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[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

왜 죽는 순간 주마등이 스쳐 지나갈까?

영화 '해리 포터'의 한 장면처럼 죽음의 문턱에서 과거의 기억이 스쳐 지나가는 현상을 우리는 '주마등'이라 부릅니다. 원래 주마등은 회전하는 빛에 의해 말이 달리는 것처럼 보이는 장식용 등을 의미하지만, 오늘날에는 죽음 직전의 짧은 환상을 일컫는 용어로 더 익숙합니다. 이 신비로운 현상은 단순한 착시를 넘어 인간의 뇌와 신체가 반응하는 복잡한 과정의 결과물입니다. 과학자들은 이 찰나의 순간을 이해하기 위해 물질적, 특히 화학적 관점에서 접근하며 그 비밀을 풀고자 노력하고 있습니다. 주마등을 연구하기 위해 죽음을 직접 경험하는 것은 불가능에 가깝기에, 연구자들은 임사체험이나 환각물질을 이용한 사례에 주목합니다. 아마존 원주민들이 신화적 세계를 체험하기 위해 마셨던 '아야와스카'라는 음료가 대표적인 예입니다. 이를 복용한 이들이 겪는 증상은 죽음의 순간에 나타나는 주마등과 매우 흡사하다고 알려져 있습니다. 이러한 사례들은 주마등이 단순히 심리적인 현상이 아니라, 특정 화학물질이 뇌에 작용하여 발생하는 생화학적 반응일 가능성을 강력하게 시사합니다. 뇌의 중심부에 위치한 송과체는 우리 몸의 생체리듬을 조절하는 멜라토닌과 정서적 안정을 돕는 세로토닌을 분비합니다. 흥미로운 점은 이 두 물질과 분자구조가 매우 유사한 '디메틸트립타민(DMT)' 역시 송과체에서 생성된다는 사실입니다. DMT는 강력한 환각과 환청을 유발하는 물질로, 평소에는 극소량만 존재하지만 생사의 갈림길과 같은 극단적인 상황에서는 폭발적으로 분비될 수 있습니다. 즉, 주마등은 뇌가 마지막 순간에 분비하는 화학물질이 만들어낸 일종의 환상인 셈입니다. 실제로 쥐를 대상으로 한 실험에서 심정지가 발생하는 순간 DMT의 농도가 평소보다 6.2배나 급증한다는 사실이 확인되었습니다. 2019년에는 포유류의 뇌 속 송과체에서 아미노산인 트립토판을 재료로 DMT가 합성된다는 기전이 과학적으로 입증되기도 했습니다. 비록 인간을 대상으로 한 직접적인 실험은 윤리적 한계로 인해 어렵지만, 포유류 공통의 생체반응을 고려할 때 인간 역시 죽음의 순간에 이 '주마등 분자'가 활성화될 것이라고 추측할 수 있습니다. 이는 신비의 영역을 과학의 영역으로 끌어온 중요한 발견입니다. DMT가 작용하면 체험자들은 자신의 몸을 초월해 다른 차원으로 들어가는 듯한 느낌을 받거나 시간이 느려지는 경험을 하게 됩니다. 우리가 겪는 이 특별한 경험은 12개의 탄소와 16개의 수소, 2개의 질소로 이루어진 작은 분자가 선사하는 마지막 환상입니다. 비록 이 현상의 완전한 목적이나 활용법은 아직 베일에 싸여 있지만, 과학은 우리가 생을 마감하는 그 짧은 순간조차 정교한 화학적 설계 속에 있음을 보여주고 있습니다. 주마등은 어쩌면 자연이 인간에게 허락한 가장 신비로운 작별 인사일지도 모릅니다.

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화학
생명과학
뇌인지과학

[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #007 | 김종일 유전체의학연구소 소장

기초 의학은 환자를 직접 진료하는 임상 의학과 달리 인체의 구조와 기능, 질병의 기전을 연구하는 학문입니다. 유전체학은 우리 몸의 DNA와 RNA를 거대한 덩어리로 연구하는 분야로, 생명 현상의 근본을 탐구합니다. 많은 이들이 의대 교수를 병원의 의사로만 생각하지만, 기초 의학자들은 실험실에서 생명의 신비를 밝히고 질병 치료의 토대를 마련하는 데 집중합니다. 이는 의학의 발전뿐만 아니라 순수 과학으로서의 가치도 매우 크며, 질병의 원인을 분자 수준에서 이해하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 2009년 한국인 최초의 유전체 서열 분석 결과를 네이처(Nature)에 발표한 것은 국내 유전체 연구의 기념비적인 사건이었습니다. 당시 차세대 염기서열 분석 기술인 NGS가 막 등장했을 때, 연구팀은 직접 분석 도구를 개발하며 한국인만의 정밀한 유전체 지도를 완성했습니다. 비록 아시아인 최초라는 타이틀은 간발의 차로 놓쳤지만, 데이터의 정확성과 독창성을 인정받아 세계적인 주목을 받았습니다. 새로운 기술적 한계를 극복하며 얻어낸 이 결과는 한국 유전체학의 위상을 높이고 정밀 의료의 가능성을 여는 계기가 되었습니다. 유전체 연구를 통해 밝혀진 흥미로운 사실 중 하나는 한국인의 독특한 유전적 특징입니다. 인류의 조상은 본래 젖은 귀지를 가졌으나, 진화 과정에서 동쪽으로 이동하며 마른 귀지 형질이 나타났습니다. 한국인은 약 99.9%가 마른 귀지를 가지고 있는데, 이는 세계적으로도 매우 드문 높은 비율입니다. 유전적으로 열성 형질임에도 불구하고 특정 집단 내에서 이처럼 압도적인 비율을 보이는 현상은 인류 유전학적으로 매우 흥미로운 연구 대상이며, 우리 민족이 가진 고유한 유전적 동질성을 상징적으로 보여주는 사례이기도 합니다. 최근 유전체학 분야에서는 인공지능 기술이 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 특히 세포 하나하나를 분리해 분석하는 단일 세포 유전체 분석은 방대한 양의 데이터를 생성합니다. 수만 개의 세포에서 수만 개의 유전자 발현량을 측정하면 거대한 행렬 데이터가 만들어지는데, 여기서 의미 있는 생물학적 신호와 단순한 노이즈를 구분하기 위해 AI의 고도화된 통계 기법이 사용됩니다. 이를 통해 과거에는 불가능했던 정밀한 수준에서 세포의 상태 변화를 관찰하고, 현재의 건강 상태나 질병의 초기 징후를 포착하는 것이 가능해졌습니다. 미래의 의학은 공학, 자연과학과의 활발한 협업을 통해 더욱 발전할 것입니다. 의사 과학자들은 임상 현장의 문제의식을 바탕으로 기초 과학의 원리를 적용해 혁신적인 치료법을 제시할 수 있습니다. 이제는 선진국을 뒤쫓는 패스트 팔로워(Fast Follower)에서 벗어나, 세계적인 연구 흐름을 주도하는 리더로서 꿈을 크게 가져야 합니다. 캠퍼스 간의 장벽을 허물고 다양한 분야의 전문가들이 소통할 때, 인류의 건강을 증진시키는 창의적인 연구 성과가 지속적으로 창출될 수 있을 것입니다. 연구는 그 자체로 즐거운 여정이자 사회에 공헌하는 길입니다.

