리서치 솔루션 센터 3인 3색 인터뷰

주연만으로는 아무것도 할 수 없다. 주인공이 눈에 띌 수 있도록 받쳐주는 조연이 있어야 작품이 생동감있게 살아난다. 단번에 눈에 띄진 않아도 결코 빼놓고 작품을 말할 수 없기에 각종 영화제에서‘주연상’이나 작품을 총괄하는‘감독상’말고도‘조연상’을 지정해 뛰어난 조연을 치하하곤 한다. 현대 과학 연구도 그렇다. 연구자 혼자서는 진행할 수 없는 초대형 프로젝트가 대부분이다. IBS에서는 고가의 연구 장비를 잘 관리하고, 연구 효율성을 높이기 위해‘리서치 솔루션 센터’를 만들어 연구자를 지원한다.

▲ 리서치 솔루션 센터의 F3, 왼쪽부터 김환 선임기술원, 류범한 선임기술원, 허무영 책임기술원

리서치 솔루션 센터는 2020년 5월에 새로 신설된 조직이다. 이전까지 각각 별도로 운영하 던 본원 연구시설 조직을 묶어 효율적으로 연구를 지원할 수 있도록 만들었다. 현재 실험 동물, 데이터, 이미징 세 섹션이 운영되고 있다. 각 섹션은 여러 연구단과 긴밀하게 협력하 며 연구를 돕는 중이다. 각 섹션을 대표하는 기술원들을 만나 그들의 이야기를 들어봤다.

“윤리적이면서 성공적인 연구를 위해 시작부터 마침표까지 함께 한다” 실험동물 섹션 김환 선임기술원

실험동물자원시설은 2020년 9월부터 전체 운영에 들어간 생명과학 연구분야 지원 시설이다. 마우스(Mus musculus)를 기준으로 최대 6000케이지(3만 두)를 수용할 수 있다. 실험동물을 사육하고 관리할 뿐만 아니라 동물실험이 원활히 진행될 수 있도록 지원하고, 때로는 연구자를 대상으로 동물실험에 관련 한 교육을 하기도 한다.

김환 선임기술원은 동물실험시설의 관리자로, 동물실험과 관련된 전반적인 업무를 담당한다. 수의사라면 보통 동물병원에서 반려동물 진료를 보는 임상수의사를 생각하기 마련이다.

“본래 7년 정도 임상수의사로 일했습니다. 이전 직장에서 실험동물과 관련된 업무를 접했는데, 다양한 연구 분야에 매력을 느끼고 실험동물수의사로 일을 하고 있습니다.”

김 선임기술원은 실험동물의 건강과 복지 에 자문하는 것이 흥미로웠다고 말했다. 동물실험과 관련된 연구 분야가 다양한 것도 매력 포인트였다. 실험동물수의사로 전향한 뒤부터는 사육하는 동물의 건강관리뿐만 아니라 연구 시작과 끝을 함께하며 실험동물이 가는 곳은 어디든 따라다닌다.

“연구에 사용할 실험동물을 제공하는 데서 끝나는 것이 아니라 실험 후의 동물 상태를 확인하고 인도적으로 실험이 종료되는지 확인해야 합니다.”

동물실험은 어떤 미사여구를 사용하더라도 결국 인류를 위해 다른 생명을 이용하는 희생하는 일이다. 따라서 동물실험 과정이 윤리적으로 진행되는지 확인하는 것이 중요 하다. 실험동물 시설 관리자들은 이를 위해 다양한 방법으로 연구자를 지원한다.

우선 가장 중요한 것은 건강한 실험동물을 제공해야 한다. 기본적으로 SPF(Specific Pathogen Free, 특정 병원체가 없는) 시설로 운영해 실험에 영향을 줄 수 있는 병원체 감염사고를 예방관리한다. IBS에서는 이를 더 섬세하게 구분했다. SPF 구역을 중심으로 이보다 감염 관리를 더 엄격하게 하는 계통 보존 구역와 조금 완화된 수준에서 출입이 가능한 Semi-SPF구역으로 구분했다. 실험 목적에 따라 각 구역의 출입을 다르게 제한해 감염 위험을 최소로 낮췄다.

두 번째는 동물실험윤리위원회가 정하는 동물실험 가이드에 따라 연구의 시작은 물론 중간과 마지막까지 실험동물의 상태를 확인하며 관리한다.

“동물실험을 하려면 동물실험계획서를 작성해 동물실험윤리위원회에서 심의, 승인을 받아야 합니다. 실험이 시작된 뒤에도 계획서대로 실험이 진행되고 있는지, 실험하는 과정 에서 동물이 지나치게 고통 받는 것은 아닌지 확인하는 것도 제 일입니다. 인도적인 실험종료 시점을 제안하는 것도 중요한 일입니다.”

