이번 연구 결과는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 방식을 제시해 뇌·인지과학 연구 분야에 새로운 돌파구를 마련했다고 인정받아 지난해 12월 23일(영국 현지시간) 최상위 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 공개됐다.

□ 뇌에서 시냅스가 제거되는 새로운 방식을 성인의 뇌에서 규명

신경세포인 뉴런과 뉴런 사이를 연결하는 시냅스는 뇌 안에서 정보를 학습하고 기억하는 역할을 담당한다.

기억이 형성되는 과정에서 기존의 시냅스는 사라지고 새로운 시냅스가 생성된다. 그러나 어떻게 기존의 시냅스가 사라지고, 이렇게 사라지는 현상이 뇌의 기억 형성에 어떤 역할을 하는지에 대해서는 알려져 있지 않았다.

정원석 교수 연구팀은 뉴런을 둘러싸고 있는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 ‘별아교세포^[1]’가 뇌가 급격히 발달하는 시기에 시냅스를 제거한다는 자신들의 기존 연구 결과에 착안해 연구를 진행했다.

신경교세포는 뇌에서 뉴런을 도와 뇌 항상성 유지 역할을 수행하는 세포로 ‘별아교세포’, ‘미세아교세포^[2]’, ‘희소돌기아교세포’ 등으로 구성돼 있다.

현재까지는 이 세포들 중 ‘미세아교세포’가 시냅스를 제거하는 주된 세포로 알려져 있었다.

연구팀은 성장한 생체의 뇌에서도 ‘미세아교세포’보다 ‘별아교세포’가 더 활발하게 시냅스를 제거하고 있음을 처음으로 밝혀냈다.

형광 단백질을 이용한 획기적인 분석법을 새롭게 도입해 ‘미세아교세포’를 그대로 둔 채 ‘별아교세포’가 시냅스를 제거하지 못하도록 기능을 억제했을 때 뇌에 비정상적인 시냅스가 급증하는 것을 발견했다.

연구 결과는 ‘미세아교세포’가 시냅스를 제거하는 주된 세포일 것이라는 기존의 학설을 뒤집고, 별아교세포에 의한 시냅스 제거 현상이 뇌 신경회로의 기능과 기억 형성에 필수적임을 보여준 것이다.

연구팀은 생쥐를 대상으로 한 실험을 통해 새롭게 발견한 방식을 검증했다.

그 결과 유전자 변형을 통해 별아교세포의 시냅스 제거 작용을 억제한 생쥐에서는 불필요한 시냅스가 제거되지 않고 또한 새로운 시냅스가 형성되는데 문제가 발생했다.

시냅스가 제거되고 새롭게 형성되는 과정에 별아교세포가 미치는 영향이 뇌가 기억을 형성하고 유지하는데 필수인 것을 생체에서도 확인한 것이다.

정원석 교수는 “이번 연구를 바탕으로 ‘별아교세포’가 시냅스를 제거하는 현상을 조절하게 할 수 있다면 자폐증, 조현병, 치매 등 뇌 신경질환 치료에 새로운 전기를 마련할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

정원석 교수 연구팀은 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 박형주 박사팀은 한국연구재단 뇌원천기술개발사업, 한국뇌연구원 기관고유사업 지원을 받고 있다.

□ 2013년부터 지금까지 634개 과제에 8,125억원 연구비 지원

‘삼성미래기술육성사업’은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 연구 분야 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다.

매년 상·하반기에 각각 기초과학, 소재, ICT 분야에서 지원할 과제를 선정하고, 1년에 한 번 실시하는 ‘지정테마 과제 공모’를 통해 국가적으로 필요한 미래기술 분야를 지정해 해당 연구를 지원하고 있다.

또한, 연구 책임자가 연구 성과와 주요 이슈를 설명하고, 참석 연구자들과의 토론을 통해 새로운 아이디어를 얻는 ‘애뉴얼 포럼’, 연구 성과의 산업 활용도를 높이기 위한 R&D 교류회, 활용도가 높은 특허 출원을 지원하는 IP멘토링 등 다양한 프로그램도 운영하고 있다.

