한국 기초과학을 이끌 16명의 IBS(기초과학연구원·원장 오세정) 연구단장들이 숨 가쁜 하루 하루를 이어나가고 있다. 현재 연구단장들은 자신과 함께 기초과학을 이끌어나갈 차세대 스타 과학자들을 영입하기 위한 밑 작업에 돌입하고 있는 상태다.

국제과학비즈니스벨트의 핵심인 IBS는 독일의 막스플랑크 연구소(MPI), 일본의 이화학연구소(RIKEN)와 같은 기초과학 분야 세계 10대 연구기관을 목표로 하고 있다. IBS는 세계 최고 수준의 기초과학 연구를 위해 연구자가 마음껏 연구할 수 있는 최적의 환경을 만드는 등 선진연구기관의 시스템을 대거 도입했다.

IBS는 올해부터 본격적으로 진행될 연구단의 면면을 살펴보려고 한다. 제일 첫 순서는 KAIST 캠퍼스 연구단에 속해있는 유룡 나노물질 및 화학반응 연구단장, 김은준 시냅스 뇌질환 연구단장, 장석복 분자활성 촉매반응 연구단장이 이끄는 3개 연구단이다.

◆ 유룡 나노물질 및 화학반응 연구단장, "나노구조체 속에서 일어나는 화학반응 현상 탐구"

IBS 연구단장인 유룡 KAIST 화학과 교수는 스타 과학자다. 나노다공성 탄소물질 분야의 개척자로 2007년 국가과학자로도 선정된 바 있다. 2011년에는 유네스코가 선정한 '세계 화학자 100인' 중 한 명으로 선정됐으며, 그가 만든 탄소나노벌집은 'CMK'라는 고유 명사로 통용되고 있다.

"오래된 과학에 생명을 불어넣었다"

2011년 Science가 선정한 세계 10대 연구 성과에 유 교수의 제올라이트 연구가 이름을 올렸다. 당시 Science는 유 단장의 연구 성과를 이렇게 평가했다. 새로운 분야를 개척한 과학자에게 보내는 최대한의 찬사였다.

그가 가장 강조하는 부분은 '독창성'이다. 과학자라면 다른 사람이 생각하는 것과는 다른 독창성 있는 연구를 해야 한다는 게 그의 소신이다.

"학생들에게도 늘 독창성 있는 연구를 해야 한다고 강조한다. 논문 출판이 중요하긴 하지만 궁극적으로 그 모든 것의 우선은 독창적, 창의적인 연구가 기반이다. 전 세계 과학을 리드할 수 있도록 해야 한다."

이러한 그의 성향은 IBS 연구 목표에도 그대로 나타나있다. 나노구조체 형성의 근본적인 원리를 규명하는 것 뿐 만 아니라 이를 바탕으로 고효율 나노촉매를 개발하는 것까지 목표를 세우고 연구를 진행할 생각이다.

유 단장은 "나노물질 뿐만이 아니라 그것을 이용한 화학반응 쪽까지 연구를 연장하려고 한다"며 "우리가 원하는 화학반응을 이끌어 낼 수 있다. 우리가 달성할 수 있을지 없을지 모르겠지만 이런 방향으로 계속 추진된다면 인류가 직면한 환경 및 에너지 문제 해결을 위한 핵심 역할을 수행할 수 있을 것으로 예상된다"고 기대했다.

유 단장의 연구단은 ▲나노촉매 설계 및 합성(유룡) ▲화학반응제어 및 메커니즘 연구(이효철) ▲나노물질의 조립 및 제작(김상욱) ▲나노구조 특성화 연구(이정용) ▲표면 화학반응 연구(박정영) 등 5개의 연구 그룹으로 연구를 진행할 예정이다.

유 단장이 맡은 나노촉매 설계 및 합성 그룹에서는 구조제어분자를 설계·합성해 다양한 나노 구조의 고효율 나노 촉매를 개발하고 그 특성을 최적화하는 연구를 진행하게 된다.

구조제어분자란 나노물질을 디자인하고 합성하는 근본으로, 다양한 형태를 지닌다. 화학반응을 촉진시키는 매체인 촉매 중 불균일계 촉매는 쉬운 분리와 재사용성 때문에 활용 가치가 높으며, 특히 대표적 불균일계 촉매인 나노 구조물질(나노 입자나 나노다공체 등 넓은 표면적을 지닌 게 특징)의 연구가 각광받고 있다.

