이들이 다가올 미래 세상의 상징이라면 인류의 미래는 지금보다 더 안전하고, 스마트하며, 빛날 것이 확실하다.
● 니콜라스 폰테인
알카텔-루슨트 산하 벨 연구소
연구업적: 인터넷 광케이블 생명 연장
인터넷, 전화, TV 등의 거의 모든 데이터가 광섬유 케이블망을 통해 전송된다. 그런데 향후 10년 내 데이터 통신량은 광케이블이 감당할 수준을 넘어설 것이다. 그때는 전송 속도가 느려지고, 데이터 손실도 불가피해진다.
광학공학자인 니콜라스 폰테인 박사는 이런 미래의 데이터 병목현상을 해결할 비책으로 신개념 다중통신장치(multiplexer)를 개발했다. 이는 대량의 데이터를 하나의 광케이블로 전송 가능하도록 여러 입력값을 묶어 하나의 데이터 흐름으로 만들어주는 기기로서 ‘모드(mode)’라 불리는 서로 다른 빛줄기를 정밀하게 설계된 경로로 보낸다. 이렇게 정보가 담긴 다수의 빔이 동시에 이동하지만 서로 간섭하지는 않는다.
“지금의 광케이블이 1차선 도로라면 저희 것은 다차선 도로라 할 수 있죠.”
특히 이 기기는 기존 다중통신장치의 단점이었던 신호 손실도 없다. 폰테인 박사는 이미 데이터 손실 없이 800㎞의 광케이블로 6개의 빔을 동시 전송하는데 성공했다. 크기 또한 50㎣로 기존장치의 280㎣에 비해 월등히 작으며, 유리를 레이저로 깎아 만들기 때문에 생산비도 저렴하다.
“현재 10모드의 기기를 제작 중이에요. 성능이 기존 1모드 광케이블의 10배죠. 어디까지 스케일업이 가능할지 저희도 모릅니다.”
“언제나 가설을 실험실에서 검증해야 합니다. 실험을 통해 자신의 지식을 검증하고, 혹은 의외의 결과에 놀라는 과정은 당신을 새롭고 창의적인 아이디어로 이끌어줄 것입니다.”
벨-연구소 니콜라스 폰테인 박사
● 스콧 콜리스
미국 아르곤국립연구소 (ANL)
연구업적: 기후변화 모델 정확도 개선
기후과학자들에게 구름은 골치 아픈 과제다. 기후변화 모델에 매우 복잡한 영향을 미치기 때문이다. 그럼에도 관련 데이터가 빈약해 시뮬레이션 시 구름의 역할이 제대로 반영되지 않고 있다. 기후모델마다 예측결과가 제각각인 이유를 여기서 찾을 수 있다. ANL의 스콧 콜리스 박사는 새로운 구름 데이터를 활용, 이 문제를 개선함으로써 기후변화 예측의 정확도를 높였다.
“대학원을 졸업 후 호주 기상청에서 근무하면서 기후 모델러들이 눈여겨보지 않았던 방대한 구름 데이터 소스의 존재를 알게 됐어요. 바로 기상예보를 위해 수집된 데이터였죠.”
이후 콜리스 박사는 ANL의 동료들과 함께 기상레이더 데이터베이스의 구름 정보를 기후 모델러들이 활용할 수 있는 포맷으로 변환해줄 개방형 툴의 개발에 착수했고, 최근 성공의 결실을 맺었다. 이제 그는 키보드를 한번 누르는 것만으로 수년간의 기상데이터를 변환할 수 있다.
미국 에너지부(DOE)는 이 같은 성과를 접하고, 전 세계에서 고품질 구름 데이터를 수집하기 위한 새로운 레이더 네트워크 구축 프로그램에 그를 참여시키기도 했다. 아직 이 레이더망은 완공되지 않았지만 콜리스 박사팀이 수집한 구름 데이터들은 이미 차세대 기후모델에 접목되고 있다.
