코로나19 2년째를 맞은 2021년은 그 어느 때보다 엄혹했지만 과학계에선 눈부신 희망을 목격할 수 있었던 한 해였다. 코로나 변이 바이러스가 확산되며 백신을 무력화시킬 때마다 과학자들은 새로운 길을 찾기 위해 고군분투했다.

기후위기의 시대 전 세계 정상은 탄소 중립으로 나아가기 위해 한 자리에 모였고 더 이상 망설일 시간이 없음을 확인했다. 우주 개발의 열기도 뜨거웠다. 화성 탐사는 물론 민간 우주 관광의 꿈이 성큼 다가왔다. 국내에선 자력으로 만든 누리호가 발사되며 우주 시대의 개막을 알렸다. 2021년을 되돌아보며 국내·외 과학기술 연구 성과들을 짚어보겠다.

1. 코로나 바이러스를 무력화시켜라, 국내에서도 연구 활발

 

전 세계 과학자들은 올 한 해 코로나19 변이 바이러스와 기나긴 사투를 벌였다. 알파, 베타, 감마, 델타 그리고 최근 등장한 오미크론까지 평소에 접하기 힘든 그리스어 알파벳을 이렇게 자주 들어본 적도 없을 것이다. 변이를 거듭하는 새로운 바이러스의 등장에 백신의 효과는 무뎌졌고 과학자들은 강력한 치료제 개발에 온힘을 쏟았다.

​국내에서도 코로나 바이러스에 대한 연구가 활발했다. 특히 IBS RNA연구단에서는 코로나 바이러스 RNA에 직접 결합해 증식을 제어하는 단백질을 발견했다. 유전체 RNA와 하위유전체 RNA에 결합하는 숙주세포의 단백질은 코로나 바이러스의 증식을 이해하는 데 중요한 역할을 하지만 베일에 쌓여있었다. 하지만 이번 연구에서 숙주세포와 바이러스의 관계를 밝힘으로써 바이러스 증식을 막는 치료제 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

 

​2. 가속화되는 기후위기, IPCC의 경고

 

올해 여름 북미 지역은 뜨거운 ‘열돔’에 갇혀 유례없는 폭염과 산불에 시달렸다. 늦가을로 접어든 뒤에도 캐나다에는 500년만의 홍수가 찾아왔다. 12월 중순 미국에는 그동안 드물었던 겨울 토네이도가 발생해 큰 피해를 안겼다.

​피해 지역을 찾은 조 바이든 미국 대통령은 “붉은 토네이도는 없다. 푸른 토네이도도 없다”며 재난을 극복하기 위해 초당적으로 협력하자고 강조했다. 또 “올해 미국은 악천후와 기후 변화로 990억 달러(한화 117조 원) 이상의 피해를 봤다”고 말했다.

​기후위기로 인한 재난이 절정에 달한 올해, 8년 만에 발표된 IPCC(기후변화에 관한 정부 간 협의체) 6차 보고서는 우리 모두에게 엄중한 경고를 던졌다. 2022년 6차 종합보고서 발간에 앞서 나온 이번 제1실무그룹 보고서에는 기후변화에 대한 과학적 증거가 담겨있었다.

​지구의 평균기온은 이미 산업화 이전보다 1.09℃ 상승했고 현재 수준의 이산화탄소 농도는 지난 200만 년 간 전례가 없었다는 결론이 나왔다. ‘인간 영향에 의한 온난화는 명백한 사실’임을 분명히 한 건데 이대로라면 20년 안에 인류 생존을 위한 ‘마지노선’으로 불리는 ‘1.5℃ 온난화’가 실현될 가능성이 높다고 진단했다. 국내에서는 이준이 기후물리 연구단 연구위원이 총괄 주저자로 참여했다.

 

​3. ‘글래스고 기후합의’(Glasgow Climate Pact), ‘절반’의 성공

 

올해 가장 뜨거운 이슈는 기후위기와 탄소중립이었다. 10월 31일부터 11월 13일까지 영국 글래스고에서 열린 제26차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP26)에서 전 세계는 더욱 강력한 탄소 감축이 필요하다고 목소리를 높였다. 그 결과 196개국의 합의로 2030년까지 탄소 배출량을 45% 줄이기로 한 ‘글래스고 기후합의’가 채택됐다. ‘교토 의정서’와 ‘파리 협정’에 이은 새로운 기후협약 시대가 열린 것이다.

​이번 회의는 팬데믹 와중에도 120개국 정상들이 참석할 만큼 국제사회의 큰 관심을 받았다. 이번 세기 말까지 지구의 온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 억제하자는 인류 공동의 목표를 향해 합의를 이끌어냈다는 점은 박수칠 만하다. 그러나 석탄 사용을 종식하겠다는 선언은 끝내 나오지 못했다. 또 이번 회담에서 약속한 사항들이 완벽하게 이행되더라도 산업화 이전 대비 2℃ 이상 기온이 상승할 거라는 암울한 전망도 나오고 있다.