2013년부터 지금까지 634개 과제에 8,125억원의 연구비가 지원됐다.

삼성전자는 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 이라는 CSR 비전 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ ‘성인의 뇌가 기억을 유지하는 방식’을 규명한 카이스트 생명과학과 정원석 교수

▲ 뇌에서 뉴런을 도와 뇌 항상성 유지 역할을 수행하는 세포인 별아교세포(하얀색)와 미세아교세포(파란색)가 시냅스를 제거하고 있는 모습

“공공 화장실에서 수도꼭지를 틀면 물이 스프레이처럼 흩뿌려져 나옵니다. 눈길 닿는 곳마다 ‘물 부족’ 스티커가 붙어 있고 호텔 TV에선 ‘샤워는 90초만!’이란 메시지가 울려 퍼져요. 설상가상으로 이곳 주민들이 하루에 쓸 수 있는 물은 1인당 50리터가 고작이에요. 세탁을 주 1회 한다고 가정했을 때 아주 짧은 샤워 1회, 변기 내림 1회 정도만 가능한 양이죠.”

올 초 학회 참석차 남아프리카공화국(이하 ‘남아공’) 케이프타운을 찾은 김일두(44) 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수는 큰 충격을 받았다. 남아공의 물 부족 상황은 국가재난사태 선포를 야기할 만큼 심각하다. 남아공의 항구 도시이자 ‘아프리카에서 가장 매력적인 도시’로 꼽히는 케이프타운도 예외가 아니다. 메말라가는 땅 위에서 신음하는 주민들을 보며 그는 다짐했다. ‘이윤 생각 하지 말고 사회에 기여할 수 있는 기술을 만들자!’

김일두 교수는 요즘 일명 ‘자가수분흐름’ 기술 연구에 온 신경을 쏟고 있다. 몇 방울(약 25㎜)의 물만으로 전기를 만들어내는 이 기술은 지난달 초 2018 하반기 삼성전자 미래기술육성사업(이하 ‘미래기술육성사업’) 지원과제에 선정됐다. “실패에 대한 부담 없이 하나둘 쌓여갈 연구 성과가 기대된다”는 그를 만나 그간의 여정과 앞으로의 청사진을 들었다.

“잘할 수 있고 나 아니면 아무도 시도 않을” 분야라 도전

그래핀(Graphene)[1]. ‘꿈의 나노 물질’로 불리며 다양한 분야에 혁신을 일으키고 있는 대표적 신소재다. 신소재공학은 이처럼 생활 속 현상을 깊게 탐구하고 무한한 상상력을 더해 새로운 소재를 발견하는 학문이다. 누가 먼저 “유레카!”를 외치느냐가 중요한 영역인 만큼 아이디어 발견과 연구 속도 경쟁이 유난히 치열한 분야기도 하다. 김일두 교수가 미래기술육성사업의 문을 두드린 이번 과제 역시 2년여의 기다림 끝에 여문, 인고(忍苦)의 프로젝트다.

▲ 자신의 논문이 실린 해외 저널 표지 앞에서 포즈를 취한 김일두 교수. 이제껏 그가 쓴 논문은 241건에 이른다

“꽤 다양한 연구를 수행해왔지만 하나의 주제를 이렇게 오래 붙들고 있었던 적은 없습니다. 일종의 확신이 있었어요. ‘지금 하는 연구가 다방면에서 값지게 쓰일 수 있겠구나!’ 하는 믿음 같은 것이요.” 평소 그가 꿈꿔온 “내가 안 하면 누구도 도전하지 않을, 내가 가장 잘할 수 있는 분야”란 점에서도 이번 연구는 그의 마음을 흔들었다. “시간은 좀 걸려도 포기하지 않으면 정상에 첫 번째 깃발을 꽂을 수 있다고 생각했어요. 그걸 보며 좀 더 많은 후배 연구자들이 쫓아왔으면 하는 바람도 있었고요. 그 덕에 더 집중할 수 있었다고 생각합니다.”

