1. 바이오 학문은 기초(과학)와 응용(기술)으로 나뉜다

1)순수과학(Science)과 응용기술(Technology) 차이는 돈이다.

과학과 기술은 비슷하지만 둘은 근본적으로 다르다. 돈을 놓고 보자. 과학(기초학문)은 돈을 써서 원리를 밝힌다. 공학(응용학문)은 과학을 이용 돈을 번다. 그렇다. 과학은 원리를 캐고 공학은 원리를 바탕으로 제품, 기술을 만들어 낸다. 과학이 순수학문, 공학이 응용학문이다. 백신 만드는 것을 보자. 에볼라 바이러스 구조가 어떻게 생겼고 어느 부분을 타깃으로 백신을 만들까 구상하는 것은 사이언스, 즉 과학이다. 반면 백신을 구성하는 DNA 부분이 들어간 효모를 배양기에서 어떻게 배양하고 백신 DNA를 어떻게 분리해서 주사제로 만드는 가를 연구한다면 이는 기술, 즉 응용분야다. 이번에는 DNA를 보자. DNA가 어떤 구조이고 어떻게 복제되는가를 연구하는 사람은 순수 과학을 한다고 한다. 반면 DNA 복제과정을 응용해 아주 소량 DNA를 무한정 복제하는 PCR(중합반응)기술을 만들어서 범인색출에 쓴다면 응용과학자에 가깝다. 어느 부분이 더 좋은가는 순전히 개인 성향에 따라 다르다. 바이오 회사에서는 어떤 사람이 필요할까.

 

답은 둘 다 이다. 만약 박테리아에서 항생제를 만드는 회사라 하자. 이 회사가 새로운 항생제를 만들려고 한다면 우선 박테리아를 흙 속에서 분리해내야 한다. 이후 세포내에서 어떤 경로로 항생제가 생합성 되는가를 밝혀내야 한다. 이는 미생물학, 생화학, 화학, 즉 기초학문을 전공한 사람이 해야 한다. 다음에 해야 할 일은 항생제를 싼 가격으로 만드는 일이다. 박테리아를 배양기에서 어떤 방식으로 키워야 가장 많이 생산될지, 이때 총 비용은 어떻게 될지, 불순물이 섞인 것을 어떻게 분리해 제거할지 등등은 응용과학을 전공한 연구원이 주로 하게 된다. 항생제 회사에서는 둘 다 필요한 인력이다. 물론 새로운 항생제를 만드는 박테리아만 찾아내서 외국회사에 특허균주를 판다고 하는 벤처회사라면 순수과학을 하는 사람만 있어도 될 내용이다.

 

그러나 모든 학문, 특히 바이오는 무 자르듯 순수과학과 응용기술이 구분되지 않는다. 중간영역이 많이 있다. 과학을 전공한 사람이 기술 산업화 방향으로 집중할 수도 있다. 바이오 분야도 이와 유사하다. 먼저 기초분야를 보자.

 

2)기초과학은 바이오산업 밑돌이다.

 

(1)유전체학(Genomics):유전자들을 한 세트로 보자

DNA, 유전자까지는 알겠는데 유전체학(Genomics)은 또 무얼까? 오믹스(-omics)란 여러 개가 모였다는 뜻이다. 유전자가 모인 걸 공부하는 분야는 Gene+Omics, 즉 Genomics다. 사람 유전체는 30억 개 염기로 되어 있다. 이들 염기는 빽빽하게 뭉쳐져 46개 염색체(chromosome)에 나뉘어 있고 이 안에는 약 24,000개의 알려진 유전자가 있다. 유전체학(Genomics)은 이들 24,000개 유전자들이 서로 어떻게 관련되어 일을 하는가를 연구한다. 유전자 하나하나도 물론 연구하지만 유전자는 서로서로 얽혀서 영향을 준다. 만약 당뇨를 연구한다면 당뇨에 관련되는 유전자들 모두를 연구해야지 단순히 당뇨조절 유전자인 인슐린 하나만을 연구해선 부족하다. 당연히 모든 유전자들 기본정보는 알아야 한다.

