강철보다도 강도가 훨씬 높고, 나일론보다도 신축성이 뛰어난 물질, 바로 거미줄인데요. 이를 이용하면 가볍고 단단한 방탄복, 케이블 등을 만들 수 있고, 특히 생체적합성이 뛰어나서 상처의 봉합이나 인공장기 개발 등, 의료용으로도 유용하게 사용될 수 있다고 합니다. 이렇게 유용한 거미줄은 대량 생산하려는 노력은 있었지만 크게 성공하지는 못했는데요, 그런데 최근 컴퓨터 모델링을 이용해서 거미줄을 모사한 인공생체섬유를 개발하신 분이 있어서 화제가 되고 있습니다. 바로 KAIST 기계공학과 유승화 교수님이십니다. 그럼 교수님을 직접 찾아뵙고 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 교수님과 실험실에서 하고 계신 연구에 대해서 간단하게 소개 말씀 부탁드리겠습니다.
저희 연구실은 분자동역학에서부터 연속체역학까지 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 재료의 기계적 성질과 합성에 대해 연구하고 있습니다. 최근에 저희가 집중하는 것은 나노스케일인데요. 소재 자체가 나노스케일이던가 아니면 소재 안에 있는 미시구조가 나노스케일인 그런 소재들에 대해 연구를 하고 있습니다. 대표적으로는 그래핀, 금속률, 나노 와이어, 철의 미시구조 그리고 나노소재를 인클루젼(Inclusion)으로 박은 복합소재 등을 연구하고 있습니다.
2. 최근 소속 연구원들과 함께 “컴퓨터 모델링을 이용해 거미줄을 모사한 인공생체 섬유” 개발했다고 들었는데요. 개발과정과 방법에 대해서 말씀해 주세요.
미국에 박사 후 연구원으로 있을 때부터 시작하여 한국에 와서도 약 2년 정도 했던 연구인데요. 논문 소개에 나와 있듯이 실험과 이론을 결합 한 연구입니다. 공동 연구팀이 세 팀으로나눠져 있었는데 첫 번째 연구팀은 박테리아에 유전자 조작 통해 거미줄의 단백질을 생성하게 하는 팀이고, 두 번째는 생성된 단백질을 이용해서 합성섬유를 프로세싱하는 팀이었습니다. 세 번째는 저희가 속해있던 연구 그룹인데, 그 과정들을 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사하여 - 예를 들어 거미줄 단백질의 아미노산 시퀀스나 길이를 조절할 때 어떻게 기계적인 성질이 바뀌는지 - 모델링했던 게 저희 연구였습니다. 제가 혼자 한 연구는 아니고 매우 많은 연구팀과 공동으로 한 연구라고 소개할 수 있을거 같습니다.
3. 이번 연구는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 2015년 5월 28자 온라인 판에 게재된 것으로 알고 있습니다. 축하드리고요. 이렇게 권위 있는 학술지에 실린 배경이나 이유가 있을 거 같습니다. 주로 어떤 부분을 높게 평가한 것이라고 생각하시는지요?
지금까지 이런 연구들이 없었던 것은 아니거든요. 생체섬유를 인공적으로 개발한 연구들은 있었는데요. 저희처럼 실험과 이론을 결합을 해서 공동연구를 진행한 사례는 거의 없었던 것으로 알고 있습니다. 단백질 하나를 합성해보는데 굉장히 오래 걸립니다. 저희 연구는 그 단백질에 있는 아미노산 시퀀스를 조금 바꿔가면서 그 다음에 단백질 분자 길이를 바꿔가면서 기계적 성질이 어떻게 변하는지, 그리고 합성 과정은 어떻게 되는지를 알고 싶었는데 시뮬레이션으로 먼저 실험에서 몇 달씩 걸리는 과정을 미리 예측 가능하게 모델링을 해보고 그 중에서 성질이 좋을 것 같은 것만 뽑아서 실험을 할 수 있게 도와준 거고요. 실험이 안 된 것은 왜 실험이 안 되었는지 모델링을 통해서 그것을 설명할 수 있었기 때문입니다.
