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광자 2개를 쏘아 살아 있는 조직을 관찰하다 본문

(연재) 최강 과학, 기초 과학

광자 2개를 쏘아 살아 있는 조직을 관찰하다

Editor! 2021. 11. 8. 16:27

어느덧 10회를 맞은 ㈜사이언스북스와 기초연구연합회의 「최강 과학, 기초 과학」 연재. 한국을 대표하는 기초 연구자를 이야기하는 이 연재 10회의 주인공은 이광자 현미경으로 살아 있는 조직을 관찰하고 계신 조봉래 고려 대학교 명예 교수님입니다. 문자 그대로 “광자 2개”로 시료를 관찰하는 이 현미경이 실용화되면, 살아 있는 조직에서 진행되는 생물학적 현상을 관찰할 수 있으며, 질병의 조기 진단과 치료, 치료 반응의 예측 및 약물의 효능 검증이 가능하게 됩니다. 조봉래 교수님은 이 기술의 핵심 소재인 “이광자 표지자”라는 새로운 분야를 개척해 세계의 연구 흐름을 선도하고 계십니다.

이번 연재를 통해, 탄탄한 기초를 바탕으로 유기 반응 메커니즘에서 소재 과학으로, 또 이광자 표지자로 연구를 확장하며 육안으로 보이지 않는 세계를 탐구하고 계신 조봉래 교수님의 여정을 함께 하시기 바랍니다.


광자 2개를 쏘아 살아 있는 조직을 관찰하다

조봉래 고려 대학교 명예 교수

 

근대 생리학은 생명체가 무언가 신비한 에너지로 움직이는 존재가 아니라, 물리학과 화학의 원리를 통해 이해할 수 있는 복잡한 기계와 같은 것이라는 생각에 바탕을 두고 출발했다. 이 과감한 발상의 전환 덕분에 근대 생리학은 짧은 시간에 놀라운 속도로 발전할 수 있었고, 특히 20세기 이후에는 물리학과 화학에서 일어난 혁신을 받아들여 현대 생명 과학으로 확장 발전되었다.

 

생명 현상을 살아 있는 상태 그대로, 생명체로부터 분리하지 않은 채 관찰하고자 하는 수요는 늘 존재했다. 생리학 초창기에는 그것을 실현할 기술이 없었으므로 개체에서 분리해 고정시킨(또는 생명을 잃은) 시료를 관찰할 수밖에 없었지만, 과학 기술이 꾸준히 발달한 지금은 과거에 비하면 놀랄 만큼 다양한 방식으로 살아 있는 조직이나 기관을 관찰할 수 있게 되었다.

 

살아 있는 조직의 관찰에는 딜레마가 따른다. 관찰이란 기본적으로 에너지를 소비하며 이루어지는 활동이다. 현미경으로 시료를 관찰하는 것은 시료에 빛을 쪼여 거기서 나오는 정보를 읽는 것이다. 그런데 빛은 에너지를 가진 전자기파이므로, 관찰하는 동안 시료는 에너지를 받게 된다. 지나치게 많은 에너지를 받으면 정상적인 생체 활동이 방해받거나 시료가 손상되어, 살아 있는 그대로의 모습을 관찰한다는 목표를 이루지 못하게 된다. 그렇다고 에너지를 마냥 줄일 수도 없다. 지나치게 적은 에너지를 투입하면, 즉 빛이 너무 약하거나 빛을 비추는 시간이 너무 짧으면 현미경으로 정확한 영상을 얻을 수 없어서 역시 관찰이라는 목표를 이룰 수 없다. 살아 있는 조직을 방해하지 않으면서 또렷한 영상을 얻기가 생각보다 쉽지 않은 것이다. 빛이 너무 강하면 조직을 해치고, 빛이 너무 약하면 영상이 흐릿해지기 때문이다.

 

이 딜레마를 해결할 미래 기술로 주목받는 것이 이광자 현미경(two-photon microscopy)’이다. ‘이광자’, 즉 광자 2개를 이용한 현미경이란 간단히 말해 에너지가 높은 광자 하나로 볼 수 있는 것을 에너지가 낮은 광자 2개로 보는현미경이다. 전자기파의 에너지는 진동수에 비례하고 파장에 반비례한다. 우리가 형광 현미경으로 관찰할 때는 자외선 혹은 가시광선을 이용하는데, 가시광선보다 파장이 긴, 즉 에너지가 낮은 근적외선을 사용하는 것이 이광자 현미경이다. 다시 말해 시료에 자외선 혹은 가시광선 광자 하나를 때려서 얻을 수 있는 정보를 에너지가 낮은 근적외선 광자 2개를 때려서 얻는다는 뜻으로 이해하면 된다.

