KIAS 2020 노벨상 해설강연 - 2020년 10월 30일 금요일 저녁 7시 30분

노벨상은 120년이라는 긴 세월 동안 과학과 문화 발전에 지대한 공헌을 해왔지만, 그 화려한 명성 뒤에는 특정 국가들의 독식이라는 씁쓸한 이면이 존재합니다. 전체 수상자의 약 40%를 차지하는 미국의 압도적인 독주와 더불어, 상위 6개국이 전체 상의 80%를 가져가는 극심한 불균형은 노벨상이 전 세계를 아우르는 공정한 상인지에 대한 의문을 제기하게 만듭니다. 특히 주최국인 스웨덴이 수상 국가 순위 5위에 올라 있는 점은 홈그라운드의 이점이 작용한 것이 아니냐는 비판에서 자유롭지 못하며, 이는 지독한 불균형의 단면을 보여줍니다. 교육 기관별 통계를 살펴보면 이러한 편중 현상은 더욱 두드러집니다. 하버드 대학교를 필두로 상위 12개 대학 중 10개가 미국 대학일 정도로 학문적 권력이 서구권에 집중되어 있습니다. 인구 통계학적 측면에서도 노벨상은 여전히 '그들만의 리그'라는 비판을 받습니다. 여성 수상자는 전체의 6%에 불과하며, 세계 인구의 60% 이상을 차지하는 아시아권의 수상 비율 역시 6.7% 수준에 머물러 있습니다. 이는 기득권을 가진 서구 사회가 객관적인 시각으로 세계의 성취를 바라보는 데 한계가 있음을 시사하는 대목이기도 합니다. 과학 분야의 노벨상이라고 해서 항상 완벽한 것은 아니었습니다. 인류 역사상 최악의 선택으로 꼽히는 사례들도 존재하는데, 기생충이 암의 원인이라는 잘못된 이론에 상을 주거나 생태계를 파괴한 살충제 DDT의 개발자에게 영광을 돌린 것이 대표적입니다. 특히 전두엽 절제술이라는 비인도적인 수술 기법에 수여된 생리의학상은 노벨상의 권위에 큰 오점을 남겼습니다. 한 번 수여된 상은 규정상 박탈할 수 없다는 점은, 과학적 성과에 대한 검증이 얼마나 신중하고 엄격해야 하는지를 우리에게 다시금 일깨워 주는 중요한 교훈이 됩니다. 수상자들의 개인적인 윤리 의식이나 인성 문제 또한 노벨상의 어두운 단면을 보여줍니다. 질소 비료 개발로 기아 해결에 기여했으나 독가스 개발로 악명을 떨친 프리츠 하버나, DNA 이중나선 구조 발견 이후 인종차별적이고 성차별적인 발언으로 파문을 일으킨 제임스 왓슨의 사례가 그러합니다. 과학적 업적이 뛰어나다고 해서 그 사람의 가치관이나 도덕성까지 보증되는 것은 아닙니다. 이는 과학의 탈을 쓴 편견이 사회에 얼마나 위험한 영향을 미칠 수 있는지를 경고하며, 지식인이 가져야 할 사회적 책임과 윤리적 태도에 대해 깊은 고민을 던집니다. 최근에는 노벨상 수상자의 연구 부정 의혹까지 불거지며 그 권위가 흔들리고 있습니다. 2019년 생리의학상 수상자인 그레그 서멘자 교수의 논문 조작 연루 소식은 과학계에 큰 충격을 안겨주었습니다. 하지만 이러한 비판과 논란이 노벨상의 가치 전체를 부정하는 것은 아닙니다. 지난 120년 동안 노벨상은 인류의 진보를 이끄는 등대 역할을 충실히 수행해 왔습니다. 다만 '털어서 먼지 안 나는 것 없다'는 말처럼, 노벨상 역시 완벽한 신화가 아닌 인간이 만든 불완전한 제도임을 인정하고 더 높은 공정성을 향해 끊임없이 나아가야 할 것입니다.

