브만사 인터뷰 연구자
생물학적 데이터의 가치를 최대화하기 위한 수학과 생물학의 만남
KAIST·IBS 김재경 교수
- 연구소개
- 생물학의 여섯 번째 혁명이 수학과 생물학의 만남이라는 견해에 대한 생각
- 수리생물학을 공부하게 된 계기
- 매번 프로젝트마다 새로운 공부를 해야 하는 수리생물학을 대하는 자세
- 가장 보람 있던 연구
- 연구에서 답이 보이지 않을 때 극복 방법
- '수학이 생명의 언어라면' 출간 계기
- 수리생물학을 배워보고 싶은 후배들에게 하는 권면
- 수리생물학의 최신 연구 흐름
- 요즘 최대 관심사는 무엇
영국의 수학자 이언 스튜어트는 ‘생명의 수학’이란 저서를 통해 ‘21세기의 생물학은 20세기가 시작할 때 누구도 상상하지 못했던 방식으로 수학을 활용하고 있다. 22세기가 되기 전까지 수학과 생물학은 서로를 알아볼 수 없을 정도로 변화시킬 것’이라고 말했다. 과학기술의 발전과 함께 생물학 분야에도 데이터양이 폭발적으로 늘면서 생물학과 수학의 결합은 점차 확대되고 있다. 우리나라에서도 수학으로 생명현상을 이해하려는 노력은 계속되고 있다. 그 가운데에 IBS 의생명수학그룹을 이끄는 김재경 CI가 있다. 생체시계, 신약 개발과 같은 생명과학 분야의 연구 데이터를 수학으로 분석해 주목을 모으고 있는 그는 수리생물학 분야에 대한 대중서를 출간하기도 했다. 수학으로 보는 생물학의 세계는 어떤지 김재경 교수를 IBS에서 만나 보았다. |
Q. 안녕하세요. 교수님의 연구를 소개해 주신다면?
안녕하세요. 저는 카이스트 수리과학과 교수이자 IBS 의생명수학그룹의 CI(Chief Investigator)이기도 한 김재경입니다. 저를 한마디로 표현하면 수학자인데요. 수학을 이용해서 푸는 문제는 의학과 생명과학 문제입니다. 그래서 수학과 생명과학, 의학의 교집합쯤에 있다고 생각됩니다.
저는 수학을 전공하면서 언젠가부터 수학이 쓸모 있으면 좋겠다고 생각했는데, 생명을 살리는 데 일조한다면 이것보다 쓸모 있는 게 있을까 생각해요. 수학으로 경제를 분석하는 분도 계시고 엔진을 만드는 데도 수학이 쓰이지만, 한 사람을 건강하게 만들고 삶의 질을 개선하는 이런 것보다 더 가치 있는 일이 있을까요? 의학과 생명과학이 그런 의미에서 가장 쓸모 있는 분야가 아닐까 하는 생각 때문에 저는 수리생물학을 하는 것 같아요.
Q. 수리생물학이란 분야가 최근 많이 언급되고 있어요. 이언 스튜어트라는 수학자는 생물학과 수학의 만남을 생물학의 여섯 번째 혁명이라고 표현하기도 했는데요. (현미경, 생물 분류법, 진화 이론, 유전자, DNA 구조 발견이 생물학의 5가지 혁명) 수리 생물학자 입장에서 어떻게 생각하시나요?
혁명이라는 표현까진 잘 모르겠지만 확실히 많은 걸 변화시키고 있는 것 같아요. 확실한 건 의학과 생명과학에 접근하는 방식이 많이 바뀌었어요. 혁명이라고 하면 그것 때문에 많은 것이 바뀌어야 하는 거잖아요. 생물학의 다섯 번째 혁명은 왓슨과 크릭이 DNA 이중나선 구조를 찾은 것인데, DNA 이중나선 구조 그 자체가 중요한 것이기도 하지만 그것 때문에 암을 완벽히 정복하거나 난치병 치료를 가능하게 하지는 못했어요. 그런데 왜 혁명이라고 부르냐면 그 덕분에 사람들이 DNA, mRNA, 단백질 이런 것을 분자 수준에서 보기 시작했기 때문이에요. 그런 의미에서 본다면 수학과 생명과학의 만남도 많은 것을 변화시키고 있다고 생각합니다. 요즘 생명과학 논문을 보면 수식이 꽤 많이 들어간 논문들이 있어요. 예전엔 생명과학 분야 논문에 수식 보기 쉽지 않았거든요. 미국 같은 경우엔 제가 학생 때인 10년 전에 NIH에서 생명과학 분야 연구자에게 Grant를 줄 때 수학이나 통계를 전공한 PI가 한 명은 무조건 들어가야 하는 조건을 만들기도 했어요. 당시 설명을 들으면서 되게 신기하다고 생각했거든요. 이젠 데이터를 방대하게 모으기만 하면 그 자체가 가치가 되던 시절은 끝난 것 같아요. 수학자는 그렇게 모든 방대한 데이터의 가치를 최대화해 주는 것이고요. 그게 생명과학에 수학이 필요한 이유라고 생각해요. 이런 변화들이 앞으로 생명과학 분야에 더 많아지면 또 다른 어떤 변화를 일으키지 않을까 생각해요.
