연재기사

706 … NICE, 제27권 제6호, 2009

서론2006년의 노벨 화학상은 X-선 결정법(X-Ray

Crystallography)이라는 광학정보기술을 이용하고,

결합(화학) 반응을 유도하는 RNA 폴리머라제라는

효소에 의해 DNA에서 mRNA로 유전자 코드가 완

벽하게 복사되는 전사(Transcription)의 메커니즘을

밝혀낸공로로미국Stanford 대학의Roser Kornberg

교수가수상했다. 2009년의노벨화학상은X-선결정

법과, 2009년노벨물리학상을수상한, 디지털카메라

에 탑재되는 광 검출기인 전하결합소자(CDD)인 광

학 센서를 이용해 단백질 공장인 리보솜(Ribosomes)

에서 mRNA가 가져온 유전자 코드를 완벽하게 번역

(Translation)하여 단백질을 만드는 메커니즘을 밝혀

낸 공로로 국/미국/이스라엘의 세분의 과학자들이

수상했다. 이들은 모두 기존의 화학공학기술에 광학

정보기술과 바이오기술을 융합함으로써 생명과학의

비 을 풀어낸 것이다. 이제 여러 기술들을 융합하지

않고는 화학공학의 미래는 없다는 의미이다. 이에 대

해 자세히 살펴보고 이외의 몇 가지 최첨단 융합사례

를들어화학공학의미래를전망해보기로한다.

2006 노벨 화학상우리 몸이 유전자에 저장된 정보를 이용하려면 복

사(Copy)가반드시먼저일어나야하고그다음만들

어진 물질(단백질)들을 세포 외부로 내보내야 한다.

예를 들어 유전 정보는 단백질 생산을 위한 명령으로

2006년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법이라는 광학정보기술을 이용해 유전정보의 전사의 메커니즘을 밝혀내 수상했다.

2009년 노벨 화학상은 X-Ray 결정법에 광학센서 기술을 이용해 리보솜에서의 단백질 생산인 번역의 메커니즘을 밝혀

내 수상했다. 또한 다른 화학자들과 화학공학도들은 바이오기술과 여러 다양한 기술을 융합에 탄소나노튜브와 DNA를

합성한 다기능 다용도의 3차원 나노결정 구조물질을 창조하는가 하면 몸 속에서 작동하는 다용도 RNA 컴퓨터를 만들

어 냈다. 이들의 창의와 창조는 인류의 혁명과 인류의 삶의 질을 위해 도전한 결과이다. 그러나 이들의 광과 명예의

전당 핵심기술은 바로 화학기술이라는 점이다. 따라서 이제부터는 기존의 화학기술에 다양한 학문과 기술을 융합하는

화학융합기술에 도전해야 하는데, 이는 화학공학도들의 몫이며 도전이다.

“새로운 비트(BIT)가 온다(III)”

바이오화학융합과 화학공학융합의 미래차 원 용

아스팩미래기술경 연구소소장, wycha@StudyBusiness.com

이용되는데, 그러면 그 다음 단백질들은 실제 유기체

(Organism)를 구축하고 그 유기체의 기능을 활성화

한다. 이때 DNA에서 mRNA로의 유전 정보 복사과

정을 전사(Transcription)라 부른다. 로저 콘버그 교

수는 박테리아의 반대 개념인, 잘 정제된 핵(well-

defined nucleus)을 가진 세포 유기체들을 유핵세포

(eukaryotes)라 정의하는데, 이들 유핵세포 내의 분

자 수준에서 전사가 어떻게 일어나는지를 실제 그림

으로 작성한 최초의 과학자이다. 인간과 같은 포유류

들을 비롯한 이스트(yeast)에 이르기까지 이 과정은

동일하며 이들은 모두 유핵세포 그룹에 속한다. 따라

서전사는모든생물체에반드시필요한과정이다.