 

이렇게 하면 무슨 이점이 있는가? 에너지가 낮은 광자를 사용하기 때문에 생체 시료에 부담을 적게 주면서 관찰이 가능하다. 즉 형광 현미경보다 더 오랜 시간 관찰해도 조직을 파괴하거나 교란할 가능성이 적다는 뜻이다. 따라서 이광자 현미경을 이용하면 암 환자의 암조직 등을 관찰할 때도 몸에서 시료를 채취할 필요가 없고 몸 안에서 살아 있는 상태 그대로 관찰하는 일이 가능하다. 또 레이저의 세기를 조절하면 암 조직만 선택적으로 제거할 수도 있어, 암이나 다른 질병의 조직 검사와 시술이 대폭 간단해질 수 있는 것이다.

 

사진 출처: 조봉래 교수  

 

이처럼 전도유망한 이광자 현미경 기술에서 두각을 나타내는 연구 그룹 중 하나가 한국에 있다. 바로 조봉래 교수(고려 대학교 명예 교수)의 연구실이다. 조봉래 교수는 이광자 표지자라는 새로운 연구 분야를 개척했으며, 이 분야에서 세계의 연구 흐름을 선도하고 있다. 이광자 현미경 기술이 널리 보급되는 과정에 기술적 병목으로 작용하는 것이 적절한 가격에 신뢰할 수 있는 성능의 이광자 표지자를 공급할 수 있는가?’의 여부인데, 조봉래 교수의 연구는 이런 면에서 향후 발전 가능성이 크다.

 

 

메커니즘 연구에서 소재 연구로 연구 영역을 확장하다

조봉래 교수는 텍사스 공과 대학교에서 유기 화학 반응 메커니즘 연구로 박사 학위를 취득하고 귀국해, 1982년 고려 대학교 화학과에 부임했다. 당시 한국 대학은 독자적인 연구를 수행할 수 있는 기반을 막 갖춰 가던 중이었으나, 미국과 비교하면 여러모로 연구 여건이 열악한 상황이었다. 따라서 그가 미국에서 연구하던 주제를 계속해서 연구하거나 독자적인 연구 분야를 개척하기란 쉬운 일이 아니었다.

 

조봉래 교수는 한국의 여건에서 가능한 연구를 완성도 높게 수행하는 방향으로 전략을 세우고, 고려 대학교에 있던 낡은 자외선 분광계를 사용해 제거 반응 메커니즘 연구를 수행했다. 그 결과 이 분야의 오랜 숙제를 해결하고, 다수의 우수 논문을 국제 저명 학술지에 출판할 수 있었다. 그 후 486컴퓨터와 다단계 반응의 속도 상수를 계산할 수 있는 프로그램이 상용화됨에 따라 PPV 혹은 Poly(p-phenylene vinylene)라 불리는 전도성 고분자의 선구 물질의 중합 반응 메커니즘을 규명하는 데 성공하였다. 그는 반응 메커니즘 연구에서 이룩한 성과를 인정받아 과학 기술 단체 총연합회 우수 논문상(1993)과 대한 화학회 학술상(2003)을 수상했다.

 

1990년대에는 선도연구센터(SRC) 사업이 시작되어 연구비도 늘어나고 새로운 연구 장비의 도입도 활발히 이루어졌다. 조봉래 교수 연구실도 이에 힘입어 새로운 주제로 연구 영역을 넓힐 수 있었다. 특히 PPV와 같은 전도성 고분자 연구 경험을 바탕으로 유기 재료 분야의 연구에서 많은 성과를 냈다. 조봉래 교수는 같은 학과 전승준 교수의 권유로 비선형 광학 물질에 관한 연구를 시작해 팔중극자 분자의 구조-성질 관계를 확립했으며(2015), 자발적으로 배열하여 매우 큰 비선형광학 성질을 나타내는 팔중극자 결정과 필름을 합성하는 데 성공함으로써 이 분야의 궁극적인 문제를 해결했다(2005; 2007; 2012). 그는 이 성과를 인정받아 20083·1문화상 학술상을 수상했다.

