아미노산은 우리가 흔히 알고 있는 것처럼 우리 몸의 3대 영앙소 중 하나인 단백질의 기본 단위로, 중합 반응을 통해 단백질을 합성하고 합성된 단백질은 종류에 따라 각기 다른 기능을 수행합니다. 아미노산의 구조는 그림 1과 같은데, 중앙에 있는 탄소를 중심으로 수소 원자($\mathrm{H}$), 아미노기($\mathrm{-NH_2}$), 카복시기($\mathrm{-COOH}$), 곁사슬($\mathrm{R}$)로 이루어져 있습니다. 이때, 곁사슬인 $\mathrm{R}$로 어떤 것이 오느냐에 따라 아미노산의 종류가 결정됩니다. 아미노산의 대표적인 특징은 양쪽성 물질 Amphoteric Substances로 한 분자 안에 산성을 띠는 카복시기와 염기성을 띠는 아미노기가 동시에 존재한다는 것입니다. 이에 따라 아미노산은 자신이 존재하는 용액의 pH에 따라 구조를 변형시키먼서 산성 또는 염기성, 혹은 중성으로도 작용한답니다.
적정이란 모르는 물질의 농도를 이미 알고 있는 물질의 반응량을 측정하여 앙적 분석을 통해 알아내는 실험 기법입니다 여러분은 중화 반응을 이용한 산염기 적정을 통해 적정의 개념을 어느 정도 알고 있을 것입니다. 적정에는 앞서 설명드린 양쪽성 물질인 아미노산 또한 이용됩니다. 아미노산 적정을 이해하기 위해서는 우선 $\mathrm{pK_a}$에 대해 알아야 합니다. $\mathrm{pK_a}$란 산의 세기를 나타내기 위한 평형상수인 $\mathrm{K_a}$를 변형한 것으로, $\mathrm{K_a}$는 아래의 식으로부터 알 수 있듯이 물질로부터 수소 이온 $\mathrm{H^+}$이 얼마나 잘 떨어지는지를 나타내는 값입니다.


식을 보면 산의 세기를 뜻하는 $\mathrm{[H_3O^+]}$가 클수록 물질은 큰 $\mathrm{K_a}$값을 가집니다. 여기서 $\mathrm{K_a}$의 경우 단위가 커지면 사용할 때에 불편하기 때문에 편의를 위해 만든 것이 바로 $\mathrm{pK_a}$입니다. 산의 세기가 큰 물질일수록 작은 $\mathrm{pK_a}$값을 가지며, 이 관계를 수식화하면 $\mathrm{pK_a = -logK_a}$입니다.


위의 그림은 염산을 이용하여 산성을 띠게 한 글라이신 수용액에 수산화 나트륨을 조금씩 가하면서 $\mathrm{pH}$를 측정한 아미노산 적정 곡선인데요. 여기서 우리는 염기인 수산화 나트륨을 추가해도 $\mathrm{pH}$가 잘 변하지 않는 완충 구간들을 확인할 수 있습니다. 먼저 $\mathrm{pK_1}$ 구간은 산성을 띠는 카복시기에서 수소 이온이 떨어지는 과정이 일어나는 완충 구간으로, $\mathrm{pK_1}$의 값은 카복시기의 $\mathrm{pK_a}$값에 해당합니다. 그리고 $\mathrm{pK_2}$ 완충 구간에서는 염기성을 띠는 아미노기에서 수소 이온이 떨어지는데, $\mathrm{pK_2}$의 값은 염기성을 띠는 아미노기의 $\mathrm{pK_a}$값을 나타냅니다. 또한 두 구간에서는 $\mathrm{pH}$값과 $\mathrm{pK_a}$값이 동일한데, $\mathrm{pH}$와 $\mathrm{pK_a}$의 관계는 아래의 헨더슨-하셀바흐 식을 통해 알 수 있습니다.