4. 실제 거미줄과 교수님이 모사한 인공생체섬유가 어느 정도 비슷한 성질이 있는 건가요?
우선 논문에 발표된 것은 실제 거미줄에 비해서 강도는 10분의 1밖에 안되고요. 신축성은 5분의 1이라고 볼 수 있습니다. 현재 생성된 거미줄을 실제 거미줄이랑 비슷한 수준의 기계적 성질을 가지고 있다고는 볼 수 없지요. 다만, 저희가 이번 연구를 통해서 얻은 것은 어떤 식으로 유전자 조작을 해야지, 그리고 얼마만큼의 거미줄 단백질을 만들어야지 기계적 성질을 좋게 만들 수 있는지 물리적으로 이해를 했으니, 앞으로 실제 거미줄의 강성과 신축성을 조율할 수 있는 후속연구가 진행 될 것으로 예상합니다.
5. 교수님의 주 분야가 나노재료모델링이라고 들었습니다. 나노재료 모델링에 대해서 보면 국내와 해외에서의 동향은 어떨까 궁금합니다.
나노재료 모델링을 하려면 좀 다양한 지식이 필요합니다. 가장 기반이 되는 지식은 양자역학 기반으로 나노 스케일에서의 전자구조를 보는 게 될 테고, 제가 하는 것은 그것보다 조금 더 스케일이 크게 고전적인 분자동역학을 하고 있거든요. 한국에 와서 외국과의 차이를 느꼈던 건 외국에서는 학문 간의 경계가 전혀 없어서 물리학과 교수, 재료학과 교수, 기계공학과 교수가 매우 잘 연합을 잘 해서 공동연구를 많이 하고 있는데요. 한국에서는 아직도 학과별로 장벽이 있으니까그런 방면에 공동 연구를 도모하려는 노력이 필요한 것 같습니다.
그리고 나노소재 같은 경우는 이게 아무리 소재가 나노라고 해도 이것을 전부 원자 하나하나씩 모사를 하려면 컴퓨터가 굉장히 커야 하거든요? 국내도 지금은 아주 많이 좋아졌지만 여전히 외국에 비해서는 슈퍼 컴퓨터 클러스터를 확충하는 노력이 더 필요할 것 같습니다. 나노스케일에서 계산된 결과를 기반으로 조금 더 큰 스케일과 더 긴 시간을 모델링할 수 있는, 두 개의 다른 물리적 현상의 스케일을 연결할 수 있는 모델링에 대해서도 아직 국내에서는 부족하기 때문에 그쪽에 대한연구가 더 필요할 것 같습니다. 큰 스케일의 실험과 시뮬레이션을 정량적으로 많이 맞출 수 있는데 아직 나노 쪽 시뮬레이션의 경우에는 정량적으로 숫자까지 다 맞추기는 어렵고, 대신에 정성적으로 트렌드는 충분히 예측이 가능합니다. 예를 들어, 이 물질이 이 물질보다 강도가 더 강하다 이런 것을 실험을 안 해보고도 알 수 있습니다. . 그래서 나노 쪽은 아직 정성적으로는 많은 것을 설명할 수 있지만 정량적으로는 많이 부족합니다.
6. 여러 가지 아직 완성되지 않은 점과 극복해야 할 문제점이 있을 것 같습니다. 어떤 것들이 있을까요?
저희 문제점 중에 가장 어려웠던 것은 실제 거미줄이 아주 많은 단백질들이 결합되서 나오는 게 거미줄 섬유거든요. 그런데 한 단백질의 길이가 자연계에서 100이라고 하면 저희가 박테리아에서 만들 수 있는 길이는 그것의 10분의 1정도밖에 안되더라고요. 그러니까 유전자 조작을 해서 더 긴 단백질을 만들려고 하면 자꾸 박테리아가 죽어요. 그래서 첫 번째로 극복해야 될 것은 자연계 수준으로 긴 단백질로 합성할 수 있는 방법을 개발하는 것이고, 저희가 거미줄 합성을 할 때 단백질 용액의 농도라던가 합성되는 온도, 산도(pH)를 변화하면서도 해야 하는데 그런 많은 매개변수에 대해서는 사실 아직 한 번도 테스트를 안 해봤거든요. 그래서 그런 것들을 변화시키면서 좀 더 인공 거미줄을 최적화하고 조율할 수 있는 방법을 개발하는 게 후속연구가 될 것 같습니다.
