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생명공학을 둘러싼 미래 과학의 모든 것

『세상을 바꿀 미래 과학 설명서』 제3권. 〈질병 없는 시대의 생명공학〉은 감정과 생각을 읽는 인공지능의 원리부터 신체 능력을 확장시켜 주는 생체공학과 감염병을 치료하는 합성생물학까지, 평균수명 100세 시대를 향해 가는 오늘날 생명공학을 둘러싼 미래 과학의 원리와 역사를 소개한다.

어떻게 기계가 사람의 마음을 읽을 수 있을까? 정말 생각만으로 기계를 움직일 수 있을까? 인공지능은 인간의 뇌와 무엇이 닮았을까? 고대 미라에서 발견된 의족이나 로마 병사들이 사용한 골절 치료용 부목을 보면 알 수 있듯이 사람들은 오래전부터 의학과 공학을 융합한 기술을 사용해 왔다. 현대에 들어와 과학 기술이 놀라운 속도로 발달하면서 이제는 3D프린터로 인공장기를 만들거나 돼지 수정란에 유도만능줄기세포를 주입해 필요한 장기를 얻을 수 있게 됐다. 저자는 현재 쟁점이 되고 있는 생명공학 기술을 다양한 예시를 들어가며 친절하게 설명한다.

또한 유전자 검사로 병을 미리 막고 웨어러블 기기로 집에서 진단받는 스마트한 건강 관리 시대에는 암과 치매를 완전히 치료할 수 있게 될지, 나아가 평균수명 100세를 넘어 더 오래 살 수 있을지, 흥미롭고 다채로운 과학 지식을 알려 준다. 더불어 미래 과학 기술이 사람을 위한 기술로 쓰이려면 우리가 무엇을 해야 할지 생각할 거리를 제공한다.

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과학 선생님이 들려주는 쉽고, 재미있고, 논쟁적인 미래 이야기

미래를 정확하게 예측할 수 있는 사람은 아무도 없다. 그러나 자율주행 자동차, 에너지 하베스팅, 뇌-컴퓨터 접속과 같은 첨단 기술은 지금까지와는 전혀 다른 세상을 만들어 나갈 것이다.《세상을 바꿀 미래 과학 설명서 1, 2, 3》은 인공지능, 에너지, 생명과학을 둘러싼 미래 과학이 어떤 원리로 작동되고 어디까지 발전했는지, 어떤 문제를 일으킬 수 있는지 알기 쉽게 설명한다. 미래 과학 기술을 올바르게 볼 수 있는 시각을 기르려면, 원리와 과정을 이해하는 것이 무엇보다 중요하다. 이 책은 똑똑하게 미래를 준비하려는 청소년을 위한 맞춤형 안내서다.

들어가는 글: 평균수명 100세 시대, 생명공학은 어디까지 발전했을까? 4

1 감정인식 기술: 기계가 마음을 읽을 수 있을까?
사람은 어떻게 감정을 드러낼까 16
목소리와 표정, 생체신호를 주목하라 22
감정인식 기술은 어떻게 쓰일까 27

2 뇌-컴퓨터 접속: 생각만으로 기계를 움직일 수 있을까?
의식은 어떻게 생겨나서 행동으로 연결될까 33
뇌파에서 운동피질까지 뇌-컴퓨터 접속의 원리 40

3 인공지능: 인공지능이 인간의 뇌를 닮아 있다고?
인간의 뇌가 정보를 처리하는 방법 51
정보를 패턴으로 기억하는 신피질 55
인공신경망은 어떻게 작동할까 61

4 생체공학: 신체를 부품처럼 교체하는 날이 올까?
의학과 공학의 만남 66
유전자와 줄기세포를 이용한 치료 기술 74

5 합성생물학: 진화하는 감염병을 없앨 수 있을까?
걷잡을 수 없이 퍼져 나가는 감염병 85
점점 강해지는 감염병을 막는 과학기술 92
감염병의 미래를 바꾸는 합성생물학 100

6 스마트한 건강 관리: 유전자 정보와 빅데이터를 활용하다
과학기술을 활용한 맞춤형 의료 서비스 111
의료정보 빅데이터는 어떻게 쓰일까 115
스마트폰으로 지키는 건강 120

