최근 세상에서 존재하는 가장 복잡한 시스템인 생명 현상을 이해하는데 수학이 활발히 사용되고 있다. 이번 강연해서 이러한 수학과 생물학의 만남에 관해서 소개하고 고등학교에서 배웠던 미분과 적분을 이용해서 중요한 생물학 퍼즐들을 함께 풀어보는 시간을 가지려고 한다. 특히, 2017년 노벨생리의학상이 수여된 생체시계의 작동원리를 이해하는데 결정적인 역할을 했던 수학을 살펴보며 학창시절 누구나 한번쯤은 가졌던 의문(“수학은 배워서 어디에 쓸까?”)이 조금이나마 해소되는 시간이 되기를 희망한다.

■ 강연자 : 김재경_카이스트 수리과학과 교수
■ 패널&3분수학 : 정은옥_건국대 수학과 교수
■ 패널&사회자 : 이준엽_이화여대 수학과 교수

[ 강연자 소개 ]

대통령이 될 수 없다는 현실을 깨닫는 초등학교 고학년부터 생활기록부 장래희망란에 항상 수학교사를 적게 되는데 수학교육과에 입학함으로써 꿈에 다가간다. 좋은 수학교사가 되기 위해서는 수학이라는 산의 정상에 올라가봐야 하지 않을까 하는 막연한 생각으로 시작한 대학 수학 공부에 중독(?)이 되고 공군항공과학고에서 수학교관으로 군복무하며 수학교사의 꿈을 이룬 것으로 위안 삼고 수학자의 길을 가기로 결심한다. 

이때 외국에서 수학이 심장의 작동원리와 같은 생명현상을 연구하는데 이용되고 있다는 신문기사를 인터넷에서 우연히 접하고 가슴이 뛴다. 주변의 만류에도 불구하고 ‘수리생물학’이라는 생소한 분야를 배우기 위해 미국으로 떠나고 수학 전공 수업과 생물학과 1학년 수업부터 대학원 수업까지 병행해서 듣느라 하루하루 전쟁 같은 대학원 생활을 보낸다. 

다행히 수학이라는 관점으로 생명현상을 바라보려는 시도를 통해 60년 동안 풀리지 않았던 생체시계의 원리를 비롯해 다양한 생물학 난제들을 풀게 된다. 현재도 20여 생명과학/약학/의학 연구실과 협력 연구를 하고 있고 글로벌 제약회사의 신약 개발도 돕고 있다. 그리고 얼마 전 본인을 수리생물학 분야로 이끈 신문기사가 10년 전 KAIST 수리과학과 학생이 작성한 대학 신문기사였다는 것을 알게 되었다. 

[ 강연요약문 ]

최근 세상에서 존재하는 가장 복잡한 시스템인 생명 현상을 이해하는데 수학이 활발히 사용되고 있습니다. 이번 강연해서 이러한 수학과 생물학의 만남에 관해서 소개하고 고등학교에서 배웠던 미분과 적분을 이용해서 중요한 생물학 퍼즐들을 함께 풀어보는 시간을 가지려고 합니다. 특히, 2017년 노벨생리의학상이 수여된 생체시계의 작동원리를 이해하는데 결정적인 역할을 했던 수학을 살펴보며 학창시절 누구나 한번쯤은 가졌던 “수학은 배워서 어디에 쓸까?”라는 의문이 조금이나마 해소되는 시간이 되기를 희망합니다. 

수학과 생물학의 만남
지난 50여 년 간 DNA와 단백질 등 생명체를 구성하는 분자들의 상호작용을 통해서 생명현상을 이해하려는 분자생물학 혁명이 진행되었다. 그 결과, 생물학자들은 이전과 차원이 다른 복잡성을 가진 방대한 데이터와 마주하게 되고, 관찰과 직관적 분석에 의존했던 전통적인 연구 방법은 한계에 봉착하게 된다. 이러한 상황에서 지난 20세기 블랙홀과 같은 복잡한 물리 현상을 이해하기 위해서 발전된 수학 이론과 이에 수반되는 복잡한 계산을 가능하게 한 컴퓨터의 발전은 수학과 생물학의 결합을 이끌게 된다. 혹자는 이러한 수학과 생물학의 만남을 DNA 이중나선 구조 발견으로 촉발된 분자 생물학 혁명을 잇는 생물학의 6번째 혁명이라고 한다. 

생체시계 60년 미스터리를 푼 수학
저녁 9시가 되면 멜라토닌 호르몬이 우리 뇌 속에 분비가 되고 아침 7시가 되면 중단된다. 덕분에 우리는 일정한 시간에 잠을 자고 일어날 수 있다. 이외에도 다양한 호르몬들이 특정 시간이 되면 분비가 된다. 어떻게 우리 몸은 시간을 아는 것일까? 이는 우리 뇌 속에 생체시계(circadian clock)이 존재하기 때문인데, 생체시계를 구성하는 핵심유전자를 발견한 공로로 작년 노벨 생리의학상이 주어졌다. 온도가 올라가면 생체시계를 구성하는 분자들의 화학반응들이 빨라져서 시계가 빨라질 것이라는 예상과 달리 속도가 거의 변화하지 않는다는 것이 60년 전 관찰된 이후 수많은 연구자들이 이 미스터리를 풀기 위해서 도전해왔지만 번번이 실패를 거듭했다. 최근 수학과 실험을 결합한 연구를 통해서 마침내 미스터리가 풀리게 되는데…

수학이 신약 개발에도
해외여행을 가게 되면 시차를 경험하는데 이는 생체시계가 알려주는 시간과 환경에서 주어진 시간이 충돌하기 때문이다. 다행히 생체시계는 빛에 의해 조절될 수 있어 시간이 지나면 환경에 적응하게 되고 시차를 극복하게 된다. 하지만 간호사, 경찰관과 같은 교대 근무자들은 지속적인 시차를 경험하게 되는데 이 경우 수면 문제를 비롯한 암과 같은 다양한 질병이 유발하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 글로벌 제약회사인 화이자(Pfizer)에서 신약을 개발을 시도하던 중 하루 중 약을 언제 투약하는지에 따라 계절에 따라 약의 효과가 달라질 것이 예상되어 난관에 부딪히게 된다. 이때 수리 모델링을 통한 약의 효과 예측을 통해 난관을 극복하게 되는데…

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