카오스재단술술과학

융합

[그림으로 보는 과학뉴스] 2020 노벨 화학상

2020년 노벨 화학상은 유전자 교정 기술의 혁명을 일으킨 '크리스퍼 유전자 가위'를 발견한 두 여성 과학자에게 돌아갔습니다. 에마뉘엘 샤르팡티에 교수와 제니퍼 다우드나 교수는 생명과학의 패러다임을 바꾼 공로를 인정받았습니다. 이 기술은 유전체의 특정 부위를 정교하게 절단하여 유전 정보를 수정할 수 있게 해줍니다. 과거에는 상상하기 어려웠던 정밀한 유전자 교정이 가능해지면서 질병 치료와 농작물 개량 등 다양한 분야에서 인류의 미래를 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 크리스퍼(CRISPR)라는 명칭은 '주기적으로 간격을 두고 분포하는 짧은 회문 구조 반복 서열'의 약자입니다. 처음 이 구조를 발견한 미생물학자들은 세균의 유전체 안에서 바이러스의 유전 정보가 규칙적으로 배열된 독특한 모습을 포착했습니다. 회문 구조란 앞에서 읽으나 뒤에서 읽으나 동일한 서열을 의미하며, 이는 세균의 생존 전략과 밀접한 관련이 있습니다. 초기 발견 당시에는 그 구체적인 기능을 알지 못했으나, 이 특이한 배열이 훗날 유전자 가위 기술의 핵심적인 토대가 되었습니다. 크리스퍼의 실질적인 방어 기제는 뜻밖에도 요구르트 회사의 연구 과정에서 밝혀졌습니다. 유산균이 바이러스의 공격에 저항하는 방식을 연구하던 중, 세균이 과거 침입했던 바이러스의 유전 정보를 기억해 두었다가 재침입 시 이를 즉각 제거한다는 사실이 드러난 것입니다. 세균은 일종의 '블랙리스트'를 만들어 바이러스의 염기 서열을 보관하고, 동일한 적이 나타나면 이를 인식해 파괴하는 정교한 면역 시스템을 갖추고 있었습니다. 이는 자연계에 존재하는 천연 유전자 가위의 발견이었습니다. 3세대 유전자 가위로 불리는 크리스퍼-Cas9 시스템은 이전 세대 기술들에 비해 비약적인 정확도를 자랑합니다. 1세대와 2세대 기술이 인식할 수 있는 염기 서열이 10개 내외였던 것에 반해, 크리스퍼-Cas9은 약 21개의 염기 서열을 인식할 수 있습니다. 인식하는 서열이 길어질수록 확률적으로 훨씬 더 정밀하게 원하는 위치를 찾아낼 수 있으며, 이는 오작동의 위험을 획기적으로 줄여줍니다. Cas9 효소는 이 과정에서 실제 유전자를 절단하는 '칼'의 역할을 수행하며 유전자 교정의 효율성을 극대화합니다. 이번 노벨상은 기술이 발표된 지 불과 8년 만에 수여되었다는 점에서 매우 이례적이고 획기적인 사례로 평가받습니다. 보통 수십 년의 검증 과정을 거치는 다른 과학 분야와 달리, 크리스퍼 기술이 인류 사회와 과학계에 미친 영향력이 그만큼 즉각적이고 거대했음을 의미합니다. 유전병의 근본적인 치료법을 제시하고 생명공학의 새로운 지평을 연 이 기술은, 앞으로도 의학적 혁신을 넘어 생태계 전반에 걸쳐 인류가 직면한 난제들을 해결하는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

