안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 조절 T세포는 어떠한 역할을 하는지요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 조절 T세포는 우리 면역계에서 면역 반응을 억제하고 균형을 유지하는 핵심적인 역할을 담당하는 세포인데요 일반적인 T세포가 외부 병원체를 인식하고 공격하는 역할을 한다면, 조절 T세포는 그 반대로 과도하거나 비정상적인 면역 반응을 억제하여 자가면역 반응을 막는 면역의 제어 장치 역할을 합니다. 우선 감염이나 염증 반응이 일어난 뒤, 조절 T세포는 활성화된 다른 면역세포의 활성을 억제하여 면역 반응이 지나치게 오래 지속되지 않도록 하는데요 이를 통해 면역 반응의 브레이크 역할을 수행합니다.또한 우리 몸의 면역계는 외부 병원체를 공격해야 하지만, 자기 자신의 조직은 공격하지 않아야 합니다. 조절 T세포는 자가항원을 인식한 T세포의 활성을 억제하여, 루푸스, 1형 당뇨병, 다발성경화증 등의 자가면역질환의 발병을 막습니다. 또한 조절 T세포는 면역계가 특정 항원을 공격하지 않도록 학습시키는 기능을 하는데요, 예를 들어 장내 미생물이나 음식 성분처럼 몸에 해롭지 않은 외부 물질에 대해 과민하게 반응하지 않도록 면역 관용 상태를 유지합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 치료 기술이 희귀 유전 질환 치료에 적용되는 원리
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 유전자 치료 기술이 희귀 유전 질환 치료에 적용되는 원리는 질병의 근본 원인인 결함 있는 유전자를 직접 수정하거나 정상적인 유전자의 기능을 회복시키는 데 있는데요, 대부분의 희귀 유전 질환은 특정 단일 유전자에 변이가 생겨 단백질이 제대로 생성되지 않거나 기능을 잃는 경우가 많습니다. 먼저 질환을 일으키는 원인 유전자를 분자유전학적 기법으로 정확히 규명하는데요, 예를 들어 근위축성 측삭경화증(ALS)이나 낭포성 섬유증 같은 경우, 특정 염기서열 변이가 질병을 유발함이 알려져 있습니다. 다음으로 손상된 유전자의 기능을 보완하기 위해 두 가지 접근법이 사용되는데요, 우선 유전자 보충은 결함이 있는 세포에 정상적인 유전자를 벡터라 불리는 운반체를 통해 주입하여 정상 단백질을 합성하도록 합니다. 다음으로 유전자 교정은 CRISPR-Cas9, TALEN, ZFN 같은 기술을 이용해 DNA의 변이 부위를 정밀하게 절단하고, 올바른 염기서열로 교체합니다. 이때 치료 유전자는 표적 세포로 전달되어야 하므로, 이를 위해 인체에 무해하도록 조작된 바이러스 벡타가 이용되는데요 이 벡터는 세포 내부로 들어가 핵 속에 유전자를 전달하고, 세포 기구가 이를 발현시켜 정상 단백질을 생성하게 합니다. 즉 유전자 치료의 핵심은 DNA 수준의 근본적 결함을 직접 고쳐서 세포가 스스로 정상 단백질을 만들 수 있게 하는 것이며 이러한 접근은 기존의 약물이나 단백질 보충 요법과 달리 질환의 근본 원인을 제거할 수 있다는 점에서, 희귀 유전 질환 치료에 특히 큰 가능성을 가지고 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 발효 시 용존 산소가 낮을수록 유리한가요 ?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼, 오렌지즙을 블렌더로 갈아 일정 시간 두었을 때 ‘젤리처럼 변하고 부풀어 오르는 속도’의 차이는 미생물의 발효 활성도와 관련이 깊은데요, 이때 핵심 변수 중 하나가 바로 용존 산소(DO) 입니다.우선 발효는 기본적으로 산소가 부족하거나 없는 환경인 혐기 조건에서 유기물이 분해되며 에탄올, 젖산, 이산화탄소 등을 생성하는 과정이며 즉, 일반적인 발효 반응 자체는 낮은 용존 산소 조건에서 더 활발히 일어납니다.산소가 충분할 때 효모와 같은 미생물은 호흡, 즉 산화적 대사를 통해 에너지를 얻으며 이 경우 대부분의 당이 CO₂와 H₂O로 완전히 산화되어, 에탄올이나 젤리 같은 점성 물질은 거의 형성되지 않습니다. 