● 마이아 브레이트바트
미국 사우스플로리다대학 (USF)
연구업적: 동시에 모든 종류의 바이러스 게놈 매핑
바이러스는 지구상에서 개체수가 가장 많지만 실체가 가장 덜 알려진 생명체다. USF의 미생물학자 마이아 브레이트바트 박사는 신속히 이들의 실체를 규명할 신기술을 개발했다. 그에 따르면 바닷물 1ℓ에만 최대 100억 마리의 바이러스가 들어있는데 신기술을 이용하면 표본에서 각 종류의 바이러스를 분리하지 않고, 표본 속 모든 종의 바이러스 게놈을 동시에 매핑할 수 있다. 표본의 생태계 전체를 한 번에 연구할 수 있는 것이다.
“표본 속 모든 유전물질을 추출, 작게 자른 뒤에 게놈 서열을 분석하게 됩니다. 낱말퍼즐을 동시에 푸는 것과 같아요.”
최근 그녀는 새로운 바이러스 공급원을 찾아내기도 했다. 모기, 잠자리 등 병원체를 매개하거나 감염된 먹이들을 먹고 사는 곤충이 그것이다.
“이들로부터 바이러스의 표본을 획득하면 병원체를 조기 감지할 수 있습니다.”
보통은 질병이 발생한 후에야 바이러스의 실체 규명에 나서지만 곤충을 활용하면 문제의 소지가 있는 바이러스에 대한 대비책을 미리 세워 놓을 수 있는 것이다. 한편 그녀가 개발한 동시 게놈 매핑 기법은 현재 메타유전체학이라는 새로운 학문분야의 탄생으로 이어졌다.
● 페드로 라이스
미국 MIT
연구업적: 플렉시블 소재의 재발견
공학자들은 잘 깨지고, 접히고, 구부러지고, 찌그러지는 소재를 사용해선 안 된다는 것을 가장 먼저 배운다. 그런 소재일수록 불안정해 프로젝트가 실패할 개연성이 높기 때문이다. 하지만 MIT의 페드로 라이스 교수는 소재가 초래할 기계적 불안정성을 명확히 이해한 후 최적화함으로써 뭔가 더 나은 것을 만들 수 없을지에 대해 고민했다.
MIT에 있는 그의 연구실은 일견 놀이터처럼 보인다. 잘 찌그러지고 끈적거리는 공, 휘어지고 구부러지는 실리콘 막대 등 장난감 같은 물건들이 잔뜩 어질러져 있다. 라이스 교수는 이 물건들이 지닌 약점에서 강점을 찾는다. 이를 통해 지금보다 유연하고 민첩한 로봇이나 하나의 부품과 소재로 이뤄진 인공관절을 개발할 수 있을 것으로 확신한다.
그는 일상의 경험을 연구에 적용하고 있기도 하다. 테이프를 떼어낼 때 삼각형으로 찢어지는 현상을 연구해 새로운 그래핀 나노리본(GNR) 제조법을 개발하기도 했다. MIT의 소재공학자 키아라 다라이오 박사는 이렇게 말한다.
“라이스 교수는 연구를 통해 고양이가 물을 마시는 원리, 머리카락이 곱슬곱슬해지는 원리 등 일상적 현상의 공학적 근본원리를 이해했어요. 이는 기계공학적 문제의 해결에 응용될 수 있습니다.”
“열심히 연구하고, 항상 호기심을 가지세요. 또한 매사에 철저해야하지만 재미를 찾는 것에도 신경 써야 합니다. 과제를 해오는 것을 잊지 말아야 하는 건 당연하겠죠?”
M-IT 페드로 라이스 교수
● 헤더 넛슨
미국 캘리포니아공과대학
연구업적: 태양계 밖 외계행성의 날씨 관측
천문학자 헤더 넛슨 박사의 주 연구분야는 외계행성, 그것도 태양계 밖 행성의 기후를 알아내는 것이다. 이 점에서 그녀를 세계 최초의 태양계 밖 외계행성 기상학자라 불러도 무방하다.