생명 현상을 유지하기 위해선 인슐린이나 소화 효

소 등 수만 가지의 단백질이 있어야 한다. 어떤 단백

질이 만들어지려면 반드시 DNA→ RNA→ 단백질

합성으로이어지는유전정보전달과정을거친다. 즉,

몸에 혈당이 높아 인슐린이 필요하다는 정보가 세포

로 전달되면 DNA는 인슐린을 만들 수 있는 유전 정

보를 전달하기 위한 RNA를 합성한다. 인슐린은

DNA로부터 RNA가 가져온 유전 정보를 바탕으로

만들어진다. 콘버그 교수는 DNA에서 RNA가 합성

되는과정을분자수준에서규명한것이다.

로저 콘버그의 기여는 이 과정을 X-레이 결정법을

이용하여 상으로 그려냈다는 점이다. 그의 그림들

은 대부분 2001년에 만들어진 것들인데, 우리는 그의

그림에서 새로운 RNA 가닥들이 지속적으로 만들어

지고있으며, 전사과정에서다른분자들의역할도중

요함을 볼 수 있다. 그의 그림들은 너무도 상세해서

몇몇원자까지분리해낼수있으며전사가어떻게일

어나고 조절되는지를 자세히 이해할 수 있다. 물론

[그림 1]은실제분자들의이미지가아니라컴퓨터로

만든 것이다. 그러나 컴퓨터를 활용한 DNA와 RNA

의 전체 합성 과정을 그림으로 나타내어 분자 메커니

즘을이해할수있도록한것이그의업적이다.

중요한것은하얀실타래들인RNA-폴리머라제효

소들이다. 이들은 오른쪽으로 뻗은 이중나선 띠 형태

의DNA(DNA-helix, 푸른색)에서빨강색의RNA를

합성케 하고, 유전 정보를 구성하는 32억 개의 염기

서열들이정확하게RNA로전사되도록아주작은공

간(Cavity)을만든다. 그리고이공간에32억개의염

기 서열들이 상보성 원칙에 따라 A→ U(T를 U로),

T→ A, G→ C, C→ G의 순서로 정확하게 전사토록

한다. 정확한 전사가 끝나면, 푸른색의 DNA 가닥들

은 RNA-폴리머라제 내에 있는 초록색의 아주 작은

나선구조(a small helical structure in green color)에

의해 즉시 그 자리를 떠나 앞으로 전진하게 한다. 그

다음 RNA가 핵에서 빠져나가 리보솜으로 이동하면,

이 스프링 같은 초록색의 나선구조가 앞으로 갔다 뒤

로 갔다 하면서, 또 다른 RNA 합성 및 전사를 위해,

DNA 가닥으로하여금다시중앙의제자리에위치토

록한다. 독버섯에의해독에감염되면독소들은바로

이 RNA-폴리머라제들의 과정을 파괴하는 것이므로

RNA 합성도불가능하고전사도불가능하게된다. 따

라서로저콘버그의업적은최초로RNA-polymerase

↔ DNA ↔ RNA 라는 트라이앵 과정을 구조화한

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 6, 2009 … 707

차원용

그림 1. X-선 결정법에 의한 RNA-polymerase ↔ DNA(ds)↔ RNA(ss)라는 트라이앵 과정 구조화(노벨상위원회, 2006).

것이며, DNA에서 RNA를 먼저 합성하고, 그 다음

DNA의 정보를 RNA로 전사할 때 염기들의 정확한

화학(결합) 반응을유도하는것은바로RNA 폴리머

라제효소이며, RNA 폴리머라제효소와염색체에있

는DNA 폴리머라제효소가상호협력한다는사실을

밝혀낸것이다.