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우리가 문제를 맞닥뜨릴 때마다 언제나 답을 찾아온 화학! 🧪화학을 전공하면 뭐든지 할 수 있다!?✨ | 2024 가족동반 진로탐색

화학은 단순히 원소 기호를 외우는 학문이 아니라, 우리 주변의 모든 물질이 어떻게 변화하고 상호작용하는지를 깊이 있게 탐구하는 '변화의 학문'입니다. 우리가 매일 숨 쉬는 공기부터 마시는 물, 그리고 지금 입고 있는 옷에 이르기까지 세상의 모든 것은 물질로 이루어져 있습니다. 화학은 이러한 물질들이 어떤 구조를 가지고 있는지 파악하고, 이를 어떻게 변화시켜 우리에게 유용한 새로운 물질을 만들어낼 수 있을지를 연구합니다. 우리 삶과 가장 밀접한 거리에서 세상의 근간을 연구하는 가장 기초적이면서도 실용적인 과학 분야라고 할 수 있습니다. 최근 화학계의 가장 큰 화두는 지속 가능한 미래를 위한 지구 환경 보호와 에너지 혁신에 집중되어 있습니다. 태양광 발전의 효율을 극대화하는 방식은 물론, 일상적인 움직임이나 마찰에서 발생하는 정전기를 활용해 전기를 생산하는 나노 발전기 연구가 활발히 진행 중입니다. 또한, 환경에 유출되어 생태계를 위협하는 플라스틱이나 각종 유해 물질을 분해하여 다시 유용한 원재료로 되돌리는 기술 역시 화학자들의 중요한 과제입니다. 화학은 인류의 편리함을 유지하면서도 지구가 직면한 환경 문제를 근본적으로 해결하는 열쇠를 쥐고 있습니다. 화학자의 길은 실험실에서 플라스크를 흔드는 모습에만 국한되지 않으며, 사회 곳곳에서 매우 다양한 형태로 존재합니다. 신소재를 개발하는 연구원뿐만 아니라, 물질의 안전성을 검증하고 국민의 건강을 보호하기 위한 법규와 제도를 만드는 정책 전문가로서의 역할도 매우 중요합니다. 예술 분야에서는 문화재를 과학적으로 분석하여 제작 시기와 기법을 밝혀내고, 천체화학 분야에서는 먼 우주 행성의 대기 성분을 분석해 생명체의 존재 가능성을 탐사하기도 합니다. 이처럼 화학은 보이지 않는 곳에서 사회 전반의 안전과 역사를 지탱하며 인류의 지평을 넓히는 데 기여하고 있습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰이나 최신 의약품 속에도 화학의 정수가 담겨 있습니다. 터치 인식이 가능하면서도 단단한 특수 유리를 설계하고, 복잡한 회로 위에 금을 얇게 입히는 정교한 공정은 모두 화학적 원리를 바탕으로 구현됩니다. 특히 지난 코로나19 팬데믹 시기에 전 세계를 구한 mRNA 백신과 이를 체내의 목적지까지 안전하게 전달하는 약물 전달 시스템(DDS)은 생화학적 연구가 일궈낸 값진 결실입니다. 화학은 인류가 예상치 못한 거대한 위기 상황에 직면할 때마다 혁신적인 해결책을 제시하며, 우리가 나아갈 새로운 길을 끊임없이 개척해 온 든든한 버팀목입니다. 화학 분야를 지망하는 이들에게 가장 필요한 역량은 주변 사물에 대한 끊임없는 호기심과 이를 직접 확인하려는 실험 정신입니다. 복잡한 성분표를 보며 의문을 품고, 이를 해결하기 위해 도전하는 과정 자체가 화학의 시작이기 때문입니다. 화학은 단순히 책상에 앉아 이론을 공부하는 것에 그치지 않고, 직접 물질을 다루며 새로운 가치를 창조해내는 실천적인 학문입니다. "아는 것이 힘이다"라는 격언처럼, 화학 물질에 대한 막연한 공포 대신 정확한 지식을 갖춘다면 우리는 세상을 더욱 안전하고 풍요롭게 가꿀 수 있는 지혜를 얻게 될 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