김재경 교수는 수리생물학에서 수학의 역할은 방대한 데이터의 가치를 최대화해 주는 것이라고 말한다. [사진 = BRIC]
Q. 데이터의 가치를 최대화해 주는 것이 생명과학에 수학이 필요한 이유라고 말씀하셨는데, 대학에서는 수학 교육을 전공하셨어요. 어떻게 수리생물학을 공부하게 됐나요?
저는 학부 때 수학 교육을 전공하면서 수학으로 쓸모 있는 일을 해보고 싶다고 내내 생각했어요. 그러다가 수리생물학이란 분야를 알게 되었는데 굉장히 신선하게 느껴졌고 내가 생각해 오던 쓸모 있는 수학이란 생각이 들었어요. 대학원을 가게 된다면 이쪽을 공부해 보면 좋겠다는 생각이 들었는데 그때 당시 수리생물학이란 분야를 배울 수 있는 곳이 없었어요. 정보가 너무 없으니까 학교 도서관에 가서 먼저 책을 검색해 봤더니 제임스 키너(James Keener)가 쓴 수리생물학 교과서가 한 권 나와서 읽었더니 너무 재밌는 거예요. 거기에다가 미네소타 대학에 계신 이용남 교수님이란 분이 연구년을 서울대로 오셨는데 찾아뵙고 말씀을 나눌 기회가 생겼어요. 가서 수리생물학을 공부하고 싶다고 조언을 구했더니 수리생물학 분야가 미국에선 매우 핫한 분야라고 후회하지 않을 것이라고 말씀해 주셨어요. 직접 공부해 봤는데도 재밌고 미국에 계신 분이 좋은 선택이 될 거라는 얘기도 해 주셨고 이 정도면 해볼 만하다는 생각이 들어서 수리생물학을 전공할 수 있는 대학을 알아보고 미국 미시간대학교로 갔어요.
그런데 이 학교는 수리생물학을 전공하려면 생물학 점수가 필요했는데, 저는 대학 시절에 생물학 수업을 단 하나도 듣지 않았거든요. 고등학교 생물만 경험하고선 생물학이란 체계가 없고 그냥 외우기만 해야 하는 학문이라고 생각해 듣지 않았어요. 그러니 기초가 없어서 1학년 과목부터 듣기 시작했습니다. 박사 코스워크 동안 생명과학 key 과목 8개 정도 청강했는데요. 처음엔 무척 힘들었는데 제가 연구를 하면서 들으니까, 조금씩 체계가 보이더라고요. 수리 모델링의 관점에서 바라보니까 나름대로 법칙이 있고 규칙이 있더라고요. 물론 여전이 베이그(vague) 하긴 하지만 그래도 훨씬 재밌었어요. 저는 체계를 찾고 이론을 찾는 걸 좋아하는 사람이어서 과정은 힘들었지만 잘한 선택이었다고 생각합니다. 그리고 다채로운 문제를 풀 수 있어서 정말 적성에 맞는 일을 찾았다고 생각해요.
Q. 다채로운 문제를 풀 수 있는 것이 장점이기도 하지만 매 프로젝트마다 매번 새로운 걸 공부해야 하는 어려움도 있을 것 같아요. 그 과정이 힘들진 않나요?
맞아요. 그래서 어렵고 또 재미있어요. 그래서 저랑 같이 공동 연구하는 분들은 정말 자신의 연구를 잘 설명할 줄 아는, 그리고 인내심을 가지고 알려줄 수 있는 분들이에요. 저는 그분들에게 수학을 설명하고 미적분을 이해시켜야 하고, 그분들은 어려운 생명과학을 제가 이해할 수 있도록 해야 합니다. 그렇게 서로를 이해시키고 또 각자 공부하면서 공동연구를 진행해요. 수많은 케이스가 있지만 성공적으로 끝난 케이스들의 공통점은 연구자가 설명을 굉장히 잘한다는 겁니다.