 

 

이광자 현미경이라는 새로운 도전

1999년 시작된 국가 지정 연구실(NRL) 사업은 우수 연구자들에게 새로운 기회를 열어 주었다. 조봉래 교수도 NRL 사업에 지원했는데, 새로운 연구 주제로 선택한 것이 이광자 재료였다. 이 과제가 선정되면서 본격적으로 이 분야를 연구할 기회가 열렸다. 새로운 재료에 대한 연구이므로, 물성 측정과 이론적인 계산 등에 다른 분야 전문가의 도움이 필요해 전승준 교수(분광학), 조민행 교수(이론화학)와 공동 연구를 수행하였다.

 

 

이(삼)광자 형광의 원리. 형광 염료에 광자를 쏘면 전자가 들뜬 상태로 올라갔다가 바닥상태로 내려오면서 형광을 방출한다. 들뜸에 필요한 에너지는 파장이 짧은 광자 하나(보라), 긴 광자 둘(빨강) 혹은 더욱 긴 셋(어두운 빨강)으로 공급할 수 있으며, 이때 방출되는 형광을 각각 일광자, 이광자 및 삼광자 형광이라고 한다. 그림 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/File:MultiPhotonExcitation-Fig1-doi10.1186slash1475-925X-5-36.JPEG)

 

 

이광자 재료란 2개의 광자를 효율적으로 흡수할 수 있는 물질을 말한다. 전자의 에너지 준위는 양자화되어 있으므로, 일반적으로는 광자가 전달해 주는 에너지가 바닥상태와 들뜬 상태의 에너지 준위의 차이와 정확히 일치해야 들뜸이 일어난다. 그런데 아주 드물게 들뜸에 필요한 에너지의 절반 정도의 에너지로도 들뜸이 일어날 수 있다. 낮은 에너지 광자 하나를 맞은 대부분의 전자는 두 에너지 준위의 중간 정도까지 올라갔다가 다시 바닥상태로 돌아오게 되는데, 극소수의 전자는 두 번째 광자로부터도 에너지를 받아 들뜬 상태에 도달한다. 이것을 이광자 흡수라고 한다. 이광자 흡수가 일어날 확률은 매우 낮지만, 레이저를 사용하여 투입하는 광자의 수를 크게 늘리면 그 확률이 높아지게 된다.

 

형광은 빛 에너지를 받아 들뜬 상태가 되었던 전자가 바닥상태로 돌아오면서 그 에너지차이를 빛의 형태로 내놓는 것이다. 이광자 형광은 에너지가 낮은 두 개의 근적외선 광자를 흡수하여 방출하는 형광을 말한다. 이광자 형광을 이용한 이광자 현미경은 생체 조직에서 진행되는 생명 현상을 장시간에 걸쳐 높은 해상도로 관찰할 수 있으며 삼차원 영상이 가능해 생물학과 의학 연구를 한 단계 더 높은 수준으로 발전시킬 수 있는 전도유망한 기술이다.

 

 

생쥐 소장의 이광자 현미경 사진. 적절한 표지자를 사용하면 단백질 구조(빨간색), 세포핵(초록색), 점액질(파란색) 등을 구별해 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 이광자 표지자는 이광자 현미경 기술에 필수적인 재료로 향후 발전 전망이 밝다. 그림 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/File:MultiPhotonExcitation-Fig10-doi10.1186slash1475-925X-5-36-clipping.JPEG)

 

 

연구팀의 첫 번째 목표는 이광자 흡수 효율이 큰 물질을 합성하는 것이었다. 이것은 이광자 현미경과 삼차원 광메모리의 필수 소재이므로, 이 주제를 연구하는 연구팀들 사이에 치열한 경쟁이 있었다. 미국 조지아 공과 대학의 세스 마더(Seth Marder) 교수, 뉴욕 주립 버팔로 대학교의 파라스 N. 프라사드(Paras N. Prasad) 교수, 프랑스 국립 과학 연구 센터(Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS)의 미레일 H. 블랑샤드(Mireille H. Blanchard-Desce) 박사 연구팀 등이 이 분야를 선점하고 있었으며, 조봉래 교수 연구팀은 후발주자였다. 또 국외의 경쟁자들은 모두 월등한 여건을 자랑하고 있었다. 미국의 마더와 프라사드 연구실은 교수, 박사 후 연구원, 박사 과정 학생을 합치면 각각 수십 명에 이르는 큰 규모의 연구진이 별도의 연구동을 확보하고 있었으며, 프랑스 CNRS 연구진도 그들보다는 규모가 작으나 조봉래 교수 연구팀보다는 서너 배 큰 그룹이었다. 그러나 조봉래 교수 연구팀은 연구에 매진한 결과, 규모의 차이를 극복하고 세 그룹과 나란히 이광자 재료 분야의 선도 그룹이 되었다. 조봉래 교수는 이 분야에서 발표한 논문의 피인용도가 가장 많아, 세계적으로 주목을 끄는 독창적 연구 영역을 개척하였다고 인정되어, 2007년 세계적 연구 영역 개척자 상(Thomson Scientific Citation Award)을 받았다.

