최정모의 논문 소개

이번 주에 <이라이프>에 출판된 논문 중 좋은 글을 하나 발견하여 서론(Introduction)을 번역해 본다. (사실 초록이 워낙 인상적이라 읽기 시작했다...)

이론적 결과도 '결과'인가?

https://doi.org/10.7554/eLife.40018

초록

그렇다.

서론

<이라이프>에서 받은 결정 편지는 매우 호의적이었으나(우리 논문이 출판될 것은 확실했다), 리뷰어 중 한 명은 우리가 논문에서 실험 생물학과 물리학적 계산을 결합한 방식을 확실히 좋아하지 않았다. "데이터를 있는 그대로 기술하고 그 함의점을 도출해야 하며, 모델링은 데이터로부터 직접 끌어낸 함의점을 정량적으로 확인하는 정도로 강등시켜야(relegate) 한다."

그리고 이건 유일한 사례가 아니었다. 다른 논문의 리뷰어는 이렇게 말했다. "그 대신, 저자들은 데이터가 스스로 말하게 하고, 복잡한 이론 분석은 나중으로, 아마 "논의(Discussion)" 절로 미뤄둬야 한다." 많은 동료들이 이론과 실험을 섞은 논문들에 대해 동일한 반응을 겪어 왔다. 우리가 뭘 잘못한 것인가? 어째서 (이 리뷰어들의 말에 따르면) 관찰 결과와 이론을 "결과" 절에서 주고 받는 대화로 표현하는 것이 옳지 않은 일인가?

이 표현들("강등"이라니!)에 어리둥절해지면서도, 이들은 내가 일부 생물학자들과 가졌던 오랜 경험과 공명한다. 즉, 그들은 이론의 가치를 물리학자들이 이해하는 방식과 전혀 다른 방식으로 바라본다. 많은 생물학자들에게, 이론적 결과는 단순한 '결과'가 아니다. 내 생각에, 대신 많은 이들에게 이론적 결과는 그저 일종의 의견으로, 그 자체로는 의미가 없다. 본질적으로, 이론적 결과는 새로운 것을 전혀 더하지 않는다. 따라서 고전적인 결과/논의 이분법의 믿음 속에서 이론(혹은 흔히 부르듯 '모델링')은 기껏해야 두 번째, 아니면 세 번째 부품일 뿐이다.

반면, 물리학자들은 수학적 모형 속에서 생각하는 법을 익힌다. 우리가 실험을 하든 이론을 하든, 조화 진동자, 마구잡이 걷기, 이상화된 전기 회로 등이 우리 공구 상자의 공구들로 활약한다. 우리는 이들을 풀 수 있는 예제, 즉 잘 정의된 가정 속에서 정확한 결과를 알 수 있으며, 결과가 모형 속 다양한 매개변수에 어떻게 의존하는지 해석할 수 있는 예제로 사용한다. 이 접근법을 통해 우리는 어떤 상황 속에서도 무엇이 중요하고 무엇이 중요하지 않은지 평가할 수 있다. 모형들은 문제에 대해 생각하는 것을 도와주기도 한다. "만약 이것이 바닥에 깔린 물리학이라면, A는 B에 따라 2차식으로 변할 것이다..." "이 가정 하에서, 데이터는 다음과 같이 감소할 것이다..." 만약 옳지 않은 결과를 찾아냈다면, 다음과 같이 쓸 수도 있을 것이다. "여기서 나는 이 주장들이 물리학의 기본 법칙과 모순된다는 것을 보일 것이다."

