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표면적 : 작은 것은 표면적이 비율이 높다

분쇄 Size reduction
- 균질 Homogenization
- 호모믹서 Homo mixer : 예비유화
- 균질기이론 Homogenizer
- I/C 균질공정
- Colloid mill
- Size reduction =  표면적비 감소, 갯수증가

- 유화제는 표면에 작용한다 Surface Active agent
- 에너지 대사는 막표면을 경계로 이루어진다

Size reduction
- 갯수가 증가하고 whiteness 증가
- 반응성 증가
- 유화 안정성 증가

베르그만(Bergmann) 법칙 = 항온동물의 경우 같은 종이라도 추운 곳에 사는 것이 더운 곳에 사는 것보다 몸집이 더 크다는 법칙이다. 더운 곳에서는 몸의 열을 발산해야 하지만 추운 곳에서는 체온 유지를 위해 몸 표면적을 줄여 열 손실을 막아야 한다. 몸의 길이가 두 배가 되면 표면적은 4배(22)로, 부피는 8배(23)로 늘어난다. 몸집이 커지면서 부피에 대한 표면적의 비율이 줄어드는 것이다. 사람도 북유럽인이 남유럽인 보다 더 크다.












땃쥐는 아마 동물계에서 가장 대식가일 것이다. 물론 체중 1700킬로그램인 코끼리가 먹는 양이 체중 2그램인 땃쥐가 먹는 양보다는 당연히 훨씬 많다. 그러나 몸의 크기에 비해 먹는 양을 따져보면, 상황은 완전히 뒤집힌다. 하루에 대략 100킬로그램을 먹는 코끼리가 자기 체중의 약 6퍼센트에 해당하는 먹이를 먹는 데 비해, 땃쥐는 하루에 체중의 384퍼센트를 먹은 기록이 있으며, 이에 견줄 수 있는 동물은 어디에도 없다. 포유류를 살펴보면, 몸집이 작을수록 단위 질량당 에너지를 더 많이 소비한다. 땃쥐는 크기가 가장 작은 포유류이기 때문에 식탐이 가장 많은 것이다. 만약 코끼리 한 마리의 무게와 맞먹을 만큼의 땃쥐가 모이면, 이 50만 마리의 땃쥐 무리는 코끼리 한 마리에 비해 64배나 많은 먹이를 먹어 치울 것이다.





 


2018-01-15 오 철우 선임기자 cheolwoo@hani.co.kr

물이 0.001㎜ 방울로 작아질 때 효소 없이도 생화학 반응 저절로

최근 물방울이 충분히 작고 일정 조건이 갖춰지면 물방울 안에서 효소나 에너지 없이도 생화학 반응이 일어나 아르엔에이 기본 염기들이 만들어질 수 있다는 연구 결과가 나왔다.
초미세 물방울이 세포를 닮았다? 지름 0.001밀리미터(㎜), 즉 1마이크로미터(㎛) 단위 크기의 물방울에서 뜻밖에 생물학적 반응을 발견한 생물학자들이 물방울 실험에 푹 빠졌다. 세포 안에서 효소나 생체 에너지가 있어야만 일어나는 생화학 반응이 비생명계인 물방울에서 쉽게 일어날 수 있다는 게 최근 실험에서 잇따라 확인되고 있기 때문이다. 세포의 생존에 반드시 필요한 ‘인산화’라는 반응이 마이크로 물방울에선 효소 없이도 저절로 일어났으며, 심지어 아르엔에이(RNA)를 구성하는 염기들도 물방울에서 만들어질 수 있는 것으로 나타났다.
최근 이런 연구 결과들을 <미국국립과학원회보>(PNAS)에 잇따라 발표한 남홍길 기초과학연구원(IBS) 식물노화수명연구단장 겸 대구경북과학기술원(DGIST) 교수 연구진과 리처드 제어 미국 스탠퍼드대학 교수 연구진은 2009년부터 생체 분자들의 화학 반응을 물방울 모형을 통해 실험하고 관찰하는 연구를 계속해왔다. 그동안 이들은 물방울에서 이전에 몰랐던 어떤 현상을 보았을까?