‘진짜 필요한 기술에서 시간은 걸림돌이 되지 않는다’는 김 교수의 신념은 ‘빨리 싹 틔워 빨리 지는 기술보다 깊은 땅속에서 오랫동안 다져진 기술이 가치 있다’는 미래기술육성사업의 지원과제 선정 기조와도 맞아떨어진다. “어떤 연구 결과도 그냥 버려지진 않습니다. 자신이 맞는 방향으로 가고 있는지 충분히 점검, 잘못된 부분을 인지하고 브레인스토밍 과정을 거쳐 수정해가는 과정이 정말 중요해요. 외부 환경도 뒷받침돼야죠. 진정한 ‘하이 임팩트 연구’가 탄생하려면 당장은 성과가 없어 보여도 내실을 다지는 초기 단계를 지켜봐주고, 긴 호흡으로 연구에 임하는 과학자를 격려하는 연구 풍토가 자리 잡혀야 합니다. 10년 후 미래기술육성사업 결과물에 거는 기대가 큰 이유도 거기에 있고요.”

에너지원은 수분, 충전도 스스로… 첨단 신소재의 가능성

‘움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 순 없을까?’ 김일두 교수의 질문은 여기서 시작됐다. 신소재공학자답게 그가 내놓은 대안은 ‘새로운 직물 제작’. 평균 300나노[2]미터의 섬유가 ‘얀(Yarn)’으로 불리는 초고밀도 실 형태로 짜인 게 이 직물의 특징이다. 얀의 직경은 수백 마이크로미터(㎛) 수준으로 단위 부피당 표면적이 넓다. 직조가 가능해 옷이나 가방 같은 웨어러블 형태로도 제작할 수 있다. 기능성 흡착제가 코팅돼 있어 땀이나 수분을 자동으로 포착, 에너지원으로 활용하는 것도 가능하다.

▲ 초고밀도 나노섬유 실을 감고 있는 김일두 교수. 정열이 가능한 나노섬유 전기방사 장치는 전 세계에 단 한 대, 김 교수 연구실에만 있다

자가수분흐름 기술이 상용화되면 웨어러블 기기 개발 시 핵심 요소 중 하나인 배터리 문제 해결의 길이 열린다. 충전을 반복하지 않아도 에너지를 스스로 만들어낼 수 있기 때문. “이전에도 진동을 전기에너지로 변환하는 압전소자, 혹은 마찰 전기를 활용한 에너지 생성 장치(energy harvesting system) 같은 게 웨어러블 기기용 배터리의 대안으로 개발돼왔습니다. 하지만 출력되는 신호가 교류 전류란 점이 발목을 잡았죠. 그걸 일일이 직류 전류로 바꿔주는 장치가 필요한데 그걸 추가하면 디자인이 훼손될 수 있거든요. 반면, 이번에 저희 연구진이 개발한 장치는 직류 전류를 바로 생성하기 때문에 그런 문제에서 자유롭습니다.”

전기방사 기술로 제조된 나노섬유 ‘멤브레인(membrane)’은 무작위적으로 얽힌 미세기공 구조를 지녀 박테리아나 바이러스를 걸러낸다. 방수 기능을 활용하면 기능성 의복 제작에도 쓰일 수 있다. 그는 “신소재공학적 관점에서 멤브레인이나 얀의 성능을 개선시킬 수 있는 소재 조합은 무궁무진하다”며 “지금 연구 중인 고효율 직류 에너지 생성 장치를 완성해 실생활에 꼭 적용해보고 싶다”고 말했다. “물도, 전기도 부족한 나라 아이들이 물 몇 방울 떨어뜨려 불을 켜고 책도 읽는 모습을 종종 상상합니다. 진짜 그런 세상이 오면 얼마나 좋을까요?”

