생체분자론(이론)

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HL370a 생체분자론(이론)
과목번호 HL370a
학점/이론시수/실습시수 2/2/0
교과구분 교선필수
이학/공학
대분류 융복합
소분류
최초개설연도
교수자 남창훈
개설학년 3
개설학기 2
교재

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선수과목

개요

생체분자론은 생체를 생체의 기본 특징인 순환(circulation)과 상호작용(interaction)의 관점에서 살펴보고자 기획된 교과이다. 본 교과는 생체와 관련된 7가지 큰 질문에 대해 ‘답을 찾는데 필요한 배경지식에 대한 강의’, ‘관련 자료에 대한 발표’ 및 ‘답변 모색을 위한 토론’을 진행하는 방식으로 구성되어 있다. 본 교과에서 다루는 내용은 생화학을 기본 골격으로 하되, 미생물학, bioenergetics, 생물리학, 생태학 등이 접목되어 있다. 이는 주어진 질문들이 단순히 다양한 학제에서 주어지는 정보뿐 아니라 이와 관련된 문제의식을 종합하는 활동을 통해 답변될 수 있기 때문이다.

주차별계획

다루는 질문들(7 questions)

  • 1. 생명이란 무엇인가?

이 질문은 ‘생명이란 무엇인가?’라는 가장 고전적이며 본질적인 질문에서 출발한다. 따라서 ‘생명이란 무엇인가?’라는 질문으로부터 출발하여 그 속성을 보다 객관적으로 다루기 위한 인간의 다양한 노력은 어떻게 분류되고 상호 연관되는가를 살펴본다. 이 질문은 기존 생물학 분과 과목들이 어떻게 연관되고, 더 나아가 다른 물리과학과 어떻게 관계를 맺는지에 대한 질문으로 발전한다. 이러한 시야의 확장은 향후 생물학을 학습하기 위한 중요한 전제조건을 제공할 것이다. (자원자들이 해당 질문에 대한 읽을거리를 읽어 간단히 발제하거나 논점을 정리하는 과정을 거친다음, 다양한 분야에서 지니고 있는 관점을 통해 생명을 정의해본다. 수업에 참여한 학습자들은 각자 생각하는 생명의 의미에 대해 자유토론 과정을 통해 발표하고 논의하는 시간을 갖는다. 생명의 의미와 속성을 어떻게 생각하는지에 따라 생명을 이해하기 위해 무엇을 학습해야 할지 결정될 수 있다.)

  • 2. 생화학이 등장하기까지 생물학의 역사에서 가장 결정적인 순간은 언제인가?

생물학의 역사를 다루는 까닭은 생물학 내부 분과 학문이 분기되고 발전하는 과정이 지니는 역사적 함의를 살펴봄으로써 인간이 생물을 다루는 과정이 어떻게 발전하는지 구체적으로 살펴볼 수 있도록 하기 때문이다. 이러한 고찰은 생물학의 발전 과정에서 결정적인 순간이 언제였는지 각자 답해봄으로써 결국 생물학의 가장 핵심적인 본질이 어떻게 싹텄는지를 자문해보도록 할 것이다. 이러한 질문 대답 과정은 생물학의 과거를 탐색하는 것을 넘어서 그 미래를 예측하도록 하는 중요한 단초를 제공할 것이다. (자원자들이 해당 질문에 대한 읽을거리를 읽어 간단히 발제하거나 논점을 정리하는 과정을 거친다음, 생물학이 발생하는 과정에서 중요한 분기점들이 무엇인지 정리하고, 그렇게 정리한 근거에 대해 상호 논의한다. 이러한 논의는 생명이 무엇인지에 대한 판단과 맞물려 이후 학습할 내용이 지니는 의의에 대해 생각할 수 있는 단초를 제공한다.)

  • 3. 생체분자는 서로 어떻게 상호전환되는가?