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화학
생명과학

공기로 작동하는 배터리가 있다!? | 그런데 기존 대비 3배 이상의 효율이라고!? | 과학쿠키 다큐 단편

오늘날 이차 전지는 우리 삶에서 떼어놓을 수 없는 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 휴대용 전자기기부터 전기차에 이르기까지 전기를 안전하게 보존하고 필요할 때 사용하는 '에너지를 담는 그릇'의 역할을 수행하고 있습니다. 놀랍게도 인류 최초의 전지는 기원전 바그다드 유적에서 발견된 토기 형태의 전지로 추정될 만큼 오랜 역사를 지니고 있습니다. 본격적인 전지 연구는 1800년대 화학 반응을 이용한 볼타 전지의 발명과 함께 시작되었으며, 이는 인류가 전기 문명을 이룩하는 결정적인 계기가 되었습니다. 전지가 작동하는 기본 원리는 서로 다른 금속의 이온화 경향성 차이에서 비롯됩니다. 전자를 쉽게 잃는 산화 반응과 전자를 얻는 환원 반응이 전해액을 매개로 일어나며 전류가 발생합니다. 오늘날 널리 쓰이는 리튬 이온 배터리는 양극 and 음극 사이에서 이온이 층상 구조 속으로 들어갔다 나오는 '인터칼레이션' 메커니즘을 활용합니다. 이 가역적인 흔들의자 시스템 덕분에 안정적인 충방전이 가능해졌으며, 인류의 무선 가전 시대를 열어준 이 공로로 개발자들은 노벨 화학상을 수상하기도 했습니다. 그러나 현재의 리튬 이온 배터리는 전기차 시대의 요구를 완전히 충족하기에 다소 한계를 보이고 있습니다. 주행 거리를 늘리기 위해 고성능 전지가 필요하지만, 기존 구조를 유지하면서 성능을 개선하는 데는 제약이 따릅니다. 결국 성능 혁신의 핵심은 새로운 양극 및 음극 소재를 개발하는 데 있습니다. 실리콘과 같은 고용량 소재를 활용하려는 시도가 이어지고 있으나, 급격한 화학 반응으로 인한 수명 단축 등의 문제를 해결해야 합니다. 이러한 한계를 극복할 궁극의 대안으로 주목받는 것이 바로 리튬 공기 전지입니다. 이 전지는 무거운 양극 소재를 사용하는 대신, 외부에서 흡기된 산소를 양극 반응 물질로 사용하여 밀도를 획기적으로 높입니다. 이론적으로 기존 리튬 이온 배터리보다 3배에서 4배 가까이 높은 효율을 자랑하며, 빈 공간의 공기극을 활용해 무게를 최소화할 수 있습니다. 비록 산소와 리튬의 결합 과정에서 발생하는 가역성 저하와 같은 기술적 난제가 존재하지만, 차세대 전지 분야에서 가장 유력한 후보로 꼽힙니다. 리튬 공기 전지의 상용화를 위해서는 기체, 액체, 고체가 동시에 반응하는 삼상 계면의 효율성을 극대화하는 물리적 기술이 요구됩니다. 반응 물질이 늘어날수록 통제해야 할 변수가 기하급수적으로 증가하기 때문에, 최적의 소재와 시스템을 구축하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 다양한 학문 분야의 융합과 집단지성을 통해 당면한 계면 제어 문제를 극복한다면, 인류는 기존 배터리 성능을 뛰어넘는 혁신을 맞이할 것입니다. 이러한 도전은 우리 사회를 진정한 친환경 전기 에너지 시대로 인도할 마중물이 될 것입니다.