2009 노벨 화학상전사(Transcription)가 있으면, 그 다음 mRNA에

전사된 유전 정보를 mRNA가 공장인 리보솜

(Ribosome)으로 가져가 번역(Translation)하는 과정

이있어야한다. 앞서소개한2006년의노벨화학상은

전사(Transcription)의메커니즘을밝혀수상했다. 이

번 2009년도노벨화학상은따라서나머지단계인번

역(Translation)의 메커니즘을 밝혀 수상했다는 점이

다. 즉, 2009년 노벨 화학상 수상자들은 세포 내의 일

련의 단백질 공장(Protein factory)인 리보솜에서의

DNA 정보를 생명으로 번역하는 메커니즘을 밝혀낸

것이다. 이 과정을 통해 리보솜은 단백질을 생산하고,

단백질은모든살아있는유기체들에서생명을구축하

고 화학반응(화학 상호작용)을 제어한다. 이는 리보

솜은 생명에 필수적이라는 뜻이며 따라서 새로운 항

생제(New antibiotics)를 위한 주요 표적이라는 뜻이

다. 수상자들은 이러한 역할을 하는 리보솜이 어떻게

생겼으며 원자 수준에서 어떤 기능을 하는지를 밝혀

냈다. 3분의 수상자들은 모두 X-선 결정법(X-ray

crystallography) 매핑 방법과 2009년 노벨 물리학상

을 수상한 디지털 카메라에 들어가는 광학센서를 이

용해 리보솜을 구성하는 수십만 개의 각각의 원자들

의위치들을그림으로그려냈다.

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연재기사-새로운비트(BIT)가온다(III)

그림 2. DNA에서 단백질까지, 생명의 코어 프로세스(노벨상위원회, 2009).

모든 유기체들 내의 모든 세포 안에는 DNA 분자

들이 있다. 이 DNA 분자들은 어떻게 인간이 되는지,

하나의 식물이 어떻게 생명을 유지하고, 하나의 박테

리아가 어떻게 삶을 위하는지 등의 청사진

(Blueprints)인 유전자 코드인 코돈(Codon)을 갖고

있다. 그러나 DNA 분자들은 수동적(Passive)이라는

점이다. 만약 이 청사진을 번역하고 실제로 만들어 낼

수있는다른것들이존재하지않는한어떠한생명체

도살아남을수없다. 따라서이청사진들은리보솜의

작업에 의해 실제 살아 있는 실체로 변형되게 된다.

DNA에있는정보(코드)에따라리보솜은단백질들을

만든다. 예를들면, 폐에서몸전체에산소를실어나르

는 헤모 로빈(oxygen-transporting haemoglobin),

바이러스 등의 항원에 침투하여 항원(antigens)을 죽

이는 면역 시스템이 분비하는 항체들(antibodies), 혈

당의 수치가 높아 질 때 이를 낮추는 인슐린 같은 호

르몬(hormones such as insulin), 피부의 콜라겐

(collagen), 설탕을 분해해 에너지를 만드는 효소

(enzymes), 머리카락이나 손톱을 길러내는 케라틴

(Keratin) 등 우리 몸에는 수십만 개의 단백질들이

존재하는데, 이들 단백질들은 형태가 서로 다르고 기

능도서로다르다.

이들이 밝혀낸 가장 혁혁한 공로는 생명의 과학적

이해를 제시한 것이다. 따라서 실제적이고 즉각적으

로 활용할 수 있다. 예를 들면 오늘날 대부분의 항생

제는 박테리아나 병원균의 리보솜의 기능을 막거나

파괴하여 질병을 치료하는 것이다. 왜냐하면 기능성

의 리보솜이 제거되면 박테리아들은 절대 살아 남을

수 없다. 이게 바로 새로운 항생제를 위해 리보솜이

새로운 표적으로 떠오르고 있는 이유이다. 수상자들

은 서로 다른 항생제들이 리보솜에 어떻게 달라 붙는

지 3차원 모델로 제시했다. 이들이 제시한 모델들은

현재 새로운 항생제를 만드는데 사용되고 있으며, 생

명을 살리고 인간의 고통을 줄이는데 획기적인 역할

을하고있다.

미래의 화학공학에 도전탄탄소소나나노노튜튜브브++DDNNAA == 33차차원원 나나노노결결정정 구구조조물물질질 -

2008년1월31일, 탄소나노튜브기술과DNA의메커니

즘을이용하는기술이발견되었다. 미국노스웨스턴대

의 화학과 및 국제나노연구소의 채드 미르킨(Chad

Mirkin) 교수 및 박성용 박사(Park & Mirkin et al.,

2008), 그리고 미국 브룩해븐연구소의 기능성 나노물

질 센터와 생물학과의 과학자들이(Nykypanchuk &

Gang et al., 2008) DNA의 상보성 원리와 자기조립

원리를 이용해 스스로 조립되는 콜로이드 10나노입자

의3차원결정구조물질을만들었다.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 6, 2009 … 709

