[생리의학·물리학·화학…2023년 노벨과학상 수상자 리뷰] 코로나 퇴치 mRNA·양자 기술 아토초·자연색 구현 양자점 수상

10월 4일 스톡홀름 스웨덴 왕립과학원에서 열린 2023년 노벨 화학상 수상자 발표에서 올해 수상자인 문지 바웬디, 루이스 브루스, 알렉세이 예키모프의 사진이 화면에 나타나고 있다. 사진 AFP연합

2023년 노벨상 시즌이 10월 2일(이하 현지시각) 스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회가 카탈린 카리코(Katalin Karikó·68) 독일 바이오엔테크 수석 부사장과 드루 와이스먼(Drew Weissman·64) 미국 펜실베이니아대 의대 교수를 노벨 생리의학상 수상자로 선정하면서 시작됐다. 이어 3일 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 올해 노벨 물리학상 수상자로 피에르 아고스티니(Pierre Agostini· 70) 미국 오하이오대 교수, 페렌츠 크러우스(Ferenc Krausz·61) 독일 루트비히-막시밀리안대 교수, 안 륄리에(Anne L’Huillier·65) 스웨덴 룬드대 교수를 선정했다고 발표했다. 4일 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 올해 노벨 화학상 수상자로 문지 바웬디(Moungi Bawendi·62) 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수, 루이스 브루스(Louis E. Brus·80) 미국 컬럼비아대 명예교수, 알렉세이 예키모프(Alexey Ekimov·78) 전 나노크리스털 테크놀로지 연구원을 선정했다고 발표했다.

인류를 코로나19 바이러스 공포에서 자유롭게 만든 mRNA(메신저 리보핵산) 백신(생리의학상), 양자 컴퓨터 기술의 기반이 되는 아토초(attosecond·100경분의 1초) 레이저를 이용한 극고속 현상(물리학상), 자연의 색을 거의 사실대로 구현해 차세대 디스플레이 핵심 기술로 각광받는 나노 양자점(quantum dots) 합성법(화학상) 등을 연구한 학자들에게 노벨상의 영예가 돌아간 것이다.

왼쪽부터 2023년 노벨물리학상 수상자로 선정된 안 륄리에, 페렌츠 크러우스, 피에르 아고스티니, 2023년 노벨 생리의학상 수상자인 카탈린 카리코, 드루 와이스먼, 2023년 노벨 화학상 수상자인 문지 바웬디, 루이스 브루스, 알렉세이 예키모프. 사진 AFP연합

인체 주입된 mRNA, 단백질 합성 전 분해되는 문제점 해결

생리의학, 물리학, 화학 등 과학 분야 2023년 노벨상에서 스포트라이트를 가장 많이 받은 수상자는 생리의학상을 받은 카탈린 카리코 수석 부사장과 드루 와이스먼 교수로 평가된다. 이들은 코로나19 팬데믹(pandemic·감염병 대유행)을 종식시킨 코로나19 백신을 만든 mRNA 기술을 개발한 공로를 인정받아 노벨 생리의학상을 받았다. 코로나19로부터 인류를 구한 백신 개발자들이 노벨상의 영예를 안게 됐다. 미국 화이자와 모더나가 만든 mRNA 백신은 10억 명가량이 접종했고, 코로나19 팬데믹을 억제하는 데 기여했다.

1961년 처음 발견된 mRNA 성분을 이용해 백신을 개발하는 아이디어는 1990년대에 나왔다. 헝가리 출신 미국 생리의학자인 카리코 수석 부사장은 1976년 헝가리 세게드대 생명과학대에서 박사 학위를 받은 후 mRNA를 연구하기 위해 1984년 미국 템플대 연구교수로 초청받아 갔다. 카리코 부사장은 1990년대 중반 미국 펜실베이니아대 의대 조교수로 옮겨 면역학자인 와이스먼 교수와 함께 mRNA로 질병을 치료하는 방법을 모색했다.

미국 보스턴대 출신으로 미국 국립보건원(NIH)에서 근무하다 펜실베이니아대로 옮긴 와이스먼 교수는 카리코 부사장과 호흡을 맞춰 mRNA 백신 개발에 전력했다. 카리코 부사장은 2000년대 중반까지 연구 성과를 내지 못해 연구비가 끊기고, 교수 직위에서도 밀려나는 등 어려움을 겪었지만, 끝내 mRNA 기술 개발에 성공했다.

약물 주입을 통해 병원체를 미리 경험해 인체의 면역반응을 유도하는 기존 백신과 달리 mRNA 백신은 유전자 정보가 담긴 mRNA를 주입해 특정 단백질이 체내에서 만들어지게 해서 질병 바이러스의 침투를 막는 방식이다. 코로나19 바이러스는 돌기 모양의 스파이크 단백질을 호흡기 세포에 결합한 다음 안으로 침투한다. 화이자·바이오엔테크 연합과 모더나가 개발한 백신은 스파이크 단백질을 만드는 설계도 격인 mRNA를 사람 세포에 전달한다. 세포는 mRNA 유전정보에 따라 스파이크 단백질을 합성하고 인체에서 이에 대항하는 면역반응이 유도돼 코로나19를 예방한다.