 

 

이광자 표지자 연구에서 세계를 선도

 

조봉래 교수 연구팀은 이후 방향을 전환해 이광자 표지자 연구에 집중하기 시작했다. 이는 이광자 재료의 가장 중요한 응용 분야가 표지자이며, 이 연구는 상대적으로 적은 예산으로도 수행이 가능하다는 판단 때문이었다. 해외의 경쟁 그룹 중 마더와 프라사드 교수 연구팀은 삼차원 광메모리 연구에 주력했고, 블랑샤드 박사는 이광자 재료의 합성 연구를 계속하고 있었다. 그러나 이 두 분야는 곧 한계에 부딪히게 되었으며 경쟁 그룹들이 다른 연구 분야로 분화해 나가는 가운데, 조봉래 교수 연구팀은 이광자 표지자 분야 최초의 논문과 후속 논문을 연이어 발표하면서 이광자 표지자 연구에서는 경쟁자가 없는 독보적인 위치를 차지하게 되었다.

 

생물학은 고정된 세포의 전자 현미경 사진에서 시작해 살아 있는 세포를 관찰하는 단계로 발전해 왔다. 살아 있는 세포를 관찰할 수 있도록 해 주는 기술이 바로 형광 표지자를 이용한 형광 현미경이다. 형광 표지자는 세포 내 특정 물질과 결합하여 형광을 방출하는 물질이다. 형광 표지자를 세포에 주입하면, 살아 있는 세포에서 원하는 표적이 활동하는 모습을 관찰할 수 있다. 로저 Y. (Roger Y. Tsien) 교수(2008년 노벨 화학상 수상)와 수많은 화학자들이 수천 종의 형광 표지자를 개발하고, 형광 현미경이 상업화된 덕분에 이러한 발전이 일어날 수 있었다.

 

사람의 몸은 수십조 개의 세포로 이루어져 있으며 생체 조직 0.1그램에도 수십만 개의 세포가 존재한다. 따라서 생명 현상을 제대로 이해하기 위해서는 배양된 세포 몇 개보다는 생체 조직을 관찰하는 것이 훨씬 더 중요하다. 그러나 형광 현미경으로 살아 있는 조직을 관찰하는 데는 한계가 있다. 형광 현미경의 광원으로 사용하는 자외선과 가시광선은 투과력이 짧아 조직의 깊은 곳을 관찰할 수 없으며, 조직을 관찰하기 위해 좁은 면적에 센 빛을 쪼이면 조직에 상처를 주거나 그 활동을 방해할 수 있다. 또 에너지가 높은 빛을 너무 오래 쪼이면 전자들이 들뜬 상태에 오래도록 머물러 있게 되어서 형광이 방출되지 않는 광표백 현상이 나타나 현미경 영상을 얻을 수 없게 된다.

 

이같은 단점을 보완하기 위해 개발된 기술이 이광자 현미경이다. 이광자 현미경은 시료에 근적외선 펨토(10-15)초 레이저를 약 100펨토초 동안 쪼인 후 방출되는 형광을 검출하고, 10 나노(10-9)초 동안 기다려 들뜬 상태에 도달한 전자가 모두 바닥상태로 돌아온 후 다시 쪼여 주는 과정을 반복하며 영상을 얻는다. 이렇게 함으로써 광표백 현상을 없애고, 시료에 가하는 에너지를 최소한으로 낮추어 세포와 조직에 상처도 입히지 않고 정상적인 활동을 방해하지도 않으면서 자연 그대로의 상태에서 진행되는 생물학적인 현상을 장시간에 걸쳐 관찰할 수 있다. 또 근적외선 빛은 투과력이 좋아 0.5밀리미터 이상의 깊이도 관찰할 수 있으며, 이광자 형광은 레이저의 초점에서만 방출되므로 원하는 곳을 관찰할 수 있다는 등의 장점을 가지고 있다.