이를 위해 넛슨 박사는 행성의 표면에서 발산되는 적외선의 밝기를 분석했다. 밝기가 밝을수록 뜨거운 대기를, 어두울수록 차가운 대기를 갖고 있다는 의미다. 이렇게 분석한 적외선 밝기의 특성을 계량화하고, 도표화해낸다면 행성의 경도(經度)별 온도 지도를 제작해 전반적인 기후 양상을 추론할 수 있다.
“만일 행성의 기온이 전체적으로 차이가 없다면 바람이 많이 분다는 걸 의미해요. 또 온도가 높은 곳과 낮은 곳이 있을 때는 그곳의 풍속을 가늠할 수 있습니다.”
현재까지 넛슨 박사는 항성을 공전하는 크고 뜨거운 가스형 행성, 이른바 ‘뜨거운 목성’들을 관찰해왔다. 여기서 갈고 닦은 기술을 이용해 이들보다 작고, 차가운 행성에 적용하는 것이 중장기적 목표다.
“생명체가 살아 갈 수 있는 제2의 지구는 액체상태의 물이 존재하는 암석형 행성이어야 하는 만큼 뜨거운 목성에 비해 온도가 낮을 거예요. 분석기술을 고도화하면 제2의 지구 탐사에 제 기법을 활용할 수도 있어요.”
“과학을 하려면 강한 인내력이 반드시 필요합니다. 저의 경우 반복적인 훈련을 통해 그러한 인내력을 갖게 됐습니다.”
-캘리포니아공과대학 헤더 넛슨 교수
● 펭 장
미국 MIT
연구업적: 세포의 유전자 조작 시간 단축
MIT의 펭 장 교수는 대학원 시절 유전자를 살아있는 세포에 이식하는 기술이 너무 비싸고, 시간도 오래 걸린다는 점을 직시했다. 그래서 기존 기술을 대체할 저렴하고 효용성 높은 기법을 개발했고, 기꺼이 다른 과학자들과 공유했다.
장 교수의 기법은 ‘TALE’과 ‘CRISPR’로 TALE은 DNA의 일부를 훔치고 인접한 유전자의 발현에 영향을 미치는 분자며, CRISPR은 DNA를 잘라내 새로운 유전물질을 이식할 수 있게 도와주는 미생물 효소다. 두 기술 모두 트렌스제닉 또는 여타 방식의 유전자조작 유기체의 연구개발 효율을 극단적으로 높여준다. 장의 경우 기존 방법으로는 최소 6개월 이상 걸렸던 유전자 조작 쥐를 단 3주일 만에 만드는데 성공했다. 탁월한 효용성에 힘입어 올 1월 CRISPR의 존재가 공개된 후 지금껏 2,000개 이상의 연구소가 관련기술에 대한 정보를 요청했을 만큼 학계의 반응도 뜨겁다.
“TALE과 CRISPR은 매우 기본적 기술이에요. 가급적 많은 사람들이 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다고 봅니다. 왜냐고요? 누군가가 웹페이지 제작에 필요한 HTML 언어를 독점했다면 오늘날의 글로벌 인터넷망은 존재하지 않았을 겁니다.” 장 교수는 이 기술로 자폐증과 정신분열증의 유전적 원인을 파악해 치료법을 개발하려 하고 있다.
“펭 장 교수는 언제나 자신이 이룬 업적을 다른 연구자들과 공유함으로써 모든 사람이 그 혜택을 누릴 수 있도록 하기 위해 노력합니다.”
- 미국 록펠러대학 코리 바그만 교수
● 데이비드 슈말레
미국 버지니아공과대학
연구업적: 무인기를 활용한 대기 중의 미생물 추적
공중생물학자 데이비드 슈말레 교수는 바이러스 킬러다. 실험용 접시를 부착한 무인기를 공중에 띄워 작물을 공격하는 병원체를 채집, 무력화할 방안을 연구 중이다. 고가의 운용비가 필요한 유인기를 대체하고자 직접 이 무인기를 개발했다. 그리고 그의 데이터들은 병원체가 바람을 타고 이동하는 방식을 파악하고, 거의 알려진 바가 없는 하늘의 생태계를 엿볼 기회를 제공하고 있다.
