화학 : 알갱이와 덩어리의 과학 서울대학교 화학부 김 성 근

Quiz. 다음의 화학 물질은 ? 1. 유기물을 태울 때 발생하는 무색, 무취의 액체 또는 기체 2. 비열이 매우 높으며 높은 온도로 가열하면 격렬하게 끓음 3. 고분자 물질의 합성 ( 축합 반응 ) 에서 발생하는 산업 폐기물 4. 온실 효과를 일으키는 물질 중 하나 5. 동위 원소를 포함하기도 하며 핵발전소에서 꼭 필요한 물질 정답 : 물 (H 2 O)

개 체 ( 알갱이 ) 집합체 ( 덩어리 ) 알갱이와 덩어리

I. 화학 : 알갱이의 과학 물질의 조성 화학결합 – 자연의 언어

“ 10 mm ”  1/100 머리카락 (100 마이크로미터 ) 세포 (1 마이크로미터 ) 탄소 나노튜브 (10 나노미터 ) 물분자 (0.3 나노미터 ) 1 마이크로미터 = 100 만분의 1 미터 1 나노미터 = 10 억분의 1 미터 거시계에서 미시계로

“ 물 ” (3 mm) 물 분자는 얼마나 작은가 ? x10 7 네로의 눈물 한 방울 안에 든 물 분자의 수를 세는데 전 인류가 1 초에 5 개씩 세어도 2000 년 걸림

물질의 순환 ( 循環 ) 숨 한 모금에 들어 있는 공기 분자의 수 = 지구 전체 대기 중 공기 분자의 수 = 지구 전체 대기 중 시저의 마지막 숨에 있던 공기 분자의 비율 = /10 44 = 1/10 22 숨 한 모금에 들어 있는 시저의 마지막 숨에 있던 공기 분자의 수 = x 1/10 22 = 1 (!) “ As you watch a sunset, you breathe some atoms exhaled by each human who has ever watched a sunset. As you read this page, you will breathe atoms breathed by Jesus Christ in his last breath on the Cross. A few deep breaths get you atoms from your mother giving birth, from yourself taking your first breath, and from the last breath of your own someday. ” E. Fermi ( )J. Caesar ( B.C.) “ 시저가 내 쉰 마지막 숨에 들어 있던 공기 분자 중 몇 개 (?!) 를 지금 내가 들이 쉬고 있을까 ? ”

물질의 조성 : 순도 ( 純度 ) 의 개념 실리콘 ( %) 유명 제약 회사의 약은 비싸지만 그만큼 효과가 더 좋을까 ? 탄산칼슘 (CaCO 3 ) 탄산마그네슘 (MgCO 3 ) 예 ) Generic drugs vs. Name brands 제산제의 활성 성분 증류수

진품과 “ 모조품 ” : 자연물질의 합성 택솔 (Taxol) 주목 (yew tree) 환자 1 인분 = 100 년생 나무 6 그루

신약의 개발 FDA 승인 첫 신약 탄생 … LG 생명과학 퀴놀론계 항균제 “ 팩티브 ” “ 미국 식품 의약청 (FDA) 의 승인을 받은 국산 신약이 처음으로 탄생 …” “ 한국의 근대적 제약 산업 100 년 사상 처음 …” “… 폐렴이나 만성 기관지염과 같은 호흡기 감염 질환에 효과가 있는 차세대 항균제 …” “ 경제 효과 연간 수백억에서 수조 원대 …” ( 회사임원과 개발진 )

분자의 합성 – 설계와 건축 camphor taxol

화학 결합 – 자연의 언어 C 4 H 10 C 8 H 18 C n H 2n+2 (n = 20~30) C 2 H 5 OH

a, b, n ban banana NBA … 음소단어원소분자 CHOCHO CH 4 C 4 H 10 C 8 H 18 C 2 H 5 OH C 5 H 10 O … 언어와 화학결합의 유사성 - 조합

“ 자연의 심오함과 미묘함과 아름다움에 대한 경외심 (Reverence for the Profundity, Subtlety, and Beauty of Nature)” 자연의 언어와 그 해독 “ I am a boy. ” “ 6CO 2 + 6H 2 O  C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ” 과학 = 숨겨진 자연의 비밀암호 해독법

II. 화학 : 덩어리의 과학 엔트로피와 엔탈피 상변화의 열역학 클러스터 : 작은 덩어리 C 60 과 나노 튜브 나노 물질과 나노 과학

엔탈피 (= 화학적 에너지 )

“Diamonds are forever”. 다이아몬드는 영원히 ? X ?