이론의 역할은 또한 예측과 깊이 관련되어 있다. 비록 내가 "실험 없이 예측이 무슨 쓸모가 있나?"라고 말할 생물학자들을 알기는 하지만, 물리학자들은 예측의 가치를 인정한다. 디랙의 반입자 예측과 아인슈타인의 태양빛 굴절 예측에서부터 많은 사람들이 예측한 힉스 입자의 존재에 이르기까지, 물리학에서 예측은 전설적인 존재이다. 우리는 예측을 실험에 대한 동기이자 학문을 전진시키는 동인으로 바라본다. 물론, 종종 예측이 틀릴 때도 있지만, 그것은 대개 과학이 작동하는 방식이다. 심지어 이론 연구가 예측의 형태를 그 자체로는 가지고 있지 않을지라도, 여전히 그 이론을 염두에 두고 실험을 설계하는 데에 유용할 수 있다. 일례로, Bialek (2018)에서는 레일리의 청각 연구부터 왓슨과 크릭에 이르기까지 생물학에서 이론이 수행한 역할에 대해 수많은 역사적 예제를 제시하고 있다.

본 논문에서 나는 이론이 '결과'가 아니라는 관점에 반대를 표현하고자 한다. 나는 <이라이프>와 다른 생물학 학술지에 출판되는 논문들 속에서 당당하게 수학적 표현을 포함시켜야 한다고 주장한다. 실험과 이론 결과를 맞춰 나감으로써 하나의 이야기를 들려줄 수 있고, 나는 이것이 훨씬 더 흥미롭고 잘 읽히는 논문들을 만들어낸다고 확신한다. 또한 이론과 실험을 왔다갔다 하는 것이 과학적 방법 측면에서도 더 정직한 것이다.

독자들은 물리학 학술지에 출판되는 논문들 속에서, 생물학적 정보, 배경, 결과가 자주 포함된다는 것을 듣고 흥미롭게 생각할지도 모르겠다. 하지만 항상 그래왔던 것은 아니었다. 나는 수십년 전 고에너지 물리학자인 동료가 내 책상 위에서 점균류 Dictyostelium discoideum의 패턴 형성에 대한 논문 원고를 보고 던진 질문을 또렷이 기억한다. "왜 물리학자가 그렇게 터무니없는 걸 연구하죠?" 하지만 이제 많은 물리학자들이 그런 터무니없는 연구를 하고 있고, 많은 물리학 학술지들은 cAMP 신호 전달, 나선형 파동, 주화성(走化性; chemotaxis) 등에 대한 논의로 가득차 있다. 만약 우리가 학제간 연구를 진지하게 받아들인다면, 나는 생물학 논문들 안에 이론을 위한 중요한 자리가 있어야 한다고 생각한다. 이론 논문의 '결과' 절 뿐 아니라 이론과 실험을 결합한 논문의 '결과' 절에도 말이다.

이건 새로운 일이 아니다. 만약 아직까지 읽어본 적이 없다면, 호지킨과 헉슬리의 유명한 1952년 논문을 읽고 실험과 이론이 어떻게 결합되어 있는지 살펴볼 것을 강력하게 추천한다. 이론은 논의 절, 혹은 심지어 보충 자료로 강등되지 않았고, 대신 마치 가장 자연스러운 일을 하는 것처럼 논문의 본문에 당당히 포함되어 있다. 그리고 이 논문은 <생리학 저널(Journal of Physiology)>에 실렸다. 동일한 구조는 생화학 학술지에 (독일어로) 출판된 미카엘리스와 멘텐의 논문(1913)에서도 발견된다. 만약 이것이 백 년 전에 적절한 일이었다면, 어째서 이제는 수학적 모형들의 세부 사항들이 전부 논문 뒷쪽으로 밀려나야 하는가?

많은 독자들은 내가 생체 시스템의 정량적 묘사에 대해 제기하는 문제가 생물학자와 물리학자의 고정관념 간의 긴장 관계와 강하게 결부되어 있음을 알아차렸을 것이다. 생물학자들은 주어진 시스템의 모든 복잡성을 다 포함하려 하는 반면, 물리학자들은 일반성과 최소성을 추구한다. 최근의 다른 논평들에서도 강조되고 있듯 생물학 내에서 이론의 역할은 점차 증가하고 있으며, 이러한 발전 속에서 물리학-생물학 국경의 양편에 있는 과학자들을 훈련하는 새로운 방식이 필요하다. 데이터를 이해하는 방식에 대해 물리학자들이 어떻게 생각하는지 생물학 커뮤니티에 구체적인 예제를 제시하는 일에는 상대적으로 적은 관심이 주어졌고, 이 논문의 한 가지 목표는 이 빈틈을 메우는 것이다.