인도적인 실험종료 시점은 특별한 경우를 제외하고 동물이 사망할 때까지 실험을 하는 것이 아니라 고통과 통증을 경감시키기 위해 필요할 경우 신속하게 안락사를 시행하는 것 을 말한다. 식욕이나 기력이 없거나, 체중이 갑자기 감소하는 등 동물의 상태가 안 좋아질 때 권장한다.

마지막은 실험 중인 경우를 제외하면 동물이 항상 편안하게 지낼 수 있도록 쾌적한 환경을 제공한다. 마우스의 경우 케이지 하나에 최대 5마리까지만 사육한다. 온도와 습도, 조도는 물론 소음과 냄새 정도도 기준 이하가 되도록 철저하게 관리한다. 때로는 솜 같은 장난감을 넣어주는 행동풍부화 프로그램을 활용해 스트레스 정도를 낮춰주기도 한다.

연구를 성공적으로 진행하기 위해 각 연구단과 협력도 아끼지 않는다. 현재 동물실험을 가장 활발하게 수행하는 곳은 인지 및 사회성 연구단이다. 긴밀한 관계를 갖는 만큼 정기 적으로 운영협의회를 개최해 각 연구단에서 필요한 부분이 무엇인지 확인하고 있다.

연구자들의 요구에 맞춰 관리하는 실험동물의 종류를 늘릴 계획도 갖고 있다 현재는 마우스 만으로 운영되고 있지만 올해 안에 랫(Rattus novegicus)도 도입할 계획이다. 몸무게가 20~25g에 불과한 마우스보다 큰 랫(300g) 은 기초 연구 및 외과적 수술이 필요한 실험이 나 당뇨 모델 등에서 유용하게 쓰인다.

일반적으로 연구자들이 필요한 실험동물 “연구자들이 목표”을 반입해 관리하는 것 뿐만 아니라 원하는 실험동물을 직접 생산할 수는 없을까. 김 전임수의사는 현재는 일부 진행되고 있는 마우스 공급 업무를 IBS만의 노하우가 담긴 방향으로 발전시킬 수 있을 것이라 답했다.

“IBS는 기초과학 발전을 위해 만들어진 연구기관입니다. 특히 뇌과학이나 유전체교정, 단백질 신호전달 같은 분야에서 특화된 마우스를 타 기관에 공급할 수도 있을 겁니다.”

“연구에 딱 맞는 맞춤형 컴퓨팅 시스템으로 지원한다” 데이터 섹션 허무영 책임기술원

‘위이이이이이잉-’

슈퍼컴퓨터 ‘알레프(Aleph)’가 있는 전산실은 소음이 매우 컸다. 허무영 책임기술원은 알레프에서 발생하는 열을 식히기 위해 쿨러가 돌아가는 소리라고 설명했다.

“일반적인 전산실에서 한 랙에 들어가는 노드는 많아야 40개 정도입니다. 그러나 알 레프에는 190개 씩 들어가 있지요. 집적도가 높기 때문에 이 열을 관리하는 것이 아주 중 요합니다. 일반적인 쿨러가 아니라 수냉식을 사용합니다.”

수냉식 쿨러는 열을 액체로 흡수한 뒤 데워진 액체를 라디에이터로 냉각하는 방식이다. 본래 소음이 적다고 알려져 있는데, 그럼에도 옆 사람과 대화가 어려울 정도로 소음이 생기는 것 을보고 슈퍼컴퓨터가 얼마나 복잡한 연산을 하고 있는지 짐작할 수 있었다.

데이터 섹션은 알레프를 비롯해 연구에 필요한 각종 자원을 추천하고, 제공하는 역할을 한다. 허 책임기술원은 2017년 기후물리 연구단에 처음 합류했다가 알레프가 도입된 이후 본격적으로 알레프를 관리하는 업무를 시작했다.

“본래 통계물리학과 시뮬레이션을 전공했습니다. 기후물리 연구단에서 일하게 됐는데, 갔더니 정작 연구를 할 수 있는 컴퓨터가 부족했습니다. 직접 컴퓨터 자원을 구축하다보니 의외로 새로운 적성을 찾게 됐습니다.”

컴퓨터 자원은 단순히 알레프같은 하드웨어만 말하는 것이 아니다. 연구에 사용하는 소프트웨어, 이용 시간 등 컴퓨터로 작업을 할 때 필요한 모든 것을 ‘자원’이라고 표현한 다. 현대 과학 연구에서 컴퓨터 자원은 없어서는 안될 중요한 연구 시설이다. 특히 단숨에 어마어마한 계산을 할 수 있는 슈퍼컴퓨터는 연구자들이 꼭 사용하고 싶어한다.

