내 맘대로 읽는 Nature [2015.02.05] (1) Nature News



네이처 2015년 2월 5일 판, 내맘대로 읽기! (1)

*오바마 R&D 예산 *중력파 사냥 시즌 2 *Python for Scientist *빛을 이용한 세포 소기관 이동 조절 *3D 프린터를 이용한 QD-LED 제작 *GMO의 생화학적 봉쇄


News

Obama budget seeks big boost for science

오바마 대통령이 2월 4일, 2016년 예산안을 발표하였습니다. 총 4조 달러에 달하는 예산 중 1460억 달러가 과학연구 및 개발 쪽에 할당되어 미국의 과학자들과 공학자들을 설레게 했다는데요, 현재 공화당이 장악하고 있는 국회에서 이게 온전히 통과될지는 미지수랍니다. 그래도 과학 진흥을 향한 정부의 의지가 부럽네요.


Gravitational-wave hunt enters next phase

작년 3월, 남극에 위치한 전파망원경인 BICEP2를 운영하는 과학자들이 우주배경복사(cosmic microwave background)의 편광을 발견하였다고 발표하였습니다. 이는 천체물리학자들에게는 슬램덩크(*Nature의 표현에 의하면)와 같은 사건이었는데, BICEP2의 과학자들이 그들이 발견한 우주배경복사의 비발산편광(divergence-free polarization, B-mode)이 인플레이션에 의해 발생했을 것으로 여겨지는 시공간의 파동인 '중력파에 의한 것'으로 추정했기 때문입니다. 이 "인플레이션에 의한 중력파"는 빅뱅 이론을 지지해 줄 중요한 단서로 여겨지고 있습니다.

하지만 작년 11월, European Space Agency의 Planck 우주망원경 연구단은 BICEP2가 검출한 이 편광이 우주먼지에 의한 것일 수 있음을 밝혔습니다. 그리고 지난 주, BICEP2 전파망원경 및 Planck 우주망원경의 연구단은 많은 이들이 학수고대해 오던 공동연구결과를 발표하였습니다. 이 발표에 따르면 BICEP2에 의해 잡힌 신호들은 Plank 우주망원경이 검출한, 우주먼지에 의해 주로 발생하는 것으로 알려진 고주파 영역의 신호들과 많은 부분에서 일치하며, 우주먼지에 의해 발생한 것으로 여겨지는 부분들을 제외하고 나면 통계학적으로 신뢰할만한 분석이 불가능한, 매우 작은 양의 신호만이 남음이 밝혀졌습니다.

매우 실망스러운 결과이긴 하지만, 동시에 값진 경험이기도 합니다. 다섯개의 망원경이 한 몸을 이루는 것으로 유명한 Keck 망원경이 '더욱 정밀한 우주먼지 관측'이란 역할을 부여받고 '중력파 사냥'을 위한 다음 여정에 참여합니다. BICEP2도 더욱 성능이 향상된 BICEP3로 대체될 예정입니다. BICEP3는 BICEP2와 마찬가지로 비발산편광을 잡아낼 예정이지만 더욱 높은 감도와 정확도를 선보일 것입니다. 중력파 사냥 시즌 2! 기대해 봅시다.


Toolbox

Programming: Pick up Python

소위 '빅데이터'의 시대입니다. 물론 대부분의 경우 '빅데이터'라 하면 개인정보를 잔뜩 먹어치운 거대 IT 기업이 프로모션의 목적으로 개인 및 대중들의 취향을 분석하거나 몇 십년치 주식거래 데이터들을 대상으로 돈벌이가 되는 거래패턴을 찾아내는 일들이 먼저 떠오르겠지만, 다양한 관측장비와 실험기법들로부터 엄청난 양의 데이터들이 쏟아져 나오는 요즘 시대에는 기초과학들에서도 빅데이터는 주요 화두 중 하나라 하겠습니다. 많은 양의 데이터를 다루기 위해서는 컴퓨터 프로그래밍이 필수적이죠.

Python은 1991년 독일의 프로그래머 Guido van Rossum에 의해 무료로 공개된 프로그래밍 언어입니다. 간단한 문법(syntax)에 많은 온라인 자료들, 그리고 과학의 각 분야별 전문 툴킷(toolkit)들을 개발, 제공하는 풍부한 생태계가 가장 큰 장점이라 하겠습니다. 특히 명령줄을 통해 명령을 내리고 바로 결과를 볼 수 있는, 별도의 컴파일이 필요없는 '인터프리터 언어'이기에 여타 언어들에 비해 진입장벽이 낮은 편이고요, 특히 변수 선언에 있어서 타입(*문자냐, 문자열이냐 아니면 숫자인데 그 숫자가 기냐 짧으냐 혹은 음수나 실수로 처리해야하느냐... 등등등으로 사람을 미치게 만드는)에 신경쓸 필요가 없다는 점도 크나큰 위안이라 하겠습니다.