 

이와 같은 특징 때문에, 이광자 현미경을 사용하면 생체 조직을 살아 있는 상태로(in vivo), 또 아주 얇은 층으로 나누어 관찰할 수 있다. 암 검사를 예로 들면, 외과적인 조직 검사에서 자를 수 있는 가장 얇은 시료보다 훨씬 더 얇게 나누어 촬영할 수 있으므로 각종 소견을 놓치지 않고 얻을 수 있다. 더욱이 외과적 조직 검사를 위해서는 조직을 채취하고 검사용 시료를 만드는 과정에서 환자의 고통도 감수해야 하고 별도의 비용과 시간도 소요되지만, 이광자 현미경을 이용하면 조직을 자르지 않고도 짧은 시간에 정확한 진단을 할 수 있으며, 필요한 경우 암 조직을 제거할 수 있으므로 환자와 의사에게 큰 도움이 될 것이다.

 

이처럼 이광자 현미경은 장래 활용 가능성이 높은 유망 분야라 할 수 있다. 하지만 이 분야의 발전은 이광자 현미경의 핵심 소재인 이광자 표지자가 부족하다는 한계 때문에 늦어지고 있다. 조봉래 교수 연구실은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 생체에 존재하는 다양한 화학종을 검출할 수 있는 이광자 표지자를 개발하는 연구를 시작했다.

 

조봉래 교수 연구실은 마그네슘 이온 이광자 표지자를 개발해 쥐의 해마 조직에 존재하는 마그네슘 이온의 분포를 측정하는 데 성공함으로써 이 분야 최초의 논문을 2007앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 발표했다. 또한 세포질에 존재하는 칼슘, 양성자, 아연, 소듐 등과 같은 양이온과 세포막에 존재하는 지질 뗏목(lipid raft)을 검출할 수 있는 이광자 표지자를 연이어 발표했다(2009). 이후에도 리소좀, 미토콘드리아, 골지체 등 각 소기관 맞춤형 이광자 표지자를 개발했으며, 티올, 과산화수소, 글루코오스, 일산화질소 등 중성 분자를 검출할 수 있는 이광자 표지자, 각 소기관에 존재하는 양이온에 특화된 이광자 표지자 등을 속속 개발했다.

 

이를 바탕으로 조봉래 교수 연구실은 이광자 표지자를 실제 임상에 활용하는 연구 결과도 축적해 나가고 있다. 대표적인 예로는 이광자 글루코오스 추적자를 이용한 대장암의 진단과 맞춤형 치료제의 스크리닝(2009), 이광자 pH 표지자를 이용한 역류성 식도염의 진단(2012), 이광자 H2S표지자를 이용한 파킨슨 병의 진단(2013), 이광자 Cu(II) 이온 표지자를 이용한 대장암의 진단(2014), 이광자 핵, 세포질, 미토콘드리아 표지자를 이용한 빠르고 정확한 조직 검사(2015), 이광자 Her-2 추적자를 이용한 유방암의 진단(2016), 이광자 pH 표지자를 이용한 대장암의 진단(2017), 이광자 TNF-α표지자를 이용한 대장 염증의 진단(2019), 이광자 베타아밀로이드 표지자를 이용한 알츠하이머의 진단(2020) 등이 있다. 조봉래 교수는 이 연구 결과와 타 연구실의 연구 결과를 종합해 2015년 화학 분야 최고의 총설 잡지 케미컬 리뷰(Chemical Reviews)에 총설을 발표했다. 또한 202110월 기준으로 37편의 특허를 등록했으며 3편의 특허를 출원 중이다.

 

조봉래 교수 연구실은 이광자 표지자 분야 최초의 논문을 비롯한 60여 편의 논문과 최초의 어카운트(Account) 논문을 발표해 이 분야의 개척자이자 선도 그룹으로 국내외에서 공히 인정받고 있다. 조봉래 교수는 이러한 공로를 인정받아 20165월 삼양 그룹에서 수여하는 수당상을 받았다. 또한 이 분야를 공부한 21명의 석사와 8명의 박사 졸업생(202110월 기준)은 대기업 연구소 연구원과 대학 교수로 연구와 교육에 매진하고 있다.

