[비센의 재미있는 과학 이야기] 2014년 노벨 화학상
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일14-10-31 15:43 조회1,865회 댓글0건관련링크
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석준영 비센학원장자기가 하고 싶은 것을 꾸준히 하면 좋은 결과 얻을 수 있어
이번 칼럼에서는 지난 두 칼럼에 이어서 올해의 노벨 화학상 수상자들에 대해 말씀드리겠습니다.
올해 노벨 화학상을 수상한 과학자들은 초고해상도의 형광현미경을 개발한 미국 하워드 휴즈 의학 연구소의 에릭 베치그(Eric Betzig), 독일 막스 플랑크연구소의 슈테판 헬(Stephan Hell), 그리고 미국 스텐포드 대학의 윌리엄 머너(William E. Moerner)입니다.
이들의 초고해상도 현미경의 개발로 생화학분야의 오랜 희망이던 ‘살아있는’ 분자단위의 세포들을 직접적으로 관찰하는 것이 가능해졌고, 그 덕분에 암세포의 분자단위의 매커니즘을 연구하는 의학계, DNA의 전사과정이나 그에 의해 만들어지는 단백질의 내부구조 등을 연구하는 유전공학분야 등 생화학관련 거의 대부분의 연구분야에 새로운 장을 열게 한 것이 이번 노벨 화학상 선정의 이유라 할 수 있습니다.
현미경에 관한 이야기를 하려니 먼저 ‘관측한다’, ‘본다’라는 것을 먼저 간단히 설명드려야 할 것 같습니다.
‘보다’라는 것은 언어적 의미로는 ‘스스로 보고자 하는 것을 자의적으로 바라보는’이라는 의미로 다분히 능동적인 행위라고 볼 수 있지만, 과학적으로 ‘보다’라는 것은 원리적으로 매우 수동적인 의미를 갖습니다.
우리가 눈을 통해서 사물을 보는 것은 그 사물로부터 반사되어 나오는 광학적 신호, 즉 반사된 빛을 시각 신경을 통해 읽어드리는 것입니다.
아이들이 입는 귀여운 우비가 노란색으로 보이는 이유는 우비에 칠해져 있는 물질이 외부로부터 빛을 받을 때, 다른 영역의 빛들은 흡수를 하고 노란색에 해당하는 파장의 빛만을 반사시키는 성질이 있기 때문에, 우리 눈에 노란색으로 보이는 것입니다.
광학현미경은 물체가 너무나 작아서 반사되어 나오는 빛이 구분되지 않는 것을 광학렌즈를 통해 확대시켜주는 실험기구일 뿐, 역시 물체로부터 나오는 빛을 읽어드리는 최종 측정기구는 사람의 눈입니다.
이러한 광학 현미경은 설명드린 대로 빛을 이용하기 때문에 빛의 회절현상(diffraction)으로 인한 한계 해상도를 갖게 됩니다.
조금 쉽게 설명드리자면, 종이에 잉크로 점을 찍으면, 점을 아무리 작게 찍어도 자체의 번짐현상때문에 어느 정도의 점의 크기를 갖게 되고, 그로 인하여 너무 가까이 두 점을 찍으면 두 점의 번짐이 서로 겹쳐 두 점을 구분할 수 없게 됩니다.
빛의 회절현상이란 빛이 렌즈나 슬릿 등을 통과하면서 휘어짐에 의해 번짐과 비슷한 현상을 갖게 되는 성질을 말합니다.
이는 빛과 같은 파동의 고유 특성으로서 빛을 이용하는 광학현미경은 두 잉크로 찍은 점이 구별되지 않는 것처럼 두개의 광원으로부터 출발한 빛이지만 서로의 회절현상에 겹쳐 구분이 되지 않는 한계점이 생기고, 이 한계를 분해능이라고 합니다.
일반적인 광학현미경은 약 0.2 마이크로미터 (1 마이크로미터 = 100만분의 1 미터) 정도의 한계를 갖는데, 이러한 광학 현미경으로는 동식물 세포내의 세포핵, 미토콘드리아나, 그리고 대부분의 박테리아 정도를 관찰할 수는 있지만, 그보다 십분의 1 에서 약 천분의 1정도 작은 크기의 DNA, RNA, 단백질, 바이러스, 그리고 화학적 단일 분자나 원자 등을 관찰할 수는 없습니다.