저는 카이스트에 부임하면서 목표했던 게 매년 새로운 분야의 논문을 한 편씩 써보자는 거였어요. 처음 한국에 올 때 제 논문이 나온 생물학 분야는 딱 2개, 생체 시계랑 합성 생물학뿐이었어요. 그 이후 우리 연구실에 정말 많은 생물학 키워드가 늘었어요. 수면, 암, 약리학, 싱글셀 데이터 분석 등등 여러 분야가 추가됐어요. 그리고 이번에 새롭게 시작한 건 여성의 생리에 대한 키워드입니다. 피임과 불임을 어떻게 잘 해결할 수 있을까? 라는 물음에서 시작됐는데 굉장히 중요한 분야더라고요. 지금 하고 있는 프로젝트는 ‘정말 피임약을 21일간 매일 먹어야 하는가?’, ‘덜 먹으면 안 되나?’ 이런 문제를 분석해 보고 있습니다. 일단 시뮬레이션을 해보는 거고, 이 시뮬레이션이 나오고 좋은 공동 연구자분들이 계신다면 실험도 해볼 수 있는 거죠. 공동 연구의 문이 열려있습니다. 이미 연락하는 분들도 계시고 이렇게 열려 있다는 것도 우리 연구의 좋은 점 중에 하나라고 생각해요.
Q. 가장 보람 있었던 연구를 꼽는다면?
저는 연구 하나하나가 다 기억에 남는데요. 최근에 싱글 셀 데이터라는 것을 많은 연구자들이 쓰기 시작했어요. 단일 세포 단위에서 관찰하면 데이터양도 많고, 보는 것도 쉽지 않아서 돈이 많이 들어갑니다. 그런데 싱글 셀 데이터 분석을 하는 패키지들이 있는데 그 패키지의 공통적인 문제점을 찾았어요. 전처리 과정이 잘못된 것이었거든요. 그것을 찾고 더 좋은 수식을 사용하도록 해결한 것이 기억에 남습니다. 모든 생명과학자분이 당연하다고 옳다고 믿어왔던 것 중에 당연히 잘못된 것이 존재하고요. 수학자는 잘못된 것을 발견하는 데서 더 나아가 더 좋은 방법을 찾아서 알려주어야 한다고 생각해요. 왜냐하면 그분들이 얻은 데이터들의 가치가 손상되면 안 되니까요. 실험하는 분들은 열심히 실험하시고, 그분들이 귀하게 얻은 데이터의 가치를 잃지 않게 만드는 일이 저희 일이라고 생각해요.
Q. 잘못된 것 같은데 답이 보이지 않고 길이 보이지 않는 경우도 많잖아요. 연구 중에 앞이 보이지 않는 느낌이 날 땐 어떻게 극복하시나요?
당연히 답이 나오지 않은 때도 많죠. 생각해 보면 안 된다는 말은 예상한 대로 나오지 않았다는 뜻이기도 하거든요. 처음에 이렇게 하면 될 거로 생각했지만 예상대로 안 되는 것이 대부분입니다. 이 얘기는 뭘 시사하는 거냐면 이게 진짜 재밌는 문제라는 거예요. 왜냐하면 예상한 대로 나오는 건 보통 너무 쉬운 문제라는 것이거든요. 좋은 논문, 소위 말하는 High Impact에 갈 수 없어요. 그런데 우리의 예상과 달랐다 그러면 저는 우리가 좀 무식했구나, 이 분석을 한 우리를 포함해 전 세계의 모든 사람이 모르는 무언가가 있다는 거구나. 그러면 사실 큰 문제의 시발점이 되는 거죠. 실패할 수 있지만 큰 발견과 좋은 논문이 나오는 전조증상입니다. 당장 결과가 안 나와서 슬플 순 있지만, 진짜 재밌는 문제라는 거예요. 우리의 지식의 구멍을 확인한 거니까요. 그래서 정말 실패가 된 적은 아직은 없는 것 같아요. 오래 걸렸을지언정 결국 다 되긴 했습니다. 현재까지 중간에 포기한 프로젝트는 없어요.
다행히 우리 연구실은 하나만 집중해서 연구하는 게 아니어서 여러 개의 프로젝트를 함께 하고 있기 때문에 이게 조금 힘들면 잠깐 덮어뒀다가 다른 걸 해보고, 그러다가 랩에서 하는 저널 클럽에서 새로운 아이디어를 얻고 다시 다른 관점으로 들여다보면 보여서 다시 진행하기도 하고 그렇거든요. 그래서 보통의 실험실에서 하나를 가지고 집중해서 파고 들어가는 랩엔 적용할 수 있는 이론은 아닌 것 같아요.
