안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 동물 실험을 대체하기 위한 바이오 기술의 최근 발전 사례는?
안녕하세요.동물 실험을 대체하기 위한 바이오 기술 분야에서도 최근 눈에 띄는 발전이 이어지고 있는데요, 의료와 신약 개발, 화장품 등의 분야에서 활용되는 주요 대체 기술에 대해서 설명드리자면, FDA는 2025년부터 단클론 항체 등 일부 약물 개발 과정에서 동물 실험을 단계적으로 폐지하고, 인공지능 기반 모델이나 실험실 제작 인체 장기 유사 구조를 활용하는 경향을 강화할 계획을 제시했습니다. 또한 chip 기반 모델은 미세유체 시스템(Microphysiological Systems, MPS)을 이용, 인체 장기의 기능 및 조직 반응을 동시에, 인간 친화적으로 재현할 수 있으며, 예로, 뇌–간–심장–뼈–피부 간의 상호작용을 모사한 multi-organ chip은 실제 임상의 결과와 높은 일치도를 보여주기도 했으며, 효능과 대사물 생성 패턴이 임상 결과와 부합했습니다. 다음으로 전통적인 2D 세포 배양의 한계를 극복하기 위해 3D 세포 스페로이드 또는 스캐폴드 기반 배양이 널리 사용되는데요, 예를 들자면 3D 스페로이드는 약물의 만성 독성 평가에서 in vivo 데이터와 매우 높은 상관성을 보입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 대장용종에 대해 궁금해서 질문합니다
안녕하세요.네, 말씀해주신 것처럼 대장 선종은 보통 40~50대 이후, 특히 술이나 담배, 고지방식의 생활습관이나 가족력과 관련이 많다고 알려져 있는데요, 말씀처럼 젊고 건강한 생활습관을 유지하는 사람에게도 생길 수 있습니다. 이러한 대장 선종은 대장 점막 세포의 증식이 비정상적으로 이루어진 결과인데요, 직계 가족력이 없어도, 개인별 유전자 변이(APC, KRAS, β-catenin 관련 경로)가 있으면 선종 발생 위험이 증가할 수 있으며, 이런 변이는 꼭 가족력으로 나타나지 않고, 개인적으로 새로 생긴 돌연변이로도 발생할 수 있습니다. 즉, 눈에 띄는 가족력이나 생활습관과 무관하게 체질적으로 대장 점막이 잘 증식하는 성향을 가진 경우가 있습니다. 또한 술, 담배, 패스트푸드를 하지 않아도 고기 섭취 패턴, 장내 세균총의 차이, 만성적인 경미한 염증 등이 복합적으로 작용하면서 점막이 증식해 용종으로 이어질 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 밀가루를 찬물로 반죽을 하면 탄력을 얻게 되는 것은 어떤 원리 때문인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 밀가루 반죽에서 탄력이 생기는 원리는 글루텐(gluten)이라는 단백질 성분 때문인데요, 밀가루 속 글리아딘은 점성을 주는 단백질이며, 글루테닌은 탄성을 주는 단백질인데요, 물과 만나 반죽 과정에서 이 두 단백질이 서로 결합하면서 글루텐 네트워크를 형성하게 됩니다. 보통 물의 온도가 낮을수록 단백질과 전분의 반응 속도가 달라지는데요, 뜨거운 물을 쓰면 전분이 빨리 팽윤·호화되어 질척해지며 글루텐이 형성되기 어렵습니다. 반대로 찬물은 전분의 수화를 늦춰서, 단백질이 먼저 충분히 결합할 수 있게 도와주는데요, 그 결과 더 균일하고 단단한 글루텐 네트워크가 형성되면서 탄력이 증가하는 것입니다. 또한 온도가 높으면 단백질이 빨리 변성되면서 네트워크가 불완전해지는데요 반대로 찬물은 변성을 늦춰, 차분히 결합하게 만들어 더 탄력 있는 조직을 형성하게 됩니다. 마지막으로 찬물에서는 글루텐 형성 속도가 느리지만, 그만큼 더 치밀하고 강한 구조가 생기는데요 뜨거운 물 반죽은 오히려 부드럽고 잘 찢어지는 반죽을 만들게 되며, 이로 인해 탄력보다는 연성이 강조됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 등푸른 생선은 산성물질을 만나면 더 냄새나는 이유가 무엇인나요