“재료를 연구하는 분들은 양자역학적인 방법을 사용해 전자 구조를 계산하고 싶어합 니다. 분자생물학에서는 다양한 단백질 구 조를 가상으로 실험해보고 싶어하지요. 합성 유기물이 어떻게 반응할지도 계산할 수 있습니다. 해외에서는 우주론을 활용해 은하계 모형을 만들거나 할 때 슈퍼컴퓨터를 사용합니다.”

IBS의 알레프는 기후를 연구하는데 주로 쓰인다. 초고해상도 시뮬레이션을 통해 과거와 현재, 미래의 기후를 예측하는 모델을 만든다. 그 외에 초강력 레이저과학 연구단이나 복잡계 이론물리 연구단, 나노구조물리 연구단, 다차원 탄소재료 연구단 등에서 알레프를 애용하며 연구 중이다.

데이터 섹션에는 알레프만 있는 것이 아니다. 2020년에 구축한 ‘올라프(OLAF)’도 있다. 올라프는 대용량 데이터 분석허브로 간단한 계산을 단숨에 많이 할 수 있다. 다음 챕터에서 등장할 이미지 데이터를 분석하는데 아주 중요한 역할을 하고 있다.

“연구에서 필요한 계산이 무엇이냐에 따라 필요한 장비가 다릅니다. 기후 모델 같은 복잡한 계산은 CPU가 많이 집적된 슈퍼컴퓨터가 필요합니다. 반면 간단한 계산을 많이, 그리고 빠르게 계산하기 위해서는 GPU가 필요합니다. 대용량 데이터 분석이 필요할 때는 메모리가 가장 중요할 때도 있지요.”

상황에 맞는 컴퓨터 자원을 구축하기 위해 투자도 아끼지 않는다. 올라프에만 약 12억 원, 연구데이터를 저장하기 위한 스토리지에 약 13억 원이 들었다. 이렇게 저장된 연구 데이터는 장차 큐레이션을 통해 정리하고, 연구자들이 데이터를 공동으로 활용할 수 있도록 지원할 예정이다.

이보다 더 큰 목표도 있다. 알레프에 이은 슈퍼컴퓨터 2호기다.

“일반적으로 컴퓨터는 수명을 5년으로 봅니다. 5년이 지나면 유지보수비로 동일한 성능의 시스템을 구입할 수 있기 때문이지요. 2023년이면 알레프가 가동한지 5년이 됩니다. 2호기는 알레프보다 성능이 10배 정도 뛰어난 슈퍼컴퓨터로 계획하고 있어요.”

허 책임기술원은 사실은 알레프 도입 후 3년 차에 새로운 슈퍼컴퓨터를 도입하고 싶었다고 귀띔했다. 새로운 시스템이 들어올 때마다 소프트웨어나 연구데이터를 새롭게 맞추는 일이 까다롭기 때문이다. 3년차에 도입하는 방식은 미국에서 주로 쓰는 방식인데, 구형 컴퓨터와 신형 컴퓨터 두 대를 2~3년간 동시에 가동하며 내부 데이터를 차근차근 옮겨가는 방식이다.

그럼에도 허 책임기술원은 현실에 맞춰 연구자들을 최대한 지원하고 있다.

“우리나라에는 이미 뛰어난 연구자들이 많습니다. 적어도 이 연구자들이 장비(컴퓨터)가 없어서 하고 싶은 연구를 못하게 하는 일은 없도록 하는 것이 제 목표입니다.”

“빠르게 변하는 기술 트렌드에 발맞춘 cryo-EM으로 경쟁력 만든다” 이미징 섹션 류범한 선임기술원

구조생물학 연구는 최근 수년에 걸쳐 연구기법의 패러다임이 극적으로 변하는 중이다. 기존에는 방사광가속기에서 얻은 X-선 회절을 이용해 단백질의 결정 구조를 분석했다면 최근에는 초저온전자현미경(cryo-EM)으로부터의 이미지를 이용해 단백질의 구조를 파악하고 있다.

초저온전자현미경 연구기법은 2017년 노벨화학상의 주인공이기도 하다. 단백질이 녹아있는 수용액을 극저온으로 얼린 뒤, 전자현미경을 사용해 생리학적 조건 그대로의 단백질의 생김새를 살핀다. 류범한 선임기술원은 IBS에 자리한 초저온투과전자현미경(cryo-TEM)을 이용해 단백질 시료의 이미지를 촬영한 뒤 3차원 구조로 재현하는 일을 돕는다.