차원용

그림 3. (A) Nykypanchuk & Gang et al.(2008)과 Park &Mirkin et al.(2008)이 상보성의 염기가 코팅된 두종류의 10나노크기의 금 나노입자(공)를 결합. A입자(빨강색)와 B입자(파랑색)는 수십 개의 DNA 염기 가닥이 코팅되어 있어 상보성의 원리에 의해CH2 공유결합을 한다. 이들 가닥들의 끝에 바로상보성 염기들이 코팅되어 상보성에 따라 결합하는데, 이를 금과 악수하기(Golden Handshake)라 부른다. (B) 물에서의 혼합과 온도 조절을 통해 고온에서는 서로 결합하여 3차원 결정체를 이루고 다시 온도가 냉각되면 용해 분리되어 금 나노입자로 되돌아 간다. 본 그림은 금 나노입자들이 자기조립하여 커다란 잘 배열된(Ordered), 빨강입자A를중심으로 8개의 B입자들이 대칭을 이루어(이를body-centred-cubic, b-c-c라 부름) 3차원 큐빅의 결정체 어레이를 구축한 이미지이다. 이를 잘 활용하면 하나의 셀(Cell)에 A를 게이트웨이로 하여 총8개 이상의 정보를 담을 수 있고, 8개 이상의 약을담아 몸 안에 침투시킬 수 있다(Crocker, 2008).

이들은 10나노 금(Gold) 입자(AuNP, Au Nano

Particle)인A에수십개의DNA 염기가닥을코팅하

고, 여기에 대응하는 상보성의 DNA 염기 가닥이 입

힌또다른금나노입자B를혼합하여, 스스로조립되

는 3차원 구조 결정체의 나노물질을 발견한 것이다.

이를 금과 악수하기(Golden Handshake)라 부른다

(Crocker, 2008). 따라서앞으로일반성질이아닌특

정 성질을 가진 기능성의 나노 복합체나 메타물질을

원하는 3차원 구조로 만들 수 있는 발판을 마련한 것

으로, 향후광학/전자물질, 태양전지, 각종화합물, 그

리고 약물전달 물질로 활용할 수 있을 것으로 기대하

고있다.

몸몸 속속에에서서 작작동동하하는는 다다용용도도 RRNNAA 컴컴퓨퓨터터 - 2008년 10

월 캘리포니아공대(Calteh)의 화학공학과 교수들은

살아 있는 세포의 RNA 가닥을 이용해 스스로 자기

조립하는 나노크기의 RNA 분자 컴퓨터를 만들었다

(Win and Smolke, 2008). 프로그램이 가능한 이

RNA 컴퓨터의궁극적목표는세포안에서생물학적

분자기능들을제어하는것인데, 예를들면죽어야할

세포나 단백질이 살아 있으면 이를 감지하여 죽이고,

암세포까지제거할수있으며, 특정약을전달하는스

마트한 약물전달시스템(Smart Drug Delivery

Systems)으로도활용할수있다.

바이오분자(Biomolecules)를 이용해 최초의 컴퓨

터를 데모한 것은 1994년에 University of Southern

California의 Leonard Adleman이었다. 그 이후 이스

라엘 Weizmann Institute of Science의 Ehud

Shapiro가 그 방법론을 발견했다. 그러나 이번 연구

결과는 세포 안에 특정 분자들이 있는지 없는지를 식

별하는최초의능력을가진RNA 컴퓨터이다. 따라서

세포 내의 특정 환경에 반응하는 컴퓨팅 디바이스를

만들 수 있다는 가능성을 제기하고 있다. 예를 들면,

이 RNA 디바이스에 프로그램과 약을 넣어 적재 적

소에적기로약을방출시킬수있다.