유 단장은 "구조제어분자 개발 및 복잡한 나노구조체 형성의 범용 규칙을 탐구하며, 나노구조가 화학반응에 미치는 영향을 근본적으로 규명하는 등 녹색 화학반응의 이해와 제어를 통한 환경 및 에너지 문제의 해결책을 모색할 계획이다"고 설명했다.

나노구조 특성화 연구 그룹에서는 원자 분해기능을 갖춘 전자 현미경 기술을 통해 나노소재의 구조를 규명하고, 나노소재의 합성 및 반응 과정을 실시간으로 관찰하게 된다. 표면 화학반응 연구 그룹에서는 원자나 분자 수준의 표면 특성 관찰 기법을 개발하고 이를 통해 표면에서 일어나는 화학 반응의 메커니즘을 규명해낼 예정이다.

또한 화학반응 제어 및 메커니즘 연구 그룹에서는 실시간으로 화학 반응에 따른 변화를 관찰할 수 있는 기법을 개발하고 이를 통해 나노 환경에서의 화학 반응을 제어하는 기초 원리를 탐구하고, 나노물질 조립 및 제작 그룹에서는 나노 소재를 효율적으로 대량 합성할 수 있는 신공정 개발과 나노 촉매의 성능을 최적화할 수 있는 나노복합소재를 제조 연구를 추진한다.

IBS에 따르면 전체 16개 연구단 중 유 단장의 연구단만 조직 구성이 완료된 상태다. 유 단장이 이끄는 나노물질 및 화학반응 연구단은 유 단장이 이끄는 중심그룹과 연계해 자체 연구의 독립성을 갖는 연구 그룹 4개와 함께 유기적 조직을 구성하게 된다. 각 연구그룹에는 그룹리더 한 명과 박사급 연구원, 대학원생 등이 포함된다.

유 단장은 "내 역할은 연구를 잘 하는 것도 있지만, 그룹 리더들이 더욱 큰 과학자로 발돋움 할 수 있도록 도와주는 게 더 크다"며 "IBS 연구단의 목적이 기초과학의 발전도 있지만, 우리나라 기초과학을 이끌어 갈 후배 과학자 양성에도 큰 목적이 있다"고 말했다.

이어 그는 "젊은 과학자들에게 더 많이 투자해야 한다. 그런 면에서 볼 때 IBS가 방향을 잘 잡아 나가고 있는 것 같다"며 "고유의 연구 분야를 찾게 하고 10년, 20년씩 연구에 몰두하게 해야 한다. 우리나라에서 우리 과학자가 한 연구가 세계 최초, 세계 유일인 분야를 찾아야 한다"고 강조했다.

아울러 유 단장은 "다른 과학자들의 연구에 도움이 되고 나아가 인류 사회에 기여할 수 있는 연구 작품을 내는 것이 노벨상 수상보다 가치 있는 일이다"라며 "연구단장이 돼서 가장 보람 있는 일은 다른 과학자들을 도와줄 수 있다는 것이다. 젊은 과학자들의 모범이 돼서 우리나라 기초 과학을 발전시켰다는 소리를 들으면 좋을 것 같다"고 소회를 밝히기도 했다.

◆ 김은준 시냅스 뇌질환 연구단장, "시냅스 유전자로 정신질환 치료"

최근 '2013 포스코청암상' 수상자로 선정된 김은준 IBS 시냅스 뇌질환 연구단장. 그의 연구실에는 수상을 축하하는 화환으로 가득했다. '공부가 좋고 생명 현상이 궁금해서' 연구자의 길을 택했다는 그의 행보는 탄탄대로였다. IBS 연구단장으로 선정됐을 때도 그는 '꿈만 같다'고 소감을 밝힌 바 있다.

김 단장은 뇌지능 장애 연구 분야에서 인정받는 과학자로서 젊은 나이에 인정받아 지난 2011년 석좌교수로 임명됐다. 연구단 비전과 운영계획이 탁월하다는 평가를 받았으며, 최근에는 아동의 주의력 결핍 과잉행동장애를 발병시키는 유전적 요인을 네이처에 발표해 세계의 주목을 받은 바 있다.

그의 연구는 정실질환 기전에 대한 연구다. 정신질환은 정신 작용이 제대로 안 일어나는 것을 말하는데, 이것은 신경회로의 문제 즉, 시냅스에 문제가 있다는 것을 증명한다. 그가 시냅스에 올인하는 이유다. 실제 최근 예를 보면 시냅스 이상일 때 정신질환이 있다는 보고서들이 많다.