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물리학
화학
융합

[노벨상 해설 강연] 굿이너프 배터리_ 김영식 카오스재단 x 고등과학원 '2019 노벨상 해설 강연' | 2강

에너지는 일을 할 수 있는 능력으로 정의되며, 우리 삶의 모든 영역에서 필수적인 요소입니다. 열역학 제1법칙에 따르면 에너지의 총량은 변하지 않으며, 인간은 단지 에너지의 형태를 변환하여 사용할 뿐입니다. 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 전지는 이러한 물리 법칙을 일상에서 구현한 대표적인 장치입니다. 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다는 제2법칙을 활용해 전자의 흐름을 만들어내는 것이 전지 기술의 핵심 원리라고 할 수 있습니다. 전지가 작동하기 위해서는 두 화학 물질 사이에 에너지 준위 차이가 존재해야 합니다. 마치 폭포가 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지며 운동 에너지를 발생시키듯, 전압은 전자를 주는 쪽과 받는 쪽의 화학적 높이 차이에 의해 결정됩니다. 리튬은 주기율표의 왼쪽에 위치하여 전자를 내보내고 안정화되려는 성질이 매우 강해 높은 에너지 준위를 형성합니다. 이러한 특성 덕분에 리튬을 활용한 전지는 다른 금속에 비해 월등히 높은 전압을 구현할 수 있는 잠재력을 가집니다. 리튬 이온 전지의 역사는 1970년대 휘팅엄 교수의 연구에서 시작되었습니다. 그는 층상 구조를 가진 이황화 티타늄을 양극으로 제안하여 리튬 이온이 층 사이를 가역적으로 오갈 수 있음을 증명했습니다. 이 구조는 반응 후에도 붕괴되지 않고 수천 번의 충전과 방전을 견딜 수 있는 혁신적인 아이디어였습니다. 비록 초기 모델은 전압이 2.3V로 낮아 상용화에 한계가 있었지만, 이는 현대적인 이차 전지의 개념을 정립하고 리튬 전지의 가능성을 세상에 알린 중요한 이정표가 되었습니다. 존 굿이너프 교수는 기존의 황화물 대신 산화물인 리튬 코발트 산화물을 사용하여 전압을 4V까지 끌어올리는 획기적인 성과를 거두었습니다. 그는 고체 물질의 에너지 준위 개념을 도입하여 산화물을 사용할 때 전자가 들어갈 자리가 더 낮은 곳에 형성된다는 점을 과학적으로 설명했습니다. 이 발견은 오늘날 우리가 사용하는 스마트폰 전지의 표준이 되었으며, 수많은 양극 물질 연구의 기폭제가 되어 고전압 리튬 이온 전지 시대를 본격적으로 열어젖히는 계기가 되었습니다. 초기 리튬 전지는 충전 과정에서 리튬 금속 표면에 뾰족한 덴드라이트가 자라나 폭발하는 안전성 문제가 있었습니다. 이를 해결한 인물이 요시노 아키라 교수로, 그는 음극에 금속 대신 흑연을 사용하는 '락킹 체어' 방식을 제안했습니다. 리튬 이온이 흑연 층 사이로 안전하게 드나들게 함으로써 폭발 위험을 획기적으로 줄인 것입니다. 이 기술은 소니를 통해 상용화되어 캠코더와 워크맨 등 휴대용 전자기기 혁명을 이끄는 원동력이 되었으며 전지 시장의 판도를 바꾸었습니다. 리튬 이온 전지는 이제 소형 기기를 넘어 전기자동차와 대용량 에너지 저장 장치인 ESS까지 그 영역을 확장하며 세상을 바꾸고 있습니다. 하지만 반도체 기술의 비약적인 발전 속도에 비해 전지 기술의 발전은 상대적으로 더디게 느껴지기도 합니다. 여전히 전지는 기기 내부에서 큰 부피와 무게를 차지하고 있으며, 더 작고 가벼우면서도 안전한 전지를 만들기 위한 연구는 지금 이 순간에도 계속되고 있습니다. 이는 지속 가능한 미래를 위해 인류가 반드시 해결해야 할 기술적 과제입니다. 미래의 에너지 기술은 성능뿐만 아니라 경제성과 친환경성까지 갖추어야 합니다. 리튬과 코발트 같은 희귀 금속의 가격 상승과 환경 오염 문제는 새로운 대안을 요구하고 있습니다. 그 해결책 중 하나로 제안되는 것이 바닷물을 이용한 해수 전지입니다. 무궁무진한 자원인 해수를 활용해 기존의 비싼 양극 물질을 대체하려는 시도는 에너지 패러다임을 바꿀 잠재력을 지니고 있습니다. 이러한 혁신적인 도전들이 모여 인류는 더욱 깨끗하고 안전한 재생 에너지 시대로 한 걸음 더 나아갈 것입니다.

김영식

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

화학
뇌인지과학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (5) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ⑤