화학
생명과학
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[인터뷰] 최희정_ 구조세포생물학을 하고 싶어요! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학은 끊임없이 미지의 영역에 대한 화두를 던지며 탐구의 가치를 증명하는 매력적인 분야입니다. 명확한 답을 주는 수학과 화학에 매료되었던 어린 시절의 열정은 고등학교 시절 화학 선생님의 영향으로 더욱 깊어졌습니다. 이러한 화학적 원리원칙에 대한 이해는 훗날 생물학적 현상을 탐구하는 든든한 밑바탕이 되었으며, 결국 단백질의 생김새와 기능을 연구하는 구조생물학자의 길로 이끌었습니다. 자신이 진정으로 즐길 수 있는 일을 찾는 것이야말로 과학자로서의 길을 꾸준히 걷게 하는 가장 큰 원동력이 됩니다. 구조생물학의 핵심은 '구조가 기능을 설명한다'는 원리에 있습니다. 이는 마치 나사를 조이는 드라이버와 볼트를 돌리는 스패너의 모양이 서로 다른 이유와 같습니다. 단백질 역시 특정한 3차원 구조를 형성함으로써 생체 내에서 고유한 역할을 수행합니다. 단백질을 구성하는 아미노산들은 화학 물질이기에, 이들 사이의 상호작용을 이해하는 데 있어 화학적 지식은 필수적입니다. 세포막 단백질이 외부 신호를 어떻게 받아들여 내부로 전달하는지 그 작용 기전을 밝히는 것은 생명 현상을 이해하는 첫걸음이 됩니다. 최근 구조생물학 분야는 인공지능 기술의 도입으로 획기적인 변화를 맞이하고 있습니다. 과거에는 단백질 구조 하나를 규명하는 데 막대한 시간과 노력이 필요했지만, 이제는 알파폴드2와 같은 프로그램을 통해 아미노산 서열만으로도 상당히 정확한 구조 예측이 가능해졌습니다. 하지만 거대 복합체의 형태나 미세한 화학 분자와의 결합을 예측하는 데는 여전히 한계가 존재합니다. 따라서 예측 프로그램은 연구를 대체하는 것이 아니라, 오히려 구조 정보를 효율적으로 활용하여 단백질의 기능을 더욱 깊이 있게 연구할 수 있도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 생명이란 무엇인가에 대한 정의는 관점에 따라 다양하게 해석될 수 있습니다. 물리학자 슈뢰딩거는 무질서 속에서 질서를 찾아가는 엔트로피 감소의 과정을 생명으로 보았으나, 생물학적으로는 유전 물질을 통한 증식과 대사 활동, 환경에 반응하며 진화하는 능력을 중시합니다. 이러한 기준에서 볼 때, 스스로 생존하지 못하고 숙주에 기생하는 바이러스는 생명체와 생명 물질 사이의 경계에 놓여 있습니다. 하지만 최근 거대 바이러스의 발견처럼 새로운 과학적 사실들이 밝혀짐에 따라 생명에 대한 우리의 정의와 기준도 끊임없이 변화하고 확장될 것입니다. 앞으로의 연구는 개별 단백질의 구조를 넘어, 복잡한 세포 시스템 안에서 일어나는 역동적인 상호작용을 직접 관찰하는 방향으로 나아가고 있습니다. 이를 '인사이투(In situ) 구조생물학'이라 부르는데, 이는 조각조각 떨어진 정보들을 세포라는 전체 맥락 속에서 하나로 짜 맞추는 작업입니다. 바이러스가 수용체와 결합하여 세포 내부로 침투하는 과정이나 단백질 간의 결합 시간을 실시간으로 확인하는 기술은 생명 현상을 더욱 입체적으로 이해하게 해줄 것입니다. 이러한 도전은 우리가 세포 안에서 일어나는 일들을 더욱 빠르고 정확하게 파악하는 시대를 열어줄 것입니다.

최희정

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생명과학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 9월 뉴스 브리핑

명품 바이올린으로 알려진 스트라디바리와 과르네리의 비밀은 단순한 장인 정신을 넘어 과학적인 전처리 과정에 숨어 있습니다. 18세기 제작 당시 목재의 부패와 해충을 방지하기 위해 사용된 특수한 화학 약품들이 수백 년의 세월을 거치며 나무의 성질을 변화시킨 것입니다. 이러한 화학적 변화는 악기의 내구성을 높일 뿐만 아니라, 현대의 기술로는 쉽게 흉내 낼 수 없는 독보적인 음향학적 우수성을 만들어내는 핵심적인 요인이 되었습니다. 분석 화학 연구에 따르면, 당시 장인들은 아연, 구리, 붕산 등 다양한 원소를 포함한 독자적인 약품을 사용했습니다. 이 물질들은 시간이 흐름에 따라 나무 표면의 셀룰로스나 리그닌과 결합하여 목재의 밀착도를 높이고 구조를 더욱 단단하게 만들었습니다. 결국 명기라 불리는 악기들의 아름다운 소리는 제작자의 비법과 200년 이상의 시간이 정교하게 빚어낸 화학 반응의 결과물이라고 할 수 있습니다. 한편, 올여름 전 세계는 기록적인 폭염과 폭우 등 유례없는 이상기후 현상으로 몸살을 앓았습니다. 서울 한강의 수온이 예년보다 크게 상승하여 물고기들이 집단 폐사하는 사건이 발생했으며, 북미 지역에서는 50도에 육박하는 살인적인 열돔 현상이 나타나기도 했습니다. 이러한 기상 이변은 이제 특정 지역의 문제를 넘어 지구 전체의 생태계와 인류의 안전을 위협하는 심각한 과제로 다가오고 있습니다. 과학자들은 이러한 이상기후의 주요 원인 중 하나로 제트 기류의 약화를 꼽습니다. 지구 온난화로 인해 적도와 극지방의 온도 차이가 줄어들면서, 지구를 감싸 도는 강한 바람인 제트 기류가 힘을 잃고 구불구불하게 흐르게 된 것입니다. 이로 인해 기압계가 정체되면서 특정 지역에는 극심한 폭염이, 다른 지역에는 기록적인 폭우가 쏟아지는 극단적인 날씨가 반복되는 현상이 나타나고 있습니다. 복잡한 과학적 원리를 일상에서 쉽고 재미있게 이해하려는 노력도 계속되고 있습니다. 국립과천과학관의 전문가들은 연구 성과와 창의적인 아이디어를 결합하여 '달의 위상 변화 시계'나 주기율표 퍼즐 같은 과학교구를 개발하고 있습니다. 이러한 시도는 대중이 과학을 멀게 느끼지 않고, 가정에서 직접 체험하며 자연스럽게 원리를 깨우칠 수 있는 소중한 기회를 제공한다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

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[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

