생물물리학: 생명현상에서 물리법칙을 찾는 새로운 학문

DNA부터 단백질과 세포까지, 생명 속 모든 과정의 물리학이란?

생명의 본질에 다가가 질병 메커니즘을 이해하는 생물물리학

생명에서 물리법칙을 찾는다고?
물리학자라고 하면 누구나 뉴턴이나 아인슈타인을 떠올릴 것이고, 물리학이라고 하면 세상에서 가장 작은 물질을 찾는 입자물리학이나 저 먼 우주에 있는 블랙홀을 연구하는 천체물리학을 떠올릴지도 모르겠다. 그런데 생물물리학이라고 하면 대부분 무엇을 떠올려야 할지 모를 것이다. 처음 듣는 사람도 있을 테고 말이다.
생물물리학이란 생명현상에서 물리법칙을 찾는, 생물학과 물리학이 융합된 학문이다. 한국 물리학계에서 생물물리학이 분과로 인정받은 지 겨우 5년밖에 되지 않았으니 대부분의 사람들이 잘 알지 못하는 학문인 것은 당연한지도 모르겠다.
생물학과 물리학은 언뜻 어울리지 않아 보인다. 하지만 생명 역시 지구에 존재하는 물질로 만들어져 있고 우주의 물리법칙에 지배받는다. 생명을 이루는 물질은 수도 없이 많고, 그곳에서 일어나는 현상은 셀 수도 없이 많겠지만, 관찰할 수 있다면 측정할 수 있고, 그렇다면 그 사이에서 물리적 법칙을 발견할 수 있을 것이다. 그리고 그 법칙은 생명의 신비를 알아내는 데 어떤 열쇠가 되어줄 수 있을 것이라는 것이 생물물리학자의 생각이다. 그래서 생물물리학자들은 생명을 연구하기 위해 측정 장비를 개발하고 생명현상에서 물리법칙을 찾는다.
생물물리학이 어떤 학문인지는 물리학과 생물학, 생물물리학이 연구도구를 대하는 자세를 봐도 잘 알 수 있다. 물리학은 자와 시계를 이용해 물체가 날아가 바닥에 떨어지는 거리와 시간을 측정하거나, 입자가속기 같은 거대한 장치로 힉스 입자를 발견한다. 이 과정에서 도구의 고안과 개발이 매우 중요하다. 한편 생물학은 궁금한 관찰 대상인 생명 그 자체에 관심이 있기 때문에 새로운 도구를 만들기보다 이미 만들어진 도구를 활용한다. 이와 비교해 생물물리학은 생명의 기능을 측정할 수 있는 도구를 만드는 것도 중요하고 생명체를 잘 관찰해 거기에서 물리법칙을 찾아내는 것도 중요하다.
그런데 왜 생물물리학자들은 생명에서 물리법칙을 찾으려 할까? 생명체의 구조와 기능을 지금보다 더 잘 이해하기 위해서다. 예를 들어 DNA 이중나선의 꼬여 있는 정도가 어느 기준보다 낮은 경우에는(‘음성 초나선 꼬임’이라고 한다) 적은 힘이 가해져도 잘 풀리므로 DNA 복제 과정이 비교적 수월하다. 실제로 진핵세포 생명체의 대부분은 음성 초나선 DNA 구조라서 적은 힘으로도 이중나선 가닥이 쉽게 풀린다. 생물물리학자는 여러 생명체의 DNA 이중나선의 탄성이나 이중나선이 풀리기 위한 기준 힘 등을 다각도로 연구해 생명의 법칙을 찾으려 한다.
이렇게 생명 현상을 이해하여 인류를 위한 지식을 축적하는 것도 중요하지만, 여기서 더 나아가 질병의 메커니즘을 알아내면 질병의 진단과 치료에 획기적인 방법을 찾아낼 수 있다.
《살아있는 것들의 물리학》은 생물학과 물리학이 융합된 생물물리학이 어떻게 생명현상을 관찰하고 이해하는지, 또 그것이 인간의 삶을 어떻게 더 낫게 만드는지 잘 보여주는 책이다.