7. 교수님께서는 학부까지 한국에서 하시고 유학을 가신 걸로 알고 있는데요, 학부만 마치고 유학을 간다는 게 쉽지는 않았을 것 같습니다. 그 과정이 궁금한데요. 어떻게 해서 가게 되었는지, 그리고 가서는 어떠했는지 이야기해주세요.
저는 유학을 미국으로 다녀왔습니다. 사실 유학 가서 학교에 입학하는 날이 태어나서 미국을 처음 가본 날이었습니다. 아무런 정보가 없었기 때문에 대학교 4학년 때 고민을 좀 많이 했습니다. 진학을 어디로 할지 고민을 하다가 KAIST의 지원 기간을 놓쳐서 어쩔 수없이 유학을 열심히 준비하게 돼서 가게 되었는데요. 저는 대학원이 어떤 곳인지 알아보지 않고 그냥 학교 홈페이지 찾아보고 이런 서류들을 내면 지원할 수 있다는 걸 알고 서류만 제출해서 받아주면 좋고, 이런식으로 지원을 했거든요. 우연히 좋은 학교를 갈 수 있었지만 아마 지금 준비하고 싶은 학생들은 저보다 좀 더 철저히 준비하고 대학원에서 개별연구도 하면서 이게 과연 나에게 맞는 것인지 조금 생각을 해보고, 미국에서도 공부만 하는 게 아니라 생활이거든요. 5년에서 7년씩 있어야 하니까 그런 것에 대해서도 마음의 준비를 하고 갈 수 있으면 좋겠습니다.
저는 대학원에서 어떠한 연구를 하겠다는 생각을 전혀 하지 않고 유학을 갔습니다. 그래서 처음 들어간 연구실도 앞으로 어떤 것을 하겠다는 생각 없이 교수님이 사람이 좋아보여서 들어갔는데,막상 3년 일하다보니 나랑 맞지 않고 재미도 없으니까 못하겠다는 생각이 많이 들더라고요. 그래서 대학원 4년차 시작할 때 다른 연구실로 옮겼는데 그런 과정들 거치면서 마음도 되게 힘들고 어려웠습니다. 그리고 대학원 생활은 학부처럼 주어진 문제를 푸는 게 아니라서 KAIST도 충분히 외국만큼 연구역량이 올라간 부분이 많고하니 학부 때 대학원에 가서 인턴으로 몇 달씩 일해보고 이게 내 적성에 맞고 내가 어떤 일이 하고 싶은지 스스로 피악하는 시간이 많이 필요할 것 같습니다.
예전에는 등록금도 자기가 내고 월급도 못 받고 다녔는데 2000년대초반부터 점점 좋아져서 KAIST 학생들은 등록금도 안내고 월급도 살 만큼은 주거든요. 미국보다 월급이 조금 작기는 하지만 대학원생 생활은 점점 미국 수준에 근접해있고요. 미국의 아주 좋은 학교 가는 게 아니면 한국의 좋은 학교를 가도 연구를 비슷한 수준으로 할 수 있다고 생각합니다. 그래서 유학을 나가는 것 자체에 대해서 옛날에는 정말 선진 학문을 하는 것이 목표였다면 현재는 외국인들과 교류하면서 자기가 조금 오픈마인드가 되고 경험의 폭을 다양화한다는 것에 더 의의가 있다고 생각합니다.
8. 미국 매사추세스 공대, 플로리다 주립대, 터프츠 대학과의 공동연구로 컴퓨터 모델링을 이용해 인공 생체섬유 개발에 성공했다고 들었습니다. 공동연구가 쉽지 않았을 것 같은데 어떤 방식으로 공동연구가 진행된 것인가요?