[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

[연구뭐하지?] 심민섭 교수_서울대학교 '지구미생물학 연구실' | 인류보다 더 오래된 지구의 원주민, 미생물

우리가 살고 있는 현재의 지표 환경은 지난 45억 년이라는 기나긴 시간 동안 지구와 생명체가 끊임없이 상호작용한 결과물입니다. 초기 지구는 지금보다 훨씬 뜨거웠으며, 지구가 점차 식어가는 과정에서 지표의 화학적 조성이 변화했고 그에 맞춰 생명체의 생태도 진화해 왔습니다. 특히 산소를 발생시키는 광합성 생명체의 등장은 인류가 숨 쉴 수 있는 대기를 형성하는 결정적인 계기가 되었습니다. 이처럼 지구의 역사는 단순히 암석의 변화가 아니라, 지구와 생명체가 서로 영향을 주고받으며 만들어온 거대한 서사시라고 할 수 있습니다. 지구의 역사를 이해하기 위해 연구자들은 미생물에 주목합니다. 미생물은 지구 탄생 초기부터 거주해 온 원주민과 같은 존재로, 매우 다양한 원소를 이용해 대사 작용을 수행하며 지구 환경에 깊숙이 관여해 왔습니다. 하지만 미생물은 크기가 매우 작고 형태가 단순하여 일반적인 화석 기록으로는 그 흔적을 찾기가 매우 어렵다는 한계가 있습니다. 따라서 눈에 보이는 형태적 화석보다는 미생물이 남긴 미세한 화학적 흔적을 추적하는 것이 과거의 생태계를 복원하는 데 있어 핵심적인 열쇠가 됩니다. 미생물이 남긴 암석 속의 흔적을 해석하기 위해서는 먼저 현대의 미생물들이 어떤 화학적 흔적을 만들어내는지 연구해야 합니다. 이를 통해 일종의 '암호표'를 만드는 과정이 필요합니다. 현재의 생태계에서 얻은 데이터를 바탕으로 과거 암석에 기록된 화학적 흔적을 대조하고 해석함으로써, 수십억 년 전의 생태계를 생생하게 복원할 수 있습니다. 이러한 연구 방식은 단순히 과거를 돌아보는 것에 그치지 않고, 지구의 미래나 생명체가 존재할 가능성이 있는 외계 행성을 탐사하는 데에도 중요한 기초 자료로 활용될 수 있습니다. 지구생물학은 지질학적 증거인 암석과 생물학적 원리를 결합한 융합 학문입니다. 연구실에서는 지질학을 전공한 연구자들이 암석에서 화학적 흔적을 추출해 과거 미생물의 활동을 추적하는 한편, 생물학적 배경을 가진 연구자들은 가상의 생태계를 조성해 미생물을 직접 배양하기도 합니다. 미생물의 대사 과정에서 발생하는 화학적 흔적들이 왜, 어떻게 만들어지는지 정밀하게 분석함으로써 지질학적 기록의 신뢰도를 높이는 것입니다. 이러한 다각적인 접근은 지구라는 거대한 시스템을 이해하는 데 필수적인 과정입니다. 연구의 대상은 거대한 공룡에서 눈에 보이지 않는 미생물로 옮겨왔지만, 미지의 세계를 탐구하고자 하는 열정은 변함이 없습니다. 눈에 보이는 거대한 화석 대신 화학적 흔적 분석에 집중하면서 연구의 스케일은 과거에 비해 작아졌을지라도, 그 속에 담긴 지구의 비밀은 결코 작지 않습니다. 과거의 환경을 복원하고 생명의 기원을 찾아가는 여정은 지금도 척박한 현장 조사와 정밀한 실험실 분석을 통해 계속되고 있습니다. 이러한 탐구는 우리가 발을 딛고 있는 이 행성의 과거와 미래를 연결하는 소중한 통로가 됩니다.

심민섭

카오스재단연구뭐하지

생명과학
지구환경과학

[석학인터뷰] 김상우 ─ DNA는 대부분 쓰레기다?! | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

2000년대 이후 생물학은 비약적인 변화를 맞이했습니다. 과거에는 단일 유전자나 단백질의 기능을 깊이 있게 분석하는 연구가 주를 이루었으나, 현재는 유전체 활동과 염기서열 정보를 포함한 방대한 데이터가 쏟아지고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 컴퓨터 기술은 단순한 도구를 넘어 생명 현상을 해석하기 위한 필수적인 요소가 되었습니다. 데이터를 능숙하게 다루고 분석할 수 있는 능력은 특정 질병에 국한되지 않고 생명 전체의 원리를 조망할 수 있는 넓은 시야를 제공하며, 이는 현대 과학자들에게 커다란 축복과도 같습니다. 이제 생물학은 복잡한 데이터를 정교하게 해석하는 정보 과학의 시대로 접어들었습니다. 눈에 보이지 않는 미세한 DNA를 관찰하기 위해서는 생화학이나 나노기술의 정교함이 필요하며, 여기서 얻은 거대한 데이터를 유의미한 정보로 바꾸기 위해서는 수학과 통계학, 그리고 전산학의 엄밀함이 요구됩니다. 자칫 잘못된 발견으로 이어질 수 있는 오류를 방지하기 위해 정교한 계산이 필수적이기 때문입니다. 결국 이러한 과정을 거쳐 도출된 결과는 다시 생물학과 의학의 영역으로 회귀하여 질병 치료와 같은 실질적인 응용 단계로 나아가게 됩니다. 이처럼 DNA 연구는 현대 과학의 정수를 모아 생명의 본질에 다가가는 숭고한 여정이라 할 수 있습니다. 생명의 설계도인 DNA를 연구하는 과정은 과학자로서의 태도와 철학을 정립하는 여정이기도 합니다. 칼 세이건의 '코스모스'가 생명 진화의 경이로움을 일깨워주었다면, 리처드 도킨스의 저작들은 엄밀한 탐구 정신을 견지하는 데 큰 영향을 주었습니다. 이러한 영감과 과학적 태도를 바탕으로 유전 변이를 탐지하고 질병의 원인을 밝혀내는 노력은 인류가 직면한 한계를 극복하는 열쇠가 됩니다. 결국 DNA 연구는 생명의 근원을 이해하고 더 나은 미래를 설계하기 위한 숭고한 도전입니다. 우리는 이러한 탐구를 통해 질병의 고통에서 벗어나 더 건강한 삶을 향한 발걸음을 내딛고 있습니다.