​우리 정부는 UN기후변화협약(UNFCCC) 사무국에 2030년까지 탄소 배출량을 2018년 대비 40% 감축하겠다는 국가 온실가스 감축목표(NDC)를 제출했다. 2050년 탄소중립 달성을 목표로 2030년까지 탄소 배출량을 2억 9천 톤 이상 감축해야 한다.

 

​4. ‘최대’ 규모로 미래 기후 시뮬레이션

 

기후위기가 불러올 미래를 역대 최대 규모로 시뮬레이션한 결과가 나왔다. IBS 기후물리 연구단은 온실가스 배출이 지속적으로 증가하면 21세기 말에는 전 지구 평균 온도가 약 4℃, 강수량은 약 6% 증가한다는 예측 결과를 발표했다.

​일 강수량이 800mm를 뛰어넘는 극한 기후도 이번 세기 말에는 일부 지역에 발생할 것으로 나타났다. 이 정도 비면 우리나라 연평균 강수량의 60%에 해당될 정도로 어마어마한 양으로 현재 기후에서는 일어나지 않은 말 그대로 극한 현상이다. 일 강수량 100mm 이상의 비 역시 그 빈도가 21세기 말 10배나 증가할 전망이다.

​엘니뇨의 평균 발생 주기는 현재 3.5년에서 이번 세기 말 2.5년으로 짧아질 거라는 예측도 나왔다. 지구촌 곳곳에 기상이변을 몰고 오는 엘니뇨의 주기가 변화함에 따라 더 잦은 홍수나 가뭄, 산불 같은 극단적인 재난에 시달릴 수 있다는 뜻이다.

​연구진은 대기 온도와 해양 상태 등 초기 조건을 바꿔가며 100번에 이르는 광범위한 시뮬레이션을 반복 수행했다. 온실가스의 지속적인 배출은 계절의 주기와 전반적인 생태계에도 지대한 영향을 미치는 것으로 나타나 탄소중립의 시급함을 일깨워주는 연구 결과였다.

 

5. 화성으로 가는 인류, 끝없는 도전

 

2월 18일 미 항공우주국(NASA)은 화성 탐사 로버인 ‘퍼시비어런스’를 무사히 착륙시켰다. 퍼시비어런스의 길잡이 역할을 하는 소형 헬리콥터 ‘인저뉴이티’도 성공적으로 배치됐는데, 지구 밖에서 처음으로 동력 비행에 나섰다는 점에서 엄청난 도전이었다.

​퍼시비어런스는 화성 암석을 뚫고 시료를 저장하는 임무도 성공했다. 채굴한 시료를 분석한 결과 아주 오랜 시간 물과 상호 작용을 했을 가능성이 있는 것으로 나타났다. 퍼시비어런스가 얻은 샘플은 2031년쯤 지구로 수거될 예정이다.

​아랍에미리트(UAE)도 올2월 ‘아말’(아랍어로 ‘희망’)을 화성 궤도에 올려놓았다. 아말은 퍼시비어런스보다 조금 일찍 발사돼 2월 10일 궤도에 진입했다. 우주 개발을 시작한지 얼마 안 된 아랍에미리트가 미국과 러시아, 유럽, 인도에 이어 화성에 도달한 다섯 번째 나라가 된 것이다. 최초의 지구 궤도 위성인 ‘두바이샛 1호’를 발사한지 10년 만에 화성 안착에도 성공한 아랍에미리트는 향후 100년에 걸친 화성 탐사 전략을 마련해둔 상태다.

​중국 역시 화성 탐사에 열을 올리고 있다. 5월 15일 중국의 화성 탐사선 ‘톈원 1호’가 탐사 로버 ‘주룽’을 싣고 화성 표면에 안전하게 착륙했다. 화성 착륙선은 달 궤도선보다 고난도 기술이 필요하기 때문에 아직까지 성공한 나라가 미국이나 구소련 정도밖에 없다. 특히 화성 표면을 누비는 로버의 경우 미국에 이어 두 번째 성공인인 셈이다. 주룽은 화성의 북반구에 머물며 과거 탐사된 적이 없는 지질 데이터를 수집하기 시작했다. 동시에 중국은 그동안 미국 주도로 진행된 우주 개발의 역사에 강력한 경쟁자로 자리매김하게 됐다.

6. 민간 우주여행 성큼, 비용은 아직도 ‘까마득’

 

정부 주도의 우주 개발 계획이 화성을 향해 달려갔다면 민간에서는 우주여행의 꿈이 본격적으로 실현된 한해였다.