전체 커뮤니티를 대표하여 어떤 주장을 하려는 것이 위험하다는 것을 알면서도, 이 아래에서 나는 (최소한 일부) 물리학자들이 생물학의 어디에서나 나타나는 유명한 현상을 어떻게 묘사할 것인지에 대한 예제를 설명하고자 한다. 이 현상은 세포 수용기의 작동에서부터, 박테리아의 주화성, 활동 전위의 전파, 그리고 형광 광표백 기법(fluorescence recovery after photobleaching; FRAP)에 이르기까지 나타난다. 바로 확산 현상이다. 시적 허용을 이용하여, 우리가 확산 방정식이나 픽의 법칙(Fick's law)이 알려져 있지 않던 시점에 있다고 상상하자. 따라서 아래에 주어지는 실험적 관찰과 이론적 분석은 모두 새로운 것이고 '결과' 절에 포함될 가치가 있는 것이다.

나는 데이터와 이론이 (바라건대) 커뮤니티 내에서 널리 이해될 수 있는 간결한 표현 속에서 통합될 수 있는 다양한 방법을 보여주기 위해 '결과' 절의 두 가지 버전을 준비했다. 첫 번째 버전은 '미시적' 모형을 사용하는데, 이 모형은 생체 시스템을 간결하게 묘사하되 거시적인 규모에서 관찰되는 거동을 묘사하는 데 필요한 필수 요소들은 다 포함한다. 미시적 매개변수들이 거시적 답에 포함되는 방식은 일반적인 것(혹은 물리학자들의 표현으로 보편적인(universal) 것)으로 드러날 것이고, 이것이 한 가지 중요한 교훈이다. 두 번째 버전은, 아마 조금 더 어려울 텐데, '차원 분석'을 이용하는 것으로 이는 자연 현상을 분석하는 가장 강력한 방법 중 하나이다. 여기서, 다양한 양들 사이의 관계는 이들이 측정되는 단위(질량, 길이, 시간, 전하 등)를 살펴봄으로써 추론된다. 아주 오래 전부터, 구체적으로는 맥스웰의 1869년 연구에서부터 사용된 기법으로서, 이 기법은 종종 문제에 대한 정확한 답을 주는데, 그 오차는 흔히 쓰는 표현대로, 많아야 두 배 차이(factors of two)이다.

더 궁금하면 논문 ㄱㄱ

신기한 연구라서 번역. 우리가 눈을 움직일 때 귀가 거기에 맞춰 고막을 준비시킨다는 연구다. 생명체는 참 신기해!

눈이 움직일 때 고막도 움직인다: 청각 역학에 미치는 다중 감각 효과

https://doi.org/10.1073/pnas.1717948115

중요성

지엽 청각계(peripheral hearing system)는 여러 개의 운동 메커니즘을 가지고 있어 뇌가 청각 변환 과정을 수정할 수 있도록 한다. 중이(中耳) 근육이나 외유모세포의 움직임 혹은 긴장은 고막의 움직임을 변화시키고, 이에 따라 외이도에 설치된 마이크로 검출할 수 있는 소리를 (예를 들어 귀 음향 방사로) 생산해낸다. 이 논문에서 우리는 뇌가 이런 시스템을 통해 생산하는 고막 운동의 한 가지 형태를 보고한다. 이는 안구의 도약 운동(saccade)의 방향 및 크기와 연동되어 같이 변화하는 진동 운동이다. 이 관찰 결과로부터 우리는 시각과 연관된 과정이 청각의 첫 단계를 조절한다는 것을 유추할 수 있다. 특별히, 이 안구 운동과 연관된 고막 진동은, 눈과 귀 사이의 공간적 관계의 변화에도 불구하고 뇌가 시야와 소리를 연결하는 것을 도와줄 가능성이 있다.