인간의 뇌에는 100조개가 넘는 시냅스가 있고, 유전자 1000여개로부터 만들어진 시냅스 단백질들이 그 기능을 조절한다. 지금까지의 연구는 주로 시냅스의 구조와 시냅스를 구성하는 단백질에 대해서만 이루어졌다. 시냅스의 기능 및 뇌질환과의 관련성에 대한 연구는 아직 걸음마 단계에 머무르고 있다.

김 단장이 이끄는 연구단의 목표는 시냅스 유전자 변형 생쥐를 이용하여 시냅스의 기능을 밝히고, 더 나아가 자폐, 아동주의력결핍 과잉행동 장애(ADHD), 정신분열, 정신박약, 정서장애 등의 뇌정신질환이 발생하는 핵심기전을 밝히는 것이다.

정신질환 연구도 그의 호기심 때문에 시작됐다. '왜'라는 질문을 늘 가슴에 담아두고 답을 찾기 위해 노력했다는 그는 아직까지도 연구를 처음 시작했던 때를 잊지 않고 있다.

"고등학교 때 꿈은 의사가 되는 것이었다. 그러나 좋지 않은 가정 형편 때문에 '빨리 돈을 벌어야겠다'는 생각에 교육기간이 짧은 약대에 진학했다. 그러나 대학 때 생화학 공부에 매료되면서 '과학자가 돼야겠다'는 생각을 굳히게 됐다."

김 단장은 특히 신경계에 작용하는 약을 접하게 되면서 자연스럽게 신경과학에 관심을 기울이게 됐다. 김 단장은 대학 3학년 때부터 본격적으로 KAIST 대학원 진학 공부를 했고 지금까지 연구자로서 외길 을 걸어오고 있다.

그가 학생들에게 강조하는 부분도 바로 이 점이다. 실험실 출석 체크를 하지 않는다는 김 단장은 "자율에는 책임이 따르는 법이다. 어린아이가 아닌 이상 다 아는 부분이다"며 "체크를 안해도 알아서 잘 한다. 스스로 하게끔 도와주고 싶다. 무엇보다 그 기반에는 호기심이 있어야 한다"고 말했다.

그의 목표는 정신 질환 영역에서 세계적인 연구 그룹이 되는 것이다. 시냅스 뇌질환 연구단의 연구 목표는 그의 목표와 일맥상통한다. 시냅스 뇌정신 질환의 핵심 기전 이해를 통한 약물 개발 기여가 그의 목표다.

김 단장은 "항상 환자의 치료를 염두에 두고 있다. 정신질환의 핵심기전을 밝히면 약물을 만드는 기반이 마련될 수 있을 것으로 기대한다"며 "핵심기전을 통해 좋은 약물이 나오면 환자들을 치료할 수 있다"고 말했다.

시냅스 뇌질환 연구단의 연구는 크게 5가지로 나눠진다. ▲시냅스 단백질 연구 ▲자폐와 ADHD 연구 ▲환자유래 신경세포 연구 ▲의사결정 연구 ▲일화적 기억 메커니즘 연구 등이다.

시냅스 단백질 연구는 시냅스 수용체 및 신경전달에 지대한 영향력을 행사하는 시냅스 접착 단백질이 어떤 뇌정신 질환과 어떻게 연관돼 있는지를 마우스 유전학 및 첨단 뇌신경 연구 방법으로 분석한다. 시냅스를 구성하는 뼈대이며, 시냅스 신호전달을 조절하는 토대인 시냅스 신호 핵심단백질을 마우스 유전학 및 첨단 뇌신경 기법을 이용해 뇌정신질환과의 상관관계 및 발병기전을 연구할 예정이다.

자폐는 적절한 사회성 형성에 영향을 미치는 'NMDA 수용체'의 기능성 조절을 통한 생쥐 실험을 통해 진행된다. 신경과 신호 전달의 이상 여부를 관찰하고 관련 행동 및 핵심 기전을 규명하는 데 연구의 방향이 설정된다. ADHD는 해당 시냅스 차단 생쥐의 뇌를 분석하고, 신경 흥분 정도를 조절하는 약물을 사용해 신경회로 탐색 및 ADHD 관련 행동의 회복 여부를 파악하게 된다.

