도서 소개

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.

《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.

  출판사 리뷰

생물물리학: 생명현상에서 물리법칙을 탐구하는 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.

현미경은 생명체를 관찰하는 오래된 도구이자, 지금도 새로운 기술로 업데이트되는 실험 장비다. 맨눈으로는 관찰할 수 없는 작은 생명체, 생명체를 이루는 세포, 생명의 정보를 담고 있는 DNA와 RNA까지, 현미경으로 관찰하는 대상은 폭넓다. 생물물리학은 생명현상에서 물리법칙을 밝히는 학문이다. 크게는 생명체 집단의 행동과 진화 과정을 연구하기도 하고, 작게는 DNA나 RNA가 유전정보를 전달하는 과정을 밝히기도 한다. 이 책에서는 DNA, RNA, 단백질, 세포 크기에서 작동하는 생명현상을 다룬다.

초고해상도현미경을 이용해 회절 한계보다 작은 수십 나노미터 크기의 생체 물질을 발견했고, 지금도 이 장비의 성능을 높여서 새로운 현상을 관찰했다는 논문이 발표되고 있다. 무엇보다 그 쓸모는 인간을 이해하는 데 있다. 인간 뇌의 작용을 자세히 들여다보면서 뇌 발달을 이해하고 뇌 질환을 치료하는 데 초고해상도현미경을 사용할 수 있다. 암을 조기에 간편한 방식으로 진단할 수 있는 분자 기반 진단 키트에도 활용될 수 있다. 생물물리학자는 초고해상도현미경을 이용해 인체에 대한 과학인 인체생물학에 기여하고 있다.

물리학에서는 원자보다 작은 힉스나 쿼크부터 광대한 우주까지 다룬다면, 생물학은 원자부터 지구까지만 관심을 가진다. 물론 우주에서 생명체를 찾기도 하고 지구 대기권에서 생물학을 연구하는 우주생물학이 있긴 하지만, 기본적으로 지구를 중심으로 생명을 다룬다. 그래서 생물물리학도 생물학과 비슷한 크기의 물질에 관심을 가지는데, 일반적으로 분자, 세포, 조직, 개체, 생명체 집단이 주요 연구 단위다. 최근에는 생명현상을 원자 이하의 크기에서 양자역학으로 설명하려는 양자생물학이 등장하기도 했다. 하지만 대부분의 생명 과정이 분자의 화학 반응을 거쳐 진행된다는 점을 고려하면, 분자 단위에서 연구하는 것이 최근 분자생물학, 생화학, 생물물리학의 추세다. 원자 이하의 크기에서 작동하는 양자역학으로 생명체 내부를 들여다보는 연구는 아직 생명과학과 생물물리학에서 핵심 주제는 아니다. 그래서 이 책에서는 분자 크기에서의 생명현상을 다룬다.

  작가 소개

지은이 : 박상준
가톨릭대학교 의과대학에서 연구계약교수로 재직 중이며, 생물물리학과 광학의 융합 분야에서 연구하고 있다. 서울대학교 물리천문학부에서 생물물리학 연구로 박사학위를 받았다. 한국에서 과학, 특히 물리학을 연구한다는 지역성을 고민하면서, 과학사, 과학철학, 과학기술학에도 관심을 두고 있다. 여러 해 동안 출판사에서 과학책 편집과 기획을 담당했다.번역한 책으로 《법정에 선 과학》과 《누가 자연을 설계하는가》(공동 번역) 등이 있다.생물물리학은 물리학의 원리와 방법론을 생명현상에 적용한 융합 학문이다. 생명체는 여전히 많은 신비를 간직하고 있지만, 근본적으로 물리법칙을 따른다. 따라서 물리적 접근을 통해 생명현상을 이해할 수 있다는 것이 생물물리학의 핵심 아이디어다.물리학은 소수의 기본 법칙으로 복잡한 현상을 설명하는 것을 목표로 한다. 반면 19세기까지의 생물학은 다양한 현상들을 개별적으로 기술하는 데 그쳤다. 그러다가 20세기에 들어서면서 물리학적 도구와 방법론이 생물학 연구에 도입되면서 큰 변화가 일어났다. 특히 DNA 이중나선 구조 발견은 분자 수준에서 생명을 연구하는 분자생물학의 탄생으로 이어졌다. 이는 물리학자들도 생물학 연구에 적극적으로 참여하게 되는 계기가 되었다. 이 책은 물리학과 생물학의 융합 학문인 생물물리학에서 이루어진 중요한 발견들을 소개한다. 그리고 물리법칙을 적용해 알아낸 생명현상의 의미를 통찰한다.

  목차

프롤로그 생명에서 찾은 물리 법칙
용어 설명

1장 얼마나 작은 것까지 볼 수 있을까?
1 최신 현미경으로 알아낸 것
2 현미경의 간략한 역사
3 빛의 기본 속성
4 현미경으로 본 것을 기록하는 카메라
5 생명체를 색칠하는 도구, 형광단백질과 형광염료
6 나노미터 크기도 구별하는 초고해상도현미경

2장 분자 한 개를 잡을 수 있다고?
1 분자 하나로 알 수 있는것
2 광족집게의 원리와 이를 통해 알아낸 것
3 두 분자가 수 나노미터 거리에 있을 때, 단분자 형광공명에너지전달
4 단분자 형광공명에너지전달로 알아낸 것

3장 DNA 물리학
1 DNA 이중나선 구조의 물리학
2 DNA 가닥의 꼬인 힘을 측정하는 법
3 자기집게로 알아낸 DNA의 탄성
4 광족집게로 알아낸 DNA의 물성
5 염색질의 동역학

4장 DNA 복구 과정과 유전자 편집 기술
1 DNA가 복구되는 과정
2 초기의 유전자 편집 기술
3 최신 유전자 편집 기술
4 DNA 염기서열 분석

5장 RNA 물리학
1 RNA 세계 가설
2 생명 정보가 DNA에서 RNA로 전사되는 과정
3 생명 정보를 침묵시키는 RNA 간섭
4 단백질로 번역되지 않지만 중요한 miRNA
5 세포 한 개에서 얻는 RNA 정보
6 miRNA 개수 세기

6장 단백질 물리학
1 단백질 물리학으로 알 수 있는 것
2 단백질 구조가 중요한 이유
3 머신러닝을 이용한 단백질 구조 예측
4 생명현상을 실시간으로 관찰하는 도구, 형광단백질
5 정신작용의 물리적 근거인 시냅스를 보다

7장 세포 물리학
1 세포를 관찰하면 알 수 있는 것
2 뇌에서 공간을 인지하는 법
3 내 몸 안에 있는 생체시계, 일주기 리듬
4 빛으로 세포를 켜고 끄는 광유전학
5 생체 조직을 투명하게 만드는 기술
6 더 깊이, 더 또렷하게 관찰하기 위한 적응광학

에필로그 생물물리학의 미래
감사의 글

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