초록

시각과 청각계와 같은 감각 경로들 사이의 상호작용은 뇌 안에서 일어나는 것으로 알려져 있는데, 어디서 처음으로 발생하는지는 불분명하다. 이 논문에서 우리는 고막에서 나타나는 다중 모드 상호작용을 보인다. 시각적 목표에 대한 안구 도약 운동 과제를 수행하는 사람(n = 실험체 16명의 19개 귀)과 원숭이(n = 실험체 3마리의 5개 귀)를 대상으로 외이도 마이크 측정을 수행한 결과, 고막은 눈의 운동과 연결되어 움직이는 것으로 나타났다. 고막의 운동은 진동 운동이었고, 빠르면 인간의 경우 안구 도약이 일어나기 10 ms 전부터, 원숭이의 경우 안구 도약과 동시에 시작되었다. 우리가 안구 운동 연관 고막 진동(EMREO; eye movement-related eardrum oscillation)이라 이름 붙인 이 고막 운동은 청각 자극 없이 일어났다. EMREO의 진폭과 위상은 안구 도약 운동의 방향과 수평 진폭에 따라 달라졌다. EMREO는 안구 도약 운동 내내 유지되었고, 그 후에도 여러 주기를 안정적으로 진행하였다. 우리는 EMREO의 기저 메커니즘이 안구 운동에 따라 양쪽 귀에 신호를 보내, 뇌가 눈을 움직이면서 시각과 청각 자극의 위치 간 관계를 판단할 수 있도록 도와준다는 가설을 논의한다.

네이처 뉴스를 읽다가 무심결에 지나친 논문을 다시 살펴 보았다. 학부 때 상대론적 양자역학 연구실에서 배웠던 이야기들이 새록새록 떠오른다. <네이처> 뉴스와 더불어 해당 논문의 초록을 번역하였고, APS Physics에 실린 좀 더 상세한 뉴스에서 이해를 도울 만한 그림을 따왔다.

<네이처> 알려진 제일 무거운 원소의 전자들은 틀을 깬다

https://www.nature.com/articles/d41586-018-01674-2

전자들은 일반적으로 구별된 껍질 안에서 원자핵 주위를 돌지만, 계산에 따르면 지금까지 발견된 가장 무거운 원소인 오가네손의 외각 전자들은 그 대신 기체 형태로 핵 주위를 돌지도 모른다.

오가네손은 빠르게 붕괴하기에 실험적으로 측정하기가 어렵다. 그 대신, 뉴질랜드의 매시 대학교 오클랜드 캠퍼스의 Peter Schwerdtfeger와 동료들은 오가네손 핵 주위에 있는 전자들의 에너지 준위를 계산했다. 더 높은 정확도를 얻기 위해, 연구진은 '상대론적 효과'로 알려진 요소를 고려하였다. 이 요소로 인해 이 원자의 높은 핵 전하가 더 가벼운 원소들에 비해 더 큰 영향을 미치게 된다.

연구진은 오가네손 안에서는 최외각 전자들의 궤도가 구별되지 않아 바깥 층이 거의 전자 기체처럼 된다는 것을 발견했다. 오가네손은 비활성 기체로 구분되고 있지만, 이 연구에 따르면 오가네손이 해당 족의 다른 구성원들과는 다르게 행동할 수 있으며, 심지어 상온에서 고체일 수도 있다.

<피지컬 리뷰 레터스> 오가네손의 전자와 핵자 국소화 함수들: 토머스-페르미 한계에 이르다

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.053001

초록

페르미온 국소화 함수들은 지금까지 발견된 가장 무거운 원소인 초중량 원소 오가네손(Og; oganesson)의 전자 및 핵자 껍질 구조 효과를 논하는데 사용되고 있다. 7p 전자 껍질의 스핀-궤도 갈라짐은 매우 크기에(~ 10 eV), Og는 더 가벼운 비활성 기체 원자들과 비교할 때, 꽤 큰 쌍극자 분극도와 더불어 원자가 영역에서 균일 기체와 유사한 거동을 보일 것으로 예상된다. Og의 핵자 국소성은 또한 원자가 영역에서 토머스-페르미 기체 거동으로의 전이를 겪을 것으로 예측되었다. 특별히 중성자에서 강하게 나타나는 이 효과는 단일 입자 오비탈의 높은 밀도에서 기인한다.