7 암: 암을 완전히 치료할 수 있을까?
암세포는 어떻게 생길까 129
암을 진단하고 치료하는 미래기술 137

8 치매: 기억과 관계를 파괴하는 질병
왜 치매에 걸리는 걸까 149
치명적인 치매 증상 153
치매의 진단과 치료 156

9 노화: 100세보다 더 오래 살 수 있을까?
노화의 원인, 활성산소종 168
유전자와 노화의 관계 172
유전자의 발현을 조절해 노화를 늦추다 176

182 찾아보기

영화〈벤자민 버튼의 시간은 거꾸로 간다〉에서 주인공 벤자민 버튼은 노인으로 태어나서 어린아이로 늙어 갑니다. 다양한 연령대를 연기해야 하는 벤자민 버튼의 얼굴은 어떻게 만들었을까요? 우선 벤자민 베튼을 연기할 배우 브래드 피트Brad Pitt의 얼굴에 발광물질을 바르고 다양한 표정을 짓게 한 후 각 표정을 부호화합니다.
그리고 연령별 모형에 이미 분석한 부호를 적용해 표정을 만들어요. 사람들의 표정을 분석하는 얼굴 움직임 부호화 시스템을 거꾸로 새로운 얼굴을 만드는 데 사용한 것이지요. 3D 애니메이션을 보면, 주인공들이 실제 배우만큼이나 사실적으로 다양한 표정을 지으며 연기하지요? 이러한 표정도 얼굴 움직임 부호화 시스템으로 만든 것이랍니다.(27쪽)

미래가 공중에 떠오른 공을 쳐다보고 있어요. 공을 잡으려 하니, 살짝 아래로 떨어집니다. 다시 공을 노려보자 위로 떠오르기 시작해요. 평범한 중학생인 미래가 어떻게 이런 마법을 부릴 수 있게 된 걸까요? 마인드 플렉스Mindflex는 헤드셋만 쓰면 누구나 초능력자가 되어 공을 노려보는 것만으로 떠오르게 할 수 있는 게임입니다. 헤드셋은 미래의 뇌에서 발생하는 뇌파를 읽고 기계 장치에 공을 띄우라는 명령을 전달하지요.
지금부터 생각만으로 기계나 컴퓨터를 제어하는 뇌-컴퓨터 접속이 무엇인지 알아보아요. 뇌-컴퓨터 접속을 다른 말로 뇌-기계 접속BMI, Brain-Machine Interface이라고도 하는데요. 사실 두 기술의 출발은 같지 않답니다. 뇌-컴퓨터 접속은 뇌파를 분석해서 외부 기기를 움직이거나 사용자의 생각을 해석하는 것이고, 뇌-기계 접속은 뇌에 전극을 꽂아서 직접 신경 신호를 해독해 외부 기기를 제어하는 것이에요. 1970년대에는 뇌파를 분석하는 기술이 그다지 발달하지 않았으므로 뇌-컴퓨터 접속을 무시하는 경향이 있었지요. 그러나 생체신호를 더욱 정확하게 처리하게 되면서 단순하게 원인을 파악하는 선형적 분석을 뛰어넘는 뇌파 분석 기술이 발전했어요.(40~41쪽)

살모넬라salmonella균은 음식이나 물, 액체를 통해 식중독을 일으키는 균입니다. 사람, 포유류, 조류의 장에 살고, 4일에서 5일 동안 심한 설사를 일으키지요. 인간에게 해가 되는 균이라고요? 지금까지는 그런 셈입니다. 그런데 전남대학교 민정준, 이준행 교수 연구팀은 이 살모넬라균의 유전자를 조작해 암세포를 찾아내고 치료하는 데 쓸 수 있도록 만들었어요. 살모넬라균에서 독성 유전자를 없앤 다음, 암세포 가까이에서 병원 미생물에 대항하는 항체를 만드는 물질 분비를 돕도록 비브리오vibrio균의 유전자를 합친 것이지요.
이렇게 유전형질이 바뀐 균을 인간 암세포를 가진 20마리의 실험쥐에 감염시켰더니, 3일 후 정상 조직에서는 살모넬라균이 사라졌으나 종양 조직에서는 살모넬라균이 살아 있었어요. 120일 후에는 11마리의 쥐에서 종양 조직 자체가 발견되지 않았습니다. 유전자가 바뀐 것을 ‘형질전환’이라고 하는데, 이렇게 형질전환된 살모넬라균이 암세포 주변에서 많이 자라면 면역물질인 플라비FlaB를 많이 분비하게 됩니다. 이 플라비가 면역을 담당하는 여러 세포들을 불러 모아 염증작용을 일으켜서 암세포를 죽게 만든 것이지요.(100~101쪽)