분사된 물방울에서 RNA 구성분자 생성

지난해 10월 연구진은 초미세 물방울에서 세포 생존에 필수적인 인산화라는 생화학 반응이 저절로 일어나는 것을 관찰해 학계에 처음 보고했다. 인산화는 인산이 다른 분자와 결합하는 반응을 말하는데, 이전까지는 세포 밖에서 자연적으로 일어나는 인산화 반응이 관찰된 적이 없다.
남 교수는 “인(P)은 인산화 반응을 통해 디엔에이(DNA)와 아르엔에이 가닥의 골격을 만들며 에너지 생성과 신호전달에도 필수적인 생명의 기본 요소”라며 “리보스(오탄당)와 인산이 물에선 반응하지 않지만 둘을 섞은 물을 모세관으로 분사하자 마이크로 물방울에서 둘이 결합하는 인산화 반응이 일어나 처음엔 깜짝 놀랐다”고 말했다. 물방울의 효과인 셈이었다.
당연히 물방울 효과는 지구 생명의 기원 문제와 관련해 주목받았다. 38억~40억년 전 지구에서 태초의 유전물질이었을 아르엔에이가 흔한 물방울에서 생성됐을 가능성을 보여주기 때문이다. 공동연구자인 제어 교수는 전자우편에서 “태초에 어떤 일이 일어났는지는 누구도 확인할 수 없지만, 비생명에서 어떻게 생명이 생겨났는지의 퍼즐 그림을 맞추는 한 조각이 될 만한 연구”라며 그 의미를 덧붙였다.
최근 논문은 한 걸음 더 나아갔다. 이번엔 1기압과 상온 상태에서 인산, 리보스, 염기를 섞은 물을 분사해 초미세 물방울 환경을 만들었더니 거기에서 생화학 반응이 일어나 아르엔에이의 구성 성분으로 염기-리보스의 결합물인 리보뉴클레오시드 4종(우리딘, 아데노신, 시티딘, 이노신)이 모두 다 만들어졌다고 연구진은 보고했다. 여기에 인산까지 붙는다면 아르엔에이 가닥이 만들어질 수 있다.
남 교수는 “염기들이 이어붙은 아르엔에이 가닥 구조물까지 마이크로 물방울에서 과연 자발적으로 만들어질지를 확인하는 것도 후속 실험들 중 하나”라고 설명했다.
지금 지구처럼 태곳적 지구에서도 구름, 안개, 파도에서 흔히 볼 수 있었을 초미세 방울에 특정 성분들이 담기고 조건이 갖춰지면 아르엔에이 가닥도 저절로 만들어질 수 있다는 근거를 실험에서 보여준다면, 지구 생명의 기원에서 마이크로 물방울이 중요한 역할을 했으리라는 가설은 더욱 힘을 얻을 것으로 보인다.

물방울 효과는 왜 생기는 걸까?

이런 물방울 연구가 시작된 건 2009년 무렵이었다고 한다. 남 교수는 “세포 안에서 특정 분자들의 반응이 어떻게 일어나는지를 단순한 모형에서 따로 떼어내어 관찰하기 위해 물방울 분사 실험을 시작했다”며 “그런데 마이크로 물방울에선 반응이 수천 배나 빠르고, 게다가 생화학 반응이 자발적으로 일어나는 걸 보고서 모두 고무돼 물방울의 생화학 반응 실험을 계속해왔다”고 말했다.
그냥 물속에서 생화학 반응은 오히려 방해를 받는다. 그런데 그 물이 쪼개져 초미세 물방울이 되면 왜 생화학 반응은 자발적으로 일어날까? ‘작음’ 자체가 어떤 효과를 만들어낸 걸까?
연구자들은 아직 물방울 효과가 왜, 어떻게 일어나는지를 명확하게 밝혀내진 못했다. 그렇지만 몇 가지를 조심스럽게 추정하고 있다.
“비커에 든 물 1리터의 표면적은 1㎡에 턱없이 모자라지만 그 물이 마이크로미터 지름의 물방울이 될 때 표면적을 모두 합하면 대략 축구장 절반인 3000㎡에 달한다. 물과 공기가 접하는 면에서 반응이 일어난다고 보면 반응 속도는 비커의 물에 비해 수천 배나 빨라지는 것이다. 또한 물방울 표면 안팎에는 강한 전기장이 형성된다. 몇 가지 요인들이 물방울 자체를 ‘촉매’처럼 만들어준다고 생각한다.”(제어 교수)
마이크로 물방울에선 생체 분자가 독특하게 움직인다는 점도 발견됐다. 식물노화수명연구단의 이상문 연구위원은 물방울의 현미경 사진을 컴퓨터 화면에 띄워 보여주었다.(사진) 형광 분자를 붙인 혈장단백질들이 물방울 안에서 표면 쪽으로 쏠려 물방울의 가장자리가 빛나고 있었다. 그는 “물방울이 작아지면 표면 안팎에 전기장이 생기고 다른 표면 효과도 있기 때문에 분자들의 행동도 달라진다”며 “물방울 구조가 생물학적 현상에 어떤 영향을 끼치는 것”이라고 말했다. 그는 물방울 안 생체 분자들의 행동 특성을 논문으로 발표할 예정이다.