반면 산소가 부족할 때, 효모는 호흡 대신 무산소 대사(발효) 로 전환하여 당을 분해하고, 에탄올·젖산·CO₂ 등을 만들고, 이때 기체가 발생하면서 용액이 부풀어 오르고, 점성이 증가하여 젤리처럼 변하는 현상이 나타날 수 있습니다. 따라서, 용존 산소가 낮은 블렌더에서 발효 전환이 더 빨리 일어나고, 결과적으로 젤리화와 부풀음이 빨리 진행된 것으로 해석할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 고분자 전해질이 연료전지 효율 향상에 기여하는 메커니즘은?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 고분자 전해질이 효율을 올리는 주요 메커니즘으로는 효율적인 이온전달이 있는데요, 전하수송 저항 감소를 통해 내부저항을 감소시킵니다. Nafion 같은 불소계 폴리머를 예로 들 수 있는 고분자전해질은 산성 또는 치환된 염기성 작용기, 예를 들어서 –SO₃H, 양이온성 작용기를 통해 높은 이온 전도성을 제공하는데요, 이로 인해 전해질 층의 오믹 저항이 줄어들어 전체 전지 효율이 개선됩니다. 전도 메커니즘은 (i) 물 분자 매개 vehicle(수화 이온 이동) 과 (ii) 수소 이온의 Grotthuss(프로톤 점프) 메커니즘이 복합적으로 작용할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 비누의 염기성은 어느정도 수준 일까요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 비누는 대표적인 염기성 물질인데요,그 염기성의 정도는 비누의 종류, 즉천연비누, 합성세제, 산업용 비누 등과 제조 과정에 따라 약간 다르지만, 일반적으로 pH 8~10 정도의 약염기성을 띱니다.보통 천연비누는 pH 8.0~9.0 수준이며 지방산이 수산화나트륨(NaOH)과 반응해 만들어지지만, 제조 후 중화 과정을 거치므로 피부 자극이 덜한 약염기성입니다.일반 세안비누, 상용 고체비누는 pH 9~10 정도로, 세정력이 강하지만 피부의 천연 보호막을 약간 손상시킬 수 있으며 따라서 세안 후 약산성 토너나 보습제를 사용하는 것이 좋습니다.마지막으로 바디워시, 세안폼 등의 경우 비누와 달리 합성 계면활성제를 사용하므로, pH 5.5~7 정도로 인체 피부에 더 가깝게 조절되어 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 리튬 배터리가 부풀어 오르는 이유가 무엇인지 궁금해요?
안녕하세요. 질문해주신 리튬이온 배터리가 부풀어 오르는 현상은 내부에서 가스가 생성되는 전기화학적 부반응 때문인데요 이 부반응은 배터리의 화학적 안정성이 무너질 때 일어나며, 주로 다음과 같은 요인들이 복합적으로 작용합니다. 우선 리튬이온 배터리 내부에는 유기용매 기반의 전해질이 들어 있는데요 이 전해질은 일정 온도 이하, 정상 전압 범위에서는 안정하지만,과충전(정격전압 초과 충전)이나 고온 상태가 지속되면 불안정해져서 분해되기 시작합니다.이때 생성되는 대표적인 가스는 CO₂ (이산화탄소), CO (일산화탄소), CH₄ (메탄), C₂H₄ (에틸렌)등의 탄화수소류 기체이며 이 가스들이 배터리의 밀폐된 구조 안에 쌓이면 내부 압력이 높아져 팽창이 일어납니다. 이때 흑연과 같은 음극과 양극(리튬금속 산화물)에서 리튬 이온이 반복적으로 삽입되고 빠져나오면서 전극 표면에 SEI라는 얇은 보호막이 형성되는데요 이 막은 정상적으로는 안정하지만, 충방전이 반복되거나 온도가 높거나 과충전 상태가 되면 이 막이 파괴되면서 다시 형성되는 과정에서 전해질이 계속 분해되고, 이 또한 가스 발생의 원인이 됩니다.배터리가 손상되거나 외부 충격을 받아 내부 단락이 생기면 전류가 급격히 흐르면서 발열이 발생하고, 이 열로 인해 전해질이 열분해되어 다량의 가스가 한꺼번에 발생하는데요, 이 경우에는 부풀어오름뿐 아니라 폭발 위험까지 생깁니다.다만 모든 리튬 배터리가 동일하게 부풀지 않는 이유는 배터리의 품질 및 전해질 조성 차이, 충전 습관 (과충전, 완전 방전 빈도), 사용 온도 (고온 환경일수록 분해 반응 촉진), 보호 회로(PCM)의 유무 등이 다르기 때문입니다. 감사합니다.