 

(2) 단백질체학(Proteomics):단백질이 최종목적이다

세포가 살아가려면 유전자가 일을 해야 한다. 예를 들자. 밥이 들어오면 밥알을 분해하는 효소(아밀라아제)를 만들어 내야한다. 그러려면 그 아밀라아제 유전자가 켜져야 한다. 켜져서, 즉 전사되어 mRNA를 만들고 여기에서 단백질(protein), 즉 아밀라아제가 만들어져야 한다. 인간유전체에는 약 24,000개 유전자가 이런 일을 한다. 이들이 만들어내는 단백질들은 효소, 호르몬, 콜라겐 등 다양한 종류들이 있다. 이놈들이 세포를 움직인다. 이들을 연구하는 것이 단백질체(proteomics) 분야다(사진).

 

(사진: 환자 혈액에서 DNA, 단백질 전체 정보를 알면 건강 정보를 획득, 예측할 수 있다)

(3)세포체학(Cellomics):세포가 모이면 사람이다

몸은 70조 세포로 만들어지고 세포종류가 230개나 된다. 수정란은 분열을 시작하여 각가지 세포로 변해서 태아를 완성한다. 백혈구처럼 어떤 세포는 10일 살다가 죽는 놈도 있고 줄기세포처럼 계속 살아가는 놈도 있다. 세포가 늙으면 사람도 늙는다. 세포는 홀로 있지 않다. 세포들 사이에는 서로 연결되어 있다. 세포체학 분야는 세포가 왜 늙는가, 어떻게 새로운 놈으로 대체되는가, 줄기세포는 어떻게 만들어지고 어떻게 원하는 세포로 만드는 가를 연구한다. 노화, 재생의학에서 중요한 분야다.

 

(4)대사체학(Metabolomics):물질을 만들어야 세포가 움직인다

세포내에는 DNA, RNA, 단백질 같은 고분자 이외에 저분자물질로 가득 차 있다. 포도당, 비타민, 아미노산등 세포가 먹고 뱉어내고 서로 주고받는 물질들이 수프처럼 꽉 차있다. 밥을 먹고 나서는 어떻게 에너지가 만들어지는지, 여기에 관여하는 놈들은 나중에 어떤 경로로 분해되고, 페니실린은 어떤 경로로 만들어 지는가 등 생산과 분해에 관련된 경로연구가 대사체학 이다. 세포를 이용해서 무언가 물질을 만들어 낼 때는 아주 중요한 역할을 한다. 예를 들어 대장균에서 휘발유를 만들려면. 먼저 대장균에서 만들어지는 모든 물질 경로(pathway)를 알아야 한다. 그럴 경우 중간에 어떤 물질들이 얼마큼 생산되는지를 확인해야 한다. 즉 대사물(metabolite)들을 모아서 연구해야 한다. 이게 대사체학 이다.

 

(5)시스템 생물(System biology):세포내 회로를 맘대로 주물러보자

생물을 하나의 시스템(system)으로 해석해보자. 예를 들면 효모가 알코올을 만드는 과정을 한 박스(Box)로 놓고 이 안에서 모든 것이 자동조절 된다고 생각해보자. 실제로 효모는 완전히 독립된 하나의 박스, 즉 개체이다. 다시 말해서 효모 내부 관련유전자들, 효소들은 서로 얽혀서 일을 하지만 하나의 시스템, 즉 알코올을 만드는 시스템 안에서 조절된다. 그렇게 한 조각조각 레고를 맞추어 가면 대장균도 로봇처럼 조정되고 해석할 수 있다. 알코올 생산시스템, 회로를 완전히 파악하고 어떻게 돌아가는지 알았다하자. 그러면 이것을 그대로 다른 생명체에도 적용할 수 있다. 예를 들어 휘발유생산 시스템을 만들려면 어떤 유전자들을 어떻게 연결했을 때 시간당 얼만 큼 휘발유가 나오겠다는 것이 예측된다. 이 시스템을 그대로 대장균에도 적용할 수 있다. 컴퓨터가 여러 개의 모듈을 끼워 넣으면 되듯이 여러 개의 시스템을 모으면 하나의 생물체를 이룬다는 의미다. 결국 시스템 생물은 모든 오믹스(Omics) 즉 유전체, 단백질체. 세포체. 대사체를 모아놓고 이걸 하나의 큰 틀에서 연구하는 분야다. 분야는 생물체가 관여하는 모든 분야다.