“난 학자인 동시에 교육자… 중고생 진로 선택 돕고 싶어”

▲ 김일두 교수의 연구실 한편을 가득 메운 사진과 편지. 제자들을 향한 그의 사랑과 열정이 엿보인다

논문 241건, 출원 특허 207개, 기술 이전 9건…. 김일두 교수는 눈코 뜰 새 없이 바쁜 과학자이지만 그와 동시에 천생 교육자이기도 하다. 대학에서 학생들을 가르치는 ‘본업’ 외에 교회 중등부 교사 일을 하고 과학고·영재학교 재학생 대상 강연도 펼친다. “어린 친구들은 누군가의 한마디에 인생이 달라질 수 있어요. 사회에서 성공한 멘토나 관심 업계에 있는 선배의 진심 어린 조언이 꿈의 크기를 바꿔놓기도 하죠. 저 역시 그런 사실을 잘 알고 있기 때문에 청소년을 만나는 자리에선 더더욱 건강하고 긍정적인 기운을 많이 심어주려 노력합니다. 흔히 인생을 ‘빈 도화지에 완성해가는 그림’에 비유하곤 하잖아요. 중고생 시절은 바로 그 도화지의 크기를 결정하는 시기란 점에서 특히 중요하단 게 제 생각이에요.”

교육자로서의 활동은 김 교수 자신의 삶에도 큰 동력이 된다. “스스로 실천할 수 있는 구체적 목표를 찾아 정진하는 제자들을 보는 것만큼 보람찬 일은 없다”는 것. “연구만 해왔다면 분명 지치는 순간이 많았을 거예요. ‘좀 더 나은 연구를 통해 제자들에게 본보기가 돼야겠다’는 생각 덕분에 여기까지 올 수 있었고, 앞으로도 그 마음가짐을 잊지 않으려 합니다.”

▲ 김일두 교수와 그가 이끄는 연구실 소속 학생들. 김 교수에 따르면 학생 모집 기준은 단 하나, “분명한 꿈과 목표”다

후배 과학자들에게 그가 건네는 당부는 “쉽게 포기하지 말라”는 것이다. “하루가 다르게 급변하는 세상에서 자신만의 연구 분야를 확립하려면 끊임없는 도전은 필수”란 게 그의 생각. “저만 해도 이번 미래기술육성사업 지원과제 도전이 세 번째예요. 2015년과 2017년 두 차례 도전했지만 번번이 고배를 마셨죠. 한두 번 실패로 낙담하고 포기했더라면 이번 성과 역시 없었을 거라고 생각합니다. 후배 여러분도 명심하세요. 실패는 누구나 할 수 있지만 포기하지 않는 한 그건 실패가 아니란 사실을요.”

[1]2010년 영국 가임(Andre Geim)·노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구 팀에 노벨물리학상을 안긴 신소재. 흑연의 가장 얇은 층에서 추출한다. 전자 이동 속도가 실리콘 반도체보다 100배 이상 빠르고 구리보다 100배 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 강철보다 약 200배 단단하며 열 전도성이 다이아몬드보다 2배 이상 높아 ‘세상에서 가장 얇지만 강한 물질’로 불린다
[2]국제 단위계에서 1나노는 10억 분의 1을 나타낸다

“그건 기본을 지키지 않아 그래.” 살다보면 종종 이런 말을 하고 또 듣는다. 무슨 일이든 기본 철칙을 도외시하면 아무리 많은 시간과 노력을 들였다 해도 해당 분야 전문가에게서 좋은 평가를 받기 어렵다. 제대로 된 전문가는 매사 ‘결과’보다 ‘과정’을 중시한다. 설령 결과물이 훌륭해 보여도 절차상 하자가 있다면 쓸모없는 가치에 불과하다. 소비자 호평도 기대하기 어렵다. 소비자는 비록 비전문가이지만 어떤 게 좋고 나쁜지 직관적으로 안다. ‘내 돈 내고 받는 재화(서비스)’인 만큼 대충, 어설프게 넘어가는 경우는 드물기 때문이다.

좋은 설계도 VS. 나쁜 설계도

기업 데이터를 설계할 때도 마찬가지다. 설계 담당자(이하 ‘설계자’)가 아무리 열심히 노력했다 해도 전문가 평가는 호의적이지 않은 경우가 허다하다. 예를 들어보자. 대부분의 기업은 인사 업무 관련 데이터를 설계할 때 “인사 부서가 직원에게 급여를 지급한다”는 매뉴얼 내용을 기준으로 <그림1> 혹은 <그림2>와 같은 데이터 설계도를 만든다. 하지만 둘 다 명백한 ‘수준 미달 설계’다. 하지만 도표를 접한 설계자 대다수는 고개를 갸웃거릴 것이다. ‘아니, 뭐가 잘못됐다는 거지? 다들 그렇게 하고 있잖아. 누군가 내게 같은 설계를 부탁해도 다르지 않을 것 같은데….’