​첫 포문을 연 건 버진 갤럭틱의 리처드 브랜슨이었다. 7월 11일 미국 뉴멕시코 스페이스포트 우주센터에서 리처드 브랜슨을 포함해 6명이 탑승한 유인 우주선이 발사됐다. 이들은 고도 86km 상공까지 올라가 17분간 무중력 체험 등을 진행한 뒤 지구로 돌아왔다.

​7월 20일에는 블루오리진의 제프 베이조스가 우주여행에 성공했다. 우주선 ‘뉴 셰퍼드’가 베이조스를 포함한 탑승객 6명을 싣고 우주에 다녀온 것이다. 이들은 대기권과 우주의 경계선인 고도 100km '카르만 라인‘에 도달해 10분 정도 우주를 체험했다.

​이어 9월 15일 일론 머스크의 스페이스X도 우주여행을 성공시켰다. 우주선 ‘크루드래곤’은 우주 비행사 없이 4명의 탑승객만 싣고 고도 575km 상공으로 발사됐다. 국제우주정거장이나 허블 우주망원경보다 높은 고도다. 머스크는 탑승하지 않았는데 우주선 조종은 모두 자동으로 이뤄졌다. 앞선 우주여행이 10분이나 1시간에 머물렀다면 크루드래곤은 무려 사흘간 매일 지구를 15바퀴 이상 돌면서 우주를 제대로 느끼고 돌아왔다.

​우주여행에 드는 비용을 비교해보면 아직은 억만장자가 아니면 감당할 수 없는 수준이다. 버진 갤럭틱과 블루오리진의 경우 25만 달러(한화 약 3억 원)를 내야한다. 스페이스X의 경우 비행 기간이 긴 만큼 티켓 가격도 수천만 달러에 이른다. 내년에 예정된 상품의 가격은 좌석 당 5,500만 달러(한화 약 652억 원)인데도 불구하고 대부분 예약이 완료됐다.

 

7. 한국형 발사체 ‘누리호’ 첫 시험대

 

한국형 발사체 ‘누리호’가 전남 고흥 나로 우주센터에서 10월 21일 성공적으로 발사됐다. 2013년 1월 ‘나로호’ 이후 8년만이었다. 나로호는 러시아의 1단 로켓을 들여와 발사했기 때문에 ‘절반의 성공’이라는 말이 따라다녔다. 그러나 이번 발사로 우리나라는 독자 개발한 발사체를 쏘아올린 세계 10번째 나라에 이름을 올리게 됐다.

​우주 700km 고도까지 성공적으로 도달한 누리호는 3단 엔진의 연소 시간이 예상보다 일찍 종료돼 위성 모사체(더미 위성)를 궤도에 올리는 데에는 실패했다. 하지만 나로호 이후 자력으로 개발한 75톤급 엔진의 성능을 점검했다는 점에서 큰 의미가 있다. 75톤급 엔진 개발에 그치지 않고 4기를 묶어 300톤 추력을 내는 클러스터링 기술로 1단 엔진을 완성한 점도 높이 평가할 수 있다.

​과거 나로호의 투입 고도는 300km에 그쳤지만 누리호는 실용 위성이 안정적으로 지구를 관측할 수 있는 600~800km로 높아졌다. 위성 강국인 우리나라가 직접 만든 위성을 자력으로 발사할 수 있는 시대가 가까워진 셈이다. 2022년 5월 누리호는 2번째 도전에 나선다. 1차 발사와 달리 더미 위성과 함께 0.2톤의 성능 검증 위성을 싣게 된다.

​여기에 2022년 8월에는 한국 최초의 우주탐사가 시작된다. ‘한국형 달 궤도선’(KPLO)이 스페이스X 팰컨9 로켓에 실려 발사될 예정인데 약 1년간 달 주위를 돌며 관측을 수행하게 된다. 올해가 우리나라의 우주 원년이었다면 2022년은 본격적인 우주 개발에 시동을 거는 한해가 되길 기대해본다.​

 

8. 인공지능(AI)으로 단백질 구조 해독에 성공

 

올해 가장 큰 과학적 성과로 인공지능(AI)에 의한 단백질 구조 해독을 빼놓을 수 없다. 구글 딥마인드는 인공지능 ‘알파폴드2’를 활용해 인간이 발현하는 거의 모든 단백질의 구조와 20종 유기체의 단백질 구조를 대부분 예측했다고 발표했다. 연구자들이 더 이상 현미경을 들여다보며 단백질 구조를 알아내기 위해 씨름하지 않아도 된다는 뜻이다.

​알파폴드2는 올해 35만 개가 넘는 새 단백질 구조를 찾아냈다. 단백질의 입체 구조, 즉 모양이 곧 단백질의 기능을 결정한다. 딥마인드는 알파폴드2의 오픈소스 버전을 공개함과 동시에 7월 15일 영국의 과학저널 ‘네이처’에 그 접근 방법을 자세한 논문으로 실었다.