김상우

카오스재단카오스강연

생명과학

[석학인터뷰]김상욱_ 생명은 생화학 기계다! | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기'

과학 대중화 활동의 시작은 이공계 위기 극복이라는 실용적인 목적에서 비롯되었습니다. 초기에는 학생들이 과학과 수학에 친숙해지기를 바라는 마음으로 시간을 쪼개어 활동했지만, 시간이 흐르며 그 목적은 점차 사회적 가치로 확장되었습니다. 우리 사회가 겪은 여러 위기를 목격하며 합리적 사고의 중요성을 절감하게 된 것입니다. 합리적 사고가 사회 전반에 뿌리내린다면 더 나은 세상을 만들 수 있다는 믿음이 생겼고, 이는 곧 더 활발한 저술과 소통으로 이어지는 원동력이 되었습니다. 대중과의 소통은 과학자로서의 시야를 넓히는 계기가 되었습니다. 대학원 시절까지는 전공 지식에 매몰되어 일반적 수준의 문화 예술을 향유하는 데 그쳤으나, 다양한 사람들과 교류하며 인문학적 소양의 필요성을 깊이 체감했습니다. 과학 지식만으로는 설명하기 어려운 삶의 여러 국면을 마주하며 틈틈이 책을 읽고 공부하는 시간을 가졌습니다. 이러한 노력은 과학을 단순한 지식이 아닌 하나의 문화적 소양으로 전달하는 데 큰 밑거름이 되었으며, 소통의 즐거움과 보람을 일깨워 주었습니다. 과학의 본질은 합리성에 있지만, 그것이 과학만의 전유물은 아닙니다. 철학 역시 오랜 역사 동안 논리적이고 합리적 체계를 구축해 왔으며, 과학은 넓은 의미에서 철학의 한 부분이라 할 수 있습니다. 다만 과학이 철학이나 수학과 구별되는 결정적인 지점은 반드시 물질적 증거에 기반한다는 사실입니다. 아무리 논리적 가설이라도 실제 관측과 실험을 통해 증명되지 않으면 과학적 사실로 인정받기 어렵습니다. 이러한 엄격한 물질적 증거 중심의 사고방식이야말로 과학이 지닌 독특한 합리성의 핵심입니다. 현대 과학이 직면한 가장 거대한 질문 중 하나는 바로 생명의 기원입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 주변의 무생물과 다를 바 없는 물질이지만, 특정한 방식으로 조합되었을 때 비로소 생명이라는 경이로운 현상을 일으킵니다. 왜 하필 이러한 조합이 생명력을 갖게 되는지에 대해 인류는 아직 명확한 답을 찾지 못했습니다. 여러 가설과 추론이 존재할 뿐, 원자가 생명으로 변모하는 구체적인 과정은 여전히 풀리지 않은 수수께끼로 남아 있습니다. 이는 과학자들이 끊임없이 탐구해야 할 미지의 영역입니다. 물리학자의 시선으로 바라보는 생명은 생물학자의 관점과는 또 다른 통찰을 제공합니다. 양자역학의 거장 에르빈 슈뢰딩거가 '생명이란 무엇인가'를 통해 DNA 구조 발견의 단초를 제공했듯이, 물리학적 접근은 생명의 신비를 푸는 새로운 열쇠가 될 수 있습니다. 비록 타 분야에 대한 도전이 실수를 동반할지라도, 원자 단위에서 생존과 번식을 수행하는 생화학 기계로서의 생명을 탐구하는 과정은 그 자체로 가치가 있습니다. 이러한 시도는 우리가 세상을 이해하는 방식을 확장하고 새로운 지적 지평을 열어줄 것입니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[석학인터뷰] 김석희_ 넓게 공부하라! | 2018 노벨상 해설강연

어린 시절의 호기심은 과학자로 성장하는 데 가장 중요한 밑거름이 됩니다. 질문이 많아 주변 사람들을 곤혹스럽게 했던 소년은 자라나 생화학의 길을 걷게 되었습니다. 생화학은 생물학과 화학의 경계에 있는 학문이지만, 진정한 전문가가 되기 위해서는 특정 분야에 매몰되지 않는 유연한 태도가 필요합니다. 물리학이나 수학처럼 다소 어렵게 느껴지는 기초 학문이라 할지라도 이를 배제하지 않고 폭넓게 섭렵하는 것이 중요합니다. 이러한 학문적 저변은 훗날 생명현상을 깊이 있게 이해하고 질병 치료를 위한 창의적인 아이디어를 도출하는 데 있어 단단한 토대가 되어줄 것입니다. 생명과학의 궁극적인 목표 중 하나는 질병을 치료하고 생명의 신비를 밝히는 것입니다. 이를 위해 분자 수준에서 물질을 다루고 이를 활용하는 연구는 필수적입니다. 특히 앞으로의 연구 과제는 진화라는 거대한 흐름을 분자 단위에서 어떻게 해석하고 다룰 것인가에 집중되어 있습니다. 세포 수준에서 일어나는 복잡한 진화 과정을 분자적 관점에서 명확히 규명할 수 있는 새로운 방법론을 찾는 일은 현대 과학이 마주한 흥미로운 도전입니다. 이러한 연구는 단순히 지식의 확장을 넘어, 생명 시스템을 보다 정교하게 제어하고 응용할 수 있는 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대됩니다. 학계에 몸담은 교육자로서의 보람은 자신의 연구 성과를 넘어 다음 세대와의 교감에서 비롯됩니다. 수십 년의 세월 동안 끊임없이 유입되는 학생들과 대화하며 서로의 생각을 나누는 과정은 그 자체로 소중한 경험입니다. 서로 다른 배경과 경험을 가진 이들이 만나 공통의 주제로 소통할 때, 선배 과학자의 경험은 학생들의 미래를 설계하는 이정표가 됩니다. 가르치는 입장이지만 동시에 학생들로부터 배우며 성장하는 관계를 지향하는 것은 학문의 연속성을 유지하는 힘입니다. 지식의 전달을 넘어 삶의 방향을 함께 고민하는 교육적 가치는 과학자가 추구해야 할 또 다른 중요한 사명이라 할 수 있습니다.