엔트로피 (= 무질서도 ) 물질의 확산

기체의 “ 뒤섞임 ” 현상

“ 자연스럽다 ” 는 것은 ? (1, 2, 3, 4, 5, 6) (3, 7, 9, 21, 28, 32) 개별 확률은 같다 !! 그러나 무질서한 조합 중에서 나올 확률은 훨씬 높음 ⇒ 자연은 무질서한 상태를 “ 선호 ” 하는 듯 보임

자연의 확률 논리 – 열역학 제 2 법칙 1 리터의 두 종류 기체를 섞었을 때 서로 섞이지 않고 같은 종류끼리 모여있을 확률은 ? (1/2) ≈ 3 x ,145,060 로또 1 등 당첨 확률 = = = 1000 …… 0 22 개 10 = 1000 …… 개 = 0 60 억 인구가 1000 권 씩의 책을 가지고 있고 각 책이 1000 페이지로 되어있으며 각 페이지는 1000 개의 음소로 이루어져 있을 때 원숭이가 임의로 자판을 두드려 지구 상의 모든 책을 “ 우연히 ” 완벽하게 재현할 확률 ⇒ C 6

“ 물 ” 과 “ 얼음 ” : 혼돈과 질서  G =  H – T  S  H : 엔탈피 변화,  S : 엔트로피 변화, T : 온도 ) 낮은 온도에서는 엔탈피가, 높은 온도에서는 엔트로피가 더 중요하게 됨 “Chaos”“Cosmos”

클러스터 : 작은 덩어리 초음속 팽창 좁은 속도 분포 ⇒ 낮은 온도 레이저 냉각

클러스터의 응용 : 광촉매 – “ 물에서 수소를 ! ”

광촉매 : “ 재생가능 ” 에너지 – 무한정 + 무공해 6CO 2 + 6H 2 O  C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 태양광 에너지 광합성 2H 2 O 2H 2 + O 2 태양광 에너지 광촉매 (TiO 2 등 ) 환경, 에너지, … C 8 H 18 + (25/2)O 2  8CO 2 + 9H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2  6CO 2 +6H 2 O 대사작 용 연소

C 60 (Buckminsterfullerene) Buckminster Fuller (1895 – 1983)

탄소 나노튜브

과학 : 예상할 수 없는 결과

나노물질과 나노과학 광학 현미경 전자 현미경 (SEM/TEM) 10  m STM 1 nm

깎아내기와 붙여나가기 : 조각과 조소 Top-downBottom-up

III. 응용 : 골치 아픈 화학으로 무엇을 할 수 있나 ? [ 한 가지 예 – 단일염기변이의 진단 ]

인간 다양성과 단일염기변이 (SNPs) 키, 피부색 성격 감기에 대한 저항력.. 키, 피부색 성격 감기에 대한 저항력.. vs. 30 억 개의 DNA 염기 중에 0.1% 의 유전적 차이가 인간의 다양성을 만든다. SNPs 는 인간 유전체에서 가장 흔한 유전적 변이 Silent SNPs (90 %) SNPs: Single Nucleotide Polymorphisms 5’…GGC GGAAT GCA …3’

미토콘드리아 DNA (mtDNA) 미토콘드리아 한 세포에는 여러 개의 미토콘드리아가 존재. mtDNA 의 경우 유전적 변이가 쉽게 일어남. 한 세포에는 여러 개의 미토콘드리아가 존재. mtDNA 의 경우 유전적 변이가 쉽게 일어남. Heteroplasmy : 정상 미토콘드리아 + 비정상 미토콘드리아

미토콘드리아 질병들 고혈압 당뇨 간질 치매 저호흡증 심기능저하 신장이상 시력 및 청력 상실 알츠하이머병 파킨슨 병 대부분의 미토콘드리아 질병들은 mutant mtDNA 가 특정 비율 이상이 넘기 전까지는 별다른 증후군을 보이질 않는다. 대부분의 미토콘드리아 질병들은 mutant mtDNA 가 특정 비율 이상이 넘기 전까지는 별다른 증후군을 보이질 않는다.

정량적인 SNPs assay 방법의 필요성 기존의 SNPs assay 방법들은 ~20% 수준까지밖에 heteroplasmy 를 탐지하지 못함 기존의 SNPs assay 방법들은 ~20% 수준까지밖에 heteroplasmy 를 탐지하지 못함 유전병의 조기진단 및 치료 범죄수사에 응용 (FBI)

3c-ALEX SNPs assay Color Distance S GR 0 1 S BR 01 S GR 0 1 S BR E BR 01 S GR 0 1 E GR 01 TA GC Target T Target A Target G Target C 5’…ATTTTATCTTTT GGCGGXATGCA…3’ 3’ TAAAATAGAAAA CCGCCYTACGT 5’ Mitochondrial DNA T414G SNPs

Summary 1. 인간 유전변이의 대부분의 원인인 SNPs 를 초고효율로 탐지 2. 미토콘드리아 질환처럼 초고감도 SNPs 탐지가 필요한 경우에 적용 3. 기존 기술에 비해 20 배의 고감도와 100 배의 고효율 4.21 세기의 “ 맞춤의학 ” 시대를 구현하는데 기여함 3c-ALEX SNPs assay

IV. 에필로그 : 실수, 실패, 발견, 그리고 노벨상

D. R. Herschbach (Chemistry, 1986)

R. E. Smalley, H. Kroto, and R. Curl (Chemistry, 1996) “The Cinderella Men”

K. Tanaka and J. B. Fenn (Chemistry, 2002)

K. Tanaka (Chemistry, 2002) MALDI TOF-MS

J. B. Fenn (Chemistry, 2002) electrospray ionization

Nobel Prize

“ 발견이란 다른 모든 사람들이 본 것을 보되, 아무도 생각하지 못했던 것을 생각해 내는 것이다. ” (“Discovery consists in seeing what everybody else has seen, and thinking what nobody else has thought.”) - Albert Szent-Györgyi von Nagyrapolt