Smolke와 Win은 형광 단백질을 생산하는 이스트

세포(Yeast Cells)의 테트라사이클린(Tetracycline)

과데오파일린(Theophylline)이라는두가지약을감

지해 내기 위해 RNA 컴퓨터를 디자인했다. 이 바이

오컴퓨터는 나노크기의 3가지의 주요 요소기술로 만

들었다. 센서(Sensors), 구동체(Actuators), 그리고

송신기들(Transmitters)로이들은모두RNA 가닥으

로 구성되었다. 입력장치 역할을 하는 센서들은 특정

표적에 달라 붙는 항체(Antibodies) 역할을 하는

RNA 분자들인아프타머(Aptamers)로만들었고, 출

력장치 역할을 하는 구동체들은 효소의 촉매 역할을

하는 촉매 특성을 가진 RNA 분자 복합체인 리보자

임(Ribozymes)으로 만들었다. 그리고 이 둘을 연결

하는다른RNA 분자로만들어진송신기들은센서가

하나의 입력 화학분자를 감지하면 바로 구동체를 작

동시키는 것이다. 그 결과 이들 3가지의 RNA 요소

기술들은 다양한 유형의 로직 게이트(Logic Gates)

역할을 하고 있음을 밝혀 낸 것이다. 예를 들면 하나

의 AND 게이트는 센서가 반드시 두 가지 약을 감지

해 낼 때에만 하나의 출력을 만들어 내고, 반면 하나

의NOR 게이트는두가지약중하나도감지되지않

을때출력을만들어낸다.

그러나 이번 연구는 데모에 불과하다. 하지만 이번

분자 모듈을 잘 이용하면 플러그 & 플레이 기능

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연재기사-새로운비트(BIT)가온다(III)

그림4. RNA 컴퓨터(사진: Technology Review (17/Oct/2008)).

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 6, 2009 … 711

차원용

(Plug-and-Play Capability)의컴퓨터디바이스를만

들어낼수있고다양한방법으로이들을조합해낼수

있다. 그러면 서로 다른아프타머들은서로 다른 수천

가지의신진대사작용이나단백질의입력을감지해낼

수 있다. 이들이 만든 디바이스는 우선 DNA에 RNA

염기를 엔코딩하고 그 다음 이것을 세포 안에 주입한

것이다. Smolke와Win은이미가능한동물실험을하

기 위해 동료 연구자들을찾아냈다. 이들은함께 이들

바이오컴퓨터가실제로동물의세포에전달될수있는

지를 연구할 예정이다. 또한 작동이 되면 대규모의센

서를만들기위해연구규모를확대할예정이다.

결론이상 살펴본 바와 같이 화학공학기술의 미래는 밝

으며 그 융합기술과 응용기술의 개발과 적용 범위는

무궁무진하다. 118개 원자들은 결국 화학법칙에 따라

빌딩블록되어 분자가 되고 물질이 되기 때문이다. 그

러나 기존의 화학기술과 화학공학기술만으로는 안된

다. 정보기술을 융합해야 하고 바이오기술을 융합해

야생명의비 을밝혀인류의삶의질을향상시킬수

있는 약도 만들고 백신도 만들 수 있으며, 남들이 만

들수없는새로운기술을창조할수있다. 이를위해

우리화학공학도들은다양한학문을통섭하고융합해

야 한다. 물리학도 통섭해야 하고 컴퓨터공학도 통섭

해야하며나노공학과정보통신공학도통섭해야하고

생물학도통섭해야한다. 그러나혼자서는다할수가

없을 것이다. 기본 소양 물리/생물/정보통신/나노공

학만통섭하고나머지심도있는전문분야는네트워킹

으로연결하면된다. 이게바로요즘차세대핵심역량으

로 등장하는 오픈 이노베이션(Open Innovation) 베이

스의 소셜네트워킹(SN)이며 지식네트워킹(KN)이

다. 이를 통해 한 가지에만 정통한 I자형(Specialist)

화학공학도가 아니라 전문적이면서 두루두루 아는 T

자형(Specialized Generalist) 화학공학도가 되어야

한다. 그러나더욱중요한것은융합을통한창조라는

점이다. 미래는 예측하는 것이 아니라 바로 창조하는

것이기 때문이다. 그러므로 화학공학은 바로 창조공

학이라 말할 수 있다. 마지막으로 화학공학도들의 건

투와건승과건강과멋진사랑과예술을위해파이팅!

이다.

차원용소장/공학박사/MBA

아스팩미래기술경 연구소연구소장

고려대학교안암캠퍼스교양학부겸임교수

숙명여자대학교정책산업대학원겸임교수

저서 : <한국을먹여살릴녹색융합비즈니스(2009)> 외 다수