우리가 살아가는 거시 세계와 눈에 보이지 않는 미시 세계를 나누는 명확한 기준은 존재하지 않습니다. 보통 인간의 맨눈으로 식별할 수 없는 원자나 분자의 영역을 미시 세계라고 부르며, 이곳에서는 우리가 익히 알고 있는 고전 물리학의 법칙이 더 이상 통용되지 않습니다. 미시 세계는 단순히 크기가 작은 영역을 넘어, 인간이 평생 쌓아온 시각적 경험과 상식이 통하지 않는 낯설고 새로운 물리적 법칙이 지배하는 공간입니다. 따라서 이 세계를 이해하기 위해서는 기존의 편견을 버리고 자연 그 자체의 모습을 있는 그대로 받아들이는 태도가 필요합니다. 과학자들은 남들이 보지 못하는 새로운 세계를 탐구하며 형언할 수 없는 감동을 느낍니다. 국가나 기업의 지원을 받아 정교한 장비를 만들고, 이를 통해 인류 역사상 누구도 본 적 없는 단분자의 형광 이미지를 포착하는 과정은 마치 미지의 영역을 촬영하는 셀카와도 같습니다. 어두운 실험실에서 모니터를 통해 빛나는 단분자를 마주할 때, 과학자들은 수십억 명의 인구가 수천 년 동안 세어야 할 만큼 방대한 존재들 속에서 단 하나의 본질을 찾아냈다는 희열을 느낍니다. 이러한 소소하면서도 거창한 즐거움이 바로 과학을 지속하게 하는 강력한 원동력이 됩니다. 초고해상도 형광 현미경 기술이 노벨 화학상을 받은 이유는 물리적인 회절 한계를 화학적 방법으로 극복했기 때문입니다. 단순히 성능이 좋은 기계를 만든 것을 넘어, 형광 물질의 성질을 이용해 빛을 조절함으로써 100년 넘게 불가능하다고 여겨졌던 벽을 허물었다는 점이 핵심입니다. 이는 기술적 진보가 새로운 과학적 발견을 이끄는 결정적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 사례입니다. 이처럼 화학적 원리를 통해 물리적 법칙의 한계를 뛰어넘는 시도는 인류가 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 변화시켰으며, 의학이나 생명 과학 등 다양한 분야의 발전을 이끄는 토대가 되었습니다. 양자역학은 등장한 지 100년이 다 되어가며 이론적으로는 많은 정리가 이루어졌지만, 여전히 인간의 직관으로는 이해하기 어려운 영역입니다. 우리가 거시 세계에서의 경험에만 익숙해져 있기 때문에 미시 세계의 현상들이 낯설게 느껴지는 것은 당연한 결과입니다. 현대 과학에서 양자역학은 그 자체의 옳고 그름을 따지기보다, 이를 활용하여 다양한 자연 현상을 연구하는 도구로 널리 사용되고 있습니다. 존재의 유무를 묻는 인식론적 질문들은 여전히 학문적 호기심을 자극하며, 측정의 한계를 넘어서려는 끊임없는 시도들은 우리가 인지할 수 있는 우주의 범위를 조금씩 넓혀가고 있습니다. 미시 세계를 탐구하는 것은 마치 우주선을 타고 전혀 다른 차원의 우주로 여행을 떠나는 것과 같습니다. 우리가 알고 있는 거대한 우주와는 또 다른 질서가 존재하는 이 작은 우주는 과학자들에게 무한한 영감과 즐거움을 선사합니다. 사물을 바라보는 시각을 조금씩 바꾸어 나갈 때 우리가 인지하는 세상의 스펙트럼은 더욱 넓어지며, 생각의 범주 또한 확장될 수 있습니다. 아주 작은 것들의 눈으로 세상을 바라보는 경험은 결국 인간과 자연의 본질을 더 깊이 이해하게 해줍니다. 이러한 탐구의 여정은 앞으로도 계속될 것이며, 우리를 더욱 놀라운 진리의 세계로 안내할 것입니다.

김성근, 심상희

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (3) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ③

2014년 노벨 화학상은 백 년 넘게 불가능이라 여겨졌던 광학 현미경의 회절 한계를 극복한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 전통적인 광학 현미경은 빛의 회절 현상 때문에 특정 크기보다 작은 바이러스나 세포 내부 구조를 선명하게 관찰하는 데 한계가 있었습니다. 전자 현미경은 분해능이 높지만 시료를 절단하거나 손상시켜야 하는 단점이 있는 반면, 광학 현미경은 살아있는 시료 내부를 그대로 볼 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 이러한 미련을 버리지 못한 과학자들의 집념이 결국 초고분해능이라는 새로운 시대를 열었습니다. 윌리엄 모너는 세계 최초로 단일 분자를 실험적으로 관찰하는 데 성공하며 초고분해능 현미경의 개념적 토대를 마련했습니다. 그는 고체 결정 내의 아주 작은 농도로 존재하는 분자를 검출해냈을 뿐만 아니라, 특정 파장의 빛을 이용해 분자의 형광을 자유자재로 켜고 끄는 시스템을 개발했습니다. 분자가 형광을 내는 상태와 내지 않는 상태를 조절할 수 있게 된 이 기술은, 이후 등장하는 다양한 초고분해능 기술들의 핵심적인 원리가 되었습니다. 물리학적 기초를 바탕으로 화학적 한계를 극복한 그의 연구는 다학제적 연구의 중요성을 잘 보여줍니다. 에릭 베치그는 분자들이 동시에 빛을 내어 이미지가 겹치는 문제를 해결하기 위해 '시간차'라는 혁신적인 아이디어를 도입했습니다. 그는 모든 분자가 한꺼번에 형광을 내지 않도록 조절하여, 한 번에 아주 적은 수의 분자만 빛을 내게 한 뒤 그 위치를 각각 기록했습니다. 이렇게 서로 다른 시간대에 측정된 개별 분자들의 위치 정보를 하나로 중첩함으로써, 기존에는 흐릿하게 뭉쳐 보였던 이미지를 놀라울 정도로 선명하게 재구성하는 PALM 기술을 완성했습니다. 이는 관찰 대상을 개별적으로 분리하여 인식하려는 집요한 시도가 만들어낸 쾌거였습니다. 스테판 헬은 앞선 방식과는 전혀 다른 물리적 접근법인 STED 기술을 통해 분해능을 혁신했습니다. 그는 관찰하려는 면적을 연필 끝처럼 최대한 뾰족하게 줄여야 정확한 형상을 파악할 수 있다는 점에 주목했습니다. 이를 위해 유도 방출 원리를 이용해 도넛 모양의 레이저를 쏘아 주변부의 형광을 강제로 꺼 버리고, 오직 중심부의 좁은 영역에서만 빛이 나오도록 유도했습니다. 레이저의 강도를 높일수록 관찰 영역이 더욱 미세해지는 이 방식은, 기존 광학 현미경의 한계를 수십 배 이상 뛰어넘어 나노미터 수준의 정밀한 관찰을 가능하게 만들었습니다. 초고분해능 현미경 기술은 이제 치매의 원인 물질인 아밀로이드 섬유를 실시간으로 관찰하는 등 생명 과학 분야에서 혁명적인 변화를 일으키고 있습니다. 100년 넘은 난제에 도전하여 불가능을 가능으로 바꾼 과학자들의 사례는 우리에게 시사하는 바가 큽니다. 한 분야에 매몰되지 않는 다학제적 시각과 실패를 반복하면서도 굴하지 않는 끈기가 결합될 때 과학은 진보합니다. 살아있는 세포 내부의 움직임을 원자 수준에서 직접 눈으로 확인하려는 과학자들의 꿈은 이제 머지않은 미래의 현실로 다가오고 있습니다.