성질에 따라 아미노산의 구조가 변하는 양상은 그림 3과 같고, 왼쪽부터 각각 양이온, 중성, 음이온 상태의 구조입니다. $\mathrm{pH}$가 $\mathrm{pK_a}$와 동일하기 위해서는 헨더슨-하셀바흐 식에 따라 우변의 두 번째 항이 0이 돼야 하기 때문에 짝산과 짝염기가 같은 농도로 존재해야 합니다. 이에 따라 $\mathrm{pK_1}$지점에서는 제일 왼쪽 구조와 가운데 구조가 1:1의 비율로 존재하여 물질의 알짜 전하가 0.5이고, $\mathrm{pK_2}$지점에서는 가운데 구조와 제일 오른쪽 구조가 1:1의 비율로 존재하여 물질의 알짜 전하가 –0.5임을 알 수 있습니다. 이때, 적정 곡선에서 확인할 수 있는 변곡점 중 가운데에 해당하는 지점이 분자의 알짜 전하가 0인 등전점이라 합니다. 등전점에서의 $\mathrm{pH}$는 아미노산의 종류에 따라 다르게 나타나기도 합니다.

지금까지 아미노산의 특징을 활용한 적정 과정을 분석해 보았는데요. 이번 글이 재미있었다면, 혹은 더 나아가 심화 내용이 궁금하다면, 생화학이나 세포생물학의 다른 부분도 공부해보는 것은 어떨까요?

덱스터 스튜디오는 아시아 최고의 기술력과 규모를 갖춘 VFX 부문을 중심으로 콘텐츠의 기획부터 촬영, 제작, 후반 작업까지 제작 전반을 담당하는 기업입니다. 많은 포스테키안 구독자분들이 VFX라는 단어에 대해 생소하실 것 같아요. VFX란 시각 효과Visual Effects의 줄임말로, 포괄적으로 동영상에 사용되는 모든 특수 효과를 의미합니다. 흔히 알고 있는 컴퓨터로 만들고 가공한 2D, 3D 그래픽 영상인 CGComputer Graphics 또한 VFX에 포함되는 개념입니다. 덱스터 스튜디오는 최근 기업의 주력 분야인 VFX뿐만 아니라 가상 현실VR, 증강 현실AR, 확장 현실XR 등 실감 미디어 분야까지 콘텐츠 제작 분야를 확장하며 메타버스 산업을 선도하는 글로벌 콘텐츠 기업으로 거듭나고 있습니다.

덱스터 스튜디오 내에는 VFX본부, 실감콘텐츠본부, 기술지원본부 등 여러 본부가 있습니다. 그중, 이번에 알턴십을 진행한 곳은 바로 기술지원본부에 속해 있는 R&D실입니다. 기업부설연구소이기도 한 R&D실은 국내 VFX 업계 최대 규모이며, 덱스터 스튜디오에서 제작하는 콘텐츠에 이용되는 기술들을 개발합니다. 한국의 컴퓨터 그래픽스 관련 기업으로는 유일하게 DigiPro, SIGGRAPH, SIGGRAPH Asia의 경쟁 부문에 출품하여 발표를 하는 등 우수한 기술력을 갖추고 있으며, 이러한 기술들은 VFX를 넘어 여러 실감 콘텐츠 분야에도 활용되고 있습니다. R&D실에서 개발한 대표적인 기술에는 동물의 털을 구현하는 프로그램 ‘Zelos’[링크] Zelos 시연 영상, 그리고 Zelos를 발전시켜 디지털 환경을 만들 수 있도록 한 프로그램 ‘ZENN’[링크] ZENN 시연 영상, 유체 시뮬레이션을 용이하게 해주는 ‘Zarvis’[링크] Zarvis 시연 영상 등이 있습니다.

R&D실에서는 사람들이 VFX 뿐만 아니라 홀로그램과 같은 실감 콘텐츠를 더욱 현실처럼 느끼게 하기 위해 다양한 장비를 이용하여 기술을 개발합니다. 저희는 그중에서도 볼륨메트릭 캡처 장비를 체험해볼 수 있었습니다. 이 장비는 60여 대의 모듈로 이루어져 있는데, 하나의 모듈은 카메라와 이를 구동하기 위한 프로그램이 장착된 컴퓨터와 스탠드로 구성됩니다. 스탠드 내부에는 신호선이나 전기선, 데이터가 오갈 수 있는 USB 케이블이 연결되어 있다고 합니다. 60여 대의 모듈은 반원을 그리며 위치해 있어 피사체를 동시에 여러 시점에서 촬영할 수 있고 이렇게 얻은 사진 데이터를 합쳐 3차원 디지털 데이터를 복원해 내는 것이 이 장비의 작동 원리입니다.

