2024년 09월 05일 출간 | ISBN : 8962624958 | 244쪽

저자 : 김재경 수학자. KAIST 수리과학과 교수이자 한국차세대과학기술 한림원 회원으로서 수리 모델을 이용해 생명 현상의 비밀을 탐구한다. 기초과학연구원(IBS)에서 의생명수학그룹을 이끌고 있으며, 생명과학의 60년 난제를 해결하고 생체 시계에 관한 연구를 바탕으로 암 환자가 하루 중 언제 치료받는 것이 가장 좋은지 밝혀 화제가 되었다. 서울대학교 수학교육과를 졸업한 뒤 미국 미시간대학교에서 응용수학으로 박사학위를 받았고, 글로벌 제약회사인 화이자에서 신약 개발에 참여했다. 2015년에는 대한수학회 상산젊은수학자상을, 2021년에는 올해의 최석정상을 받았으며, 젊은 학자로서는 이례적으로 2024년 국제 수리생물학회의 기조 강연자로 선정되었다.

■ 끊임없이 변하는 생명 시스템을 이해하고 예측하기 위한 핵심적인 수학 이론인 미적분학은, 초등학교부터 고등학교까지 수학을 10여 년간 공부하며 수많은 고비를 넘겨야 비로소 그 최종 단계로 배우게 됩니다. 하지만 수학을 포기하는 학생, 이른바 ‘수포자’를 줄이려면 미적분학을 없애야 한다는 주장이 매년 나올 만큼 수많은 학생들이 미적분학으로 고통받기도 하지요. 미적분학을 엄밀하게 배우려면 수열, 극한, 급수 등 수학의 다양한 개념들을 알아야 하기 때문입니다. 하지만 이러한 복잡한 수학을 몰라도 미적분학의 본질을 이해하는 데는 어려움이 없고, 한 걸음 더 나아가 이를 생명과학의 문제들을 해결하는 데 사용할 수도 있습니다. ■25쪽-26쪽

■ 이번 장에서는 이 문제를 두 가지 방법으로 접근할 것입니다. 하나는 우리의 직관을 이용한 방법이고, 다른 하나는 컴퓨터를 이용하는 방법입니다. 어떤 현상을 컴퓨터가 이해할 수 있도록 수학적으로 묘사하는 것을 ‘수리 모델링(mathematical modeling)’이라고 합니다. 지금부터 미적분학을 바탕으로 수리 모델링을 하는 방법, 즉 생명과학의 언어를 컴퓨터가 이해하도록 수학으로 번역하는 방법을 소개하려고 합니다. 이 책에서 수식이 가장 많이 등장하는 장이라서 다소 어려울 수는 있지만, 이 장의 수학 내용들만 이해하면 다음 장에서 다루어지는 다양한 의생명과학 문제들을 새로운 방법으로 접근해 풀 수 있습니다. ■38쪽-39쪽

■ 사람뿐만 아니라 박테리아부터 곤충, 식물, 동물에 이르기까지 거의 모든 생명체가 이러한 일주기 리듬을 가지고 있습니다. 그러면 생명체들은 시간을 도대체 어떻게 알고 일주기 리듬을 유지하는 것일까요? 처음에는 단순히 지구의 자전으로 생기는 낮과 밤을 따르는 것이 아닐까 생각했습니다만, 절반은 맞고 절반은 틀린 이야기였습니다. 왜냐하면 생명체를 낮과 밤이 없는 깜깜한 환경에 두어도 몇 주간 일주기 리듬이 유지되는 것을 확인할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 많은 식물들이 햇빛으로부터 더 많은 에너지를 받기 위해 낮 동안 잎을 위로 올리는데, 이러한 잎의 주기적인 움직임은 깜깜한 방에서도 일어납니다. 그리고 깜깜한 환경에서도 쥐는 약 23.7시간마다, 사람은 약 24.2시간마다 깨어나고 잠들기를 반복합니다. 이러한 연구 결과들은 생명 시스템이 주변 환경과 무관하게 시간을 알 수 있는 장치를 가지고 있음을 시사하는데, 2017년 노벨 생리의학상도 바로 이 장치와 그것의 분자적 메커니즘을 발견한 공로로 수여되었습니다. ■63쪽-65쪽