슈말레 교수는 특히 지금껏 수집한 데이터를 활용, 대기순환모델을 만들었다. 이 모델을 통해 거대한 공기 덩어리가 먼지와 미생물들을 가득 싣고 지표면을 수천 ㎞나 휩쓸고 다니는 모습을 확인할 수 있다.
“미생물들은 바람을 타고 대륙을 횡단할 수도, 대양을 건널 수 있습니다.”
그는 자신의 모델을 발전시켜 식물 병원체의 이동을 예측할 계획이다. 성공한다면 농부들은 언제 어느 곳에 농약을 뿌려야 할지 미리 알 수 있어 상당한 작물 피해를 막을 수 있다.
이와 관련 슈말레 교수는 미생물들이 구름을 타고서도 이동한다고 생각한다. 그래서 구름 속에 무인기를 보내 표본을 확보할 예정이다. 이 가설이 확인되면 안 그래도 복잡한 미생물 전파경로의 역학조사가 더욱 난해해질 수도 있다.
“찰스 다윈은 저의 과학 영웅이자 공중생물학의 선구자이기도 합니다. 그는 1830년대 대서양 상공의 아프리카 먼지 폭풍을 관측하고 기록한 최초의 과학자입니다.”
- 미국 버지니아공과대학 데이비드 슈말레 교수
● 아르준 라지
미국 펜실베이니아대학
연구업적: 세포 내부의 유전자 발현기전 규명
한 사람의 몸 안에 있는 모든 세포는 DNA가 동일하다. 그러나 세포 유전자의 발현 방식이나 발현 빈도에 따라 뉴런이 되기도, 심장 근육이 되기도 하며 이들의 건강 여부도 정해진다. 아르준 라지 교수팀은 이 같은 유전자의 발현과 그에 따른 영향을 추적하는 기술 개발에 성공했다.
이 기술의 핵심은 DNA에서 유전자 정보를 가지고 나오는 RNA 분자를 추적하는 것. 이를 위해 연구팀은 세포를 형광 DNA 조각들로 처리했다. 그러면 세포의 RNA 가닥에 형광 DNA가 달라붙어 형광현미경으로 RNA의 추적이 가능해진다.
라지 교수는 이 기술을 이용해 유전적으로 동일한 세포들은 유전자를 동일한 속도로 전사할 필요가 없음을 알아냈다. 일부 모계 유전자는 부계 유전자보다 더 자주 전사되기도 했다. 또한 암세포처럼 염색체가 여러 조각으로 잘린 뒤에 재조립될 경우 피해를 입지 않은 유전자조차 정상 염색체의 유전자와는 다른 수준의 발현 양상을 보인다는 것도 확인됐다.
덧붙여 라지 교수는 유전적으로 동일한 벌레라도 유전자의 전사 수준이 달라서 수명에 많은 차이가 생긴다는 사실도 발견했다. 이처럼 세포 내부에서 벌어지는 미시적 사건들을 이해하면 세포 생물학자들은 그 사건이 벌어지는 이유를 연구해 규명할 수 있다.
“아르준 라지 교수의 연구는 유전자와 세포 구조에 대한 그동안의 생각을 완전히 바꿔놓고 있습니다.”
하-버드대학 존 린 박사(2009년 파퓰러사이언스 선정 10대 과학자)
● 저스틴 카포스
미국 뉴욕대학 폴리테크닉연구소
연구업적: 신개념 클라우드 컴퓨팅
저스틴 카포스 교수는 데스크톱 PC, 노트북, 태블릿 PC, 스마트폰 등을 이용해 세계 어디서든 인터넷에 접속해 자신이 저장해놓은 데이터를 볼 수 있다. 클라우드 컴퓨팅을 이용해 누구나 그럴 수 있지 않느냐고 반문할 수 있겠지만 그의 방식은 전혀 다르다.