김현준 알리미가 피사체가 되어 촬영을 진행하고, 얻은 사진 데이터를 컴퓨터로 옮긴 뒤 제가 직접 프로그램을 구동해보았는데요. 특별한 종류의 데이터가 아닌 우리가 흔히 접할 수 있는 사진 데이터인데, 피사체를 다시점으로 동시에 촬영하여 프로그램에 넣으면 3D 모델을 얻을 수 있다는 점과 데이터를 처리하는 과정이 30여 초밖에 걸리지 않았다는 점이 신기했습니다. 저희가 만든 3D 데이터에서 불필요한 부분을 지우는 가공 과정을 거친 뒤 다른 시간의 3D 모델 영상과 연결하여 재생하면, 움직이는 3D 동영상을 제작할 수 있다고 합니다. 이렇게 실제로 덱스터 스튜디오에서 사용하는 장비를 체험해 보고 엔진을 사용해 보니 VFX 개발자가 된 것 같아 설렜고, 동시에 하나의 동영상을 만드는 데에 엄청난 노력과 시간이 필요하다는 것이 느껴져 개발자분들에 대한 존경심이 깊어졌습니다.

R&D실에서 장비를 체험한 뒤 로비에서 최완호 이사님과 인터뷰를 진행하는 시간을 가졌습니다. 이사님께서는 현재 덱스터 스튜디오의 CTO이자 R&D supervisor, 기술지원본부장, 기업부설연구소장으로, R&D와 IT 관련 부분을 총괄하고 계십니다. 이사님께 드린 다양한 질문 중 R&D실에서 개발된 기술을 이용하여 제작된 흥행작들을 볼 때의 소감에 대해 말씀해주신 것이 가장 인상 깊었습니다. <미스터 고>에서의 털 이슈[링크] <미스터고> showreel, <신과 함께>에서의 환경 이슈[링크] <신과 함께> showreel, <해적: 바다로 간 산적>에서의 바다 이슈[링크] <해적> showreel 등 영화를 할 때마다 새로운 문제가 발생했는데, 이것들이 한국 영화에서는 이전에 시도해보지 않았던 주제들이라 조언을 구할 곳이 거의 없어 작업을 할 때에는 정말 힘드셨다고 합니다. 고생 끝에 완성된 영화를 극장에서 보면 뿌듯하기도 하고 영화 마지막에 크레딧이 올라갈 때 이름이 포함된 걸 보면 세상에 흔적을 하나 남겼다는 생각이 든다고 말씀하시는 모습이 정말 행복해 보이셨습니다. 실제로 덱스터 스튜디오의 <미스터 고>에서 고릴라 ‘링링’을 만들기 위해 제작한 동물의 털을 구현하는 프로그램 ‘Zelos’는 아시아에서 최초로 개발한 프로그램입니다. 이렇게 새로운 것에 도전하고 노력해서 성공해내시는 모습을 보며 자극을 많이 받았습니다. 이사님과의 인터뷰 내용은 향후 공개될 영상에서 자세히 만나보실 수 있습니다!

덱스터 스튜디오는 홈페이지에 적혀있는 문구처럼 ‘상상이 현실이 되는 곳’이었습니다. 평소 컴퓨터 그래픽스와 컴퓨터 비전에 관심을 갖고 있었는데, 이번 기회를 통해 실제로 VFX에 사용되는 장비를 사용해 보고 데이터를 핸들링해 보는 것까지 직접 해볼 수 있어 뜻깊은 하루였습니다. 이뿐만 아니라 덱스터 스튜디오 내부를 구경하며 눈에 띄게 발전한 우리나라의 VFX 기술을 실감할 수 있었으며 컴퓨터공학의 길을 밟으신 이사님의 유익한 말씀 덕에 많은 것들을 배울 수 있었습니다. 이번 알턴십이 원활히 진행될 수 있도록 협조해 주신 모든 덱스터 스튜디오 관계자분들께 감사드리며 이만 글을 마무리하도록 하겠습니다. 덱스터 스튜디오에서의 생생한 알턴십 현장이 궁금하시다면 향후 포스텍 입학팀 유튜브 채널에 공개될 겨울호 알턴십 영상을 기대해 주세요!