실험 결과가 생각대로 나오지 않는다는 건 정말 재밌는 문제인 것이고, 좋은 논문이 나올 전조증상이라고 생각한다고 말하는 김재경 교수 [사진=BRIC]
Q. 수리생물학에 대한 애정이 상당하다는 게 느껴집니다. 최근엔 수리생물학에 대해 쉽게 이해할 수 있도록 한 ‘수학이 생명의 언어라면’이란 책을 쓰기도 하셨어요.
제가 책을 쓰게 된 계기는 크게 두 가지로 나뉘는데요. 첫 번째는 유튜브 <안될과학>이란 채널에 출연하게 됐는데요. 그 채널의 구독자들은 과학에 관심이 많은 분들인데도 수리생물학이란 분야를 굉장히 생소하게 생각하고 있다는 걸 알게 된 게 첫 번째 이유였고요. 두 번째는 창원에서 대중 강연을 하게 됐는데 신청자가 너무 몰려서 강의 장소도 확장하고 강의 회차도 늘려서 할 만큼 많은 분들이 방문했어요. 그 모습을 보고 이런 이야기를 들을 기회가 없는 분들도 많겠구나, 그래서 책을 써야겠다는 결심을 했습니다.
공부를 새롭게 해서 쓰는 건 불가능하겠다고 생각해서 내가 한 걸 담았어요. 그렇게 제가 한 주제들을 어떻게 풀어갔는지를 담다 보니까 연구자의 희로애락도 담겨 있고요. 어떤 우여곡절을 겪고 답을 찾기 위해 노력했는지가 솔직하게 담겼어요. 한 가지 재밌는 건 그러다 보니 수식이 책에 많이 담겼는데요. 이 책을 읽은 많은 대중이 앞부분은 따라갈 수 있었는데 나중엔 수식만 흐린 눈을 하고 슬쩍 넘겼다고 하셔서 수식 많이 넣은 것 반성하고 있습니다. (웃음) 학생들이 이 책을 읽으면 수학을 왜 배우는지 깨닫는 게 있을 거고요. 왜 배우는지를 알면 좀 즐거워질 수 있으니까요. 생명과학자들이 읽는다면 생명과학 분야 연구를 하면서 새로운 게 보일 수도 있고, 매너리즘에 빠졌던 연구를 새로운 방향으로 끌어갈 수도 있지 않을까 생각합니다. 내가 데이터 속에서 어려움을 겪고 있을 때, 어느 학교든 수학과는 있으니까요. 수학자에게 컨택을 해볼 수 있고 도움받으실 수 있는 작은 계기가 되길 바라고 있습니다.
Q. 수리생물학을 배워보고 싶은 사람들이 있다면 어떻게 하면 좋을까?
인턴 참여를 추천해 드리고 싶어요. 제가 IBS에서 의생명수학그룹을 시작한 게 3년이 넘었는데요. 제일 열심히 하는 것 중의 하나가 여름 인턴이랑 겨울 인턴 제도 운영입니다. 작년에 30명쯤 왔었고요. 해외부터 전국 각지에서 학부생들이 많이 왔어요. 수리생물학이란 분야는 접하기 어려우니까요.
저희 같은 경우엔 인턴십을 하게 되면 두 달 동안 여기와서 진짜 연구를 하게 됩니다. 다른 연구자를 돕는 일을 들러리처럼 하지 않고 모두 각자의 개인 프로젝트가 생겨요. 그리고 실제로 논문을 1 저자로 써요. 베이스도 모두 다른데 2/3 정도는 수학과 학생들이고 화학, 통계학, 공대 학생들도 있어요. 방학 기간 동안 연구소 와서 연구하겠다는 게 사실 일반적인 학생은 아니죠. 놀고 싶잖아요. 근데 그 소중한 방학 기간을 학부생이 여기에 와서 수리생물학을 해보겠다고 오는 걸 보면 좋기도 합니다. 아무튼 관심이 있는 학생들이 있다면 인턴십 프로그램에 참여해서 실제로 경험해 보는 걸 추천합니다.