처음 시작할 때는 이 연구가 생각보다 시간이 너무 오래 걸렸고, 보스턴 대학과 MIT, 터프츠 대학 이렇게 3개 대학이 같이 연구를 했었습니다. 저는 그 때 MIT에 속해 있었고요. 세 개의 대학은 전부 보스턴 안에 있기 때문에 2~3주에 한 번씩 모여서 미팅하는 게 용이했습니다. 그러나, 시간이 지나면서 저는 한국으로 오고 거기에 있던 또 다른 제 공동연구자는 플로리다 주립대 교수로 옮기면서, 그 다음부터는 계속 화상(채팅)으로 만나거나 이메일로 연락을 했습니다. 요즘 너무 컴퓨터가 좋으니까요. 굳이 얼굴 보고 이야기하지 않아도 화상채팅만으로도 많은 정보를 교환할 수 있고, 이메일로 교환하는 게 좀 더 효율적일 수도 있다고 생각이 드는 게, 실제로 만나면 여러 가지 다른 이야기도 많이 하는데, 이메일로 연락을 하면 굉장히 정제된 정보를 만들어서 보내야 빨리 답변을 받을 수 있으니까, 오히려 그런 식의 공동연구도 나쁘지 않다고 생각합니다.
9. 거미줄을 모사한 인공생체 섬유가 여러 가지 다양한 제품으로 제작이 돼서 응용이 가능할 것 같습니다. 생각하시는 활용 가능한 분야나 제품이 있으신지? 또한 제품화 계획도 혹시 생각하고 계신건지요?
지금 단계로서는 초기 단계니까 제품화를 논하기는 이르지만 몇 가지 활용 가능성은 생각해볼 수 있는데요. 거미 실은 우선 가장 좋은 점이 생체 적합성(Biocompatibility)이 있는 건데요. 예를 들어서 외과에서 수술을 진행하면 나중에 수술이 끝나고 다시 그 실밥을 풀어서 빼야하는데 거미줄 같은 경우는 인체에서 부작용이 없고, 그 안에 흡수가 됩니다. 그래서 인공 거미줄의 성능을 튜닝해서 외과용 봉합 섬유를 개발할 수도 있습니다. 인공 장기를 개발할 때 세포가 자랄 수 있는 지지대(scaffold)가 필요한데요. 그러한 용도로도 사용할 수 있을 것으로 예상합니다.
10. 컴퓨터 모델링을 이용한 인공생체섬유는 거미줄 모사뿐만 아니라 다른 특징을 가진 생체섬유도 만들 수 있을 것 같습니다. 거미줄 이외에도 어떤 특징의 생체섬유개발을 고려하고 계신지 궁금합니다.
거미줄 외에도 사실 인공생체섬유를 비슷한 과정을 통해서 만들 수는 있습니다. 저희 연구실에서는 다른 종류의 생체섬유를 개발한다는 계획은 없고 이태리에 있는 연구팀이랑 거미줄 안에다 탄소나노튜브에 그래핀같은 나노신소재를 결합해서 기계적 강도를 높인다든가 전기전도성을 가진 생체섬유를 개발하려는 계획은 있습니다. 아무래도 이론과 모델링을 하는 연구실이니까 이런 식으로 생체 섬유나 이런 섬유들, 고무 같은 게 다 폴리머소재거든요? 폴리머소재에 나노스케일의 강화소재를 넣었을 때 기계적 성질이나 전기적 성질이 어떻게 변하고 왜 변하는지 그런 것에 대한 이론적, 컴퓨터 모델링적 연구에 주력하고 있습니다.
11. 그럼 최근에는 어떤 연구를 하고 계신지요?