화학
Q. 수영장 물에서 특유의 냄새가 나는데 그 물질은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 수영장 물에서 나는 특유의 냄새는 사실상 염소(Cl₂) 자체의 냄새가 아니라, 소독 과정에서 생성되는 염소화 부산물 때문인데요, 수영장에는 세균과 바이러스 제거를 위해 보통 차아염소산(HOCl) 또는 차아염소산 이온(OCl⁻) 형태의 염소 소독제가 들어 있습니다. 그런데 수영장을 사용하는 사람들이 땀, 침, 소변, 화장품 같은 유기물질이나 질소 화합물을 물속에 배출하게 되면, 이 성분들이 염소와 반응하여 새로운 화합물을 만들며 대표적인 것이 클로라민입니다. 단염화아민 (NH₂Cl), 이염화아민 (NHCl₂), 삼염화아민 (NCl₃)이 있으며 이 중 특히 삼염화아민(NCl₃)이 강한 자극성 냄새를 내며, 눈과 호흡기를 자극하는 원인 물질로 알려져 있습니다. 사람들이 흔히 수영장 냄새라고 느끼는 것이 바로 이 클로라민류이지, 염소 소독제 자체의 냄새가 아니며 즉, 냄새가 강하다는 것은 소독제가 많다는 의미가 아니라, 오히려 수질 내 오염물질이 많아서 염소와 반응해 부산물이 많이 생성되었다는 신호일 수 있습니다. 잘 관리된 수영장일수록 냄새가 강하지 않고, 오히려 더 깨끗하다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 비둘기와 고양이 쥐들이 왜 도시에 더 빠르게 적응하는건가요
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 도시 생태계에서 비둘기, 고양이, 쥐가 빠르게 적응하고 확산되는 현상의 주돠 요인우 먹이 자원의 풍부함 때문인데요, 도시는 사람의 생활로 인해 항상 음식물 쓰레기, 곡물, 가공식품 잔여물 등이 흩어져 있습니다. 자연 서식지보다 계절과 기후에 덜 의존적이기 때문에 비둘기와 쥐는 꾸준히 먹이를 얻을 수 있고, 고양이 역시 쥐와 새를 사냥하거나 사람에게서 먹이를 제공받을 수 있습니다.또한 자연에서는 맹금류, 여우, 족제비 같은 천적이 비둘기나 쥐의 개체 수를 조절합니다. 그러나 도시는 구조물과 사람의 활동 때문에 이런 천적이 거의 없고, 그 결과 개체 수가 급격히 늘어날 수 있습니다. 게다가 쥐는 번식 속도가 매우 빠르고 한 번에 여러 마리를 낳으며, 비둘기는 둥지를 건물 틈, 교각, 간판 등 어디에나 쉽게 짓고 연중 여러 차례 번식할 수 있습니다. 이외에도 고양이는 반려동물로부터 유래한 개체들이 유기되거나 길러지며, 도시에 정착해 자유롭게 번식합니다. 마지막으로 도시는 건물, 하수도, 지하철, 다리, 공원 등 다양한 인공 구조물을 제공하는데요, 이는 자연의 바위 절벽, 동굴, 나무 구멍을 대체하여 은신처·번식지·이동 통로 역할을 하며 쥐는 하수도와 건물 틈새를 잘 이용하고, 비둘기는 고층 건물을 절벽처럼 활용합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 물총새는 왜 비가 오는 날 물 근처 나뭇가지 위에 앉아서 사냥을 선호하게 되었나요?