시냅스 뇌질환 연구단의 조직은 연구단장과 그룹리더 총 5명으로 구성될 계획이다. 연구단장 및 그룹리더는 정신질환 세부영역 중 하나를 연구하며 동시에 다양한 연구 방법 중 한 가지에 대한 전문성을 가지고 있어야한다. 관련 장비 및 공간 인프라를 조기 구축하는 것은 물론, 전문가 활용을 극대화해 교내 다른 뇌과학 연구자들과의 활발한 협력을 진행한다는 방침이다.

그는 "현재 그룹리더 1명이 확정된 상태다. 3년에 걸쳐서 그룹리더들을 선정할 계획이다"며 "좋은 분들을 영입해 드림팀을 만들고, 본원 연구단인 신희섭 박사와의 시너지를 최대한 끌어올릴 수 있도록 할 예정이다"고 설명했다.

IBS 연구단은 그에게 꿈을 심어준 무대다. 김 단장은 "시냅스라는 연구 영역은 한 평생 연구해도 다 못 할 부분이다. 큰 영역에서 볼 때 100억이라는 연구비는 그렇게 큰 돈은 아니다"며 "그러나 우리나라 상황에서 볼 때 100억이라는 돈은 실로 큰 돈이다. 과학자의 입장에서 100억을 허투루 쓰지 않도록 연구 목표를 달성하기 위해 최선을 다할 생각이다"고 포부를 밝혔다.

◆ 장석복 분자활성 촉매반응 연구단장, "새로운 촉매화학 반응 개발"

유룡 단장은 그를 선비라고 표현했다. 조곤조곤한 말투에서 묻어나오는 연구에 대한 확실한 신념은 대쪽처럼 곧은 정신을 가졌던 조선시대 선비들의 그것과 같았다. 책을 사랑하고, 음악을 좋아했지만 과학을 버릴 수는 없었다는 장 단장. 그에게 있어 이번 IBS 연구단 활동은 연구에만 몰입하며 기초과학을 할 수 있다는 면에서 매력적이다.

"기초과학의 토대가 마련된 셈이다. 오세정 IBS 원장이 제일 처음 내게 한 말이 연구 실적에 대한 부담은 갖지 말고 정말 중요한 연구를 하라는 것이었다. 모든 방패막이 되어 주겠다는 뜻으로 들렸다. 부담을 갖지 말라고 했는데, 그때부터 책임감이 밀려들었다."

장 단장은 전이금속 촉매반응 개발 및 합성적용 분야의 세계적 권위자이다. 그가 연구하는 탄화수소는 천연가스의 주성분으로 석유고갈 이후의 시대에 필요한 화학원료물질을 제공할 수 있는 유력한 탄소공급원이다. 화학결합의 활성화를 통해 유용한 작용기를 도입하는 과정을 규명하고, 이를 이용한 응용연구를 수행하고 있는데 기초과학 연구를 통해 산업적 응용까지 가능할 것으로 평가된다.

장 단장이 쓴 논문은 2011년 미국 화학회가 선정한 '최근 3년간 가장 많이 인용된 논문 20편'에 선정되기도 했다. 장 교수는 새로운 형태의 촉매화학반응을 개발하는 것을 목표로 삼고 있다.

그는 "1900년대 초에 독일의 하버라는 과학자가 만든 반응이 지금까지 가장 큰 영향을 미치고 있다. 대기의 질소를 암모니아로 바꾸는 촉매 반응을 개발했다"며 "'하버 프로세스'라고 하는데, 그것 때문에 암모니아가 생산 될 수 있었다. 하버 프로세스가 나오게 되면서 인류의 3분의 1이 빈곤에서 해방됐다고 한다. 식량 걱정에서 탈출하게 된 셈이다. 그런 반응을 개발하고 싶다"고 말했다.

그의 말에 따르면 석유 자원은 연료로도 사용이 되지만 화학적인 측면에서 우리가 쓰고 있는 모든 것을 만드는 고분자 제품의 원료로도 사용된다. 고분자는 분자들이 많이 합쳐져 만들어지는데, 고분자의 원료 물질이 전부 석유의 정제 과정에서 나온다.

석유가 고갈 된다면 고분자로 만들어진 제품들을 사용 할 수 있는 길이 없어지는 셈이다. 장 단장은 "에너지 자원이 없어지는 것도 큰 문제지만 그것으로부터 얻어지는 물질을 얻을 수 없게 된다고 하면 심각한 문제가 아닐 수 없다"며 "전 세계 과학자들이 화학 원료 물질을 석유가 아닌 다른 것에서 만들어 낼 수 있는 방법들을 연구하고 있다"고 설명했다.