일반 클라우드 컴퓨팅은 사용자가 중앙집중형 데이터센터에 접속하는 방식이다. 반면 카포스 교수의 클라우드는 분산형 네트워크 내에서 특정 기기를 다른 기기에 직접 연결해준다. 따라서 지리적으로 멀리 있는 경우가 많은 데이터센터를 이용하는 것보다 더 빠르게 정보를 전달할 수 있다. 밀도 높은 적란운보다는 넓게 퍼져 있는 안개에 가까운 것. 그래서 이름도 안개의 도시인 시애틀에서 착안해 시‘ 애틀(Seattle)’이라 지었다.
또한 시애틀은 디스크 저장공간이나 네트워크, 메모리, CPU 등을 많이 사용하지 않으며 격리돼 있어 안전한 방식이기도 하다. 특히 해외 IP주소를 통해 인터넷 접속이 가능하기 때문에 자국의 인터넷 검열을 피하려는 개인에게도 유용하다.
2012년말 현재 시애틀 사용자는 2만명을 넘었으며, 카포스 교수는 시애틀을 사용해 국제우주정거장(ISS)에서도 웹서핑을 할 수 있게 되기를 바라고 있다.
“저는 대중과의 소통을 중시했던 천체물리학자 닐 디그레이스 타이슨 박사 같은 과학자들을 좋아해요. 저희 연구 역시 소수의 사람들만 이해하는 것이 아니라 다수 대중들이 공식적 결정을 내릴 때 필요한 정보를 제공합니다.”
미-국 뉴욕대학 저스틴 카포스 교수
● 안드레아 아르마니
미국 서던캘리포니아대학 (USC)
연구업적: 고정밀 단일분자 탐지 센서
안드레아 아르마니 박사는 과학적 발견의 속도를 가속화할 수 있는 센서들을 개발했다. 단일 분자를 신속 정확하게 탐지하는 ‘공진 공동(resonant cavity)’ 센서가 바로 그것.
“이 센서들은 광학 소리굽쇠처럼 작동합니다.”
단일파장의 빛이 센서의 미세한 실리카 링 안에서 마치 한 음이 소리굽쇠의 뿔에서 진동을 일으키듯이 순환하고 있는데, 생체분자가 센서의 표면에 달라붙으면 파장이 바뀌는 메커니즘이다.
아르마니 박사는 이 기기를 이용하면 다른 기기로는 탐지할 수 없었던 분자 단위에서의 질병의 흔적을 찾을 수 있다고 말한다. 같은 맥락에서 생물학 무기나 수인성 병원체, 방사능 물질 탐지기로도 활용될 수 있다.
최근 그녀는 암세포 등 특정 표적만 공격하는 표적 치료제가 타깃에 달라붙는 방식을 더욱 세밀하게 이해하기 위한 실험에 들어가기도 했다. 아르마니 박사의 센서는 일반적인 광학기기의 능력을 능가한다. 큰 폭의 기온변화에도 정밀성을 유지하는 센서, 건조한 공기 속에서 단백질을 감지하는 센서도 있다. 연구기업 바텔의 전 연구개발 이사인 로버트 칸스는 “산업적 연구개발은 시간제약 때문에 결과 지향적이 될 수밖에 없다”며어요. 아르마니 박사의 성과는 그런 현실을 바꿔 놓을 수 있다”고 전했다.
“저희 연구분야에서는 매주일 전혀 새로운 성과가 도출됩니다. 많은 연구자들이 진정한 혁신 연구성과를 이뤄내죠. 그런 측면이 정말 마음에 듭니다.”
-미국 서던캘리포니아대학 안드레아 아르마니 교수
메타유전체 Metagenomics.
트랜스제닉 (transgenic) 유전적으로 연관성이 없는 종(種)의 유전자를 이식해 새로운 형질을 지니도록 하는 것.