​알파폴드2의 선한 영향력 덕분이었을까. 같은 날 비슷한 인공지능인 ‘로제타폴드’도 세상에 등장했다. 데이비드 베이커 미국 워싱턴대 단백질설계연구소(IPD) 소장과 백민경 박사후연구원은 알파폴드2의 정보가 공개되길 기다리며 비슷한 프로그램을 재현해보다가 로제타폴드를 개발하게 됐다. 로제타폴드는 미국의 과학저널 ‘사이언스’에 의해 올해의 과학 성과로 선정됐는데, 한국인 연구자가 이름을 올린 것은 처음이다.

​단백질의 입체구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있다면 체내에서 어떤 기능을 하는지 알 수 있게 된다. 단백질 이상으로 생기는 희귀 유전병이나 알츠하이머 치매, 파킨슨 병 같은 난치성 질환을 정복할 수 있는 길도 열리게 된다. 사이언스를 포함한 세계 유명 저널들은 단백질 구조 해독에 걸리던 최대 수년간의 시간을 수분에서 수 시간으로 단축해준 이번 성과를 공통적으로 올 한해 최대 성과로 꼽았다.

 

​9. 세계의 표준이 된 ‘이터븀 광시계’

 

한국표준과학연구원(KRISS)이 자체 개발한 ‘이터븀 광시계’(KRISS-Yb1)가 전 세계 시간의 기준이 되는 ‘세계협정시’(UTC)를 만드는 데 참여하게 됐다. 우리나라는 프랑스, 일본, 미국, 이탈리아에 이어 세계협정시 생성에 기여한 5번째 나라가 됐다. 이터븀 광시계는 20억 년 동안 1초 정도의 오차만 발생할 정도로 정확하다.

​최근까지 세계협정시는 마이크로파 세슘원자시계가 주로 사용됐다. 그러나 2016년 이후 성능이 훨씬 뛰어난 광시계가 개발되면서 정밀 측정기술을 보유한 4개국만 세계협정시 생성에 참여하고 있었다. 현재 시간 단위에서 ‘1초’는 약 90억 헤르츠(Hz) 대역의 마이크로파 세슘원자시계로 정의되고 있다. 하지만 2030년쯤 100배 이상 정확도가 좋은 광시계로 재정의될 전망이다.

​세계협정시는 전 세계가 공통의 시간을 유지할 수 있게 하는 시간의 표준이다. 우리나라는 2014년 처음 개발한 이터븀 광시계의 성능을 지속적으로 개량해 20배 이상 향상시키는 데 성공했다. 여기서 그치지 않고 2025년까지 우주의 나이에 해당되는, 138억 년 동안의 오차가 1초보다 작은 세계 최고 수준의 이터븀 광시계(KRISS-Yb2)를 개발할 계획이다.

 

10. 크리스퍼 유전자 가위, 체내 유전자 편집 성공

 

최근 생명공학 분야에서 가장 핫한 기술 가운데 하나가 ‘크리스퍼 유전자 가위’다. 2020년 노벨 화학상이 크리스퍼 유전자 가위 기술을 개발한 3명의 과학자에게 돌아가기도 했다. 이 기술은 향후 질병 치료의 판도를 바꿀 것으로 손꼽히지만 동시에 사람 몸에서 표적으로 하는 유전자만 안전하게 편집해야 한다는 전제 조건이 남아있었다.

​유전자 편집 기업인 인텔리아 테라퓨틱스와 생명공학 기업 리제네론 파마슈티컬스은 이것이 가능하다는 희망을 처음으로 보여줬다. 올 6월 공개된 임상 결과 기존 치료법보다 효능은 좋으면서도 부작용이 보고되지 않은 것이다.

임상시험 대상은 단백질 접힘이 잘못되면서 단백질이 축적되는 희귀질환을 앓는 6명의 환자였다. 유전자 가위 기술을 활용한 ‘크리스퍼 카스9(CRISPR/Cas9)’ 치료제는 환자의 몸에서 유전자를 직접 편집했고 모든 환자에게서 기형 단백질의 양이 줄어드는 결과를 불러왔다. 특히 고용량 약물을 투여 받은 2명의 환자에게선 기형 단백질이 87% 줄기도 했다. 차세대 만능 가위로 불리는 크리스퍼 유전자 가위 기술이 실전에서도 제대로 효능을 발휘한 것이다. 크리스퍼 유전자 가위 기술이 질병 치료의 새 시대를 열 날도 멀지 않았다.

 

[출처] IBS(기초과학연구원) 블로그 | SCIENCE LOUNGE | 2021. 12. 29
(https://blog.naver.com/ibs_official/222607736120)