 

조봉래 교수는 고려 대학교에서 정년 퇴직한 뒤에도 대진 대학교 생명화학부 석좌교수로 재직하면서 이중 채널 영상에 사용할 수 있는 이광자 표지자와 정량적인 측정에 사용할 수 있는 이광자 표지자의 개발 연구를 계속했다.

 

 

세계 시장을 선도할 연구도 기초 과학으로부터

 

생물학과 의학의 관심이 세포로부터 생체 조직으로 이동함에 따라 이광자 현미경이 필수 도구가 되었다. 따라서 다양한 목적에 사용할 수 있는 이광자 표지자의 개발 연구가 중요한 과제로 대두되고 있다.

 

생물학의 이미징 기술은 죽은 세포의 전자 현미경 사진을 찍는 첫 번째 단계에서 출발해, 살아 있는 세포의 형광 현미경 사진을 찍는 두 번째 단계를 거쳐, 생체 조직에서 진행되는 생명 현상을 바로 관찰하는 세 번째 단계로 발전하고 있다. 이광자 현미경은 세 번째 단계에 꼭 필요한 장비이다. 일광자 형광 현미경(공초점 현미경)과 비교해 가격의 차이가 크지 않으면서 성능이 월등한 차세대 연구 장비임에도 불구하고, 이광자 현미경은 공초점 현미경의 10분의 1 정도밖에 팔리지 않는다고 한다. 그 주된 이유는 쓸 만한 이광자 표지자가 부족하기 때문이다. 그러므로 다양한 표적을 검출할 수 있는 다수의 이광자 표지자가 상업화된다면 그 시장 규모는 현재의 일광자 형광 표지자 시장을 능가할 것이며, 이광자 현미경이 일광자 현미경을 대체하게 될 것이다.

 

최근 주요 질환으로 발생되는 사회·경제적 비용이 심각한 문제로 대두되면서 이 분야의 연구는 조직 내부의 미세 환경 분자 영상을 이용한 환자 맞춤형 정밀 영상, 치료 반응 예측 및 약물의 효능 검증 등으로 발전하고 있다. 따라서 환부 조직의 내부에 존재하는 질병 관련 화학종을 검출할 수 있는 이광자 진단 표지자를 개발한다면 이 분야의 발전을 앞당길 수 있을 것이다. 환부에 이광자 진단 표지자를 주입한 후 이광자 내시경으로 환부에 존재하는 질병 관련 화학종의 3차원 분포를 영상화한다면 질병의 조기 진단에 활용할 수 있을 것이며, 질병으로 확인될 경우 레이저의 세기를 증가시켜 환부만 정밀하게 태워서 치료할 수 있게 된다. 또한 약물을 투여한 후 질병 관련 화학종의 3차원 분포를 주기적으로 영상화한다면 치료 반응의 예측 및 약물의 효능 검증이 가능하게 될 것이다.

 

이광자 표지자는 부가가치가 매우 높은 기술이다. 현재 일광자 현미경용 형광 소재의 시장 가격은 대략 10밀리그램당 1,000달러 정도다. 이광자 영상 소재의 시장 가격은 더 높을 것으로 예상된다. 이광자 표지자에 대한 집중 연구 개발을 통해 배타적 원천 특허 풀을 확보한다면, 고부가 가치의 미래 시장을 창출하고 나아가 차세대 국가 성장 엔진으로서의 역량 강화에 기여할 것으로 기대된다.

 

또한 이광자 표지자 연구는 관련 시장 전체의 활성화에 기여할 수 있다. 전자 산업에 이어 차세대 국가 성장 동력으로 주목받는 것이 바이오 및 실버 산업이다. 이광자 형광 현미경은 상술했듯이 미래 바이오 산업에서 그 효용이 더욱 높아질 것으로 전망된다. 따라서 조봉래 교수 연구실이 확보한 이광자 표지자 분야의 핵심 원천 기술은 향후 대한민국이 독점적 우위를 갖는 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 기대된다. 이광자 현미경 기술의 핵심 소재 시장을 선점한다면 유기 재료-바이오 소재 시장의 발전에 중요한 전환점을 제공하고 의료 설비 및 관련 부품 시장을 자극해 바이오 분야의 시장 활성화에 기여할 것이다.