APS Physics 가장 무거운 원소는 특이한 껍질 구조를 가지고 있다

https://physics.aps.org/articles/v11/10

그림 1 오가네손은 주기율표에 가장 최근에 추가된 원소 중 하나이다. 이 무거운 원소(Og, 오른쪽 아래)의 전자 구조를 이론적으로 계산해 보니 전자들의 분포가 매끄럽다는 것이 알려졌다. 이는 상호작용하지 않는 입자들로 이루어진 기체에서 나타나는 거동이다. 이 균일한 거동은 더 가벼운 원소들인 제논(Xe, 오른쪽 위)이나 라돈(Rn, 오른쪽 중간)에서 관찰되는 껍질 구조와 대조를 이룬다.

오랜만의 포스팅. 최근 한동안 나도 독감 때문에 고생했어서 남 이야기가 아니다.

대학교 공동체에 속한 계절성 독감 감염자의 날숨 속에 있는 감염성 바이러스

https://doi.org/10.1073/pnas.1716561115

중요성

인간에 대해서는 독감 바이러스를 에어로졸 형태로 발산하는 사례에 대한 데이터가 없었기에 공기 중 전염의 중요성에 대한 논쟁이 지속되었다. 우리는 인간이 감염성 에어로졸을 생산한다는 결정적인 증거와 더불어 전염과 공중 위생 개입에 대한 수학적 모형들을 향상시킬 수 있는 정량적인 데이터를 제시한다. 우리는 재채기는 독감 바이러스의 에어로졸화에서 흔치 않을 뿐더러 중요하지도 않음을 보인다. (기침 역시 필요하지 않다.) 우리는 상기도 및 하기도 감염은 서로 독립적이며 날숨에 포함된 미세 에어로졸 입자는 허파 감염을 나타낸다는 것을 찾았으며, 이 발견으로 독감 감염 및 전염에 관한 인간 생물학의 더 깊은 이해가 가능해졌다. 우리는 또한 백신을 반복해서 맞는 것과 바이러스 에어로졸의 생성 증가 사이의 상관성을 관찰했는데, 이는 우리 방법론의 위력을 보여주는 한편, 이 상관성은 더 확인할 필요가 있다.

초록

날숨 속에 포함된 독감 바이러스의 양과 전염성에 대해서는 알려진 것이 거의 없다. 이로 인해 공기 중 독감 전염의 중요성에는 불확실성이 존재했다. 우리는 급성 호흡기 질환에 걸린 355명의 자원자를 받아 그 중 독감 감염이 확인된 142개의 증례를 보고한다. 이들로부터 증상이 나타난 뒤 1-3일 동안 코인두(咽頭) 샘플과 30분의 숨 샘플을 채취하였다. (5-µm보다 크면 굵은 입자로, 작으면 미세 입자로 분류하였다.) 우리는 모든 샘플에 대해 바이러스 RNA 복제본의 수를 측정하고, 코인두를 채취한 면봉과 미세 에어로졸 입자를 배양시켰다. 미세 에어로졸 입자로부터 감염성 바이러스를 복원한 것은 52번(39%), 적절한 배양액에 둔 코인두 면봉에서 감염성 바이러스를 복원한 것은 150번(89%)이었다. RNA 복제본의 수의 기하 평균값은 30분 미세 입자의 경우 3.8 × 10⁴, 30분 굵은 입자의 경우 1.2 × 10⁴, 그리고 코인두 면봉의 경우 8.2 × 10⁸였다. 미세 에어로졸 입자와 굵은 에어로졸 입자에서 나온 바이러스 RNA는 체질량지수(BMI; body mass index) 및 기침의 횟수와 양의 상관 관계를 보였고, 조절된 모형 하에서 증상이 나타난 이래 지나간 일수와 음의 상관 관계를 보였다. 미세 에어로졸 입자의 바이러스 RNA는 또한 이번 및 지난 계절에 독감 백신을 맞았는지의 여부와 양의 상관 관계를 보였다. 코인두 면봉에서 나온 바이러스 RNA는 상기도 증상들과 양의 상관 관계를 보였고 나이와는 음의 상관 관계를 보였지만, 미세 에어로졸 입자와 굵은 에어로졸 입자에서 나온 바이러스 RNA 혹은 그들의 예측 변수와는 유의미한 상관 관계를 보이지 않았다. 재채기는 드문 현상이고, 재채기와 기침은 감염성 에어로졸을 만드는 것에 꼭 필요하지 않았다. 우리의 관찰 사실들은 상기도와 하기도의 독감 감염이 구분되어 있으며 서로 독립적임을 암시한다.