“생로병사 세포도 일종의 작은 물방울”

물방울 연구자들은 “세포도 일종의 초미세 물방울”이라는 말을 자주 한다. 세포의 크기가 마이크로 물방울과 비슷한데다 세포도 대부분 물로 이뤄져 있기 때문이다. 그래서 이들이 실험 대상으로 삼은 물방울은 세포의 모형인 셈이다.
연구진은 물방울 연구가 노화와 죽음이라는 생명 현상을 이해하는 데 새로운 시각과 이해를 가져다줄 것으로 기대하고 있다.
남 교수는 “세포에서만 일어난다고 생각했던 생화학 반응이 비생명인 물방울에서 자발적으로 일어난다는 것은 이전에 알지 못했던 새로운 현상으로, 세포 수준에서 볼 때 생명과 비생명의 경계가 대체 무엇인가라는 근본 물음까지 던져준다”고 말했다. 그는 “그동안 노화와 죽음을 주로 유전자 차원에서만 보아왔지만 유전자엔 아무 문제가 없더라도 세포가 처한 물리·화학적 상태에 따라 생명 현상이 달라질 수 있을 가능성을 물방울 실험이 보여준다”고 덧붙였다.
마이크로 물방울에서 효소나 생체 에너지 없이도 나타나는 작용이 실제의 세포 안에서 효소의 도움 없이도 일어나고 있는지를 확인하는 연구는 물방울 연구자들의 중요한 관심사가 됐다. 또한 생명과 비생명의 경계를 오가는 물방울의 후속 연구들에서, 지구 생명의 기원과 같은 수수께끼에 대한 새로운 과학적 설명을 얻을 수 있을지도 대중적인 관심사다.




2018-04-24 오철우 선임기자 cheolwoo@hani.co.kr

다이아몬드는 천연광물 중에서 가장 단단한 물질이다(경도가 가장 크다). 그래서 다이아몬드에 흠을 낼 수 있는 건 다이아몬드밖에 없다는 말은 널리 알려져 있다. 딱딱한 다이아몬드는 깨지거나 부서질지언정 구부러지지 않는다. 그런데 그 크기가 점점 작아져 나노미터(nm·10억분의 1m) 척도 수준으로 작아지면 다이아몬드의 경도 특성에는 다이아몬드답잖은 변화가 나타난다. 다이아몬드가 수백 나노미터 이하의 작은 나노 구조물이 되면 구부러지고 탄성도 지니는 것으로 처음 관찰됐다.
미국 매사추세츠공대(MIT), 싱가포르 난양공대, 한국 울산과기원(UNIST) 등 소속 공동연구진은 실리콘 기판 위에다 고압 상태에서 탄소 증기를 뿜어 나노 다이아몬드를 성장시키는 ‘화학증착법(CVD)’을 써서 나노 다이아몬드 구조물을 만든 다음에 그 탄성 실험을 해보았더니 나노 다이아몬드가 구부러지고 휜다는 것을 관측해 과학저널 <사이언스>에 보고했다.
여기에서 화학증착법(CVD)이란, 기체를 가열된 기판 위에 뿜어 화학반응을 일으키게 함으로써 얇은 막(박막)이 형성하게 하는 공정으로. 반도체, 금속박막, 유기박막 등을 만들 때 보통 사용된다. 연구진은 이런 화학증착법에다 ‘반응성 이온 식각법’(RIE)이라는 공정을 써서, 지름 100~300나노미터 크기에 길쭉한 뿔기둥 모양을 해 이른바 ‘나노바늘’이라 불리는 인조 다이아몬드 구조물을 만들었다.
연구진은 이렇게 만들어진 나노 다이아몬드 구조물의 탄성 특성을 실험했다. 길게 뾰족하게 뻗은 나노바늘 다이아몬드를 다른 다이아몬드로 서서히 짓누르자 나노 다이아몬드 구조물은 쉽게 관측될 정도로 구부러지는 모습이 관찰됐다. 연구진은 나노 다이아몬드의 인장 변형률(tensile strains)이 최대 9%에 달했으며, 이런 수치가 다이아몬드의 변형 한계치일 것으로 보인다고 보고했다. 누르는 것을 그만두자 구부러졌던 나노 다이아몬드 구조물은 원상태로 복원됐다. 탄성 특성을 지니고 있음을 뜻한다. 그러나 한계치를 넘어서 계속 큰 힘이 가해지면 나노 다이아몬드 구조물은 이내 부러졌다.