김석희

카오스재단석학인터뷰

화학
융합

[강연] 우리 몸을 움직이는 에너지, 너의 정체는? (4) _ 정종경 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 7강 | 7강 ④

생명체의 에너지 화폐인 ATP는 외부에서 공급되는 음식물을 소모하여 만들어집니다. 식물의 광합성과는 달리, 인간의 ATP 생성은 햇빛과 직접적인 상관관계가 없습니다. 이론적으로 외부 영양 공급만 충분하다면 햇빛이 없는 환경에서도 인간의 생존은 가능합니다. 하지만 비타민 D 합성이나 시각적 인지 등 건강한 삶을 유지하기 위해서는 햇빛이 필수적인 역할을 수행합니다. 따라서 생존 그 자체와 건강한 삶의 질은 별개의 문제로 접근해야 하며, ATP는 그 중심에서 생명 유지의 근본적인 동력을 제공합니다. 노화 연구의 진정한 목적은 단순히 수명을 연장하는 불로장생에 있지 않습니다. 현대 의학이 지향하는 바는 질병 없이 건강하게 살 수 있는 '건강 수명'을 늘리는 것입니다. 실제로 라파마이신과 같은 약물을 이용한 연구에 따르면, 수명이 길어짐과 동시에 암 발생 확률이 줄어드는 결과가 관찰되기도 합니다. 이는 노화 억제 기술이 단순히 생물학적 시간만 늘리는 것이 아니라, 신체의 전반적인 건강 상태를 최적으로 유지하는 데 기여할 수 있음을 시사합니다. 후대에게 부담을 주지 않는 건강한 고령화 사회를 만드는 것이 노화 연구의 핵심 과제입니다. 미토콘드리아는 세포 내 발전소 역할을 하지만, 동시에 세포 자살을 결정하는 '아포토시스' 신호를 조절하기도 합니다. 암세포가 미토콘드리아를 통한 에너지 생산을 기피하고 세포질에서의 비효율적인 방식을 택하는 이유 중 하나가 바로 여기에 있습니다. 암세포는 자살 프로그램이 작동하는 것을 막기 위해 미토콘드리아의 기능을 억제하거나 개수를 줄여 생존을 도모합니다. 이러한 암세포의 독특한 대사 전략은 생존을 위한 처절한 선택이며, 미토콘드리아가 단순한 에너지 생산 기구 이상의 복합적인 생명 조절 장치임을 보여주는 증거이기도 합니다. ATP는 단백질의 구조를 변화시킴으로써 실질적인 생체 에너지를 공급합니다. 인산기가 단백질에 결합하면서 발생하는 강한 전하와 에너지 변화가 단백질의 움직임을 유도하는 원리입니다. 우리 몸은 정교한 에너지 시스템을 통해 모든 생리 작용을 수행하며 살아갑니다. 하지만 이 과정은 무한 동력이 아니기에, 소모된 에너지를 보충하기 위해서는 반드시 외부로부터 음식물을 섭취해야 합니다. 자동차가 전기에너지를 동력으로 움직이듯, 생명체는 ATP라는 단위를 통해 세포 내의 다양한 활동을 지원하며 생명을 유지해 나갑니다. 탄수화물 섭취를 극도로 제한하는 다이어트 상황에서도 우리 몸은 지방과 단백질을 분해하여 뇌에 필요한 포도당을 스스로 만들어냅니다. 이를 포도당 신생합성이라 부르며, 비상시에는 케톤체를 에너지원으로 활용하기도 합니다. 이러한 정교한 대사 시스템과 ATP 활용 능력은 수십억 년 전 산소가 없던 지구 초기 시절부터 이어져 온 생명의 유산입니다. 지구상의 거의 모든 생명체가 공통적으로 ATP를 에너지 화폐로 사용한다는 사실은, 이 시스템이 생명 진화의 역사에서 얼마나 효율적이고 근본적인 선택이었는지를 다시 한번 일깨워 줍니다.

고형종, 박중진, 정종경

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 우리 몸을 움직이는 에너지, 너의 정체는? (2) _ 정종경 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 7강 | 7강 ②