생물물리학이 밝혀낸 생명현상
《살아있는 것들의 물리학》에서는 생물물리학자가 생명에서 물리법칙을 찾기 위해 개발한 여러 도구들과 이를 활용해 새롭게 밝힌 과학을 소개한다. 우리는 DNA, RNA를 거쳐 단백질의 구조를 분석하는 인공지능에 이르기까지 새로 개발한 도구와 과학적 발견 덕분에 인간의 모든 유전자를 분석할 수 있게 되었다. 이 모든 성과를 이뤄낸 생물물리학자의 연구를 7장으로 구성했다.
<1장 얼마나 작은 것까지 볼 수 있을까?>에서는 현미경에 대해 알아본다. 현미경은 생물학에서 가장 중요하고 오랜 도구이다. 1장에서는 현미경이 어디까지 발전했는지, 최신 현미경으로 알아낸 것은 무엇인지, 초고해상도현미경을 통해 식별해낸 생명체의 미세구조는 어떠한지 살펴보고, 그것을 어디에 활용할 수 있는지 설명한다.
<2장 분자 한 개를 잡을 수 있다고?>에서는 생명체의 분자 단위에서 알아낼 수 있는 것은 무엇인지, 분자를 분리해내는 광족집게의 원리와 이를 활용해 알아낸 것은 무엇인지, 단분자 형광공명에너지전달이 무엇이고 이를 통해 무엇을 알아냈는지 설명한다.
<3장 DNA 물리학>에서는 유전 정보를 담고 있는 DNA의 이중나선 구조를 알아낸 이래, 자기집게와 광족집게로 DNA의 탄성과 물성을 연구하고 염색질의 동역학을 측정하기까지 DNA의 구조와 성질을 밝혀낸 생물물리학적 연구를 살펴본다.
<4장 DNA 복구 과정과 유전자 편집 기술>에서는 유전자 편집기술을 통해 우리가 어떻게 질병을 고칠 수 있게 되는지 살펴본다. 또한 DNA 염기서열을 분석함으로써 인간 유전자의 전체 구조를 어떻게 밝혀냈고, 유전과 관련한 생명의 물리법칙을 어떻게 알아냈는지 설명한다.
<5장 RNA 물리학>에서는 DNA보다 앞서 발현되었을 거라는 ‘RNA 세계’ 가설에 대해 이야기하고, DNA의 유전 정보를 전달하는 RNA가 어떻게 작동하는지, RNA의 특성과 전사에 대해 밝혀낸 연구 과정을 설명한다.
<6장 단백질 물리학>에서는 생명의 기본이 되는 단백질의 구조가 왜 중요한지 알아보고, 단백질의 물리적 특성으로 무엇을 알 수 있는지 살펴본다. 또한 생물학의 중요한 관찰도구인 형광단백질이 어떻게 생명현상을 보여주는지 설명한다. 또한 인공지능을 이용해 단백질 구조를 예측하는 최근의 연구도 살펴본다.
<7장 세포 물리학>에서는 세포를 관찰해서 알아낼 수 있는 것을 알아본다. 뇌가 어떻게 공간을 인지하는지, 생체시계가 생명체에 어떤 역할을 하는지 설명하고, 생체 조직을 투명하게 만드는 기술과 더 깊은 곳까지 또렷하게 보여주는 적응광학이 무엇인지도 살펴본다.

물리학의 특성과 생물학의 주제가 하나로
생로병사의 비밀을 밝히고 노화와 질병을 막으려는 인간의 노력은 과학을 더욱 발전시켰다. DNA의 구조가 밝혀지면서 시작된 분자생물학 등 현대적 생물학과 물리학이 융합된 생물물리학은 컴퓨터와 현미경 등 첨단도구가 개발되면서 더욱 발전하고 있다. 생물물리학자는 더 나아간 과학적 주제와 도구를 활용하여 생명현상을 이해하려고 한다. 질병을 연구하고 신약을 개발하는 과정에서 생물물리학은 더 발전된 모델과 도구를 활용하여 눈부신 성과를 거두고 있다. 요즘 더욱 화제가 되고 생활 전반에 침투하고 있는 인공지능은 생물물리학의 중요한 연구방법이 될 것이다.
《살아있는 것들의 물리학》은 생물물리학이 밝히려고 하는 생명현상의 비밀은 물론, 발전하고 있는 과학적 주제와 도구들이 어디로 나아가려고 하는지 그 일면을 파악하는 데도 큰 도움이 될 것이다.