이어 그는 "현재까지 밝혀진 방법은 아주 기초과학 수준에 있을 뿐이다. 그게 응용이 되면 확장성을 가질 수 있을 거라 생각한다"며 "우리 연구단이 목표로 하고 있는 3가지 중 하나가 원료 물질을 만들 수 있는 방법을 개발해내는 것이다. 궁극적인 목표다"고 덧붙였다.

그의 연구단은 새로운 촉매화학 반응 개발 목표를 중심으로 진행된다. 반응성이 낮은 탄화수소의 탄소-수소결합 활성화 과정의 메커니즘을 규명하고 이를 이용해 새로운 형태의 촉매화학 반응을 개발하는 것을 목표로 삼고 있다.

탄화수소는 자연에 대량으로 존재하고 있으나 온화한 조건에서는 반응성이 낮아서 합성의 원료물질로 이용되기 어렵다. 이것을 극복할 수 있는 효과적이며 선택적인 촉매시스템의 디자인 및 합성을 통해 합성, 제약, 재료분야에 적용할 수 있는 강력한 화학반응 수단을 얻고자 한다.

연구단에서는 저 반응성 유기분자의 탄소-수소결합 활성화 과정에 대한 기초 원리를 우선적으로 규명하며 금속촉매가 이를 매개할 수 있는 조건과 시스템을 개발하고 있다.

이러한 촉매시스템을 천연가스의 주성분인 메탄 등의 탄화수소에 유용한 작용기를 도입하는데 적용해 화석연료를 기반으로 하는 기존의 화학 원료산업에서 탈피할 수 있는 혁신적 과학-기술적 진보를 이루고자 하는 게 목표다. 글루코스와 같이 대량으로 얻을 수 있는 바이오 화합물의 선택적 탈작용기화 촉매시스템도 개발할 예정이다.

"평가단에서 하나라도 잘하면 좋겠다고 했지만, 과학자로서 욕심이 생겼다. 일단 그만한 재원이 주어졌으니 목표도 크게 잡으면 좋겠다고 생각했다."

과학자라면 어떤 조건에서든 새로운 것을 추구하고 창조해야 한다고 말하는 장 단장. 그는 "일생에 대단한 것 하나만 발견해도 크게 성공한 것이라 생각한다. 99% 연구자들은 그 하나를 못 찾는다"며 "상상력이 중요하다. 과학자에게 있어 인문학적 소양이 필요한 이유다"고 강조했다.

그가 항상 학생들에게 강조하는 점은 '책을 읽어야 한다'는 것. 화학만을 공부해서는 새로운 것을 창조해낼 수 없다고 생각하는 그의 소신 때문이다. 장 단장은 "방학 때 남아서 연구하지 말고 책을 읽으라고 한다. 상상력은 문학적인 부분에서 많이 나온다"고 밝혔다.

IBS 연구단 선정은 그에게 있어 기회다. 단장으로서의 그의 역할은 그룹리더들과 연구자들이 좋은 환경에서 연구를 할 수 있도록 분위기를 조성해주는 것이라 믿고 있다. 일련의 활동을 통해서 최고의 연구 집단이 될 수 있다고 생각한다.

그는 "연구단을 통해 이루고 싶은 목표는 두 가지다. 우리 그룹이 최고의 연구 집단이 될 수 있도록 하는 것이 절대 절명의 과제다"며 "두 번째는 그룹 리더들이 향후 5년 뒤에는 각 분야에서 선두가 되게끔 하는 것이다. 좋은 동료와 함께 현재 갖고 있는 것을 많이 나눌 수 있는 기회를 가졌으면 하는 바람이다"고 말했다.

아울러 장 단장은 "기초분야에서의 창의적인 문제설정 및 해결을 가능케 하는 인적구성이 필요하다. IBS 연구단을 통해 학문적인 진보를 이룩하는 것과 더불어 실용적인 문제해결이 필요한 분야 및 연구진과의 협력연구도 중요할 것"이라며 "연구에서는 최고수준을 지향하는 한 편 인력양성에서도 창의적이고 독립적인 후속연구진을 배출하는데 노력을 기울이는 것이 필요하다. 소속된 학회에는 물론 대 사회적인 면에서도 IBS가 큰 기여를 할 수 있을 것"이라고 강조했다.