카리코 부사장과 와이스먼 교수는 mRNA를 인체에 주입하면, 스파이크 단백질이 합성되기도 전에 면역 세포가 이를 외부 침입자라고 인식하고 분해하는 문제점을 해결했다.

1000조분의 1 단위로 빛 펄스 생성…양자 시대 기초 기술 개발

노벨 물리학상 수상자인 피에르 아고스티니 교수, 페렌츠 크러우스 교수, 안 륄리에 교수 등 3인은 아토초 단위의 빛 펄스(pulse·섬광)를 생성해 물질 내부의 전자 움직임을 연구할 수 있는 길을 열었다. 짧게 빛이 지속하는 펄스를 나노(10억분의 1)보다 10억분의 1 작은, 즉 100경분의 1초에 해당하는 아토초 간격으로 구현한 것이다. 1980년대까지 과학자들은 1000조분의 1초인 펨토(femto)초 레이저를 사용했기 때문에 펨토초 단위의 빛 펄스만 가능했다. 분자를 구성하는 원자는 펨토초 단위로 움직이고 회전해 충분히 관찰할 수 있었지만, 전자는 수백 아토초 단위로 움직여 펨토초 레이저로는 어떻게 움직이는지 알 수 없었다.

륄리에 교수는 1987년 적외선 레이저 빛이 다른 물질과 화학반응을 거의 하지 않는 불활성 가스를 통과하면, 하나의 물결이 여러 개 동시에 생기듯 빛의 울림이 발생하는 현상인 배음(倍音)이 나타난다는 것을 발견했다. 잔물결 같던 빛의 파장이 마루와 골에서 중첩되면 더 큰 파도가 된다. 마루와 골이 반대 방향이면 상쇄돼 사라진다.

이렇게 아토초 단위로 크게 요동치는 파도 같은 펄스를 만들 수 있다. 아고스티니 교수와 크러우스 교수는 아토초 펄스를 구현했다. 2001년 아고스티니 교수는 250아토초 동안 지속되는 연속적인 빛의 펄스를 생성하고 관측했다. 같은 시기 크러우스 교수는 650아토초 동안 지속되는 단일 빛 펄스를 분리하는 실험을 진행했다.

아토초 펄스를 쏘고 전자가 원자핵에서 떨어지는 시간을 측정하면, 원자핵과 전자의 결합력을 알 수 있다. 이를 통해 물질 내부에서 일어나는 일을 슬로 모션 영상처럼 관측할 수 있다.

삼성전자 QLED TV에 적용된 나노 양자점 기술

노벨 화학상을 받은 문지 바웬디 교수, 루이스 브루스 명예교수, 알렉세이 예키모프 연구원은 색을 거의 사실대로 구현해 차세대 디스플레이 핵심 기술로 각광받고 있는 양자점을 발견하고 실제 합성법을 개발한 공로를 인정받았다. “나노 기술의 중요한 씨앗을 심었다”는 평가를 듣는다. 나노 분야의 양자점 연구를 활용해 나온 대표 상품으로는 퀀텀닷 디스플레이가 적용된 삼성전자의 QLED TV가 손꼽힌다.

양자점은 금속이나 반도체 물질로 이뤄진 10㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 내외 크기의 결정을 말한다.

처음 양자점이 나온 이후 30년에 걸쳐 연구가 이뤄진 끝에 양자점의 크기와 구조, 표면과 결함의 정밀한 제어가 가능해졌고, 이제는 실제 디스플레이에 활용되는 수준까지 기술이 진보했다.

브루스 교수와 예키모프 연구원은 양자점을 처음 발견한 이들이다. 브루스 교수는 벨 연구소 시절인 1980년대 초 용액에 입자들이 균일하게 퍼진 ‘콜로이드’ 상태의 양자점을 발견했다. 예키모프 연구원은 반도체 물질로 이뤄진 양자점을 발견하고 전자 및 광학 특성을 연구한 업적을 인정받았다. 실제 양자점의 합성법을 찾은 이는 브루스 교수의 제자인 바웬디 교수다. 바웬디 교수는 1993년 효율적인 반도체 양자점 합성법을 개발해 양자점 연구에 불을 지폈다.

10월 4일 노벨 화학상 발표를 끝으로 올해 노벨 과학상 발표는 끝났다. 올해 수상자들에게는 상금 1100만크로나(약 13억6400만원)를 수상자 수만큼 나눠서 지급한다. 작년 상금은 작년 1000만크로나였다. 전 세계적인 인플레이션(물가 상승)이 반영돼 상금이 오른 것으로 풀이된다.