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 고등어, 꽁치, 정어리나 청어 등의 등푸른 생선의 비린내가 산성에서 더 심해지는 이유는 생선 특유의 냄새 성분과 pH의 관계로 설명이 가능한데요, 우선 생선 비린내의 주된 원인은 트라이메틸아민(TMA)라고 하는 성분 때문입니다. 생선이 죽은 뒤, 체내에 있던 트라이메틸아민 옥사이드(TMAO)가 세균 및 효소의 작용으로 분해되는 과정에서 TMA로 변하는데요, 이 TMA가 바로 생선 특유의 비린내 원인입니다. pH가 높은 염기성 조건에서는 TMA는 기체 형태(Trimethylamine, 휘발성)로 존재하기 때문에 코로 올라가 냄새 강하게 느낍니다. 반면에 pH가 낮은 산성조건에서는 TMA는 양성자를 받아 트라이메틸아민염(TMAH⁺), 즉 비휘발성 염으로 변하는데요, 냄새가 약해져야 정상이며 실제로 레몬즙·식초를 생선에 뿌리면 비린내가 줄어듭니다. 하지만 등푸른 생선은 다른 흰살 생선보다 지방 함량이 높고, 불포화지방산이 많이 들어 있는데요, 따라서 산성 환경에서는 TMA는 줄어들지만, 동시에 불포화지방산이 산화되면서 알데하이드·케톤·산 등의 휘발성 물질이 많이 생기게 되며 이 산화 부산물들이 고등어·꽁치 특유의 강한 비린내를 유발합니다. 즉, 흰살 생선에서는 산성 처리가 냄새를 줄이는 효과가 크지만, 등푸른 생선에서는 오히려 지방 산화 부산물 냄새가 더 부각되기 때문에 더 냄새가 나는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 옥살산이 많이 들어간 음식이 무엇인가요
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 옥살산은 몸속에서 칼슘과 결합하면 수산화칼슘이 형성되기 때문에 신장결석의 원인으로 작용할 수 있는데요, 옥살산은 시금치, 비트, 근대, 케일 등의 채소류에 많이 함유되어 있습니다. 시금치, 근대, 비트잎 등은 데치면 옥살산 일부가 물에 녹아 나가는데요, 따라서 조리 후 물은 버리는 게 좋습니다. 또한 우유나 치즈 같은 칼슘을 함께 먹으면 장에서 결합해 흡수 줄이게 되며 신장 대신 장에서 배출됩니다. 이외에도 수분을 충분히 마셔 소변으로 희석시키면 결석 위험 감소시킬 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 자연에서는 왜 파란색깔을 보기 힘든건가요
안녕하세요. 네, 자연에서 파란색은 분명히 흔히 보이는 색이지만, 생물의 실제 색소로서의 ‘파란색’은 매우 드문데요, 우선 색소란 특정 파장의 빛을 흡수하고 남은 파장을 반사한 것으로 실제 화학물질이며 예를 들어서 클로로필은 녹색이고, 카로티노이드는 노랑과 주황, 멜라닌은 검정과 갈색입니다. 또한 구조색은 물질의 미세구조가 빛을 굴절, 간섭, 산란시켜 특정 파장만 반사한 것으로 대표적으로 파랑, 보라색 등이 있습니다. 자연에서 보이는 파란색의 대부분은 색소가 아니라 구조색인데요 예를 들어서 공작 깃털, 파랑새 깃털, 청개구리 피부, 청색 나비 날개, 청색 풍뎅이 껍질 등이 있습니다. 파란 색소가 드문 이유는 빛의 파장 측면에서의 특성과 관련이 있는데요, 파란빛 짧은 파장 대역의 빛으로 에너지가 크고 화학적으로 흡수, 반사 제어하기 어렵습니다. 또한 생물이 합성할 수 있는 효소·대사경로에서 파란색소를 만들려면 특별한 화학구조가 필요하고, 이는 에너지적으로 비효율적이거나 진화적으로 선택될 이유가 적기 때문에 따라서 파란색은 화학적 색소보다는 광학적 구조색으로 진화해 나타나는 경우가 대부분입니다. 감사합니다.
화학
Q. 백화현상이 발생된 소라껍데기 원래 색상 복원방법?
안녕하세요.네, 올려주신 사진 속의 소라껍데기는 표면이 백화된 상태인데, 이는 원래 껍데기를 덮고 있던 유기물 층(큐티클)이나 표면의 색소가 바닷물, 햇빛,풍화작용으로 벗겨지면서 생기는 현상입니다. 따라서 원래의 색상을 원래대로 완전하게 복원하기는 어렵습니다. 다만 표면 처리를 통해 어느 정도 색감을 되살리는 것은 가능할 것으로 보입니다. 우선 부드러운 브러시(칫솔 등)로 표면 이물질 제거하시고, 미지근한 물에 담가 소금기 제거한 후에 식초 희석액과 같은 산성 세제로 살짝 담가 무기질 침착물 제거 가능합니다. 다만 락스는 단백질이나 유기물을 녹이는 데 효과가 있지만, 껍질 자체의 색소까지 탈색시켜 오히려 더 하얗게 만들 수 있으므로 원색 복원이 목적이시라면 락스는 추천하지 않습니다. 또한 껍질은 원래 표면에 얇은 유기질 층이 있어 색이 선명한데요, 이 층이 사라지면 흰색과 회색의 석회질만 남습니다. 이때 원래 색을 되살리려면 광택 오일이나 아크릴 스프레이 등의 투명 코팅을 발라주시면 되겠습니다. 감사합니다.