세포질에서 일어나는 해당 과정을 통해 포도당이 분해되면 피루브산이 생성됩니다. 이 피루브산은 미토콘드리아 내부로 들어가 본격적인 에너지 추출 과정을 시작합니다. 가장 먼저 피루브산은 탄소 하나를 이산화탄소 형태로 배출하며 아세틸-CoA라는 화합물로 변환됩니다. 이 과정은 단순히 물질을 변형시키는 것을 넘어, 포도당이 품고 있던 화학 결합 에너지를 본격적으로 꺼내기 위한 준비 단계라고 할 수 있습니다. 우리 몸은 이처럼 정교한 단계를 거쳐 거대한 에너지원을 다루기 쉬운 형태로 가공합니다. 아세틸-CoA는 미토콘드리아 내부의 TCA 회로에 진입하여 완전히 분해되는 과정을 거칩니다. 회로를 도는 동안 탄소는 이산화탄소로 버려지고, 그 과정에서 발생하는 고에너지 전자는 NADH와 FADH2라는 형태로 추출됩니다. 이는 마치 젖은 빨래를 탈수기에 넣고 돌려 물기만 쏙 빼내는 과정과 흡사합니다. 결국 하나의 포도당에서 유래한 두 개의 피루브산이 회로를 두 번 돌며 세포가 필요로 하는 에너지의 원천을 남기게 됩니다. 이 회로는 생명체가 에너지를 얻는 가장 핵심적인 순환 시스템입니다. 이 복잡한 화학 반응을 돕는 핵심 요소는 탈수소 효소와 조효소들입니다. 특히 NAD+와 FAD는 전자를 매우 좋아하는 성질을 가지고 있어, 효소가 떼어낸 전자를 안정적으로 받아내는 역할을 합니다. 흥미로운 점은 이 조효소들이 우리가 흔히 섭취하는 비타민 B 복합체 성분으로 이루어져 있다는 사실입니다. 우리가 에너지를 내기 위해 비타민을 챙겨 먹는 과학적인 이유가 바로 여기에 있으며, 이는 세포 대사의 효율성을 높이는 데 필수적입니다. 영양소의 섭취가 곧 에너지 생산의 효율로 직결되는 셈입니다. 추출된 고에너지 전자는 미토콘드리아 내막에 위치한 전자 전달계로 이동합니다. 이곳에는 여러 단백질 복합체들이 줄지어 서 있으며, 전자는 이들을 차례로 거치며 에너지를 조금씩 방출합니다. 너무 큰 에너지를 한꺼번에 사용하면 손실이 크기 때문에, 세포는 이를 잘게 쪼개어 전달하는 정교한 방식을 택한 것입니다. 마지막에 에너지를 다 쓴 전자는 산소와 결합하여 물을 형성하며 안전하게 처리됩니다. 이 과정은 세포가 에너지를 낭비 없이 관리하기 위한 고도의 전략적 선택이라 할 수 있습니다. 전자 전달 과정에서 방출된 에너지는 단순히 사라지지 않고, 미토콘드리아 내막 밖으로 수소 이온을 퍼 올리는 데 사용됩니다. 이로 인해 막을 경계로 수소 이온의 농도 구배와 전위차가 발생하게 되는데, 이는 마치 댐에 물을 가두어 높은 낙차를 만드는 것과 같습니다. 세포는 화학 결합 에너지를 직접 ATP로 바꾸는 대신, 수소 이온의 농도 구배라는 물리적인 위치 에너지 형태로 잠시 저장하는 놀라운 전략을 구사합니다. 이러한 에너지의 형태 변환은 생명 현상이 가진 경이로운 메커니즘 중 하나입니다. 저장된 에너지는 ATP 합성 효소라는 정교한 분자 기계를 통해 비로소 ATP로 전환됩니다. 수소 이온이 농도가 낮은 곳으로 흐르려는 성질을 이용해 효소 내부의 로터를 돌리면, 이 회전력이 화학적 결합을 유도하여 ATP를 만들어냅니다. 이 마이크로 머신은 초당 수백 번을 회전하며 놀라운 효율로 에너지를 생산합니다. 우리 몸의 에너지 효율이 자동차 엔진보다 두 배 이상 높은 약 40%에 달하는 비결이 바로 이 정밀한 기계적 구조에 있습니다. 이는 자연이 설계한 가장 효율적인 엔진이라고 불러도 손색이 없습니다. 산소가 부족한 상황에서 세포는 젖산 발효나 알코올 발효와 같은 대안적인 경로를 선택하기도 합니다. 비록 효율은 낮지만, 급박한 상황에서 생존을 이어가기 위한 세포의 유연한 대처 능력이라 할 수 있습니다. 결국 우리가 섭취하는 영양소는 이러한 복잡하고 경이로운 과정을 거쳐 생명 활동의 연료인 ATP로 거듭납니다. 건강한 식습관이 중요한 이유는 우리 몸속 미토콘드리아가 쉼 없이 에너지를 만들어낼 수 있도록 원료를 공급하기 위함입니다. 생명은 이 작은 세포 안에서 일어나는 거대한 에너지의 흐름 덕분에 유지됩니다.

정종경

카오스재단카오스강연

생명과학

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

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

조진원

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 생물학은 인간의 본성을 밝혀낼 수 있을까? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 4부 1강 | 4부 ②

생명체란 무엇인가라는 근원적인 질문에 대해 생물학은 복제와 상호작용, 그리고 엔트로피를 조절하는 상태로 정의합니다. 현대 생물학은 생명 현상을 물질과 정보의 흐름으로 파악하며, 특히 DNA라는 유전 정보가 생명체의 본질을 형성한다고 봅니다. 이러한 관점에서 인간의 본성 또한 생물학적 메커니즘과 유전 정보의 틀 안에서 이해될 수 있는 영역으로 들어오게 되었습니다. 생명은 단순히 멈춰 있는 상태가 아니라 끊임없이 에너지를 소모하며 자신을 유지하는 역동적인 과정입니다. 인류의 역사를 돌이켜보면 수렵 채집 시대의 동굴 벽화를 그렸던 인류와 현대인의 DNA는 큰 차이가 없습니다. 우리는 수십만 년 전의 유전 정보를 그대로 간직한 채 급격히 변화하는 현대 사회를 살아가고 있는 셈입니다. 이러한 생물학적 연속성은 인간의 본성이 오랜 진화의 산물임을 시사하며, 우리의 행동과 심리 기저에 원시적인 본능이 여전히 강력하게 작동하고 있음을 보여줍니다. 결국 현대인의 고민은 수렵 채집 시대의 몸과 마음으로 현대의 복잡한 문명을 살아가는 데서 기인합니다. 하지만 생물학이 본성이 작동하는 메커니즘을 구체적으로 제시할 수 있음에도 불구하고, 인간이 지향해야 할 방향성까지 제시하기에는 한계가 있다는 지적이 있습니다. 유전 정보 전체를 모두 읽어낸다 하더라도 그 속에 담긴 복잡한 의미를 완벽히 해독하는 것은 별개의 문제입니다. 특히 급변하는 기술 환경 속에서 인류가 어떤 미래를 선택해야 하는지에 대해 생물학은 침묵할 수밖에 없는 지점이 존재합니다. 이는 과학적 사실이 곧바로 윤리적 당위로 연결되지 않음을 의미합니다. 진화심리학은 인간의 마음과 행동을 생존과 번식을 위한 적응의 결과로 해석합니다. 우리가 특정한 음식을 선호하거나 짝을 고르고 집단을 형성하는 방식은 모두 수렵 채집 시대의 환경에 최적화된 결과물입니다. 이러한 관점은 인간의 고결해 보이는 정신 활동조차도 결국은 진화적 필요에 의해 형성된 본성의 일부임을 강조하며, 인간을 '양복 입은 원시인'으로 정의하기도 합니다. 마음의 작동 방식은 우연이 아니라 생존 확률을 높이기 위해 정교하게 설계된 도구 상자와 같습니다. 도덕성과 사회성 같은 인문학적 가치들 역시 뇌과학의 영역에서 새롭게 조명되고 있습니다. 뇌 영상 촬영을 통해 사회적 소외감이 물리적 통증과 동일한 뇌 부위를 활성화한다는 사실이 밝혀졌으며, 도덕적 판단 또한 순수한 이성보다는 감정과 인지적 추론의 복합적인 작용임이 드러났습니다. 이는 인간의 본성을 이해하는 데 있어 생물학적 토대가 얼마나 필수적인지를 잘 보여주는 사례라 할 수 있습니다. 우리가 느끼는 고통과 공감은 뇌라는 생물학적 기관이 만들어내는 구체적인 반응입니다. 인간만이 가진 독특한 특성인 문화와 학습 능력, 즉 '밈(meme)'의 영역은 생물학적 본성과 끊임없이 상호작용합니다. 어떤 이들은 문화를 생물학적 범주를 넘어서는 '플러스알파'로 보기도 하지만, 다른 이들은 이 문화적 능력조차도 생물학적으로 설명 가능한 진화의 산물이라고 주장합니다. 결국 인간 본성의 탐구는 유전적 본능과 문화적 학습이 어떻게 얽혀 현재의 우리를 만들어냈는지를 밝히는 과정입니다. 문화는 생물학적 토대 위에서 피어난 인류만의 거대한 생존 전략이라 할 수 있습니다. 현대 생물학은 이제 인간을 객관적인 탐구 대상으로 삼아 그 본질에 다가서고 있습니다. 생물학적 연구 성과와 일관성을 갖춘 인문학적 성찰이 필요한 시점이며, 이를 통해 우리는 스스로의 한계를 명확히 인식할 수 있습니다. 본성을 이해하는 것은 단순히 과거를 아는 것에 그치지 않고, 우리가 가진 생물학적 조건 위에서 더 나은 미래 문화를 설계하기 위한 필수적인 토대가 될 것입니다. 과학과 철학의 대화는 인간이라는 존재를 더 깊이 이해하게 만드는 가장 강력한 도구가 됩니다.