물론 이런 광학적 현미경의 한계를 극복시켜주는 전자현미경이 그동안 이러한 미세구조를 연구하는 데에 널리 사용되어 왔습니다.
하지만, 전자현미경은 빛을 사용하는 대신, 샘플에 강한 전자선(electron beam)을 쬐어준 후, 그로부터 얻어지는 에너지 스펙트럼을 시각화시켜 영상을 얻어내는 기법을 사용하는데, 이러한 방법으로는 살아 움직이는 대상으로부터 이미지를 얻어내기 힘들고, 또 에너지가 상대적으로 너무 높아서 샘플내의 살아있는 세포나 바이러스 등이 전자선에 의해 바로 죽을 수 있기 때문에 살아있는 세포를 직접적으로 관찰하는 것은 불가능했던 것입니다.
이번 노벨 화학상을 수상한 세 사람은 각자 자신들의 독특한 기술로 이러한 광학 현미경의 한계를 10배 이상 끌어올림으로써 이제 나노미터(1억분의 1 미터) 단위의 DNA, 분자 등의 구조와 움직임을 ‘살아있는’ 상태에서 관찰할 수 있게 만든 것입니다.
이전에는 전자현미경을 통해 이러한 구조를 볼 수는 있었지만 살아있는 상태에서 관찰이 불가능했기 때문에, 급속냉각 등의 방법으로 가능한 죽기 직전의 상태를 온전히 보전하여 살펴보는 방법을 사용하여, 살아있을 때는 ‘이러이러한 방식으로 행동했을 것이다’라는 식의 유추만을 해오던 것들이 이들의 초고해상도 광학현미경을 통해서 실제 ‘살아있는’ 상태에 대한 연구내용들을 확인가능케 됨으로써, 많은 관련 연구분야에 동시적으로 획기적인 발전을 가져오게 된 것입니다.
3주에 걸친 노벨상에 관한 컬럼을 마무리하면서 오랜 시간 많은 고등학생들을 가르치면서 가장 많이 받은 질문에 대한 이야기를 해보고자 합니다.
특히나 수학, 과학분야를 가르치면서 가장 많이 받은 질문중에 하나가 바로 “선생님, 무슨 전공을 해야할지 잘 모르겠어요. 확실히 관심이 있거나 그런건 없는데, 뭐 대충 공대를 가고 싶기는 한데, 잘 모르겠어요. 어떻게 해야할까요?” 라는 질문입니다. 결론부터 말씀드리자면, 제 대답은 “지금 현재, 바로 지금, 가장 하고 싶은 것을 하면 된다.”입니다.
이번에 노벨 화학상을 받은 세사람 모두 물리학과를 졸업하여 물리학 박사학위를 받은 과학자들입니다. 하지만, 그들은 지금 모두 화학, 생물 관련 분야의 연구에 매진하고 있습니다.
이미 과학계는 이렇게 두개 이상의 분야가 함께 섞이기 시작한지 오래이며, 그 안에서 각 분야의 전공자들이 함께 공동연구를 진행하고 있으며, 이는 과학계만의 특이한 현상도 아닙니다.
물리학을 전공했다고 물리만을 하게 되는 것도 아니며, 화학을 전공한 사람들만이 화학계에 공헌하여 노벨 화학상을 받는 것도 아닙니다.
더 나아가 지금 현재 하고자 하는 것을 정했다고, 반듯이 그것을 해내야만 인생을 성공하는 것도 아닙니다. 현재의 목표를 정하고 매 순간 그 목표를 향해 최선을 다하면 됩니다. 목표는 언제든지 바꿀 수 있습니다. 사실, 많이 바꿀 수록 더 자신의 진짜 목표에 다가가고 있다고 볼 수도 있습니다. 그만큼 자신의 미래에 대해 끊임없이 고민하고 있다는 증거이기 때문입니다.
하고자 하는 것을 정한다는 것이 온전히 대학의 학과를 결정하는 것을 의미하는 것은 아닙니다. 최첨단 로봇을 개발하고 싶다는 꿈은 전자공학을 선택하던, 기계공학을 선택하던, 컴퓨터 공학을 선택하던, 심지어 생물학을 선택하던 가능한 것입니다. 실제로 로봇연구분야에서는 동물들의 움직임을 응용하기 위해서 많은 생물학자들이 지금도 함께 연구하고 있습니다.
석준영 비센 학원장
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