 
나노 다이아몬드 구조물을 다른 다이아몬드로 서서히 누르자 나노 다이아몬드 구조물은 쉽게 관측될 정도로 구부러지는 모습이 관찰됐다. 그러나 한계치를 넘어서 계속 큰 힘이 가해지면 나노 다이아몬드 구조물은 이내 부러졌다. 미국 매사추세츠공대 제공

연구진은 매사추세츠공대 보도자료에서, 보통 크기의 다이아몬드는 인장 변형의 한계치가 1%에도 훨씬 못 미치는데 “나노 크기의 다이아몬드가 (9%나 되는) 상당한 정도의 탄성 변형을 보여준다는 점은 매우 놀랍다”고 말했다.
나노 다이아몬드는 1마이크로미터(1000나노미터)보다 작은 다이아몬드 입자를 통칭하는데, 보통 다이아몬드와 마찬가지로 단단하며 열과 마모에 강하고 독성이 없는 독특한 기계적, 광학적 특성들을 지녀 반도체, 디스플레이 등 여러 분야에서 점차 쓰임새가 늘고 있으며, 약물 전달용 의학 재료 등으로 새롭게 응용하려는 연구도 이어지고 있다.



2018-10-12 오철우 선임기자

생물의 기본단위인 세포 안에는 디엔에이(DNA) 유전물질을 간직한 세포핵이 있다. 그런데 세포핵 안은 바깥의 세포질과 달리 상당히 끈끈한 점성 상태임이 최근 연구에서 다시 확인됐다. 끈끈한 정도가 꿀의 점성보다 300배나 높은 것으로 계산됐다. 미국 뉴욕대학교의 물리학 연구진은 살아 있는 인간세포의 세포핵 안에서 물질 움직임을 관찰하는 새로운 기법을 개발했으며, 이 기법을 이용해 세포핵 안이 상당히 높은 점성 상태임을 측정해냈다. 이런 생물물리학의 연구결과는 물리학술지 <피지컬 리뷰 레터스>에 최근 실렸다.
연구자들은 세포핵 안의 물적 특성을 관찰하는 연구를 왜 중요하게 여길까? 뉴욕대학교의 설명 자료를 보면, 세포핵과 그 구성물의 물적 특성은 DNA 정보에서 아르엔에이(RNA) 전사를 거쳐 단백질이 합성되는 과정과 같은 세포의 아주 기본적인 생물학적 과정에 물리적인 영향을 끼칠 수 있다고 한다. 세포핵 내의 점성, 즉 핵질의 끈끈한 정도는 세포핵 안에서 분자나 소기관이 이동하는 속도나 거리에 당장 영향을 줄 수 있다는 것이다. 세포핵 내 물적 특성에 생기는 변화는 질병과도 연관이 있을 것으로 여겨져 왔으나, 이를 자연 상태에서 직접 관찰하기는 어려웠다.
물론 세포핵의 점성이 상당히 높다는 특성은 이전에도 다른 실험들을 통해 알려져 왔다고 한다. 대표적으로 이전 연구들에서는 세포핵 안에 미세 입자를 집어넣고서 자기장으로 입자를 움직이며 세포핵 안 점성과 물질 특성을 측정하는 방식이 행해졌다. 하지만 외부 입자를 일부러 세포핵에 집어넣다 보니 상당수 세포들이 사멸할 정도로 세포에 영향을 끼치기에, 그렇게 해서 얻은 측정 결과가 살아 있는 세포의 자연 상태에 나타나는 특성을 제대로 보여주는지는 물음으로 남아 있었다.