 

(6)구조생물학(Structural Biology): 구조를 알면 신약이 보인다

생물체에서 구조를 알면 무슨 연구가 가능할까. 예를 들어 세포외곽에 안테나처럼 달려 있는 수용체(receptor)구조를 알면 항암제를 만들 수 있다. 즉 세포외곽 안테나에 어떤 신호물질(호르몬)이 달라붙어서 그 세포를 미친 듯이 자라게 한다면 이 세포는 암세포가 된다. 마치 안젤리나 졸리의 유방암과 같다. 그녀 유방세포는 안테나가 정상인보다 100배 많다. 그만큼 신호를 많이 받아 100배 빨리 자란다면 그게 유방 암세포다. 이걸 막으려면 먼저 안테나의 정확한 구조가 필요하다. 이런 구조를 가진 안테나에 달라붙는 물질을 찾는다면 이게 유방암치료제다. 세포내 많은 물질 중에서 단백질구조를 연구하는 그룹이 많고 그 분야가 넓다. 단백질이 세포내에서 제일 중요한 일꾼이기 때문이다. 신약개발도 구조생물학에서 출발한다. 예를 들면 수용체 구조를 컴퓨터로 예측해서 3차원구조를 만든다(사진). 그 다음 거기에 끼어 들어가는 물질을 찾거나 디자인해서 화학합성한다. 그것이 신약후보물질이다. 이 물질들을 암세포에 투여해서 효과가 있다면 본격적으로 동물실험에서 확인하고 인체실험에서 다시 효능을 확인한다. 구조생물학은 따라서 신약개발의 중요한 첫 걸음이다.

 

(구조생물학: 세포막에 꽃혀 있는 수용체: 이를 통해 신호가 오간다. 이 구조를 알면 신호차단제를 만든다)

 

 

 

 

 

 

(7)뇌과학(NeuroScience):뇌는 곧 사람이다

중고등학생들이 가장 흥미 있어 하는 분야가 뇌과학이다. 뇌과학은 이제 막 첫발을 딛기 시작했다. 지금까지는 세포가 어떻게 생겼고 이를 관장하는 DNA가 어떻게 명령을 내리는 가를 연구했다. 이제는 인체를 조종하는 뇌가 주 관심사다. 뇌는 인체다. 뇌가 바로 사람이다. 뇌세포 하나하나를 연구하기 시작했다. 더불어 서로 연결된 뇌세포(뉴런)들이 어떻게 신호를 전달하는지도 알아낼 수 있다. 기억이 어떻게 형성되고 꺼내고 잊어버리는지도 세포수준에서 조사한다. 실제 뇌세포 유전자를 빛에 반응하게 빛 유전자를 삽입한다. 이어 뇌에 빛(LED)을 쬐면 바로 그 유전자가 일을 한다. 어떻게 기억이 형성되는가를 이제는 빛으로 확인하고 볼 수 있다는 이야기다. 이는 뇌과학 일부다. 이런 일이 가능하려면 먼저 ‘뇌지도’, 즉 뇌세포 연결망 지도가 만들어져야 한다. 세포내 DNA지도를 그동안 만들었다면 이제는 뇌세포가 서로 어떻게 연결되었는지를 알려 한다. 이 거대한 ‘brain project’가 완성되면 인간게놈이 완성된 것보다 훨씬 깊은 연구를 할 수 있다. 뇌 줄기세포 연구도 급상승 중이다. 지금은 줄기세포를 실험실에서 배양해서 뇌를 만드는 초기단계다. 이런 모든 노력은 세 군데로 집중된다. 첫째는 뇌질환 치료·예방이다. 둘째는 인간 뇌를 기계 도움으로 성능을 향상시킨다. 셋째는 인간두뇌 알고리즘 모방 인공지능 개발이다.