생물정보학(Bioinformatics)를 접하면서 Python을 접해본 바가 있었지만 환경과학이나 심리학 등에도 쓰이고 있는지는 이 기사를 보고 처음 알았네요. 이제 과학자들도 프로그램 하나 쯤은 기본으로 다뤄야 하는 시대가 오는 모양입니다.


News & Views


Cell biology: Organelles under light control

세포 내 소기관(organelle)들이 상황에 따라 적절한 위치로 이동한다는 것, 그리고 이러한 이동이 소기관의 제대로된 기능을 위해 중요하다는 것은 세포생물학자들이게는 거의 상식에 가깝습니다. 하지만 그간의 실험기술들은 소기관들을 실시간으로 조작하여 그 움직임에 따른 기능을 보여주기에는 부족함이 많았습니다. Nature 이번호(111쪽)에 발표된 논문에서 저자들은 빛을 이용하여 소기관들의 움직임을 정확하고 빠르게 조작함으로써 그 동안 포착할 수 없었던 소기관들의 움직임에 따른 기능 변화를 생생하게 보여주였습니다.

이들은 LOV-ePDZb1 기반의 실험기법을 사용하였습니다. Light-oxygen-voltage(LOV)라 불리는 단백질 도메인(domain)은 새포 내에서 ePDZb1이라는 이름의 단백질 도메인과 보통 결합한 상태로 존재하는데 파란빛이 쪼여지면 구조적인 변화가 일어나 ePDZb1으로부터 떨어지게 됩니다. 저자들은 과산화소체(peroxisome)이라 불리는 세포 내 소기관을 연구하기 위해 이 소기관에 LOV를 인위적으로 붙혔습니다. 그리고 세포 내를 활발하게 돌아다니는 단백질에 ePDZb1을 붙여놓으면 과산화소체가 세포 내를 여기저기 돌아다님을 볼 수 있었습니다. 이 때 파란빛을 세포에 쪼여주면 과산화소체의 움직임이 멈춥니다. 반대로 비교적 제 위치를 지키는 것으로 알려진 단백질에 ePDZb1를 붙이면 과산화소체의 움직임이 감소하며, 빛을 쪼일 경우 다시 움직임이 원상태로 회복됨을 확인하였습니다.

레이저를 이용한 이 실험은 250 나노미터 수준의 미세 조절이 가능하며 분 단위의 즉각적인 조작(*세포의 시계는 좀 더디게 가는 편이죠)이 가능하다고 합니다. 저자들은 이를 통해 신경세포의 축삭돌기(axon) 신장에 소기관의 이동이 중요함을 보여주었습니다.


Device fabrication: Three-dimensional printed electronics

3D 프린터 기술은 날로 그 응용범위를 넓혀가고 있습니다. Nano Letters에 발표된 이 논문은 3D 프린팅을 이용한 양자점(quantum dot) 기반의 LED(QD-LED) 생산 기술을 선보이고 있습니다. 양자점은 나노결정 반도체(semiconducting nanocrystals)로써 매우 좁은 영역에 걸친 강한 형광을 내며 결정크기의 조절만으로 형광의 색을 임의로 조절할 수 있어 최근 매우 널리 쓰이고 있는 형광물질입니다. 물론 이전에도 여러 성공사례들이 발표된 바 있습니다만, 이 논문에서 저자들은 흔히 쓰이는 잉크젯 방식보다 다양한 재료의 활용이 가능한 압출가공(extrusion) 기반의 3D 프린팅과 비교적 저렴한 생산비용으로 인해 각광받고 있는 QD-LED 생산방식인 용액기반 생산공정을 결합하여 각기 다른 재료로 이뤄진 5층 짜리 QD-LED를 만들었습니다 (총 높이: ~2mm). 이를 통해 만들어진 QD-LED들은 용액기반 생산공정으로 만들어진 기존의 QD-LED들보다 10배에서 100배 정도 더 밝은 것으로 나타났다는군요.