위 두 그림은 모양만 보면 설계도가 맞지만 수준은 ‘유치원생급’이란 평가를 피하기 어렵다. 가장 큰 문제는 결과 표현에 급급해 과정이 생략된 것이다. 설계도의 완성도를 높이려면 급여가 그렇게 지급돼야만 하는 연유와 내막이 설계도 내에 드러나 있어야 한다. ‘급여 지급’의 주제가 인사 부서인 건 누구나 알고 있지만 그에 앞서 지급 행위를 구성하는 세부 원인 행위가 구체적으로 하나씩 규명돼야 한다는 얘기다. 이 과정이 설계도상에 가시적으로 표현되지 않으면 설계자와 관찰자 간 소통은 사실상 불가능하다.

관찰자가 설계도에 깔려 있는 배경과 사상을 이해할 길이 없다면 그 설계도는 실패작일 수밖에 없다. 따라서 위 그림 속 설계도가 설계도답게 구성되려면 급여 지급에 선행되는 행위, 이를테면 ‘출장’ ‘교육’ ‘강의’ ‘휴가’ 등이 설계도에 구현돼야 한다. 그런 다음, (최종 행위로서의) ‘지급’을 설계도 내에 나타내야 비로소 앞뒤가 들어맞는다.

데이터 설계에도 ‘소통’이 필요해

제대로 된 데이터란 관찰자가 객관적 시각으로 들여다봤을 때 설계 도중 설계자의 머릿속이 읽히는 데이터다. 이때 ‘제대로’는 ‘수준 미달을 겨우 면한 정도’를 뜻한다. 과정과 절차가 무시된 ‘결과 중심 설계’는 참담한 실패를 불러올 뿐이다. 설계 사상과 철학의 핵심인 ‘원인-결과 상호 대응관계’가 관찰자에 의해 정확하게 읽히지 못한다면 그건 설계도가 아니라 무의미한 추상화에 불과하다. 그런 설계도라면 나중에도 쓸모를 찾기 어려워지므로 처음부터 공 들여 제작할 가치도, 추후 정보 시스템 개발 결과물로 유지하거나 보수할 가치도 없다.

좋은 설계도엔 ‘소통’이 존재한다. 단, 여기서의 소통은 언제나 ‘쌍방향’적이어야 한다. 관찰자도, 설계자도 상대가 어떤 배경과 의도로 논리를 펼치고 있는지 소상히 알 수 있어야 한다는 뜻이다. 소통 가능한 데이터 설계도의 제작 여부는 순전히 설계자의 마음가짐에 달려 있다. “학교에서 배운 적이 없어서” “직장에 들어온 후 내게 설계 방법을 가르쳐준 선배가 없어서”란 말은 한낱 변명일 뿐이다. 요행히 과정과 절차를 중시하는 전문가를 만나 제대로 된 설계법을 배울 수도 있을 것이다. 하지만 본인의 노력만으로도 결과를 중시하는 현행 기업 관행을 충분히 개선할 수 있다. 설계자 스스로 몇 차례 시행착오만 거치면 누구나 완수할 수 있는 임무란 얘기다.

기업 정보 시스템이 생명력을 발휘하려면 데이터 설계 분야에서 “혼자서도 완성도 높은 설계도 제작에 도전해보겠다”는 작은 영웅들이 기업마다 넘쳐나야 한다. 자체적 데이터 설계 능력은 빅데이터 시대에 기업이 살아남기 위한 핵심 역량이다. 이제껏 그래왔듯 위탁 업체에 맡겨버리면 되는 것 아니냐고? 그런 생각은 본인 소유 기업의 빅데이터를 거대한 쓰레기 더미로 만드는 ‘자포자기 선언’이나 다름없다.

※ 이 칼럼은 전문가 필진의 의견으로 삼성전자의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.