“cryo-EM은 발전 속도가 어마어마합니다. 해외에서 개발된 기술을 IBS에 있는 장비에 적용시키다 보면 어느새 또 다른 새로운 기술이 나와있어요.”

류 선임기술원은 이 분야의 발전 속도를 말하며 고개를 절레절레 저었다. IBS는 2020년 3월과 9월에 각각 200kV, 300kV급의 cryo-TEM 장비를 들여왔다. 특히 300kV cryo-TEM의 검출기에는 CDS(Correlative Double Sampling) 기술이 적용돼 있다. 연속으로 촬영한 이미지를 빠르게 비교해 필요한 정보와 불필요한 정보를 구분하고, 이를 통해 신호대 잡음비가 개선된 이미지를 만드는 기술이다. 처음 장비를 들여올 때까지만 해도 실사용에 문제가 있는 기술이었는데 고 작 몇 개월 사이에 적용이 가능해졌다. 실시간 전산처리 체계도 cryo-TEM 장비를 들여 와 구축하는 과정에서 본격적으로 일반화됐다. 덕분에 류 기술원은 밤낮없이 신기술들 을 적용하고 검증하는 것에 매달려야 했다.

“새로운 장비나 기술을 누구보다 빠르게 적용하고 결과를 내는 작업이 즐겁습니다. 제가 즐거워서 하는 일인데 결과적으로 다른 사람들(연구자)에게도 도움을 줄 수 있어요.”

일을 하는 것이 즐겁냐는 질문에, 류 선임기술원은 일반 연구자들과 달리 연구 성과와 상관없이 일할 수 있다는 것도 장점이라며 슬쩍 웃었다.

류 선임기술원이 처음부터 cryo-EM을 시작했던 것은 아니다. 박사 학위를 밟던 2015년, NRF-DAAD 주관 해외연수프로그램에 선정돼 독일 막스플랑크연구소 생화학부에서 연수를 받은 것이 계기가 됐다. cryo-EM 연구기법 개발 공로로 3명의 노벨화학상 수상자가 나온 것이 2017년임을 생각하면, 다소 빨리 cryo-EM 분야를 접한 셈이다.

cryo-EM으로 단백질의 3차원 구조를 얻는 과정은 대략 이렇다. 우선 단백질이나 세포 시료를 연구자가 준비해온다. 류 선임기술원의 역할은 여기서부터다.

이 시료를 초저온 시편 준비장치로 동결한다. 단백질 수용액으로부터 원치 않는 얼음결 정이 생기지 않도록 유리화 동결을 한다. 그 리고 투과전현미경을 이용해 촬영한다. 아주 간단하고 단순한 작업처럼 보이지만 단백질은 전자빔 데미지에 아주 취약하다. 일반 재 료과학에서 쓰는 것처럼 뚜렷한 이미지를 얻기 위해 강한 전자빔을 쓸 수 없다. 전자빔을 최대로 약화시켜 단백질 시료에 손상이 가지 않도록 촬영하는 것이 포인트다. 전자빔이 약 하기 때문에 노이즈가 심하고, 이를 극복하기 위해 수천~수만 장에 가까운 이미지를 촬영 한다. 이렇게 촬영된 이미지는 컴퓨터 프로그램으로 적절한 전산처리 과정을 거쳐 노이즈 가 심했던 2차원 이미지에서 고분해능 3차원 구조모델로 거듭난다. 이전 챕터에서 등장한 ‘올라프’가 바로 여기에 쓰인다.

최고 수준의 연구 장비를 구축하기 위해 해외의 여러 시설도 참고했다. 네덜란드의 국립 전자현미경센터 격에 해당하는 NECEN과 일본 오키나와의 연구기관인 OIST를 참고했다. 높은 가격대로 인해 보급율이 높지 않은 에너지 여과 직접전자검출기(K3 Bioquan- tum)의 운용화 최적화는 영국의 방사광가속기‘다이아몬드’에 있는 EM센터를 참고했다.

‘다이아몬드’는 2007년에 완공된 가속기로 영국에서 가장 규모가 큰 기초과학 시설이다.

이런 열정 덕에 2020년 11월부터 시범 서비스를 시작했음에도 벌써 60개가 넘는 시료를 받아 이미징 작업을 했다. 올해인 2021년 7월부터 시범 서비스기간 동안 축적한 노하우를 담아 정식 서비스를 시작할 예정이다. 류 선임기술원은“뛰어난 연구자들이 인적, 물적 인프라 부족으로 해외에 성과를 빼앗기는 경우를 여러 차례 봤다”며 “이런 안타까운 일이 없도록 충분한 지원이 있었으면 좋겠다”고 말했다.