안녕하세요. 물총새가 비 오는 날 강가 나뭇가지에 앉아 사냥하는 모습을 우선 사냥 전략의 측면에서 보면, 비가 그친 뒤의 강물은 빗물 유입으로 인해 탁해지기도 하지만 얕은 연안이나 소처럼 흐름이 느린 구간에서는 작은 물고기나 수서 곤충이 표층 가까이 떠오르는 경우가 많습니다. 이는 산소 농도의 급격한 변화와 유속 증가에 대한 물고기의 회피 행동과도 관련이 있는데요, 따라서 물총새 입장에서는 비가 그친 뒤 사냥할 기회가 오히려 더 많아집니다.또한 습한 환경과 체온 유지 측면에서 물총새는 체온을 일정하게 유지하기 위해 깃털을 부풀리거나 털갈이한 깃을 정리하면서 나뭇가지에 오래 머무르는데, 여름철 비 온 뒤 따뜻한 기온이 유지되는 상황에서는 활동하기 적합한 조건이 됩니다. 구름 낀 날이라 해가 강하지 않기 때문에 사냥 중 시각적 방해도 줄어드는 장점이 있습니다.이와 함께 물총새의 생활사를 보면 우리나라에서는 주로 여름철새로 분류되지만, 남부 지역이나 강 하류, 기후가 온화한 지역에서는 일부 개체가 부분적 텃새화하여 사계절 머물기도 합니다. 태화강 같은 도심 하천은 먹이가 꾸준히 공급되고 사람의 활동으로 큰 천적 압박이 줄어드는 효과도 있어, 생존 성공에 유리한 환경을 제공하는데요 즉, 물총새가 울산 태화강에서 사계절 보이는 것은 먹이가 안정적으로 확보되는 수역이 있다는 점, 기후가 비교적 온화하여 겨울철에도 강이 얼지 않고 사냥 가능하다는 점, 도시하천 생태계 관리 덕분에 안정적인 서식지가 유지되는 점이 복합적으로 작용한 결과라 할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 신체 장기는 외부 온도 변화에 어떻게 적응하나요?!
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 신체 장기는 외부 온도 변화에 맞추어 항상성을 유지하려고 다양한 생리적 적응을 하는데요, 이런 과정에서 위장이나 장기 등 소화계가 민감해지는 경우도 흔히 나타날 수 있습니다.우선 추울 때에는 말초 혈관이 수축하여 열 손실을 줄이고, 심장·뇌·장기 같은 핵심 부위로 혈류를 집중하며 더울 때에는 말초 혈관이 확장되어 열을 방출하려고 하고, 땀샘을 통해 체온을 낮춥니다. 또한 교감신경이 활성화되어 심장 박동, 혈압, 대사율이 변하는데요, 갑상선 호르몬 같은 대사 관련 호르몬 분비도 조절되어 열 생산이나 소모에 영향을 줍니다.게다가 갑작스러운 추위나 더위는 장 운동을 변동시키고, 장이 과민해지거나 설사·복부 불편감이 생기기도 하며 이는 자율신경계, 특히 부교감신경과 교감신경 균형의 변화와 관련이 큽니다.또한 장이 민감해지는 이유는 추운 경우혈류가 장기에서 줄어들어 운동성이 떨어지거나 경련성 수축이 생길 수 있으며 더울 때에는 탈수와 전해질 불균형이 생기면서 장 운동이 과도해져 설사나 복통이 나타날 수 있습니다. 이외에도 온도 변화 자체가 신체 스트레스 요인이 되므로, 과민성 장 증후군과 비슷한 반응을 유발하기도 합니다. 따라서 갑자기 추위나 더위에 노출되지 않고, 천천히 노출 시간을 늘려 신체가 적응하도록 하는 것이 좋으며 운 환경에서는 땀으로 손실되는 수분·염분을 보충하고, 추운 환경에서는 수분 섭취를 소홀히 하지 않아야 장기 기능이 안정됩니다. 감사합니다.