저희 연구실은 아무래도 제가 물리학과 출신이고, 주된 연구 틀은 분자 동역학이라고 원자스케일과 나노스케일의 다이나믹스를 보는 게 저희 연구의 주된 툴입니다. (연필도 원자로 이루어져 있고 지우개도 원자로 이루어져 있습니다.) 이 툴을 이용해서 저희가 소재를 정하지 않고, 저희가 관심 있는 소재를 연구합니다. 최근에 저희가 연구하는 것은 금속 유리입니다. 금속으로 되어있는데 원자 배열이 유리처럼 되어있는 소재에 방사능을 쬐었을 때 기계적 성질이 변하는데 그것이 왜 그런지, 메커니즘을 연구하고 새로운 소재인 그래핀의 기계적 강도나 스핀특성, 조금 전에 말씀드린 나노복합소재, 나노소재 합성을 할 때 어떤 식으로 합성이 되는지에 대한 메커니즘 연구 등 다양한 연구를 하고 있습니다.
12. 교수님께서는 독특한 이력을 가지고 계시네요. 물리학과를 졸업한 후 기계공학과 교수로 오셨습니다. 물리학과가 아닌 기계공학과 교수로 오시게 된 계기가 있으신지? 또한 물리학과 기계공학이라는 융합이라는 측면에서 여러 가지 장단점이 있을 거 같습니다.
사실 그렇게 학문적이거나 거창한 계기는 아니고요. 제가 대학원에서 공부를 할 때 물리학과 대학원에 들어가서 3년 동안 물리과 실험실에서 일했는데 연구 분야가 저랑 잘 안 맞아서 대학원 4년차 올라가면서 연구 분야를 바꿨습니다. 바꾼 연구실이 기계공학과 교수님 연구실이었는데 그래도 학위는 물리학과 학위로 나왔고요. 막상 연구는 재료공학 쪽으로 했는데 그냥 지도교수님이 기계과 출신이니까 어떻게 하다 보니 기계과 교수로 온 것 같습니다. 요즘에는 학과 구분이 많이 없어지고 있다고 생각하거든요. 가르치는 것 말고 연구측면에서는 딱히 제가 물리학과 박사 출신인데 기계과라고 해서 다른 교수님들에 비해 더 많은 융합연구를 한다라고 말하기는 어려울 것 같고, 대신 제가 교육을 다양한 백그라운드에서 받았으니까 여러 가지 측면에서 좋았던 것이 무엇이냐면 물리학과에서 개발된 지식이나 방법론을 재료공학이나 기계과 연구할 때 적용하거나. 그 반대로도 가능하고요. 그 다음에 다양한 학과의 교수님들이랑 공동연구하고 대화하는 데 소통이 좀 더 편하다라는 장점이 있습니다.
13. 인터뷰를 보면 많은 학생들이 교수님 연구실에 들어오고자 할 거 같습니다. 연구실에 지원하실 학생이 있다면 미리 어떤 부분을 공부하는 게 좋겠다가 하는 조언이나 혹시 희망하시는 학생들이 있으시다면?
우리 연구실이 물리학과나 재료과, 기계과 세 가지 학과의 배경지식이 모두 다 필요한 연구를 하기는 하지만, 제 생각에는 학부 때 깊이없이 다양한 공부를 하는 것보다는 한 전공을 공부해도 심화과목을 다 들으면서 깊게 공부하는 버릇을 들이는 게 좋을 것 같습니다. 그래서 자기 전공의 심화과목을 열심히 공부하면 그것을 기초로 대학원 확정하는 것은 되게 쉽다고 생각하거든요. 그래서 저희 연구실에 들어올 학생들은 전공이 어떤 것이든 상관없이 수학이나 물리적으로 기초를 탄탄히 할 수 있게 공부를 열심히 했으면 좋겠습니다. 대학원 때 저도 연구실도 옮기고 대학원 생활이 학부 졸업하고 박사 딸 때까지 5년에서 7년이 걸리는 긴 과정이기 때문에 공부만 하는 게 아니라 생활이 돼야 하거든요. 그래서 교우관계도 중요하고 체력도 중요하고, 그런 것들이 나중에 공동연구 할 수 있는 발판도 됩니다. 그래서 그런 쪽에도 좀 더 마음의 준비를 하고 왔으면 좋겠습니다.
kaist.ac.kr