코로나19를 일으키는 SARS-CoV-2 바이러스. 지금까지는 부검을 진행해야만 이 바이러스가 폐에 어떤 영향을 미치고 어떻게 질병을 일으키는지를 알 수 있었습니다. 그런데 최근 미국 듀크 대학의 세포 생물학자 푸루쇼타마 라오 타타 박사가 이끄는 연구진이 폐 오가노이드 Organoid를 이용한 미니 폐를 개발했다고 합니다!

실제 폐의 환경과 유사하게 실험실의 환경을 조성한 뒤, 바이러스의 공격을 받은 폐의 가장 깊은 부분을 복구하는 줄기세포인 상피 2형 폐포 세포 AT2를 성장시켜 폐포를 모방했다고 하는데요. 처음에 만들어진 미니 폐에는 소의 혈청 같은 인간으로부터 유래하지 않은 성분이 포함되어 있었지만, 듀크 대학과 협력하여 순수하게 인간으로부터 유래한 성분만으로 구성된 미니 폐를 개발할 수 있었다고 합니다.

이후 연구진은 노스캐롤라이나 대학의 연구진과의 협력을 통해 미니 폐에 SARS-CoV-2를 감염시킨 뒤 유전자 활동과 화학적 신호를 관찰했습니다. 그 결과 바이러스에 감염된 미니 폐의 세포들은, 주변 세포에 감염 신호를 알리는 인터페론을 생성한 뒤 스스로 사멸한다는 것을 확인했습니다. 그뿐만 아니라 미니 폐를 이용한 연구에서 인터페론의 활성도를 조절함으로써 바이러스의 복제를 늦출 수 있다는 것도 알 수 있었다고 합니다.

미니 폐가 호흡기 바이러스 연구에 더 널리 사용된다면 코로나19를 포함한 많은 질환의 치료법을 빠르고 효과적으로 찾을 수 있을 것이라 기대합니다.

여러분, 웨어러블 전자 기기에 대해 들어보셨나요? 웨어러블 기기가 만들어지기 위해서는 늘어났다 줄어들 수 있는, 연신성 Stretchability 전자 소자의 개발이 필요합니다. 하지만 아직 연신성 배터리와 연신성 인쇄 회로 기판을 결합한 전자 장치는 아직 만들어지지 않았습니다.

그런데 최근 포스텍 신소재공학과 정운룡 교수, 통합과정 공민식 연구팀과 포스텍 화학과 박수진 교수, 송우진 박사(현. 충남대학교 유기재료공학과 교수) 연구팀이 늘어나는 배터리를 바탕으로 한 늘어나는 전자기기 플랫폼의 제작에 성공했다고 합니다! 연구팀은 연신성 배터리가 들어가는 늘어나는 전자 장치를 제안했습니다. 기판으로 연신성 배터리를 사용하고 그 위에 회로를 인쇄한 뒤, 인쇄 회로판에서 외부와 내부 회로 또는 앞면과 뒷면의 회로를 연결하는 통로인 비아 홀을 통해 연결했는데요. 이렇게 제작한 연신성 인쇄 회로 기판을 물에 넣은 채 125% 변형을 가했는데도 LED가 안정적으로 작동되었으며 방수 기능 또한 확인할 수 있었습니다.

과거에는 회로와 배터리를 연결하기 위해 각각의 전원 장치들을 분리해야 했습니다. 하지만 이번 연구가 성공적으로 이루어지면서 회로와 배터리를 모두 얇은 필름 형태로 제작한 뒤 통합할 수 있다는 것을 증명할 수 있었습니다. 이를 활용하여 어떤 전자 기기가 만들어질지 기대가 됩니다!