Carbohydrates, 단백질, 지질 등의 생체 분자들이 서로 어떻게 상호작용을 하며, 상호전환을 하는지에 대해 크고 또렷한 시야를 확보하는 것은 생화학 학습의 중요한 밑거름이 될 것이다. 가령 “Why nature chose phosphates?”와 같은 질문은 생체분자에 대해 이해하면서 더 나아가 생명현상의 본질을 이해하는데 많은 시사점을 주는 질문이다. 이러한 질문에 답하는 과정을 통해 생체분자들 사이의 연관을 일단 큰 얼개로서 그리고, 이를 이후 이뤄지는 학습을 통해 보다 구체적이면서도 체계적으로 정리하는 단초를 제공하고자 한다. (3번 질문부터 자원자가 아닌 조별 선택에 의해 진행된다. 즉 학기 초에 편성된 조는 3번-7번 질문 (주차로는 10주차) 가운데 하나를 선택하고 해당 읽을거리를 미리 읽고 보고서의 형태로 제출한 다음 수업 중 발표를 하거나 토론을 이끌어야 한다. 이러한 발표 내지 토론이 이뤄진 다음 자유토론이 이뤄지며, 이를 정리하고 체계화하는 형식으로 강의가 이뤄진다.)

  • 4. 우리의 몸은 어떻게 순환하는가? (4주차)

인간의 신체는 자칫 고정된 정적인 사물체계로 이해되기 쉽지만 그 현상의 내부를 자세히 살펴보면 끊임없이 붕괴되고 재생되며 새로이 만들어지는 동적 평형 상태에 놓여 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 동적 평형(dynamic equilibrium) 상태를 물질 순환과 대사 과정을 잘게 나누어 살핀 후 이를 종합하는 과정을 반복하며 이해해간다. 순환과 대사 과정은 생화학의 가장 기본이 되는 내용이기 때문에 여기에 대한 전체 골격을 잡고 정확한 밑그림을 그리는 것은 이후 이뤄진 모든 학습의 기초가 될 것이다. 또한 개체로서의 생체는 생존에 필요한 다양한 속성을 보존하기 위해 항상성 메커니즘을 발동시킨다. 다른 한편으로 개체 내에서 끊임없는 변이가 벌어진다. 이처럼 서로 모순적인 두 가지 현상이 어떻게 공존하는지 살피는 것은 생체의 속성을 그 내부의 상호작용으로부터 이해하는 좋은 단초가 될 것이다. (4주차 동안 각 주마다 과제가 제시될 것이다. 이를 해결하기 위해 자료를 읽고 정리하여 답한 다음 이를 발표하거나 토론하는 형태로 수업이 시작될 것이다. 과제의 예를 들면 다음과 같다. “3주 동안 단식한 사람이 대사의 특징을 주차별로 비교 분석하라.”, “Glucose의 다양한 생성, 소멸 과정을 상호 연계시켜 종합적으로 소개하라.”)

  • 5. 우리 몸과 관련된 에너지는 어떻게 순환하는가? (2주차)

인체 내/외부의 물질 순환이 어떻게 이뤄지는가에 대한 고찰만으로는 생명현상을 충분히 이해하기가 어렵다. 이러한 과정이 지닌 열역학적인 의미를 제대로 이해해야 이러한 과정이 어떻게 가능한지를 원리적으로 파악할 수 있다. 열역학적 고찰은 곧 인체 내/외부에서의 에너지 흐름을 분석하는 것으로부터 시작된다. 인간을 비롯한 생명체가 놓인 계 속에서 어떻게 에너지가 발생, 전환하고 계 외부로 분산되며, 소멸하는지를 구체적으로 살펴봄으로써 이 질문에 다가갈 수 있다. (첫째 주에는 태양에너지로부터 제공된 에너지가 생태계 최종 소비자에게서 어떻게 사용되는지까지를 다뤄 생체들에서 벌어지는 에너지 순환 흐름을 총체적으로 살펴보는 시간을 가질 것이다. 두번째 주에는 생체 에너지와 관련된 여러 응용 연구의 사례를 다룰 것이다.)