 

 

기초 연구는 무한한 응용 가능성의 원천

 

지금까지 살펴본 바와 같이 조봉래 교수는 유연하게 연구 주제를 조정해 가며 매번 선도적인 업적을 내놓았다. 유기 화학이라는 큰 틀 안에서 반응 메커니즘, 유기 재료, 이광자 표지자 등 세부 주제를 때에 따라 바꾸어 가면서도 좋은 성과를 낼 수 있었던 것은 기초 연구의 토대가 탄탄히 갖추어져 있었기 때문이다. 처음부터 경제적으로 유망한 재료를 합성하겠다.”라는 목표를 세우고 접근한 것이 아니라, 화학 반응의 기본 원리라고 할 수 있는 반응 메커니즘과 구조-성질 관계에 대한 깊은 이해를 추구했기 때문에 뒷날 재료 합성으로 관심을 옮겼을 때도 이른 시일 안에 뛰어난 성과를 낼 수 있었던 것이다.

 

이렇게 기초를 바탕으로 응용하기 위해서는 분야를 가리지 않고 폭넓게 정보를 구하고 협력하는 자세가 중요하다. 조봉래 교수는 이를 위해 다른 분야의 사람들과 이야기를 많이 해야 한다고 강조한다. 한 분야에서 성취를 이루고 그 분야의 전문가가 되면 자기 분야의 논리에 빠져서 우리 분야에서 중요한 과제를 해결하겠다.”라는 생각에 매몰되기 쉬운데, 그런 자세로는 혁신적인 성과를 내기 어렵다는 것이다. 자기 분야에서 중요한 문제라도 다른 분야 사람들이 보면 의미가 별로 없는 경우도 많고, 반대로 다른 분야의 눈으로 볼 때 그 가치가 새롭게 인식되는 주제도 있다. 따라서 혁신의 실마리를 찾기 위해서는 다른 분야의 전문가와 끊임없이 대화하려는 노력을 기울여야 한다.

 

물론 고도로 분화된 현대 과학에서는 다른 세부 분야의 연구 동향을 이해하는 것조차 쉬운 일은 아니다. 하지만 조봉래 교수는 자신의 경험을 바탕으로, 그것이 쉬운 일은 아니지만 결코 불가능한 일도 아니라고 말한다. 그는 반응 메커니즘 연구에서 재료 합성 연구로, 다시 이광자 표지자 연구로 관심을 옮길 때마다 전공 분야가 전혀 다른 연구자들과 교류해야 했으며 전혀 다른 분야의 학술지에 투고하는 변화를 겪어야 했다. 새로운 학술지에 논문을 투고하면 심사자의 논평을 이해하기도 쉬운 일이 아니었다고 한다. 하지만 부정적인 논평도 배움의 기회로 삼으면 다른 주제에 도전할 때의 어려움도 모두 자신을 키우는 공부가 된다. 이런 과정을 이삼 년 정도만 버티면 새로운 주제의 연구에도 충분히 적응할 수 있다는 것이 조봉래 교수의 경험이다. 이는 끊임없이 응용 분야와 대화하면서 새로운 영감을 주고 또한 새로운 영감을 얻어야 하는 기초 과학 연구자들이 본보기로 삼아야 할 자세이기도 하다.

 

 

사진 출처: 조봉래 교수  

 

 

 

참고 문헌

 

Cho, B. R., Pyun, S. Y., & Kim, T. R., (1987) Reactions of N-(Arylsulfonyl)-N-benzylmethylamine with sodium methoxide in methanol. Journal of the American Chemical Society. 109(26) 8041-8044.

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“3·1문화상>역대 수상자>2008년 제49회 수상자>학술상(자연과학부문)”, 3·1문화재단 홈페이지(http://www.31cf.or.kr).

사회공헌>재단>수당상>역대 수상자”, 삼양홀딩스 홈페이지
(https://www.samyang.co.kr/Contribute/sudangaward03)

수당상에 조봉래·박수영·정기준 교수”, <서울신문> 2016. 4. 12.

대진대학교 조봉래 석좌교수 기초과학 관련 생애 마지막 연구’”, <중앙일보> 온라인 2020. 6. 5.


이 글은 기초연구연합회의 2019년도 기초 연구 성과 사례 모음을 바탕으로 작성되었습니다. 이 글의 작성은 전북 대학교 부설 한국 과학 문명학 연구소의 김근배 교수님께서 맡아 주셨습니다.

 

 

 

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