송기원, 장대익

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[강연] 식물은 빛을 어떻게 인지할까? - 광합성과 빛 (3) _최길주 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 4강 | 4강 ③

파이토크롬은 식물이 빛을 감지하는 정교한 구조를 갖추고 있습니다. 이 단백질은 PAS, GAF, PHY라는 세 개의 도메인으로 구성되며, 그중 GAF 도메인에는 빛을 흡수하는 색소단이 결합되어 있습니다. 흥미로운 점은 PHY 도메인에서 뻗어 나온 헤어핀 형태의 구조가 색소단을 덮고 있다는 사실입니다. 적색광을 받으면 색소단이 회전하며 아미노산 간의 수소 결합이 끊어지고, 이로 인해 단백질 전체의 구조가 비틀리게 됩니다. 이러한 미세한 변화가 식물의 생화학적 반응을 이끌어내는 첫 단추가 됩니다. 파이토크롬은 빛의 파장에 따라 형태를 바꾸는 일종의 광 스위치 역할을 수행합니다. 적색광을 흡수하면 Pfr 형태로 변하여 식물의 성장을 촉진하고, 원적색광을 받으면 다시 Pr 형태로 돌아갑니다. 이러한 가역적인 전환은 식물이 주변 환경의 빛 조건을 실시간으로 파악할 수 있게 해줍니다. 활성화된 파이토크롬은 전사 조절 단백질로 작용하거나 다양한 경로를 통해 씨앗의 발아를 돕고 엽록체를 발달시키는 등 식물의 생애 주기 전반에 걸쳐 중요한 결정을 내립니다. 식물은 파이토크롬이라는 '눈'을 통해 단순히 빛의 유무만을 판단하는 것이 아니라, 주변에 경쟁자가 있는지도 감지합니다. 예를 들어 토마토를 홀로 키우면 옆으로 넓게 자라지만, 여러 개체를 밀집시켜 심으면 위로 길게 자라기 시작합니다. 이는 식물이 주변의 다른 식물 존재를 인식하고 그에 맞춰 성장 전략을 수정한다는 증거입니다. 숲속의 나무들이 가지를 넓게 펴기보다 하늘을 향해 높이 솟구치는 이유도 바로 이 때문입니다. 식물은 눈에 보이지 않는 빛의 신호를 통해 이웃과의 거리를 측정하고 생존을 도모합니다. 식물이 주변의 경쟁자를 인식하는 비결은 광합성 과정에서 발생하는 빛의 변화에 있습니다. 식물은 광합성을 위해 청색광과 적색광을 대부분 흡수하지만, 파장이 더 긴 원적색광은 그대로 통과시키거나 반사합니다. 따라서 잎이 무성한 나무 그늘 아래에는 일반적인 햇빛과 달리 적색광보다 원적색광의 비율이 압도적으로 높아지게 됩니다. 파이토크롬은 이러한 빛의 비율 변화를 예민하게 포착하여 자신이 현재 그늘에 있는지, 아니면 탁 트인 곳에 있는지를 정확하게 판단할 수 있는 생물학적 지표로 활용합니다. 그늘을 감지한 식물은 생존을 위해 '음지 회피 반응'을 보입니다. 옆에 있는 식물이 햇빛과 영양분을 독점하는 것을 막기 위해, 줄기를 빠르게 신장시켜 그늘에서 벗어나려 노력하는 것입니다. 실내에서 키우는 식물이 빛이 부족할 때 비정상적으로 길게 자라는 현상도 더 많은 빛을 찾으려는 본능적인 반응입니다. 결국 파이토크롬은 식물에게 주변 환경을 살피고 적절한 대응책을 마련하게 해주는 핵심적인 감각 기관입니다. 식물은 이 정교한 시스템을 통해 정적인 존재를 넘어 역동적으로 환경에 적응하며 살아갑니다.

최길주

카오스재단카오스강연

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