  • 6. 생체 분자의 특징이 개체의 특징을 결정하는가? (2주차)

한 개의 세포 안에는 대략 2만 5천 종류의 단백질이 있고, 이들간 상호작용으로 알려진 반응은 3만 6천가지 이상이 알려져 있다. 세포가 이러한 복잡계임에도 불구하고 기존 생화학 연구는 단일단백질의 모양과 기능 및 특성 또는 두 가지 단백질 사이의 상호작용에 집중하여 분석하는 방식으로 이뤄졌다. 20세기 후반기부터 이러한 연구대상의 외연이 확장되고 거대 단백질체(proteome), 대사체(metabolome) 등의 규모에서 생체 내의 현상을 규명하는 연구가 시작되었다. 따라서 우리는 이로부터 단일생체분자의 특징이 어떻게 거대 개체의 특성을 설명하는데 유용하게 쓰일 수 있는지에 대한 질문을 할 시점에 이르렀다. 이러한 질문을 통해 생체 내 현상의 복잡성을 가늠하고, 개별 생체 분자에 대한 연구가 지니는 의미에 대해 제대로 다가갈 수 있을 것이다. (첫째 주에는 interactome의 개요에 대해 다루는 시간을 가지고, 두번째 주에는 개개 생체 분자 사이의 상호작용이 개체 수준의 특성, 질환 등과 상호연관되는 사례를 다뤄 그들 사이의 인과관계를 살펴볼 것이다.)

  • 7. 세포간 상호작용은 개체의 속성과 어떻게 연결되는가?

세포 한 개의 특징을 규명하는 세포생물학과 개체의 특성을 연구하는 생리학의 간극은 상당히 크다. 세포 한 개가 지니는 특성이 세포들이 모이면서 어떻게 바뀌는지 더 나아가 상당 규모 이상의 세포가 모이면서 새롭게 발생하는 특성이 무엇인지 살펴보는 것은 이러한 간극을 메우기 위해 우리가 던질 수 있는 질문이다. 요즈음 이러한 질문에 답하면서 등장하는 개념이 ‘창발성(emergent properties)’인데 이 개념의 의미와 한계를 동시에 짚어보는 것은 이 질문을 답하는 단초를 제공할 것이다. (물리, 화학에서 제시하는 창발성과 생물 분야에서 제기하는 창발성을 비교하는 가운데 생물 연구에서 창발성이 지니는 의미와 한계를 살펴볼 것이다.)

교과의 목적

  • 생체를 분자, 세포, 개체 등 특정 차원에 집중하여 살피는 대신 그것의 본질적인 특징으로부터 나온 질문을 단초로 살피는 까닭은 각 특정 차원이 제시하는 생체와 생명에 대한 이미지를 종합하는 교과 활동이 기초학부 고학년과정에서 필요하다고 판단했기 때문이다. 즉 이 과정을 통해 생체와 관련된 여러 학제들을 유기적으로 연관 짓는 과정을 통해 생명이 지닌 복합적이고 다면적인 면모를 이해하는 것이 이 교과의 목적이다.
  • 1. 이러한 이해를 바탕으로 생체의 본질을 바탕으로 생체에 대한 질문을 재구성하고 이에 답하고자 노력함으로써 생물학의 미래에 놓인 문제를 인지하고, 이의 해결을 위해 어떤 노력이 필요한지에 대한 단초를 파악할 수 있을 것이다. (문제 인지 능력)
  • 2. 동료학습자와의 역할분담 및 협업을 통해 자료를 분석하고 요약, 정리 발표하는 과정을 통해 협업 능력을 배양한다. (협업 능력)
  • 3. 분석한 문제와 질문이 여러 맥락을 통해 다양한 주제간 연관을 통해 재해석될 수 있다는 점을 이해함으로써 숨겨진 맥락을 통해 무관해 보이는 여러 소재와 정보를 연결 짓는 능력을 배양한다. (융합적 능력)
  • 4. 토론을 통해 자명해 보이는 결론을 지양하고, 매 단계 정리된 답변이 지니는 한계와 문제점에 대해 충분히 인지할 수 있는 능력을 기른다. (비판적 사고 능력)
  • 5. 여러 교과 활동을 통해 잠정적으로 종합된 결론을 도출하여 정리하는 능력을 배양한다. (문제 해결 능력)