Articles


Biocontainment of genetically modified organisms by synthetic protein design

생화학적 봉쇄(Biocontainment)란 유전자 변형개체(GMO)들이 의도치 않게 퍼져 생태계를 교란시키는 것을 막는 기술로 유전자 변형개체의 활용이 급속하게 늘고 있는 현 상황에서 매우 중요한 기술이라 하겠습니다. 대부분의 생화학적 봉쇄는 유전자 변형개체를 영양요구변이주(auxotrophs)로 만듬으로써 이뤄집니다. 살아가는데 중요한 몇몇 영양분들을 스스로 공급하지 못하도록 만들어 버리는 거지요. 하지만 기존의 생화학적 봉쇄 기술들은 자연적인 돌연변이나 평형적 유전자 도입(horizontal gene transfer) 등에 의해 무력화 될 수 있으며, 종종은 유전자 변형개체가 자연환경에서 대체자원을 찾아냄으로써 봉쇄를 우회하기도 합니다.

Nature 이번호에 발표된 이 논문에서 저자들은 대장균의 필수적인 효소들을 컴퓨터를 이용한 다시 디자인하고 이를 바탕으로 유전적 변형을 가함으로써 자연계에는 존재하지 않는 형태의 아미노산이 없으면 살지 못하는 형태로 개량하였습니다. 저자들은 이 GMO 대장균은 알려진 자연의 어떤 물질도 대체물로 활용하지 못하며 유전자 변형에 의한 진화적인 탈피에도 성공하지 못함을 보여주었습니다.


** 정작 커버스토리는 소개를 못했네요. 관심있는 기사들을 간략하게 소개하는게 목적이었는데, 이건 뭐 직업병인지 갈수록 설명이 늘어나서... (1)이라 붙인 건 (2)도 염두해 둔 바긴 하지만 모르겠습니다. 주 단위로 발행해 볼 예정이었는데 과연 이걸 계속하는게 가능할까...ㄷㄷ


덧글

  • 2015/02/07 11:41 # 답글 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 2015/02/07 13:03 # 비공개

    비공개 답글입니다.
  • shaind 2015/02/09 11:49 # 답글

    마지막은 '라이신이 없으면 죽게 만들어진' 쥐라기 공원 공룡들을 연상시키는군요.
  • hyunyi 2015/04/08 10:47 #

    그렇죠? 생각해보면 마이클 크라이턴은 정말 대단한 사람이에요. 그 책이 출판된게 1990년이었는데, 당대의 최신 과학 이론을 섭렵하여 소설 안에 멋지게 녹여놓았죠. DNA, 복제, 바이오인포메틱스, 공룡을 조류의 조상으로 보기 시작했던 당시 고생물학의 최신지견, 그리고 혼돈이론! 그 책을 처음 접하고 느꼈던 흥분은 아직도 잊지 못합니다.

    쥬라기 공원 관리팀은 lysine에 대한 auxotrophs화를 통한 생화학적 봉쇄 외에 개체들을 모조리 암컷으로 만듬으로써 자연적인 개체수 증가를 막으려 했죠. 하지만 모기로부터 추출된 DNA에서 손상되어 읽을 수 없던 부분들을 메우기 위해 차용했던 양서류의 DNA 때문에 공룡들은 자연성전환 능력을 획득하게 되고, 결국 개체수 조절에 실패하게 됩니다. 게다가 공룡들은 조류의 조상답게 매우 똑똑했어요. (책에 주저리 주저리 설명은 안했지만 공룡이 무리지어 사냥감을 몰아가는 장면, 새처럼 둥지를 짓는 장면, 그리고 철새처럼 한 방향으로 이동하고 싶어하는 장면 등은 공룡이 조류의 조상이라는 생각을 적극 반영한 부분들이지요!) 여기에 보안관리자 네드리가 보안 시스템을 셧다운 시키면서 사태는 걷잡을 수 없게 흘러가죠. 맬컴 박사의 말을 빌리자면 혼돈의 가장자리에서 아슬아슬하게 지켜지던 균형이 붕괴되어 파국으로 치닫는 상황이 일어납니다. (공원은 결국 봉쇄되었지만 소설 끝에 보면 주변 지역에서 탈출한 녀석들에 의한 짓으로 보이는 '콩 서리'가 발생했다고 합니다. 콩에는 lysine이 많죠! 말하자면 '대체물 확보를 통한 생화학적 봉쇄의 우회'가 되겠네요.)

    그래서 그런지, 스티븐 스필버그의 영화는 제겐 너무 실망이었어요. 대중을 위한 오락물을 만든다는 점에서는 제대로 된 선택이었는지 몰라도, 원작이 주던 과학적인 스펙터클들은 다 빼버린채 스펙터클한 액션들로 영화를 가득 채워벼렸죠... 아직도 영화관에서 그 허탈했던 기분, 잊지 못합니다.ㅎ 생각해 보면 ET로부터 시작하여 A.I.까지, 스필버그하고는 악연이 깊어요.ㅋ
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