 

(8)노화(Aging): 병치레 없는 팔팔한 노년이 최고다

노화과학은 단순한 수명연장이 목표가 아니다. 마지막 순간까지 병치레 없이 팔팔하게 지내는 게 목표다. 노화가 왜 생기는지, 노화를 방지하는 방법은 무엇인지, 노화에 따른 질병 예방·치료는 어떻게 하는지가 연구대상이다. 현재 노인인구는 전체인구 12.7%(2015기준)이지만 30년 내 24.3%까지 올라간다. 한국 고령화속도가 세계 최고다. 나이든 사람들이 많아지면 무슨 일이 벌어지나? 우선 아픈 사람이 많이 생긴다. 의료비용이 증가한다. 노인들 부양비용이 많아진다. 누가 책임지나? 젊은 사람들이다. 점점 허리가 휜다. 경제적 부담이 는다. 노인들 건강비용과 함께 노인관련 산업이 급증할 것이다. 지금은 저 출산으로 산부인과가 줄어든다. 대신 노인들이 많이 앓는 병들, 주로 만성질환환자가 급속히 늘어난다. 해당 분야 연구가 뒤를 받쳐야 한다. 해당 분야 산업비중이 커질 것이다.

  과학과 기술은 비슷하지만 둘은 근본적으로 다르다. 돈을 놓고 보자. 과학(기초학문)은 돈을 써서 원리를 밝힌다. 공학(응용학문)은 과학을 이용 돈을 번다. 그렇다. 과학은 원리를 캐고 공학은 원리를 바탕으로 제품, 기술을 만들어 낸다. 과학이 순수학문, 공학이 응용학문이다. 백신 만드는 것을 보자. 에볼라 바이러스 구조가 어떻게 생겼고 어느 부분을 타깃으로 백신을 만들까 구상하는 것은 사이언스, 즉 과학이다. 반면 백신을 구성하는 DNA 부분이 들어간 효모를 배양기에서 어떻게 배양하고 백신 DNA를 어떻게 분리해서 주사제로 만드는 가를 연구한다면 이는 기술, 즉 응용분야다. 이번에는 DNA를 보자. DNA가 어떤 구조이고 어떻게 복제되는가를 연구하는 사람은 순수 과학을 한다고 한다. 반면 DNA 복제과정을 응용해 아주 소량 DNA를 무한정 복제하는 PCR(중합반응)기술을 만들어서 범인색출에 쓴다면 응용과학자에 가깝다. 어느 부분이 더 좋은가는 순전히 개인 성향에 따라 다르다. 바이오 회사에서는 어떤 사람이 필요할까.

 

답은 둘 다 이다. 만약 박테리아에서 항생제를 만드는 회사라 하자. 이 회사가 새로운 항생제를 만들려고 한다면 우선 박테리아를 흙 속에서 분리해내야 한다. 이후 세포내에서 어떤 경로로 항생제가 생합성 되는가를 밝혀내야 한다. 이는 미생물학, 생화학, 화학, 즉 기초학문을 전공한 사람이 해야 한다. 다음에 해야 할 일은 항생제를 싼 가격으로 만드는 일이다. 박테리아를 배양기에서 어떤 방식으로 키워야 가장 많이 생산될지, 이때 총 비용은 어떻게 될지, 불순물이 섞인 것을 어떻게 분리해 제거할지 등등은 응용과학을 전공한 연구원이 주로 하게 된다. 항생제 회사에서는 둘 다 필요한 인력이다. 물론 새로운 항생제를 만드는 박테리아만 찾아내서 외국회사에 특허균주를 판다고 하는 벤처회사라면 순수과학을 하는 사람만 있어도 될 내용이다.

 

그러나 모든 학문, 특히 바이오는 무 자르듯 순수과학과 응용기술이 구분되지 않는다. 중간영역이 많이 있다. 과학을 전공한 사람이 기술 산업화 방향으로 집중할 수도 있다. 바이오 분야도 이와 유사하다. 먼저 기초분야를 보자.