■ 2007년, 화이자는 생체 시계를 조정하는 신약 후보 물질인 PF-670462를 발견했습니다. 이것을 먹으면 생체 시계의 조정 버튼이 움직여 생체 시계가 몇 시간 지연되었습니다. 그런데 이 약에는 독특한 성질이 있었습니다. 하루 중 언제 먹는지에 따라 효과가 3배 이상 차이 난다는 것이었습니다. 새벽 6시에 먹으면 효과가 가장 약해서 시계가 약 1시간 뒤로 밀렸고, 오후 6시에 먹으면 효과가 가장 강해서 시계가 약 3시간 뒤로 밀렸지요. 이 약이 타깃으로 하는 생체 시계가 하루 종일 변하기 때문에 약을 언제 복용하는지에 따라 효과가 달라진 것입니다.
또한 깜깜한 환경보다 낮과 밤이 있는 실제 환경에서 약효가 더 떨어졌습니다. 약으로 조정된 생체 시계가 주변 환경으로부터 빛 정보를 받아들였을 때 다시 원상태로 돌아가려고 하는 것이지요. 따라서 이 약으로 생체 시계를 조정한다고 하더라도 꾸준히 복용하지 않으면 생체 시계는 원상태로 복구되었습니다. 빛에 의해 효과가 달라지는 약이라니, 참 신기합니다. 자연스럽게, 낮이 긴 여름에 먹는지 짧은 겨울에 먹는지에 따라 약의 효과도 달라질 것이라고 예상할 수 있었습니다. 약을 복용하는 사람이 평소 빛에 얼마나 노출되는지에 따라서도(늦은 밤 스마트폰을 얼마나 들여다보는지에 따라서도), 약효가 달라질 것이라고 예상되었지요. 요컨대 하루 중 약을 언제 먹는지에 따라, 그리고 복용자가 빛에 얼마나 노출되는지에 따라 효과가 달라질 것으로 예상되었습니다.
하지만 이러한 모든 복잡한 조건에서 약의 효과를 실험하는 것은 천문학적인 비용을 필요로 하기에 화이자에서는 신약 개발에 어려움을 겪고 있었습니다. 화이자에서 대니얼 포저 교수님에게 협조를 요청한 이유도 수리 모델을 이용해 이러한 상황을 타개하기 위함이었습니다. 수리 모델을 이용해 약의 효과를 실험하는 일은 컴퓨터 전기료만 지불하면 되니까요. ■119쪽-120쪽

■ 주은연 교수님과 최수정 교수님은 이 문제를 오랜 시간 연구했는데, 2018년 여름 주은연 교수님이 저에게 처음 연락한 이유도 바로 주간 졸림증 때문이었습니다. 삼성서울병원에서 교대 근무하는 간호사들의 수면을 몇 주간 스마트 워치로 추적했는데 결과가 예상과 다르다는 것이었습니다. 평균 수면 시간이 길어지거나 수면 효율과 같은 여러 수면 지표가 좋아지면 당연히 교대 근무 중의 졸림도 사라질 것이라고 예상했는데, 전혀 그렇지 않는다는 것이었습니다. 예를 들어, 그림 5.1와 같이 삼성서울병원의 교대 근무 간호사들의 평균 수면 시간과 주간 졸림 정도를 그려보았더니, 평균 수면 시간이 길어질수록 졸림 정도가 감소한다고 말할 수 없었습니다. 더 조사해 보니, 해외 연구에서도 교대 근무자의 주간 졸림 정도를 수십 개의 수면 지표로 예측하려고 했지만 모두 실패했다는 점을 알게 되었습니다. 이전까지 풀리지 않은 문제라는 것을 알면 일단 관심이 생깁니다. 수학이 그 미스터리의 열쇠가 되지 않을까 하는 생각에 심장이 빠르게 뛰었습니다. ■149쪽-150쪽

■ 예측에 따르면, 당시 시행 중이던 완화된 사회적 거리 두기를 강력한 사회적 거리 두기로 격상해 유지할 수 없다면 차라리 거리 두기를 당장 해제하는 것이 더 낫다는 결론이었습니다. 이 결과는 2022년 2월에 발표되었는데, 결과 발표 전날까지도 많이 두려웠습니다. 사회적 거리 두기를 유지하자는 주장은 하기 쉬운데, 해제하자고 주장하는 데는 용기가 필요했습니다. 예측이 잘못되어 사회적 거리 두기 해제가 파국을 가져오면 어쩌나 하며 조마조마했습니다. 발표 후 기자들과 인터뷰하면서도 조심스럽다는 말을 반복했지요. 그런데 걱정과 달리, 발표에 대한 반응은 미적지근했습니다. 여전히 코로나19 전파를 막는 것에 전 국민의 관심이 몰려 있었고 사회적 거리 두기 해제는 아예 관심 밖이었던 것입니다. 하지만 이 장의 시작에서 이야기했듯이 오히려 논문이 트위터를 통해 급속도로 퍼져나가며 해외에서 많은 주목을 받았습니다.
연구를 발표하고 2년이 지난 2023년에 일본에서 발표된 자료를 보면, 다행히 예측이 잘 들어맞았던 듯합니다. 그림 6.4의 그래프에서 보면, 사회적 거리 두기를 해제하고 확진자 수가 급속도로 늘어나는 한편 중증 환자 비율이 거의 0으로 크게 줄어 중증 환자 수도 감소했다는 것을 알 수 있습니다. 사회적 거리 두기를 해제하면 중증 환자 수가 오히려 줄어든다는, 우리의 직관과 충돌하는 미적분학의 예측이 맞은 것이지요. 이 결과는 앞으로 새로이 발생하는 전염병에 대한 방역 정책을 설계할 때 도움을 줄 것으로 기대됩니다. 미적분의 또 다른 쓸모이지요. ■191쪽-192쪽