기존의 인공지능은 빅데이터 기반의 방법론을 통해 지식을 학습한 뒤 사용자의 질문에 대해 응답해주는데요. 이 경우 전체를 통찰하지는 못한다는 한계가 있었습니다. 그런데 최근 한국전자통신연구원 ETRI은 인간의 기억 메커니즘을 흉내 내 스스로 지식을 절차적으로 학습할 수 있는 자율성장 복합지능 기술을 개발했습니다!

자율성장 복합지능은 언어와 영상 등 복합 지식을 절차적으로 학습하기 때문에 질문의 목적이나 대상이 애매하더라도 알아서 지식과 답을 찾아갑니다. 또한 데이터가 소량만 존재하더라도 스스로 지식을 학습하는 특징을 가지기 때문에 인간이 않은 것까지 학습하여 반영할 수 있기도 합니다. 연구진은 이 기술을 이용하여 패션 코디네이터 패션하우 Fashion HOW를 개발했습니다. 사용자가 TPO, 즉 옷을 입는 시간, 장소, 상황과 관련된 문장을 입력하면 패션하우는 사용자의 의도를 파악하여 관련 의상을 제시합니다. 이때 사용자의 추가 요청 및 피드백에 따라 다른 선택지를 제공하기도 합니다. 즉, 사용자와의 대화를 인공지능이 스스로 피드백한 뒤 이를 학습 데이터로서 반영하여 개인화가 가능하다는 것이죠. 이 점에서 다른 인공지능보다 뛰어나다고 할 수 있습니다.

ETRI는 세계 최초로 개발한 자율성장 인공지능의 개념을 널리 알리고 패션하우와 관련된 연구의 확산을 장려하고자 2020 ETRI 자율성장 인공지능 경진대회 [링크] 대회 홈페이지를 개최하였는데요. 자율성장 복합지능의 연구를 장려하여 이것이 더욱 다양한 산업에 활용되면 좋겠습니다.

지금까지는 세포를 관찰할 때 주로 현미경을 이용했습니다. 그런데 만약 우리가 세포 속으로 들어가서 세포를 관찰한다면 어떨까요? 영국 케임브리지대 과학자들과 3D 이미지 분석 회사인 Lume VR Ltd가 개발한 vLUME [링크] vLUME 홈페이지이라는 소프트웨어를 이용하면, 연구자들이 직접 세포 속으로 들어간 것처럼 관찰할 수 있다고 합니다!

케임브리지대 화학과 스티븐 리 박사는 생물학에서 일어나는 일이 3차원으로 발생한다는 것에 주목했는데요. 초고해상도 현미경을 통해 얻은 2차원 데이터를 가상현실을 이용해 시각화하고자 했습니다. 초고해상도 현미경에 대한 전문 지식을 가지고 있던 리 박사 팀은, 가상으로 존재하는 3D 세계인 공간 컴퓨팅과 데이터 분석 기술을 갖춘 Lume VR 팀과 협력하여 vLUME을 개발했다고 합니다! vLUME을 이용하면 가상현실 속에서 데이터를 시각화한 뒤 이용자가 실시간으로 데이터와 상호작용할 수 있어 문제에 대한 답을 찾는 시간이 줄어듭니다. 그뿐만 아니라 소프트웨어의 이미지 및 비디오 기능을 활용하면 자신이 발견한 것들을 전 세계 공동 작업자들과 쉽게 공유할 수 있다는 장점이 있습니다. 초고해상도 현미경으로부터 얻은 데이터가 복잡해서, 원래 과학자들이 이를 분석하는 데에 많은 시간을 들여야 했지만 vLUME을 이용하면 시간을 매우 단축할 수 있습니다.

vLUME을 이용하면 세포에 대한 데이터를 지금까지와는 다른 시각에서 바라볼 수 있어, 세포 내 네트워크와 관련된 새로운 아이디어를 얻을 수 있을 것이라 예상합니다.