베이커 선생은 지구 정복이 꿈인가 보다. 이제 심지어 바이러스의 프로토타입을 만드는 데까지 성공! 짤막하게 초록을 번역하고 조립체가 어떻게 조립되는지 보여주는 그림 1B를 첨부한다.

스스로의 RNA 유전체를 포함할 수 있는 설계된 단백질 조립체의 진화

https://doi.org/10.1038/nature25157

초록

복잡한 생화학 환경 속에서 진화하기 위해 겪는 어려움으로는 유전자형과 표현형을 연결하는 문제와 유전 물질을 보호하는 문제가 있는데, 생체 시스템들은 핵산을 단단히 포장함으로써 이 문제들을 우아하게 풀어낸다. 가장 간단한 예로서, 바이러스는 껍질 단백질(capsid)로 자신들의 유전체를 싼다. 비록 자연에 존재하는 이러한 시스템을 변형하여 친화성(tropism)을 바꾸거나 특정 단백질 및 펩타이드를 만들게 하는 연구들이 진행되기는 했으나, 모듈성을 포기하고 효율성을 추구해 온 수십억 년의 진화로 인해 바이러스 껍질 단백질을 고친다는 것은 쉽지 않다. 바이러스에서 기인하지 않은 단백질로 만들어진 합성 시스템은, 바이러스와 연관된 안전상의 위험 및 조작의 어려움을 피하는 한편, 약물 전달 및 다른 생체의학 응용 분야에 필요한 성질을 진화시키는 '빈 서판'을 제공할 수 있다. 이 연구에서 우리는 20면체 단백질 조립체이자 내부 막이 양전하를 띠어 자신의 전체 mRNA 유전체를 포장할 수 있는 핵 껍질 단백질(nucleocapsid)을 계산으로 설계하고 합성하였다. 우리는 이 핵 껍질 단백질이 바이러스와 유사한 성질을 진화로 얻을 수 있는지 확인하기 위해 대장균을 발현 숙주로 삼아 다양한 개체군을 만들었다. 몇 세대 진화를 시키자, 유전체 포장 효율(133배 이상), 혈액 속의 안정성(주사 후 6시간 뒤에 포장된 RNA가 살아남은 비율이 3.7% 미만에서 71%로), 체내(in vivo) 순환 시간(5분 미만에서 약 4.5 시간으로)이 눈에 띄게 향상되었다. 진화의 결과로 만들어진 합성 핵 껍질 단백질은 11개의 20면체 조립체 당 하나 꼴로 전체 RNA 유전체를 포함하는데, 이 비율은 재조합 아데노 부속 바이러스(adeno-associated virus) 벡터의 최고 기록과 유사하다. 이 결과는 단백질 조립체가 바이러스와 유사한 유전체 포장 및 보호 능력을 획득할 수 있는 단순한 진화 경로가 존재함을 보여준다. 그간 약물 전달 및 백신에의 응용을 위해 더 안전하고 효율적으로 바이러스를 조작하기 위한 '하향성' 접근법에 많은 노력을 들여 왔지만, 계산을 통해 합성 나노물질을 설계하고 진화를 통해 그들을 최적화할 수 있는 기법의 개발로 이제 프로그램성과 조작성에 많은 장점이 있는, 이에 보완적인 '상향성' 접근법이 가능해졌다.