평가방법

기타정보

읽기자료 :

  • 1. 에른스트 마이어, 이것이 생물학이다, 2016, 바다출판사 4장, 6장
  • 2. 어윈 슈뢰딩거, 생명이란 무엇인가?, 2007, 궁리
  • 3. 린 마굴리스, 도리언 세이건, 생명이란 무엇인가?, 2016, 리수 1장 생명이라는 영원한 수수께끼
  • 4. 쑨이린, 생물학의 역사, 2016, 더숲 3장-8장
  • 5. Lubert Stryer, Biochemistry, Chapter 8, 11, 12
  • 6. Westheimer FH., Why nature chose phosphates, Science, 1987, 235, 1173-1178.
  • 7. 닉 레인, 바이털 퀘스천, 3장, 4장
  • 8. Lubert Stryer, Biochemistry, Chapter 15, 23, 24, 27
  • 9. Schoenheimer R, Rittenberg D., The application of isotopes to the study of intermediary metabolism, Science. 1938 Mar 11; 87(2254):221-6.
  • 10. Schoenheimer R, The Investigation of Intermediary Metabolism with the Aid of Heavy Hydrogen: Harvey Lecture, January 21, 1937, Bull N Y Acad Med. 1937 May; 13(5):272-95.
  • 11. Lewis JD, Tollervey D., Like attracts like: getting RNA processing together in the nucleus. Science. 2000 May 26; 288(5470):1385-9.
  • 12. Jarosz D.F. et al., Protein Homeostasis and the Phenotypic Manifestation, Annu. Rev. Genet. 2010. 44:189–216.
  • 13. Lubert Stryer, Biochemistry, Ch17-Ch19.
  • 14. Sousa FL, Thiergart T, Landan G, Nelson-Sathi S, Pereira IA, Allen JF, Lane N, Martin WF, Early bioenergetic evolution. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2013 Jun 10; 368(1622):20130088.
  • 15. Scott K. Parks, Johanna Chiche and Jacques Pouysségur, Disrupting proton dynamics and energy metabolism for cancer therapy, Nature Reviews | CANCER VOLUME 13 | SEPTEMBER 2013 | 611-623
  • 16. Carmine Settembre, Alessandro Fraldi, Diego L. Medina and Andrea Ballabio, Signals from the lysosome: a control centre for cellular clearance and energy metabolism, Nature Reviews | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 14 | MAY 2013 | 283-296.
  • 17. M. Vidal, Interactome Networks and Human Disease, Cell 144, March 18, 2011.
  • 18. S Ulrich et al., A Human Protein-Protein Resource Interaction Network: A Resource for Annotating the Proteome, Cell, Vol. 122, 957–968, September 23, 2005.
  • 19. Havugimana P.C., et al., A Census of Human Soluble Protein Complexes, Cell 150, 1068–1081, August 31, 2012.
  • 20. Arne H. Smits and Michiel Vermeulen, Characterizing Protein–Protein Interactions Using Mass Spectrometry: Challenges and Opportunities, Trends in Biotechnology, 2016.
  • 21. Andrew C.A. Wan, Recapitulating Cell–Cell Interactions for Organoid Construction – Are Biomaterials Dispensable?, Trends in Biotechnology, 2016.
  • 22. Marc Kifschner and Tim Mitchison, Beyond Self-Assembly: From Microtubules to Morphogenesis, Cell, Vol. 45, 329-342, May 9, 1986.
  • 23. P Walde et al., Emergent properties arising from the assembly of amphiphiles. Artificial vesicle membranes as reaction promoters and regulators, Chem. Commun., 2014, 50, 10177
  • 24. Humphries J. D. et al., Emerging properties of adhesion complexes: what are they and what do they do?, Trends in Cell Biology, July 2015, Vol. 25, No. 7.
  • 25. Pernille Rørth, Fellow travellers: emergent properties of collective cell migration, EMBO reports VOL 13 | NO 11 | 2012.