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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.

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