이번 연구진의 설명에 의하면, 이들은 세포핵에 외적 손상을 가하지 않으면서 살아 있는 세포의 세포핵 안에서 RNA와 단백질로 이뤄진 소기관인 ‘핵소체’의 움직임을 직접 살피는 데 성공했다. 연구진은 입자를 집어넣는 대신에 유전자변형 기술을 썼다. 세포핵 안 핵소체들은 붉은색 형광을 띠게 만들고 나머지는 녹색 형광을 띠게 만들었다. 색깔로 구분하니 녹색 세포핵 내에서 붉은색 핵소체들의 움직임을 식별해 추적할 수 있었다. 관찰에는 두 색을 구분하는 고해상도 공초점 현미경이 쓰였다. 살아 있는 세포핵의 관찰 방법을 마련함으로써, 연구진은 인간세포의 세포핵에서 핵소체와 그 표면의 움직임을 측정하고 기록할 수 있게 됐다. 핵소체의 표면에 일어나는 미세한 요동과 표면장력, 그리고 두 핵소체가 서서히 융합하는 과정을 관찰할 수 있었다. 이렇게 해서 얻은 관찰 데이터를 바탕으로 유체 거동을 계산해, 연구진은 핵소체들이 “액체 방울”과 비슷한 거동 특성을 보인다는 것을 확인했으며, 또한 핵소체들을 둘러싼 핵질의 끈끈한 점성 정도를 추산할 수 있었다.
연구진이 밝힌 결과를 보면, 세포핵 안 점성은 평균 3000 파스칼-초(Pa·s: Pascal-second, 액체 재료의 점성 단위)에 달했는데, 미국물리학회(APS)의 매체 <피직스(Physics)>의 보도를 보면, 이런 점성은 세포핵 안이 꿀보다 300배 더 끈끈한 상태임을 보여준다. 핵소체들이 융합하는 과정은 대략 15분에 걸쳐 천천히 일어났다. 이런 느린 과정은 어떤 의미일까? 다음은 뉴욕대학 설명 자료의 일부 대목이다.
“특히 핵질의 점성, 즉 세포핵 내 용액의 끈끈함 정도는 세포핵 안에서 분자나 소기관이 얼마나 빠르게, 멀리 이동하는지에 영향을 끼친다. [...][이런 점성 때문에] 건강한 세포에서 핵소체 방울의 융합 과정은 느리게 진행된다. 연구진은 ‘핵소체들이 DNA를 능동적으로 전사하는 세포소기관이라는 점을 생각하면, 이런 느린 융합 덕분에 핵소체의 DNA 전사 과정이 흐트러지지 않을 수 있으며, 그래서 세포의 건강을 지키는 데 도움을 준다’라고 말한다.”
세포핵의 끈끈한 점성 덕분에 그 안에서 이뤄지는 전사 과정이 정상적으로 이루어져 세포 건강을 지킬 수 있다는 설명은, 아직 입증된 것은 아니고 연구진이 유력하게 제시하는 ‘가설’이다. 끈끈한 점성이 건강한 세포핵 안에서 분자나 핵소체들의 움직임 속도를 늦춤으로써 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질이 만들어지는 과정에서 필요한 생물학적 프로세스가 제때에 놓치지 않고 일어날 수 있게 해준다는 설명으로 풀이된다. 이런 설명에 의하면, 암이나 치매 같은 질환에 걸린 인간세포의 세포핵에선 점성 특성이 달라지고 그래서 세포체의 모양이나 크기도 달라질 수 있는 것으로 알려진다.