Q. 수리생물학의 최신 연구 흐름은 어떤가요?
요즘 의학과 생명과학의 데이터컬렉션이 새롭게 만들어지는 경우가 있는데요. 우리 국민의 10%가 사용하고 있는 스마트워치와 같은 웨어러블 장치들이 많아지면서 생체에 관련된 정보를 오랜 기간 매일매일 컬렉션하는 게 가능해졌어요. 만약 웨어러블 디바이스가 없었다면 피실험자를 매일 불러서 4시간 패치를 붙이고 1년 동안 추적해야 하는데, 돈을 얼마나 주면 가능할까요? 엄청 어렵죠. 거의 안된다고 볼 수 있어요. 기존엔 불가능했던 데이터가 이젠 차곡차곡 모이고 있는데요. 지금까지는 볼 수 없던 정말 새로운 데이터가 그것도 방대하게 쌓이고 있는 거예요. 이 웨어러블 데이터를 어떻게 잘 이용해서 가치를 높여야 하는가 하는 게 하나의 큰 트렌드고요.
요즘 제가 집중하고 있는 것이 싱글 셀 데이터들인데요. 왜 싱글 셀이냐면 기존보다 훨씬 큰 데이터가 나옵니다. 방대한 양이고 생명과학자들이 한 번도 경험하지 못한 엄청나게 큰 데이터예요. 그럼 이런 것들을 어떻게 다룰 것인가 생각하면 수리생물학의 문제가 될 수밖에 없습니다.
마지막으론 제가 잘 모르는 분야긴 한데요. 퀀텀 바이올로지 이런 키워드도 요새 보이더라고요. 생명과학의 기술 발전에 따라 데이터와 함께 갈 수밖에 없는 것 같아요. 생명과학자들이 새로운 기술이 나와서 새로운 데이터를 만들면 기존의 평균 내고 분석하는 차원을 넘어서는 뭔가를 발견해 주면 좋잖아요. 그런 것들이 여기저기에서 시작되고 있다고 생각해요.
Q. 마지막으로 요즘 교수님의 최대 관심사는 무엇인가요?
2년 전에 새롭게 시작해서 올해 논문으로 나온 분야가 싱글 셀이라면, 작년에 새롭게 시작한 분야는 조울증이거든요. 논문 투고도 했고 후속 연구도 하고 있어요. 알면 알수록 가치 있는 일이라는 생각도 들고 정말 재밌어요. 조울증 환자들은 일상생활을 하다가 갑자기 우울증이나 조증이 발현된다는 어려움을 가지고 있어요. 미리 예측할 수 있다면 약물과 같은 조치를 미리 할 수 있으니까, 일상생활을 살아가는 데 도움이 되겠죠. 우리 연구실에선 그걸 미리 예측할 방법에 대해 연구했습니다. 현재 알고리즘 개발은 끝이 났고 논문은 revision 중이라 곧 출판될 것 같은데 굉장히 정확하게 예측이 가능합니다. 다만 실제로 환자에게 적용했을 때 효과가 있는지 확인해 봐야 합니다. 다행히 호주 수면 학회를 다녀왔는데요. 호주에서 지금까지 모은 모든 데이터를 제공해 주시겠다고 해서, 한국인뿐 아니라 다양한 인종의 데이터도 얻을 수 있어서 이 분야에 대한 기대가 큽니다. 특히 미리 조울증에 대한 초치할 수 있게 된다면 조울증 환자들이 일상을 살아갈 수 있게, 그래서 그들을 행복하게 만들어 주는 거잖아요. 제가 처음 이 일을 시작했을 때는 사람들을 건강하게 만들어주는 게 목표였는데 이제 그걸 넘어서서 행복하게 만들 수 있는 거니까 이 정도면 이 일을 너무 잘 선택하지 않았나 하는 생각이 듭니다. 그리고 저랑 같이 일을 하는 사람들, 또 함께 공동 연구를 제안하는 분들에 의해 새로운 연구 분야가 생기고 저의 길들이 결정되는 것 같은데요. 앞으로도 언제까지 일지 모르겠지만 매년 새로운 분야에 도전해 가면서 재밌게 연구할 수 있길 바랍니다.
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김재경 IBS·KAIST 교수
Education
2008-2013 Ph.D. Applied and Interdisciplinary Mathematics, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA
2001-2005 B.Ed. Bachelor of Mathematics Education, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea
Academic Appointment
2018-Present Associate Professor, Department of Mathematical Science, KAIST, Daejeon, Korea (Assistant Professor 2015-2018)
2021-Present Chief Investigator. Biomedical Mathematics Group, IBS, Daejeon, Korea
취재 : 생물학연구정보센터 박유미
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