살아있는 것들의 물리학

프롤로그 생명에서 찾은 물리 법칙
용어 설명

1장 얼마나 작은 것까지 볼 수 있을까?
1 최신 현미경으로 알아낸 것
2 현미경의 간략한 역사
3 빛의 기본 속성
4 현미경으로 본 것을 기록하는 카메라
5 생명체를 색칠하는 도구, 형광단백질과 형광염료
6 나노미터 크기도 구별하는 초고해상도현미경

2장 분자 한 개를 잡을 수 있다고?
1 분자 하나로 알 수 있는것
2 광족집게의 원리와 이를 통해 알아낸 것
3 두 분자가 수 나노미터 거리에 있을 때, 단분자 형광공명에너지전달
4 단분자 형광공명에너지전달로 알아낸 것

3장 DNA 물리학
1 DNA 이중나선 구조의 물리학
2 DNA 가닥의 꼬인 힘을 측정하는 법
3 자기집게로 알아낸 DNA의 탄성
4 광족집게로 알아낸 DNA의 물성
5 염색질의 동역학

4장 DNA 복구 과정과 유전자 편집 기술
1 DNA가 복구되는 과정
2 초기의 유전자 편집 기술
3 최신 유전자 편집 기술
4 DNA 염기서열 분석

5장 RNA 물리학
1 RNA 세계 가설
2 생명 정보가 DNA에서 RNA로 전사되는 과정
3 생명 정보를 침묵시키는 RNA 간섭
4 단백질로 번역되지 않지만 중요한 miRNA
5 세포 한 개에서 얻는 RNA 정보
6 miRNA 개수 세기

6장 단백질 물리학
1 단백질 물리학으로 알 수 있는 것
2 단백질 구조가 중요한 이유
3 머신러닝을 이용한 단백질 구조 예측
4 생명현상을 실시간으로 관찰하는 도구, 형광단백질
5 정신작용의 물리적 근거인 시냅스를 보다

7장 세포 물리학
1 세포를 관찰하면 알 수 있는 것
2 뇌에서 공간을 인지하는 법
3 내 몸 안에 있는 생체시계, 일주기 리듬
4 빛으로 세포를 켜고 끄는 광유전학
5 생체 조직을 투명하게 만드는 기술
6 더 깊이, 더 또렷하게 관찰하기 위한 적응광학

에필로그 생물물리학의 미래
감사의 글

현미경은 생명체를 관찰하는 오래된 도구이자, 지금도 새로운 기술로 업데이트되는 실험 장비다. 맨눈으로는 관찰할 수 없는 작은 생명체, 생명체를 이루는 세포, 생명의 정보를 담고 있는 DNA와 RNA까지, 현미경으로 관찰하는 대상은 폭넓다. 생물물리학은 생명현상에서 물리법칙을 밝히는 학문이다. 크게는 생명체 집단의 행동과 진화 과정을 연구하기도 하고, 작게는 DNA나 RNA가 유전정보를 전달하는 과정을 밝히기도 한다. 이 책에서는 DNA, RNA, 단백질, 세포 크기에서 작동하는 생명현상을 다룬다.

초고해상도현미경을 이용해 회절 한계보다 작은 수십 나노미터 크기의 생체 물질을 발견했고, 지금도 이 장비의 성능을 높여서 새로운 현상을 관찰했다는 논문이 발표되고 있다. 무엇보다 그 쓸모는 인간을 이해하는 데 있다. 인간 뇌의 작용을 자세히 들여다보면서 뇌 발달을 이해하고 뇌 질환을 치료하는 데 초고해상도현미경을 사용할 수 있다. 암을 조기에 간편한 방식으로 진단할 수 있는 분자 기반 진단 키트에도 활용될 수 있다. 생물물리학자는 초고해상도현미경을 이용해 인체에 대한 과학인 인체생물학에 기여하고 있다.

물리학에서는 원자보다 작은 힉스나 쿼크부터 광대한 우주까지 다룬다면, 생물학은 원자부터 지구까지만 관심을 가진다. 물론 우주에서 생명체를 찾기도 하고 지구 대기권에서 생물학을 연구하는 우주생물학이 있긴 하지만, 기본적으로 지구를 중심으로 생명을 다룬다. 그래서 생물물리학도 생물학과 비슷한 크기의 물질에 관심을 가지는데, 일반적으로 분자, 세포, 조직, 개체, 생명체 집단이 주요 연구 단위다. 최근에는 생명현상을 원자 이하의 크기에서 양자역학으로 설명하려는 양자생물학이 등장하기도 했다. 하지만 대부분의 생명 과정이 분자의 화학 반응을 거쳐 진행된다는 점을 고려하면, 분자 단위에서 연구하는 것이 최근 분자생물학, 생화학, 생물물리학의 추세다. 원자 이하의 크기에서 작동하는 양자역학으로 생명체 내부를 들여다보는 연구는 아직 생명과학과 생물물리학에서 핵심 주제는 아니다. 그래서 이 책에서는 분자 크기에서의 생명현상을 다룬다.