화학
Q. 알켄에 치환기가 많이 붙어있을 수록 안정한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.알켄은 C=C 이중결합을 갖고 있으며, 이중결합은 σ 결합 하나와 π 결합 하나로 이루어져 있는데요, 이때 π 결합은 σ 결합보다 전자 구름이 위아래로 퍼져 있는 구조라서 상대적으로 전자적으로 불안정합니다. 따라서 알켄의 안정성은 π 전자와 주변 치환기의 상호작용에 의해 크게 영향을 받습니다. 알켄에 알킬기(-CH₃, -C₂H₅ 등)가 붙으면 안정성이 증가하는 이유는 크게 두 가지로 설명할 수 있는데요, 우선 알킬기는 C-H σ 결합 전자를 π 결합과 공유할 수 있는 특성이 있습니다. 예를 들어, 알켄에서 알킬기 탄소와 그 수소의 σ 전자가 π 결합에 일부 전자 밀도를 공급하면 π 전자가 보다 안정화됩니다. 이런 상호작용을 하이퍼컨쥬게이션이라고 부르며, 알킬 치환기가 많을수록 π 결합이 더 많은 전자 밀도로 둘러싸이게 되어 안정성이 증가하는데요 즉, 치환 알킬기가 많을수록 hyperconjugation 가능성이 많아져 알켄이 안정해지는 것입니다. 또한 알킬기는 전자공여성 치환기인데요, π 결합은 전자 구름이 상대적으로 밀도가 높지만, 알킬기의 전자공여 효과로 π 전자 밀도가 적절히 분산되어 알켄이 안정되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 사람이 직립보행 하도록 진화한 이유는 뭔가요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것처럼 지구 생태계에서 완전히 직립보행을 하는 생물은 인간뿐이고, 이는 인류 진화의 핵심 특징이라고 할 수 있는데요, 약 600~700만 년 전 아프리카의 기후가 건조해지면서 숲이 줄고 초원(사바나)이 확장되었습니다. 당시 초기 인류였던 호미닌은 나무 위 생활과 지상 생활을 병행했는데, 개방된 초원 환경에서 생존하려면 기존의 네 발 보행행의 유인원식보다 다른 방식이 유리해졌습니다. 이때 자연선택이 직립보행을 점차 강화한 것으로 이해되고 있습니다. 이러한 직립 자세는 초원에서 멀리 바라볼 수 있게 하는데요, 이는 포식자를 조기에 발견하거나 먹이를 탐색하는 데 유리했으며 기린처럼 목을 길게 늘린 종과 비슷하게, 인간은 몸을 세움으로써 넓은 시야를 확보한 것입니다. 또한 네 발로 걷는 유인원식 보행보다 직립보행은 장거리 이동 시 에너지 소모가 적은데요, 사바나 환경에서 먹이를 찾아 넓은 거리를 돌아다녀야 했던 초기 인류에게 큰 장점이었습니다. 실제로 연구에 따르면 침팬지식 네발 걷기보다 인간의 두 발 보행이 약 25% 더 효율적입니다. 마지막으로 직립보행의 가장 큰 혁신은 앞다리, 즉 팔이 자유로워졌다는 점인데요 도구 제작과 사용, 먹이 운반, 새끼 보호, 무기 활용 등이 가능해졌으며 이 점은 지적 능력 발달과 문화 진화에도 직접 연결되어 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 아스파탐은 어떤 화학적 구조를 가지고 있으며, 인체에서 어떻게 분해되나요?
안녕하세요.네, 질문해주신 아스파탐(Aspartame)은 우리가 흔히 제로 음료나 인공 감미료에서 만나는 단맛 성분 중 하나로, 그 화학적 구조와 인체 내 대사 과정이 비교적 명확하게 연구되어 있는데요, 아스파탐은 합성된 이화학적 디펩타이드 유도체입니다. 즉, 두 개의 아미노산이 결합한 구조인데요, 하나는 L-아스파르트산이며 나머지 하나는 L-페닐알라닌입니다. 아스파르트산의 카복실기(-COOH)와 페닐알라닌의 아민기(-NH₂)가 에스터 결합과 펩타이드 결합으로 연결되어 있는데요, 페닐알라닌은 메틸 에스터 형태로 결합되어 있어, 전체적으로 L-아스파르트일-L-페닐알라닌 메틸에스터라고도 불립니다. 즉, 단순한 설탕(포도당)과 달리 아미노산 기반의 작은 펩타이드 구조라는 점이 특징이며 이로 인하여 매우 낮은 농도에서도 단맛을 내지만, 칼로리 기여는 매우 적습니다. 이렇나 아스파탐은 인체에서 흡수되기 전에 소화 과정에서 가수분해를 통해 분해되는데요, 우선 아스파르트산은 신경 전달과 단백질 합성에 사용될 수 있는 비필수 아미노이며 대부분 체내 단백질 합성이나 에너지 대사에 흡수됩니다. 다음으로 페닐알라닌은 필수 아미노산으로, 체내에서 단백질 합성 및 신경전달물질(도파민, 노르에피네프린 등) 생성에 활용되며 단, 페닐케톤뇨증(PKU) 환자는 페닐알라닌을 분해할 수 없어 주의 필요합니다. 감사합니다.