김성근

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물리학
화학

[강연] 2026 카오스 콘서트 '인긴-인간-인갼' | 두 번째 프로메테우스: 인공지능, 과학의 경계를 허물다_석차옥 교수(화학)

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[강연] 눈에 보이지 않는 세계의 건축가: 금속-유기 골격체(MOF)_by 문회리 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

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[과.수.다] 과학자들의 방과 후 수다 2025!! coming soon!!

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[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #003 | 백민경 생명과학부 교수

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

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나야😳 단백질, 근데 이제 AI를 곁들인... 2024 노벨 화학상(with 한국화학연구원 최경민 선임연구원) | 요즘과학

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

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우리나라 최초의 노벨 화학상🔗 수상자가 탄생할 뻔?!😮 2023 노벨 화학상(Nobel Prize) | 요즘과학

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[강연] 양자점, 색에 대한 생각을 바꾸다_by 이광렬 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 3강

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한 번도 받기 힘들다는 노벨 화학상을 두 번이나??👏👏 2022 노벨 화학상ㅣ해썰이 있는 과학뉴스

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[질문과 토론의 과학 #33] 🙋‍♀️🙋‍♂️인간도 페로몬을 사용할까?

카오스재단질토과 + 짧강

[명강리뷰] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강

카오스재단명강리뷰&질문Q

[질문Q] 우리는 대체 언제쯤 노벨상을 받을 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

카오스재단명강리뷰&질문Q

[국립광주과학관xGIST] 6월 과학스쿨 - 미래를 바꾸는 유전자 가위

국립광주과학관강연&포럼

사물배터리 BoT 시대ㅣ초연결시대의 심장 : 배터리ㅣ이상영(연세대학교)[토요과학강연#18-1부]

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

[강연] 비대칭 유기촉매반응, 촉매연구의 신대륙을 발견하다! by 송충의 ㅣ고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 4강

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 2021 노벨 화학상

국립과천과학관요즘과학👏

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

카오스재단카오스강연

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

카오스재단명강리뷰&질문Q

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

카오스재단서울대자연과학공개강연

[노벨상 이야기 1] 좀 창피한 노벨상?! | KAOS x KIAS 2020 노벨상 해설강연 - 2020년 10월 30일 금요일 저녁 7시 30분

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[그림으로 보는 과학뉴스] 2020 노벨 화학상

국립과천과학관요즘과학👏

공기로 작동하는 배터리가 있다!? | 그런데 기존 대비 3배 이상의 효율이라고!? | 과학쿠키 다큐 단편

과학쿠키과학쿠키 - 한국차세대과학기술한림원

[노벨상 해설 강연] 굿이너프 배터리_ 김영식 카오스재단 x 고등과학원 '2019 노벨상 해설 강연' | 2강

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (5) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ⑤

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[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (3) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ③

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[노벨상 이야기 1] 좀 창피한 노벨상?!　　 | KAOS x KIAS 2020 노벨상 해설강연 - 2020년 10월 30일 금요일 저녁 7시 30분